JP2016506460A - Carbon fiber manufacturing method - Google Patents
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Abstract
以下の工程、すなわち、−少なくとも一つの前駆体を提供すること、−前記少なくとも一つの前駆体を機械的に安定化させること、−機械的に安定化された前駆体を、少なくとも一つの前駆体を少なくとも一つの炭素繊維束に変換するために、少なくとも一つの熱処理装置に続いて導入することを副、炭素繊維束を製造するための方法、ならびに−少なくとも一つの酸化オーブン（１２）、および−前駆体（１４）を炭化し、炭素繊維束（１１）を形成するための炭化装置（１６）を含み、ここで、酸化オーブン（１２）に導入される前駆体（１４）を機械的に安定化するための安定化装置（１６）が、少なくとも一つの酸化オーブン（１２）の上流に接続されることを特徴とする炭素繊維束を製造するための装置に関する。The following steps:-providing at least one precursor;-mechanically stabilizing said at least one precursor;-at least one precursor of mechanically stabilized precursor To convert at least one carbon fiber bundle, followed by introduction to at least one heat treatment apparatus, a method for producing the carbon fiber bundle, and at least one oxidation oven (12), and A carbonization device (16) for carbonizing the precursor (14) to form a carbon fiber bundle (11), where the precursor (14) introduced into the oxidation oven (12) is mechanically stable The invention relates to an apparatus for producing a carbon fiber bundle, characterized in that a stabilization device (16) for converting is connected upstream of at least one oxidation oven (12).
Description
本発明は、炭素繊維の製造方法およびその製造装置に関する。 The present invention relates to a carbon fiber manufacturing method and a manufacturing apparatus therefor.
炭素繊維−または炭素ファイバーもしくはカーボンファイバーとも称される−は、あらゆる種類のプラスチック部品を強化するために使用される。特に航空分野において、しかし更に大規模には自動車産業においても、この材料は、特に軽いにもかかわらず非常に頑丈な部品を作り出すために使用される。 Carbon fiber-or also called carbon fiber or carbon fiber-is used to reinforce all kinds of plastic parts. Especially in the aviation field, but even more extensively in the automotive industry, this material is used to create parts that are very sturdy despite being particularly light.
炭素繊維の製造は、複雑なプロセス連鎖で行われる。ごく簡単に言うと、製造プロセスはいわゆる「前駆体」を得ることで始まるが、この前駆体は、炭素繊維の本来の製造プロセスのための出発材料として使用され、通常は織編用糸を表し、この織編用糸は多数の単フィラメントを含む。前駆体は、前駆体製造者により製造され、そして、その製造の後、通常は、炭素繊維の製造のための加工に移すために、輸送スプールに巻取られる。 Carbon fiber production is performed in a complex process chain. Very simply, the manufacturing process begins with obtaining a so-called “precursor”, which is used as a starting material for the original manufacturing process of carbon fibers and usually represents a knitting yarn. The woven and knitted yarn includes a number of single filaments. The precursor is manufactured by a precursor manufacturer and, after its manufacture, is typically wound on a transport spool for transfer to processing for the production of carbon fibers.
特に製造ラインにおいて炭素繊維の製造における加工が行われ、そして炭素繊維の製造における加工は、前駆体の酸化処理を含む。これに関して、最初に、前駆体が輸送スプールから巻き取られ、これについで前駆体はオーブン（酸化オーブン）中での第１の熱処理を経るが、このオーブン中で前駆体は交互に、加熱され、次いで冷却される。次に、この前駆体に、いわゆる「炭化」の範囲で、１６００〜１９００℃の温度で第２の熱処理を施し、化学反応により前駆体から炭素繊維束を得る。 In particular, processing in the production of carbon fibers takes place in the production line, and the processing in the production of carbon fibers involves an oxidation treatment of the precursor. In this regard, the precursor is first wound up from the transport spool, and then the precursor undergoes a first heat treatment in an oven (oxidation oven), in which the precursor is alternately heated. Then it is cooled. Next, the precursor is subjected to a second heat treatment at a temperature of 1600 to 1900 ° C. within a range of so-called “carbonization” to obtain a carbon fiber bundle from the precursor by a chemical reaction.
