JP2019131940A - 酸化繊維の製造方法及び酸化繊維 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、酸化繊維の製造方法及び酸化繊維を提供する。【解決手段】伝送ユニットで、繊維束を引いて、マイクロ波処理ユニットの作業エリアに連続通過させるように送り、マイクロ波処理ユニットの集束マイクロ波で、通過する繊維束に超高速予備処理を行ない、繊維束を酸化繊維に加工するように設けられることを特徴とする本発明では、酸化繊維の酸化時間を有効に短縮すると同時に、酸化繊維内の繊維における集束マイクロ波の酸化処理で生じられた酸化層が少なくとも、該酸化繊維の断面積５０％以上を占め、酸化繊維のスキン・コア構造を有効に低減するのが可能で、ないし酸化繊維に顕著なスキン・コア構造を持たないようにすることが可能なため、比較的により積極的かつ信頼性のある手段として、炭素繊維の性能を向上することができる。【選択図】図９

Description

本発明は、炭素繊維の予備酸化技術に関わり、主に炭素繊維の性能を向上する酸化繊維の製造方法、及びそれに関わる酸化繊維に関する。

炭素繊維は、有機繊維に対する一連の熱処理を経て得られた炭素含有量９０％以上の新しい炭素材料であり、高比強度、高弾性率、高導電性と高熱伝導性、低熱膨張係数、低密度、耐高温性、耐疲労性、耐クリープ性、自己潤滑性などに一連の優れた性能を有する、理想的な機能材料と構造材料であるため、航空宇宙、民間航空や運輸などの分野で広く応用され、応用範囲の広い將來性がある。

ポリアクリロニトリル （ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ， ＰＡＮ）を原糸とした炭素繊維の製造は、重合、紡糸、予備酸化と炭化工程が含まれ、その中、予備酸化工程は、炭素繊維の製造工程における構造変化の重要な段階で、熱処理過程に最も時間が掛かる段階でもあり、ポリアクリロニトリルの線状高分子鎖を耐熱性酸化繊維に転換して、後続する炭化工程で不融化・不燃性繊維のままを維持することを目的とする工程である。

予備酸化工程では、原糸の構造変化において、炭素繊維の構造と性能が大きく左右され、工業化製造では大よそ、温度勾配法による予備酸化で行なわれ、該工程に適した温度勾配範囲が必要となり、開始温度が低すぎると、予備酸化工程によくならず、時間やコストが大きくかかること、開始温度が高過ぎると、激しい発熱反応が生じて、耐熱性のないＰＡＮ高分子鎖が溶斷してしまうこと、終了温度が高過ぎると、集中的発熱で、予備酸化された繊維構造を破壊し、過度に予備酸化され、高強度炭素繊維の製造に不利なこと、終了温度が低すぎると、予備酸化が不十分な恐れがあること。

加熱による予備酸化反応は、予備酸化反応の進行に伴い、熱伝導が原糸の外層から内層まで行なわれるため、原糸の外層に精密なラダー構造の酸化層（皮膜）が形成され、それが、酸素が原糸内層にある芯部へ拡散することを阻害するが、図１に示すように、酸化繊維１０の単繊維１１における、酸化された酸化層１１１（皮膜）及び酸化されない芯部１１２には、顕著に異なるスキン・コア構造が生成され、該酸化層１１１と該芯部１１２の間にスキン・コア介面１１３があること、スキン・コア構造の測定は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ， Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で実体画像を撮り、該酸化繊維の断面を観察、該酸化層の断面積、該芯部の断面積及び該酸化繊維の断面積をそれぞれ計算して行なわれるが、該スキン・コア構造出來具合の観察による芯部比率（％）は、該芯部断面積を該酸化層断面積と該芯部断面積の和で割り、即ち、芯部比率（％）は、該芯部断面積を該酸化繊維断面積で割ったものとし、また、該酸化繊維１０及び製造された炭素繊維の物理的性質、例えば、引張強度や引張弾性率はまた、該酸化繊維１０または酸化層１１１の酸化程度や環化度により決められ、該酸化繊維１０または酸化層１１１の酸化程度や環化度が高いほど、該酸化繊維１０で製造された炭素繊維の引張強度や引張弾性率が高くなる。該酸化層１１１は酸化状態であるため、精密な構造かつ、製造された炭素繊維の高引張強度と高引張弾性率を有し、該芯部１１２は酸化不完全または酸化されない状態にあるため、ルーズな構造かつ製造された炭素繊維の低引張強度と低引張弾性率を有するものであることから、該酸化層１１１と該芯部１１２の酸化程度の不一致によって生じられた、このような該スキン・コア構造が、炭素繊維の引張強度を低下させてしまう要因の一つであり、それで、予備酸化反応過程にて、どうやって、予備酸化時間を短縮し、予備酸化程度の向上を行ない、更にスキン・コア構造を取り除くのが、炭素繊維の製造コスト低減及びその性能（引張強度と引張弾性率）向上に十分かつ重要な意義を有するのである。

それに鑑みて、本発明は、酸化繊維の酸化時間を有効に短縮、酸化繊維のスキン・コア構造を有効に低減し、ないし酸化繊維に顕著なスキン・コア構造を持たせないようにする酸化繊維の製造方法、及びそれに関わる酸化繊維を提供することを目的とする。

