JP2019148028A - 炭素繊維の分割糸の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に細い炭素繊維を安定的に得る製造方法を提供する。【解決手段】炭素繊維の原糸Ａを送り出す送り出し工程と、原糸Ａに付与された原糸用サイジング剤を除去する前処理工程と、原糸Ａの幅を広げ厚みを薄くする開繊工程と、開繊された原糸Ａに収束剤を付与する収束剤付与工程と、原糸Ａにレーザー光を照射することにより、原糸Ａを長手方向に沿って複数本の分割糸Ｂに分割する分割工程と、分割糸Ｂを巻き取る巻き取り工程と、をこの順に行う炭素繊維の分割糸の製造方法が提供される。【選択図】図３

Description

本発明は、炭素繊維の分割糸の製造方法および製造装置に関する。

細い炭素繊維は市場に出回っていない。これは、細いほど炭素繊維の製造条件が厳しくなり、技術的に難しいからである。また、細いほど炭素繊維の製造効率が低下し、価格が高くなるからである。

日本国特開平１１−３２３６９２号公報

そこで特許文献１は、太い炭素繊維の原糸を分割して細い分割糸を得る方法を提案している。しかしながら、特許文献１に記載の方法によっても製造条件や製造効率を高めることが難しく、現実的な価格で細い炭素繊維を製造することが難しかった。

そこで本発明は、簡単に細い炭素繊維を安定的に得る製造方法およびその製造装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の一側面によれば以下が提供される。
炭素繊維の原糸を送り出す送り出し工程と、
前記原糸に付与された原糸用サイジング剤を除去する前処理工程と、
前記原糸の幅を広げ厚みを薄くする開繊工程と、
開繊された前記原糸に収束剤を付与する収束剤付与工程と、
前記原糸にレーザー光を照射することにより、前記原糸を長手方向に沿って複数本の分割糸に分割する分割工程と、
前記分割糸を巻き取る巻き取り工程と、をこの順に行う炭素繊維の分割糸の製造方法。

上記目的を達成するために、本発明の一側面によれば以下が提供される。
炭素繊維の原糸を送り出す送り出し手段と、
前記原糸に付与された原糸用サイジング剤を除去する前処理手段と、
前記原糸の幅を広げ厚みを薄くする開繊手段と、
開繊された前記原糸に収束剤を付与する収束剤付与手段と、
前記原糸にレーザー光を照射することにより、前記原糸を長手方向に沿って複数本の分割糸に分割する分割手段と、
前記分割糸を巻き取る巻き取り手段と、を有する炭素繊維の分割糸の製造装置。

本発明によれば、簡単に細い炭素繊維が安定的に得られる。

本実施形態にかかる製造装置の概略図である。 原糸および分割糸の断面図である。 本実施形態にかかる方法のフローチャートである。 比較例に係る製造方法で製造する場合の原糸および分割糸の断面図である。 本実施形態に係る製造方法で製造する場合の原糸および分割糸の断面図である。

本発明者は、開繊させた状態の太い原糸に長手方向に沿ってレーザー光を照射することにより、原糸を長手方向に切断して細い分割糸を得ることを検討した。しかし、開繊させるためには、原糸に予め付与されているサイジング剤を除去する必要がある。このため、開繊した状態の原糸はまとまっておらず、この状態の原糸にレーザー光を照射しても、狙った寸法精度の分割糸が得られにくいことを見出した。そこで本発明者は、以下に詳述する本発明を完成させた。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて、より詳細に説明する。

図１は、本実施形態にかかる製造装置１の概略図である。図１の（ａ）は製造装置１の平面図であり、図１の（ｂ）は製造装置１の側面図である。
図１に示すように製造装置１は、送り出し部１０と、前処理部２０と、開繊部３０と、収束剤付与部４０と、レーザー照射部５０と、後処理部６０と、加熱部７０と、巻き取り部８０とを有している。