前駆体の製造において、いわゆる「もつれ」、すなわち前駆体の単フィラメントの「渦巻き」（Ｖｅｒｗｉｒｂｅｌｕｎｇ）を生じる。この際、通常は、良好な加工性のために前駆体を機械的に安定化させるために、単フィラメントの多くの並行した配置はお互いに「渦巻い」ている。単フィラメントの「渦巻き」の度合いは、炭素繊維の製造における安定的な加工性に大きな影響を与え、したがって、炭素繊維とそれにより製造される製品にとって重要な影響を与える要因となる。 In the production of the precursors, so-called “entanglement”, that is to say a single filament “swirl” of the precursor, is produced. In this case, usually many parallel arrangements of single filaments are “vortexed” to each other in order to mechanically stabilize the precursor for good processability. The degree of single-filament “swirl” has a significant impact on the stable processability in the production of carbon fibers and is therefore a significant factor for carbon fibers and the products produced thereby.
そのために、製造の際、およびそれに続く輸送スプールへの巻き取りの際、および、炭素繊維の製造における前駆体製造者によるパッキングと輸送の際の前駆体の複数の操作にも関わらず、機械的な安定性を可能な限り得るための多くの試みがなされている。その目的は、機械的安定性の効果を打ち消すことなく、炭素繊維の製造において安定的な加工を可能とすることである。 To that end, despite the multiple operations of the precursors during packing and subsequent packing on the transport spool and during the manufacture and packing by the precursor manufacturer in the production of carbon fiber, mechanical Many attempts have been made to obtain as much stability as possible. Its purpose is to enable stable processing in the production of carbon fibers without negating the effect of mechanical stability.
巻き取られた前駆体からの炭素繊維束の製造のための炭化工程における、後の巻き出しと供給においても同様のものが有効である。 The same is effective in the subsequent unwinding and feeding in the carbonization step for producing the carbon fiber bundle from the wound precursor.
特に前駆体製造における多数の加工パラメータにおいて、および、上記の加工工程における機械的必要性において、炭化工程における導入の際の残余の機械的安定性の度合いは重要な役割を示す。 The degree of residual mechanical stability upon introduction in the carbonization process plays an important role, especially in a large number of processing parameters in the production of precursors and in the mechanical need in the above-mentioned processing process.
したがって、本発明の課題は、炭素繊維の製造工程を単純化すること、および、前駆体の機械的安定性の改善である。 The object of the present invention is therefore to simplify the production process of carbon fibers and to improve the mechanical stability of the precursor.
この課題は、請求項１による方法および請求項４の特徴を有する装置によって解決される。
それによれば、次の工程、すなわち、
−少なくとも一つの前駆体を提供すること、
−前記少なくとも一つの前駆体を機械的に安定化させること、
−機械的に安定化された前駆体を、少なくとも一つの前駆体を少なくとも一つの炭素繊維束に変換するために、少なくとも一つの熱処理装置に続いて導入することを
含む炭素繊維束を製造方法が提供される。
This problem is solved by the method according to claim 1 and the device having the features of claim 4.
According to it, the next step, namely
-Providing at least one precursor;
-Mechanically stabilizing said at least one precursor;
A method for producing a carbon fiber bundle comprising introducing a mechanically stabilized precursor subsequently into at least one heat treatment device to convert at least one precursor into at least one carbon fiber bundle; Provided.
したがって、一つか二つ以上の前駆体には、第一に、機械的安定性が付与され、一つか二つ以上の熱処理装置に導入される。同じ製造ライン内において、両方の工程を互いに近接して続いて、成功裏に実施する、と理解できる。このように、一方では、熱処理装置中において十分な機械的安定性を与えられるように前駆体を導入されることができ、これにより、後の炭化のために準備できる。 Accordingly, one or more precursors are first given mechanical stability and introduced into one or more heat treatment apparatus. It can be seen that both steps are carried out in close proximity to each other and carried out successfully within the same production line. Thus, on the one hand, precursors can be introduced so as to provide sufficient mechanical stability in the heat treatment apparatus, thereby preparing for subsequent carbonization.