本発明は、繊維束を酸化繊維束に予備酸化するのに適用し、単繊維または複数の該繊維を集め、束ねてなり、該酸化繊維束は、単一酸化繊維または複数の該酸化繊維を集め、束ねてなり、次のように、
糸供給手順：該繊維束を用意すること、
マイクロ波処理手順： 該繊維束をマイクロ波条件で暴露して、該酸化繊維束にするという手順が含まれていることを特徴とする酸化繊維の製造方法。

本発明はある実施形態で、該繊維束を該酸化繊維束に予備酸化するのに適用し、該繊維束は、単纖維または複数の該纖維を集め、束ねてなり、該酸化繊維束は、単一酸化繊維または複数の該酸化繊維を集め、束ねてなり、次のように、
ａ．伝送ユニットとマイクロ波処理ユニットの配置、
ｂ．該繊維束の供給：該繊維束を該伝送ユニットにセッティングし、該伝送ユニットで、該繊維束を該マイクロ波処理ユニットに通過させるようにすること、
ｃ．該マイクロ波処理ユニットの立ち上げ：該マイクロ波処理ユニットで、該マイクロ波条件を制御すること、
ｄ．該伝送ユニットの立ち上げ：該伝送ユニットで、該繊維束をマイクロ波条件で、連続的時間に処理し、該繊維束を該酸化繊維束にすること、
という手順が含まれていることを特徴とする酸化繊維の製造方法。

該繊維束の該纖維は、該酸化繊維の製造方法で、該酸化繊維に予備酸化されるように設けられることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

該マイクロ波条件は、マイクロ波の周波数３００〜３００，０００ＭＨｚ、マイクロ波出力１〜１０００ｋＷ／ｍ^２、作業温度１００〜６００℃、及び酸素、空気、オゾンの何れか一つまたはそれらの混合である雰囲気ガスが含まれていることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

該処理時間は１〜４０分であることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

該マイクロ波出力は１０〜２４ｋＷ／ｍ^２であることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

マイクロ波の周波数は２０００〜３０００ ＭＨｚ、該作業温度は１５０〜３５０℃、該処理時間は５〜２０分であることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

該繊維束はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）纖維、瀝青纖維またはその他の有機繊維の何れか一つであることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

該伝送ユニットは、該繊維束を供給するための供給装置、該繊維束を引いて、加熱炉を通過させるよう連続送りするための巻取装置を備えてなり、該マイクロ波処理ユニットは、該加熱炉にマイクロ波の周波数と該マイクロ波出力を発生するためのマグネトロン、及び該加熱炉に該雰囲気ガスを供給するための送気装置を備えてなるものであることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

該マグネトロンと該送気装置は、制御ユニットと電気的に接続していることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

該加熱炉内部には、保温ユニットが設けられていることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

該保温ユニットは、金屬酸化物、炭化物、マイクロ波の高反応性材料の何れか一つ、またはその組み合わせでもよいことを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

該繊維束は、該加熱炉内にて、重ね巻きで、該マイクロ波処理ユニットからの照射を連続的に受けるように設けられていることを特徴とする該酸化繊維の製造方法。

本発明は少なくとも、酸化層と芯部を備えてなることを特徴とする酸化繊維であり、該酸化層は該芯部の外側を被覆し、該酸化層の断面積が少なくとも、該酸化繊維の断面積の５０％以上を占めるように設けられており、該酸化繊維は、該纖維を該マイクロ波条件で暴露、製造されるものであり、好適な該酸化繊維は、有機纖維を該マイクロ波条件で暴露、製造されるものであることを特徴とする。

該酸化層の断面積は少なくとも、該酸化繊維の断面積の６０％以上を占めるように設けられることを特徴とする。

該酸化層の断面積は少なくとも、該酸化繊維の断面積の８０％以上を占めるように設けられることを特徴とする。

該酸化層の断面積は少なくとも、該酸化繊維の断面積の９０％以上を占めるように設けられることを特徴とする。

該酸化層の断面積は少なくとも、該酸化繊維の断面積の９９％以上を占めるように設けられることを特徴とする。

本発明に掲示された酸化繊維の製造方法は、マイクロ波処理ユニットの集束マイクロ波で、繊維束への超高速予備酸化処理を行い、繊維束を酸化繊維に加工して、酸化繊維の酸化時間を有効に短縮すると同時に、酸化繊維内の酸化層が少なくとも、該酸化繊維の断面積５０％以上を占めるようにし、酸化繊維のスキン・コア構造を有効に低減するのが可能であること、酸化繊維内の酸化層が少なくとも該酸化繊維の断面積８０％以上を占めたとき、ないし酸化繊維に顕著なスキン・コア構造を持たないようにすることが可能なため、本発明では比較的に、より積極的かつ信頼性のある手段として、炭素繊維の性能を向上することができるのである。