送り出し部１０は、原糸Ａを下流側へ送り出す部位である。送り出し部１０は、複数のダンサーローラ１１と、駆動ニップローラ対１２とを有している。ダンサーローラ１１は糸道をジグザグにして送り出す原糸Ａに張力が生じるようにしている。駆動ニップローラ対１２は、原糸Ａを挟み込んで掴み、原糸Ａが巻き付けられたスプール１３から原糸Ａを引き出す。

前処理部２０は、原糸Ａに付与している原糸用サイジング剤を除去する部位である。原糸用サイジング剤は、取り扱い中に原糸Ａがほどけないように原糸Ａに付与されている。しかし、原糸用サイジング剤が付与されたままでは、後述する開繊工程で開繊しにくい。そこで前処理部２０によって原糸Ａから原糸用サイジング剤を除去する。前処理部２０は、例えば溶剤により原糸用サイジング剤を溶解させて除去したり、加熱して原糸用サイジング剤を溶融させて除去したり、高温の蒸気状の溶剤を吹き付けて原糸用サイジング剤を溶解・溶融させて除去することができる。

開繊部３０は、原糸Ａの幅を広げ厚みを薄くする部位である。図２は、原糸Ａの長手方向に直交する面の断面を示している。図２の（ａ）は開繊前の原糸Ａ、図２の（ｂ）は開繊後の原糸Ａを示している。開繊部３０は、図２の（ａ）の状態から（ｂ）の状態となるように、原糸Ａを変形させる。

開繊部３０は例えば、並列ロール、並列バー、太鼓ロール、逆回転ロール、振動ロール、液流、気流、超音波、水蒸気、水などのスプレー、熱風などを用いて、原糸Ａを変形させる。開繊部３０は、これらの手段の２つ以上を組み合わせて原糸Ａを変形させてもよい。開繊部３０は、原糸Ａを当初の原糸Ａの直径の２倍以上の幅となるように原糸Ａを変形させることが好ましい。

収束剤付与部４０は、開繊した状態の原糸Ａに収束剤を付与する。収束剤とは、開繊された状態の原糸Ａの炭素繊維に収束性を与えるものである。収束剤として例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シランカップリング剤、水不溶性ナイロンおよび水溶性ナイロン、水、などを挙げることができる。

レーザー照射部５０（分割部の一例）は、開繊した状態の原糸Ａに長手方向に沿ってレーザーを照射する。レーザー照射部５０はこれにより、原糸Ａを長手方向に沿って複数本の分割糸Ｂに分割する。図２の（ｃ）は、分割後の原糸Ａ（分割糸Ｂ）の断面を示している。図示の例では、長手方向に沿って三か所にレーザーを照射し、一本の原糸Ａから４本の分割糸Ｂを得ている。もっとも、図示の例に限らず、一本の原糸Ａから２本、３本、５本以上の分割糸Ｂを得るように構成してもよい。

レーザー照射部５０は、レーザーを原糸Ａに照射するレーザー出力部５１と、レーザー出力部５１の上流および下流に配置されたニップローラ対５２を有している。ニップローラ対５２は、原糸Ａまたは分割糸Ｂに張力を与えることにより、原糸Ａまたは分割糸Ｂのレーザーが照射される部位が撓まないようにしている。

後処理部６０は、分割糸Ｂに収束性を付与する分割糸用サイジング剤を付与する。分割糸用サイジング剤としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シランカップリング剤、水不溶性ナイロンおよび水溶性ナイロン、などを挙げることができる。

加熱部７０は、分割糸用サイジング剤が付与された分割糸Ｂを加熱し、分割糸用サイジング剤を硬化させる。加熱部７０は、高周波加熱、遠赤外線加熱、熱風の吹き付けなどの非接触方式の加熱や、ヒートローラー、ダブルベルトプレスなどの接触方式の加熱、などにより分割糸Ｂを加熱し、分割糸用サイジング剤を硬化させる。

巻き取り部８０は、セパレータローラ８１と、ダンサーローラ８２と、巻き取りボビン８３とを備えている。セパレータローラ８１は、複数本が並列された状態の分割糸Ｂからそれぞれの分割糸Ｂを分離させる。ダンサーローラ８２は、分割糸Ｂのそれぞれに張力を与える。分割糸Ｂは巻き取りボビン８３に巻き付けられる。