特別な利点としては、機械的安定化およびそれに続く、前駆体の導入、後に個々に加工工程が後に続く、工程の組合せを適応させることができることである。その製造において場合によっては行われる前駆体の前処理とは別に、機械的安定化の条件が適切に調整され、そして場合によっては変化させ、それにより、後の工程と製品の品質に関して、必要に応じ制御でき、目的に応じて適応させることができる。したがって、前駆体の製造においては機械的安定化を行わなくてもよく、または、その代わりに、すでに行われている安定化を、その後に、調整し、改善することもできる。 A special advantage is that it is possible to adapt a combination of processes, followed by mechanical stabilization and subsequent introduction of precursors, followed by individual processing steps. Apart from the pretreatment of the precursor that is sometimes carried out in its production, the conditions for mechanical stabilization are appropriately adjusted and sometimes changed, so that it is necessary for the later process and product quality. Can be controlled according to the purpose. Thus, mechanical stabilization may not be performed in the production of the precursor, or alternatively, stabilization already performed can be subsequently adjusted and improved.
加熱処理装置としては、例えば、前駆体の酸化のための一つまたは二つ以上の酸化オーブン、および／または、前駆体の炭化のための少なくとも一つの炭化装置が挙げられる。 Examples of the heat treatment apparatus include one or more oxidation ovens for oxidation of the precursor and / or at least one carbonization apparatus for carbonization of the precursor.
ある実施形態例によれば、前記提供の工程が、少なくとも一つのスプールからの少なくとも一つの前駆体を巻き出すことを含む。すなわち、前駆体が製造するためのスプール上に提供され、続いてスプールから巻き取られ、そして、前駆体が酸化オーブン中で酸化されるか、炭化装置中で炭化される前に、その後の安定化工程にかけられる。 According to an example embodiment, the providing step includes unwinding at least one precursor from at least one spool. That is, the precursor is provided on a spool for manufacturing and subsequently wound up from the spool and then stabilized before the precursor is oxidized in an oxidation oven or carbonized in a carbonizer. It is subjected to the conversion process.
好ましくは、前記機械的安定化の工程を、少なくとも一つの熱処理装置への続く導入の前にすぐに行うことができる。ここで「すぐに」とは、空間的および時間的に直接的に連続する工程列と理解され、前駆体の処理をするための本質的な中間工程は意図されない。自明のことであるが、これにより、前駆体のその間の方向転換が不可能となるわけではない。 Preferably, the mechanical stabilization step can be performed immediately prior to subsequent introduction into at least one heat treatment apparatus. Here, “immediately” is understood as a sequence of steps that are directly and spatially and temporally continuous, and is not intended as an essential intermediate step for processing the precursor. Obviously, this does not make it impossible to turn the precursor between them.
他の実施形態例においては、機械的安定化の工程が、前駆体の単フィラメントを渦巻くことを含むことができる。単フィラメントを渦巻くことにより、例えば、空気の噴出によって、−すでに示されているように−、前駆体の品質を変化させることができる。特に、前駆体の渦巻かない単フィラメントと比較して、渦巻くことにより炭素繊維束の製造においてより安定的な加工性を可能とする。さらに、繊維加工工程において得られた炭素繊維束においてより改善された加工性、および、マトリックスの注入におけるより改善した注入挙動を与える。 In other example embodiments, the mechanical stabilization step can include swirling the precursor monofilament. By vortexing the single filament, the quality of the precursor can be changed, for example by air blasting-as already shown. In particular, more stable processability in the production of carbon fiber bundles is possible by swirling as compared to a single filament that does not swirl the precursor. Furthermore, it provides better processability in the carbon fiber bundles obtained in the fiber processing process and better injection behavior in matrix injection.
したがって、上記の方法によって、酸化オーブンの導入の前が非常に簡便になり、そして、所望の方法において、製造される炭素繊維束の後の品質に影響を与える。 Thus, the above method makes the introduction of the oxidation oven very simple and affects the quality after the carbon fiber bundle to be produced in the desired way.
さらに、炭素繊維束を製造するための装置であって、
−少なくとも一つの酸化オーブン（１２）、および
−前駆体（１４）を炭化し、炭素繊維束（１１）を形成するための続く炭化装置（１６）を含み、
ここで、酸化オーブン（１２）に導入される前駆体（１４）を機械的に安定化するための安定化装置（１６）が、少なくとも一つの酸化オーブン（１２）の上流に接続されることを特徴とする装置に関する。
Furthermore, an apparatus for producing a carbon fiber bundle,
Comprising at least one oxidation oven (12), and a subsequent carbonization device (16) for carbonizing the precursor (14) to form a carbon fiber bundle (11),
Here, a stabilization device (16) for mechanically stabilizing the precursor (14) introduced into the oxidation oven (12) is connected upstream of at least one oxidation oven (12). It is related with the device characterized.