従來の酸化繊維のスキン・コア構造イメージ。 本発明の酸化繊維の製造方法に関する基本フローチャート。 本発明の酸化繊維の製造方法における伝送ユニット及びマイクロ波処理ユニットの構造イメージ。 繊維束に対して、本発明の酸化繊維の製造方法によるそれぞれ１２ｋＷ／ｍ^２、１６ｋＷ／ｍ^２、２０ｋＷ／ｍ^２、２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理及び従來の加熱方法による酸化繊維の酸化程度曲線図。 繊維束に対して、本発明の酸化繊維の製造方法による２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を２分、４分、５分、１０分、１５分施して得られた酸化繊維の環化度曲線図。 繊維束に対して、本発明の酸化繊維の製造方法による２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を５分施して得られた酸化繊維内の酸化繊維断面の実体画像。 繊維束に対して、本発明の酸化繊維の製造方法による２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を１０分施して得られた酸化繊維内の酸化繊維断面の実体画像。 繊維束に対して、本発明の酸化繊維の製造方法による２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を１５分施して得られた酸化繊維内の酸化繊維断面の実体画像。 本発明の酸化繊維の製造方法に関するもう一つのフローチャート。 本発明の酸化繊維の製造方法による加熱炉の構造イメージ。 本発明の酸化繊維の構造イメージ。

本発明は、酸化繊維の酸化時間を有効に短縮、酸化繊維のスキン・コア構造を有効に低減し、ないし酸化繊維に顕著なスキン・コア構造を持たせないようにすることを提供する酸化繊維の製造方法及びそれに関わる酸化繊維であり、本発明の酸化繊維の製造方法は図２と図３に示すように、次のような手順が含まれている。

ａ．伝送ユニット３０とマイクロ波処理ユニット４０の配置。実施の時、該伝送ユニット３０は、繊維束２０を供給するための供給装置３１、該繊維束２０を引いて、加熱炉３３を通過させるよう連続送りするための巻取装置３２を備えてなり、該繊維束２０は、単纖維（未図示）または複数の該纖維を集め、束ねてなり、該マイクロ波処理ユニット４０は、該加熱炉３３に該マイクロ波を発生するために少なくともの一つのマグネトロン４１、及び該加熱炉３３に酸素含有エアを供給すための送気装置４２が設けられており、該送気装置４２は該加熱炉３３の該送気口３３１に接続し、該酸素含有エアは、該送気口３３１から該加熱炉３３へ送入され、該加熱炉３３の該排気口３３２から排出されることになっており、該伝送ユニット３０は更に、該加熱炉３３内部に保温ユニット３４が設けられ、好適な該マイクロ波処理ユニット４０は該加熱炉３３に、複数の該マグネトロン４１が設けられ、複数の該マグネトロン４１は、該加熱炉３３の上下両側に対向配置または相対位置をずらして配置、または該加熱炉３３の方側（上側または下側）に配置され、図３に示す複数の該マグネトロン４１は、該加熱炉３３の上下両側に上下対向配置され、図３に示すように、好適な複数の該マグネトロン４１は上下対向対置されており、このように、該加熱炉３３を通過する該繊維束２０の上半部と下半部に対して、同時かつ均等的にマイクロ波照射処理を行い、該加熱炉３３の長さが短縮可能なため、製造時間が減少され、製造速度も速まるのである。

ｂ．該繊維束２０の供給：該繊維束２０を該伝送ユニット３０にセッティングし、該伝送ユニット３０で、該繊維束２０を該マイクロ波処理ユニット４０に通過させるようにすること、例えば、巻かれている該繊維束２０を、該伝送ユニット３０で、該マイクロ波処理ユニット４０の作業エリアに連続通過させるように送るための該伝送ユニット３０にセッティングし、実施例では、巻かれている該繊維束２０を該供給装置３１にセッティングし、該繊維束２０の先端を、該加熱炉３３を通過させるよう通し、該巻取装置３２に固定するように設けられるが、該繊維束２０は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、瀝青繊維またはその他の有機繊維の何れか一つでもよい。

ｃ．該マイクロ波処理ユニット４０の立ち上げ：該マイクロ波処理ユニット４０で、マイクロ波条件を制御すること。 該マイクロ波条件は、マイクロ波の周波数３００〜３００，０００ＭＨｚ、マイクロ波出力１〜１０００ｋＷ／ｍ^２、作業温度１００〜６００℃、及び酸素、空気、オゾンの何れか一つまたはそれらの混合である雰囲気ガスが含まれ、該雰囲気ガスは前述した該酸素含有エアであり、本実施例では、それと同時に、該送気装置４２から該酸素含有エアを該加熱炉３３内に送入されること。

ｄ．該伝送ユニット３０の立ち上げ：該伝送ユニット３０で該繊維束２０を送り、該マイクロ波条件により、連続的時間に処理し、該繊維束２０を該酸化繊維束２０Ａにするように設けられるが、例えば、該伝送ユニット３０で、該繊維束２０を、該マイクロ波処理ユニット４０の作業エリアを通過させ、集束マイクロ波処理を連続的に１〜４０分間施して、酸化繊維束２０Ａにするように設けられ、該処理時間は１〜４０分にするが、本実施例では、該伝送ユニット３０で、該繊維束２０を該加熱炉３３を通過させ、該マイクロ波処理ユニット４０による集束マイクロ波処理を連続的に１〜４０分間施して、該酸化繊維束２０Ａにするように設けられるが、また、該繊維束２０を重ね巻きで、該加熱炉３３を通過させ、該加熱炉３３内にて、該マイクロ波処理ユニット４０による集束マイクロ波処理を連続的に１〜４０分間施し、該酸化繊維束２０Ａにするように設けられるが、例えば、該繊維束２０が加熱炉３３の前部から入り、該加熱炉３３内を経て、該加熱炉３３の後部に送られ、更に、該加熱炉３３の後部から該加熱炉３３の前部へと送られ、また再度に、從該加熱炉３３の前部から、該加熱炉３３へと送られることになっており、そのような重ね巻きの繰り返しにより、要求を満たす該酸化繊維束２０Ａが該加熱炉３３の後部から供給されるようになっており、該重ね巻き方法では、該加熱炉３３の必要な長さを有効に短縮することができる。

本発明の酸化繊維の製造方法では、該伝送ユニット３０の稼動により、該繊維束２０をプリセットされた速度で、該マイクロ波処理ユニット４０の作業エリアに通過させるように送り、該繊維束２０が該マイクロ波処理ユニット４０の作業エリアを通過しているとき、集束マイクロ波を利用して、該加熱炉３３を連続的に通過する該繊維束２０に対して、超高速予備酸化処理を施し、該繊維束２０を該酸化繊維束２０Ａに加工するように設けられ、該繊維束２０は、該繊維または複数の該繊維を集め、束ねてなり、該酸化繊維束２０Ａは、該酸化繊維２１または複数の該酸化繊維２１を集め、束ねてなり、該酸化繊維の製造方法により該繊維束２０の該纖維を、該酸化繊維２１に予備酸化するように設けられるのである

図４に示すように、本発明の酸化繊維の製造方法により、該繊維束２０に対して、それぞれマイクロ波なし、マイクロ波出力１２ｋＷ／ｍ^２、マイクロ波出力１６ｋＷ／ｍ^２、マイクロ波出力２０ｋＷ／ｍ^２、マイクロ波出力２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を施されており、その中、該繊維束２０に対してマイクロ波出力２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を１０分間施すと、該酸化繊維束２０Ａの該酸化繊維２１の酸化程度が１００％に達すること、該酸化繊維束２０Ａは、単一該酸化繊維２１または複数の該酸化繊維２１を集め、束ねてなるものであり、該繊維束２０に対して、マイクロ波出力２０ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を１５分間施すと、該酸化繊維束２０Ａの該酸化繊維２１の酸化程度が同じく１００％に達し、該繊維束２０に対して、マイクロ波出力１６ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を２５分間施すと、該酸化繊維束２０Ａの該酸化繊維２１の酸化程度が１００％に達し、該繊維束２０に対して、マイクロ波出力１２ｋＷ／ｍ^２だけの集束マイクロ波処理を４０分間施して、該酸化繊維束２０Ａにおける該酸化繊維２１の酸化程度が１００％に達さないが、該酸化繊維２１の酸化程度が８９％に達することになり、従來のような加熱工程ではマイクロ波なしで、該繊維束２０を２７０℃で加熱してから４０分後、該酸化繊維２１の酸化程度がせいぜい７０％に達することから、本発明のようなマイクロ波による製造方法及び従來の加熱の製造工程を比べると、本発明では、該酸化繊維２１の酸化程度を有効に高め、製造時間を有効に短縮することが可能、特に、該繊維束２０に対して、マイクロ波出力２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を１０分間施すと、該酸化繊維２１が酸化程度１００％に達するというのが、酸化段階における最適な製造条件である。

図５に示すように、該繊維束２０に対して、それぞれマイクロ波出力２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を２分、４分、５分、１０分と１５分施して、測定された該酸化繊維２１の環化度が見られるが、その中、該酸化繊維２１の環化度が５分間で、１００％に達することから、環化度１００％に達する所要時間５分は、それが酸化程度の所要時間１０分より少ない。図６〜８に示すように、該繊維束２０に対して、それぞれ２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を５分、１０分と１５分施して、得られた該酸化繊維束２０Ａの該酸化繊維２１の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ， Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で撮影した実体画像であり、そこで、該酸化層２１１が該酸化繊維２１の９９．０％以上、または該酸化層２１１の断面積が該酸化繊維２１の断面積の９９．０％以上を占め、それに、顕著なスキン・コア構造がないことが分かった。

表１と表２に示すように、表１は従來の電熱管加熱による製造工程、及び本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれ、測定された該繊維束２０、該酸化繊維束２０Ａ及び、それに続く炭素化して得られた炭素繊維束の引張強度比較表であり、表２は従來の電熱管加熱による製造工程、及び本発明の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれ、測定された該繊維束２０、該酸化繊維束２０Ａ及びそれに続く炭素化して得られた炭素繊維束の引張弾性率比較表。前述した従來の電熱管加熱は製造条件として、加熱炉の温度２７０℃、処理時間４０分で行なわれ、それによって得られた物理的性質は比較例１に示し、前述した本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程は製造条件として、該加熱炉の温度２２０℃、マイクロ波の周波数２４５０ＭＨｚ、マイクロ波出力２４ｋＷ／ｍ^２、処理時間１０分で行われ、それによって得られた物理的性質は実施例１に示されており、比較例１と実施例１の該繊維束２０は、ポリアクリロニトリルで製造されたものである。