ここで、当該装置は、上記に示した方法を実施するための製造ラインの少なくとも一部に応じたものであり、−すでに示されているように−、これらの方法によって、得られる炭素繊維束の後の品質に所望の影響を与えることができる。 Here, the apparatus corresponds to at least a part of a production line for carrying out the above-described method, and as already shown, the carbon fiber bundle obtained by these methods. The desired quality can be influenced later.
好ましくは、少なくとも一つの酸化オーブンのすぐ前に安定化装置を（装置の機械方向に関連して）配置されることができる。すなわち、当該安定化装置は、当該酸化オーブンの空間的に非常に近接する位置に配置され、これにより、他のさらに間に挿入される工程なしに、時間的にもすぐに連続的な工程が可能となる。自明のことであるが、これにより、前駆体のその間の方向転換が不可能となるわけではない。 Preferably, a stabilizing device can be placed (relative to the machine direction of the device) immediately in front of the at least one oxidation oven. That is, the stabilization device is placed in a spatially close position of the oxidation oven, so that a continuous process can be performed immediately in time without being inserted between other steps. It becomes possible. Obviously, this does not make it impossible to turn the precursor between them.
以下の実施例に基づく図により、本発明をさらに詳述する。 The invention is explained in more detail by means of the figures based on the following examples.
図は、炭素繊維束１１を得るための装置１０の簡略図を示し、当該装置は、酸化オーブン１２の後に前駆体１４を炭素繊維束１１に炭化するための炭化装置１３が続く形態で２つの熱処理装置１２、１３を有し、ここで、前記に示された実施形態例において、当該前駆体１４は、スプール１５上に提供され、そのスプールから巻き取られる。
The figure shows a simplified diagram of an
酸化オーブン１２は、酸化オーブン１２に導入された前駆体１４を機械的に安定させるための安定化装置１６に連続的に接続され、それにより、安定化装置１６は、酸化オーブン１２のすぐ前に（および、それゆえ前駆体１４の提供の後に）配置される。
The
この結果として、前駆体１４の機械的安定化が、それに続く前駆体１４の導入の前すぐに行うことができ、そして、それゆえ、後に続く工程においてここに適合されることができる。
As a result of this, mechanical stabilization of the
自明のことであるが、装置は（ここに示さないが）、炭素繊維束１１を製造するために、特に、製造された炭素繊維束１１を加工するために、さらなる構成要素を含むことができる。
Obviously, the device (not shown here) can include further components for producing the
Claims (6)
−少なくとも一つの前駆体を提供すること、
−前記少なくとも一つの前駆体を機械的に安定化させること、および
−機械的に安定化された前駆体を、少なくとも一つの前駆体を少なくとも一つの炭素繊維束に変換するために、少なくとも一つの熱処理装置に続いて導入すること。 A method for producing a carbon fiber bundle comprising the following steps:
-Providing at least one precursor;
-Mechanically stabilizing said at least one precursor; and-converting at least one precursor to at least one precursor into at least one carbon fiber bundle. Introduce after heat treatment equipment.
−少なくとも一つの酸化オーブン（１２）、および
−前駆体（１４）を炭化し、炭素繊維束（１１）を形成するための続く炭化装置（１６）を含み、
ここで、酸化オーブン（１２）に導入される前駆体（１４）を機械的に安定化するための安定化装置（１６）が、少なくとも一つの酸化オーブン（１２）の上流に接続されることを特徴とする、
前記装置。 An apparatus for producing a carbon fiber bundle,
Comprising at least one oxidation oven (12), and a subsequent carbonization device (16) for carbonizing the precursor (14) to form a carbon fiber bundle (11),
Here, a stabilization device (16) for mechanically stabilizing the precursor (14) introduced into the oxidation oven (12) is connected upstream of at least one oxidation oven (12). Features
Said device.
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