表１に示す実施例１における本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれ、得られた酸化繊維束、最後にそれを炭素化して得られた炭素繊維束の引張強度は、比較例１の１．３倍（３６７５を２８２４で割った結果により）、即ち引張強度が３０％向上し、マイクロ波の製造工程では、ＰＡＮ酸化を更に完全にすることができるから、マイクロ波の製造工程による該酸化繊維束の引張強度が従來の電熱管加熱の製造工程による該酸化繊維束の引張強度よりやや低く、これが、本発明のマイクロ波の製造工程で、該繊維束の酸化程度を更に向上するもう一つの証拠でもある。

表２に示す実施例１の本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれ、得られた酸化繊維束、最後にそれを炭素化して得られた炭素繊維束の引張弾性率は、比較例１の１．１７倍（２２７．１を１９４．４で割った結果により）、即ち引張弾性率が１７％向上する。

本発明及び従來の加熱工程による該繊維束の該酸化繊維束を比較すると、本発明では従來の加熱工程の所要時間４０分より、１０分間短縮可能なため、製造効率が３倍向上、製造時間が短縮されること、本発明では従來の加熱工程に対して、炭素繊維束の引張強度が３０％、引張弾性率が１７％向上すること、本発明では従來の加熱工程に対して、該酸化繊維束２０Ａの該酸化繊維２１における該酸化層２１１の断面積が該酸化繊維２１の断面積９９．０％以上を占めているから、顕著なスキン・コア構造がなく、該酸化繊維束２０Ａの断面が均一に近づいているので、炭素繊維束の引張強度と引張弾性率が向上するということで、本発明では比較的に、より積極的かつ信頼性のある手段として、炭素繊維の性能を向上することができる。

本発明の酸化繊維の製造方法は実施の時、該繊維束に対して、２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を５〜１０分間施すのが、好適な実施形態であり、もちろん、該酸化繊維の製造方法により、該繊維束に対して、２４ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を５〜１０分間施すことが可能であること、図３に示すように、該伝送ユニット３０は、繊維束２０を供給するための供給装置３１、該繊維束２０を引いて、加熱炉３３を通過させるよう連続送りするための巻取装置３２を備えてなり、該マイクロ波処理ユニット４０は、該加熱炉３３にマイクロ波を発生する該マグネトロン４１、及び該加熱炉３３に酸素含有エアを供給すための送気装置４２が設けられており、本発明の酸化繊維の製造方法は、該繊維束２０が該加熱炉３３を通過後、該巻取装置３２の巻取りによらず、それに続く炭素化して炭素繊維束を作るという連続製造方法に、または巻かれている該繊維束２０が該供給装置３１による巻出し、該巻取装置３２による巻き取るという製造方法に適用するものである。

もちろん、本発明の酸化繊維の製造方法は、バッチ（ｂａｔｃｈ）製造方法にも適用し、バッチ製造方法の実施例は次のような手順で行なわれるが、例えば図９に示すように、本発明の酸化繊維の製造方法は、該繊維束２０を該酸化繊維束２０Ａに予備酸化するのに適用するものである。

糸供給手順Ｓ０１： 該繊維束２０を用意すること、該繊維束２０は単纖維または複数の該纖維を集め、束ねてなり、該繊維束２０は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）纖維、瀝青繊維またはその他の有機繊維の何れか一つでもよいこと。

マイクロ波処理手順Ｓ０２：該繊維束２０を該マイクロ波条件で暴露するが、該マイクロ波条件は、マイクロ波の周波数３００〜３００，０００ＭＨｚ、マイクロ波出力１〜１０００ｋＷ／ｍ２、作業温度１００〜６００℃、及び酸素、空気、オゾンの何れか一つまたはそれらの混合である雰囲気ガスが含まれていること。

本発明の酸化繊維の製造方法では、該マイクロ波処理ユニット４０は酸素含有エアを該加熱炉３３に供給する該送気装置４２が設けられる実施形態にて、該送気装置４２から該加熱炉３３へ送入される酸素含有エアは酸素、空気、オゾンの何れか一つまたはそれらの混合でもよい。

本発明の酸化繊維の製造方法における該伝送ユニット３０は、繊維束２０を供給するための供給装置３１、該繊維束２０を引いて、加熱炉３３を通過させるよう連続送りするための巻取装置３２を備えてなり、該マイクロ波処理ユニット４０は、該加熱炉３３に該マイクロ波を発生する該マグネトロン４１、及び該加熱炉３３に酸素含有エアを供給すための送気装置４２が設けられており、該巻取装置３２、該マグネトロン４１と該送気装置４２は、制御ユニット５０と電気的に接続しており、該制御ユニット５０により、該巻取装置３２、該マグネトロン４１と該送気装置４２が運転するかどうかを制御し、そして、加工される該繊維束２０の特性または製品規格により、該巻取装置３２の回転数、該マグネトロン４１の出力及び該送気装置４２の流量などの運転パラメーターを設定することができる。

本発明の酸化繊維の製造方法における該伝送ユニット３０は、該繊維束２０を供給する該供給装置３１、該繊維束２０を引いて、該加熱炉３３を通過させるよう連続送するための該巻取装置３２を備えてなり、更に、該加熱炉３３内に該保温ユニット３４が配置され、図１０に示すように、該保温ユニット３４の蓄熱効果を利用して、該加熱炉３３内のプリセットされた作業温度を維持し、省エネという目的を果たすことができること、図１０に示すように、該供給装置３１により、複数の該繊維束２０が互いに平行に配列され、該加熱炉３３へと供給されることになっている。

本発明の酸化繊維の製造方法は実施の時、図３に示すように、該伝送ユニット３０は、該加熱炉３３内部に、該繊維束２０送り経路の上下位置にそれぞれ保温ユニット３４が配置、または図１０に示すように、該加熱炉３３内部に、該繊維束２０送り経路を囲む該保温ユニット３４が配置され、それによって、該繊維束２０が均一に熱を受けるように設けられる。

上述した本発明の酸化繊維の製造方法によるそれぞれ実施可能な形態では、該保温ユニット３４は、金屬酸化物、炭化物、マイクロ波の高反応性材料の何れか一つ、またはその組み合わせでもよい。

本発明の酸化繊維の製造方法では実施の時、該マイクロ波処理ユニット４０は図３に示すように、該繊維束２０送り経路の上下位置にそれぞれ該マグネトロン４１が配置、または該繊維束２０送り経路を囲む複数の該マグネトロン４１が配置され、それによって、該繊維束２０に集束マイクロ波処理を均一に行なうように設けられる。

図４に示すのは、上述したように、該繊維束２０に対して、マイクロ波出力１２ｋＷ／ｍ^２の集束マイクロ波処理を２２０℃で、４０分間施すと、該酸化繊維２１の酸化程度が８９％に達し、従來の加熱工程ではマイクロ波なしで、該繊維束２０を２７０℃で加熱してから４０分間後、該酸化繊維２１の酸化程度が７０％に達すること。それゆえ、本発明の酸化繊維の製造方法では従來の加熱工程に対して、比較的に低い温度で、酸化程度を高めることができることから、熱エネルギー消費削減が可能になる。

表３に示すように、表３は電熱管加熱による従來の製造工程及び、本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれ、測定された該繊維束２０、該酸化繊維束２０Ａ及びそれに続く炭素化して得られた炭素繊維束の引張強度比較表であり、前述した従來の電熱管加熱は製造条件として、該加熱炉の温度２７０℃、処理時間４０分で行われ、それによって得られた物理的性質は比較例１に示し、前述した本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程は製造条件として、該加熱炉の温度２２０℃、マイクロ波の周波数２４５０ＭＨｚ、処理時間為４０分で行われるが、マイクロ波出力２２ｋＷ／ｍ^２で得られた物理的性質は実施例２、マイクロ波出力２０ｋＷ／ｍ^２で得られた物理的性質は実施例３、マイクロ波出力１６ｋＷ／ｍ^２で得られた物理的性質は実施例４、マイクロ波出力１５ｋＷ／ｍ^２で得られた物理的性質は実施例５に示され、比較例１及び全ての実施例の該繊維束２０は、ポリアクリロニトリルで製造されたものであり、また、比較例１及び各実施例における該酸化繊維束２０Ａの該酸化繊維２１の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ， Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で実体画像を撮って算出されることだが、該酸化層２１１の断面積を該酸化繊維２１の断面積で割り、即ち該酸化層２１１が該酸化繊維２１を占める割合が表３に示される。

表３に示すように、実施例５では、本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれて得られた酸化繊維束、最後にそれを炭素化して得られた炭素繊維束の引張強度は比較例１の１．１３倍、即ち、引張強度が１３％向上し、該酸化層２１１の断面積を該酸化繊維２１の断面積で割って５１．２％となり、即ち該酸化層２１１が該酸化繊維２１の５１．２％を占め、実施例４では、本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれて得られた酸化繊維束、最後にそれを炭素化して得られた炭素繊維束の引張強度は比較例１の１．１７倍、即ち引張強度が１７％向上し、該酸化層２１１の断面積を該酸化繊維２１の断面積で割って６１．５％となり、即ち該酸化層２１１が該酸化繊維２１の６１．５％を占め、実施例３では、本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれて得られた酸化繊維束、最後にそれを炭素化して得られた炭素繊維束の引張強度は比較例１の１．２３倍、即ち引張強度が２３％向上し、該酸化層２１１の断面積を該酸化繊維２１の断面積で割って８２．７％となり、即ち該酸化層２１１が該酸化繊維２１の８２．７％を占め、実施例２では、本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれて得られた酸化繊維束、最後にそれを炭素化して得られた炭素繊維束の引張強度は比較例１の１．２７倍、即ち引張強度が２７％向上し、該酸化層２１１の断面積を該酸化繊維２１の断面積で割って９１．３％となり、即ち該酸化層２１１が該酸化繊維２１の９１．３％を占め、実施例１では、本発明の酸化繊維の製造方法であるマイクロ波の製造工程で行なわれて得られた酸化繊維束、最後にそれを炭素化して得られた炭素繊維束の引張強度は比較例１の１．３倍、即ち引張強度が３０％向上し、該酸化層２１１の断面積を該酸化繊維２１の断面積で割って９９．０％となり、即ち該酸化層２１１が該酸化繊維２１の９９．０％を占める。

本発明に掲示された該酸化繊維２１は、該酸化層２１１と芯部２１２を備えてなり、該酸化層２１１は該芯部２１２の外側を被覆するように設けられ、該酸化層２１１が少なくとも、酸化繊維２１の５０％以上を、または該酸化層２１１断面積が少なくとも、該酸化繊維２１断面積の５０％以上を占めており、図１１に示すように、該酸化層２１１が少なくとも該酸化繊維２１の８０％以上を、 または該酸化層２１１断面積が少なくとも該酸化繊維２１断面積の８０％以上を占めている。

もちろん、本発明に掲示された該酸化繊維２１は、該繊維束２０を上述した本発明の実施可能ないずれか一つの酸化繊維の製造方法で作られるものであり、該酸化層２１１が該マイクロ波の条件で形成されているから、該酸化層２１１はマイクロ波酸化層であり、また、該酸化繊維束２０Ａの該酸化繊維２１の該酸化層２１１は少なくとも、該酸化繊維２１の５０％以上を占めている。

実施の時、該繊維束２０は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、瀝青またはその他の有機繊維の何れか一つでもよい。もちろん、該酸化繊維にマイクロ波２４ｋＷ／ｍ^２を照射し、該繊維束２０への集束マイクロ波処理を１０分間施したあと、該酸化繊維束２０Ａの該酸化繊維２１の該酸化層２１１が該酸化繊維２１の９９．０％を、または該酸化層２１１の断面積が該酸化繊維２１の断面積の９９．０％を占めている。

本発明に掲示された酸化繊維の製造方法では従來の技術に対して、マイクロ波処理ユニットによる集束マイクロ波で、繊維束への超高速予備酸化処理を施し、繊維束を酸化繊維束に加工することにより、酸化繊維束の酸化時間を有効に短縮すると同時に、酸化繊維束の酸化繊維に対して、集束マイクロ波による酸化処理を施したあとの酸化層が少なくとも、該酸化繊維の断面積５０％以上を占めるから、酸化繊維のスキン・コア構造を有効に低減し、ないし、酸化繊維に顕著なスキン・コア構造を持たせないように設けられ、比較的により積極的かつ信頼性のある手段として、炭素繊維の性能を向上することができる。

上述した実施例は、本発明の技術コンセプトや特徴を説明するのに用いられるのみで、該技術分野が分かる者が本発明の内容を理解して、それに基づいて実施できるようにすることを目的とし、それを以って本発明の特許範囲を制限してはならないとし、本発明に掲示されたコンセプトに基づき、それらの変更や改造を行なっても、全て本発明の特許請求範囲に含まれるものとする。

１０ 酸化繊維
１１ 纖維
１１１ 酸化層
１１２ 芯部
１１３ スキン・コア介面
２０ 繊維束
２０Ａ 酸化繊維束
２１ 酸化繊維
２１１ 酸化層
２１２ 芯部
３０ 伝送ユニット
３１ 供給装置
３２ 巻取装置
３３ 加熱炉
３３１ 送気口
３３２ 排気口
３４ 保温ユニット
４０ マイクロ波処理ユニット
４１ マグネトロン
４２ 送気装置
５０ 制御ユニット
Ｓ０１ 糸供給手順
Ｓ０２ マイクロ波処理手順

Claims (23)

1. 繊維束（２０）を酸化繊維束（２０Ａ）に予備酸化するために用いられる酸化繊維の製造方法であって、
   前記繊維束（２０）は、単繊維または複数の繊維を集め、束ねてなり、
   前記酸化繊維束（２０Ａ）は、単一の酸化繊維（２１）または複数の前記酸化繊維（２１）を集め、束ねてなり、
   前記酸化繊維の製造方法は、次のように、
   糸供給手順（Ｓ０１）：前記繊維束（２０）を用意する、
   マイクロ波処理手順（Ｓ０２）：前記繊維束（２０）をマイクロ波条件で暴露して、前記酸化繊維束（２０Ａ）にする、
   という手順が含まれていることを特徴とする、
   酸化繊維の製造方法。
2. 前記マイクロ波条件は、マイクロ波の周波数３００〜３００，０００ＭＨｚ、マイクロ波出力１〜１０００ｋＷ／ｍ^２、作業温度１００〜６００℃、処理時間１〜４０分、及び酸素、空気、オゾンの何れか一つまたはそれらの混合である雰囲気ガスが含まれていることを特徴とする、
   請求項１に記載の酸化繊維の製造方法。
3. 前記マイクロ波出力は１０〜２４ｋＷ／ｍ^２であることを特徴とする、
   請求項２に記載の酸化繊維の製造方法。
4. マイクロ波の周波数は２０００〜３０００ＭＨｚ、前記作業温度は１５０〜３５０℃、前記処理時間は５〜２０分であることを特徴とする、
   請求項２に記載の酸化繊維の製造方法。
5. 前記繊維束（２０）は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維、瀝青繊維またはその他の有機繊維の何れか一つであることを特徴とする、
   請求項１に記載の酸化繊維の製造方法。
6. 繊維束（２０）を酸化繊維束（２０Ａ）に予備酸化するために用いられる酸化繊維の製造方法であって、
   前記繊維束（２０）は、単繊維または複数の繊維を集め、束ねてなり、
   前記酸化繊維束（２０Ａ）は、単一の酸化繊維（２１）または複数の前記酸化繊維（２１）を集め、束ねてなり、
   前記酸化繊維の製造方法は、次のように、
   ａ．伝送ユニット（３０）とマイクロ波処理ユニット（４０）の配置、
   ｂ．前記繊維束（２０）の供給：前記繊維束（２０）を前記伝送ユニット（３０）にセッティングし、前記伝送ユニット（３０）で、前記繊維束（２０）を前記マイクロ波処理ユニット（４０）に通過させる、
   ｃ．前記マイクロ波処理ユニット（４０）の立ち上げ：前記マイクロ波処理ユニット（４０）で、マイクロ波条件を制御する、
   ｄ．前記伝送ユニット（３０）の立ち上げ：前記伝送ユニット（３０）で、前記繊維束（２０）を送り、前記マイクロ波条件で、連続的時間に処理し、前記繊維束（２０）を前記酸化繊維束（２０Ａ）にする、
   という手順が含まれていることを特徴とする、
   酸化繊維の製造方法。
7. 前記マイクロ波条件は、マイクロ波の周波数３００〜３００，０００ＭＨｚ、マイクロ波出力１〜１０００ｋＷ／ｍ^２、作業温度１００〜６００℃、及び酸素、空気、オゾンの何れか一つまたはそれらの混合である雰囲気ガスが含まれていることを特徴とする、
   請求項６に記載の酸化繊維の製造方法。
8. 前記処理時間は１〜４０分であることを特徴とする、
   請求項７に記載の酸化繊維の製造方法。
9. 前記マイクロ波出力は１０〜２４ｋＷ／ｍ^２であることを特徴とする、
   請求項７に記載の酸化繊維の製造方法。
10. マイクロ波の周波数は２０００〜３０００ＭＨｚ、前記作業温度は１５０〜３５０℃であることを特徴とする、
    請求項７に記載の酸化繊維の製造方法。
11. 前記繊維束（２０）は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維、瀝青繊維またはその他の有機繊維の何れか一つであることを特徴とする、
    請求項６に記載の酸化繊維の製造方法。
12. 前記伝送ユニット（３０）は、前記繊維束（２０）を供給すための供給装置（３１）、前記繊維束（２０）を引いて、加熱炉（３３）を通過させるよう連続送りするための巻取装置（３２）を備えており、
    前記マイクロ波処理ユニット（４０）は、前記加熱炉（３３）にマイクロ波の周波数と前記マイクロ波出力を発生するためのマグネトロン（４１）、及び、前記加熱炉（３３）に前記雰囲気ガスを供給するための送気装置（４２）を備えていることを特徴とする、
    請求項６に記載の酸化繊維の製造方法。
13. 前記巻取装置（３２）、前記マグネトロン（４１）と前記送気装置（４２）は、制御ユニット（５０）と電気的に接続していることを特徴とする、
    請求項１２に記載の酸化繊維の製造方法。
14. 前記加熱炉（３３）内部には、保温ユニット（３４）が設けられていることを特徴とする、
    請求項１２に記載の酸化繊維の製造方法。
15. 前記保温ユニット（３４）は、金屬酸化物、炭化物、マイクロ波の高反応性材料のいずれか一つ、またはその組み合わせでもよいことを特徴とする、
    請求項１４に記載の酸化繊維の製造方法。
16. 前記繊維束（２０）は、前記加熱炉（３３）内にて、重ね巻きで、前記マイクロ波処理ユニット（４０）からの照射を連続的に受けるように設けられていることを特徴とする、
    請求項１２に記載の酸化繊維の製造方法。
17. 酸化層（２１１）と芯部（２１２）を備えており、
    前記酸化層（２１１）は前記芯部（２１２）の外側を被覆し、前記酸化層（２１１）の断面積が少なくとも、前記酸化繊維（２１）の断面積の５０％以上を占めるように設けられることを特徴とする、
    酸化繊維（２１）。
18. 前記酸化層（２１１）の断面積は少なくとも、前記酸化繊維（２１）の断面積の６０％以上を占めるように設けられることを特徴とする、
    請求項１７に記載の酸化繊維。
19. 前記酸化層（２１１）の断面積は少なくとも、前記酸化繊維（２１）の断面積の８０％以上を占めるように設けられることを特徴とする、
    請求項１７に記載の酸化繊維。
20. 前記酸化層（２１１）の断面積は少なくとも、前記酸化繊維（２１）の断面積の９０％以上を占めるように設けられることを特徴とする、
    請求項１７に記載の酸化繊維。
21. 前記酸化層（２１１）の断面積は少なくとも、前記酸化繊維（２１）の断面積の９９％以上を占めるように設けられることを特徴とする、
    請求項１７に記載の酸化繊維。
22. 前記酸化繊維（２１）は、繊維をマイクロ波条件で暴露して、製造されるものであることを特徴とする、
    請求項１７に記載の酸化繊維。
23. 前記酸化繊維（２１）は、有機繊維であることを特徴とする、
    請求項２２に記載の酸化繊維。

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