次に、上述した製造装置１を用いた炭素繊維の分割糸Ｂの製造方法を説明する。図３は、本実施形態に係る製造方法のフローチャートである。図３に示すように、まず、送り出し部１０から原糸Ａを下流側に向かって送り出す（ステップＳ０１）。
次に、前処理部２０により原糸Ａに前処理を施す（ステップＳ０２）。前処理を施すことにより、原糸Ａに付着している原糸用サイジング剤を除去する。
次に、開繊部３０により原糸Ａを開繊し、原糸Ａの幅を広げ厚みを薄くする（ステップＳ０３）。続いて収束剤付与部４０により、開繊した状態の原糸Ａに収束剤を付与し、原糸Ａをなす炭素繊維のまとまりがよい状態とする（ステップＳ０４）。
次に、レーザー照射部により収束剤が付与され開繊された状態の原糸Ａにレーザーを照射し、原糸Ａを複数本の分割糸Ｂに分割する（ステップＳ０５）。
分割された分割糸Ｂに対して後処理部６０により分割糸用サイジング剤を付与する（ステップＳ０６）。さらに加熱部７０により分割糸Ｂを加熱し、分割糸用サイジング剤を硬化させる（ステップＳ０７）。
分割糸用サイジング剤が硬化した分割糸Ｂを巻き取り部８０で巻き取る（ステップＳ０８）。このようにして、原糸Ａから複数本の細い分割糸Ｂが得られる。

次に、上述した本実施形態の製造装置１および製造方法による効果を図４および図５を用いて説明する。図４および図５は、いずれも長手方向に直交する原糸Ａおよび分割糸Ｂの断面を示している。図４および図５中の複数の丸がそれぞれ一本の炭素繊維Ｃを示している。なお、図４および図５は模式図であり、実際の原糸Ａは大量の炭素繊維Ｃから構成されている。

図４の（ａ）は、本実施形態とは異なり開繊した後に収束剤を付与しない場合の原糸Ａの断面図を示す。図４の（ｂ）は、図４の（ａ）の状態でレーザーを照射する状態を示す図である。図４の（ｂ）のハッチングした領域にレーザーが照射される。図４の（ｃ）は図４の（ｂ）の状態で得られた分割糸Ｂを示す図である。

図４の（ａ）に示すように、本実施形態とは異なり開繊した後に収束剤を付与しないと、原糸Ａをなす炭素繊維Ｃのまとまりが悪い。炭素繊維Ｃの相互の隙間が一定になりにくく、また、集団から離れた炭素繊維Ｃも存在してしまう。

図４の（ａ）の状態で、図４の（ｂ）のようにレーザーを照射すると、図４の（ｃ）のような分割糸Ｂが得られる。図４の（ｃ）に示した例では、最も左方に形成される分割糸Ｂは７本の炭素繊維Ｃで構成されるところ、左から二番目に形成される分割糸Ｂは２６本の炭素繊維Ｃで構成され、左から三番目に形成される分割糸Ｂは１４本の炭素繊維Ｃで構成され、最も右方に形成される分割糸Ｂは１３本の炭素繊維Ｃで構成されてしまう。このように、レーザーを照射する前の炭素繊維Ｃのまとまりが悪いと、得られる分割糸Ｂに含まれる炭素繊維Ｃの本数がばらつき、分割糸Ｂの太さがばらつきやすい。

図５の（ａ）は、本実施形態の製造方法により開繊した後に収束剤を付与した状態の原糸Ａの断面図を示す。図５の（ｂ）は、図５の（ａ）の状態でレーザーを照射する状態を示す図である。図５の（ｂ）のハッチングした領域にレーザーが照射される。図５の（ｃ）は図５の（ｂ）の状態で得られた分割糸Ｂを示す図である。

図５の（ａ）に示したように、収束剤が付与されているので原糸Ａをなす炭素繊維Ｃのまとまりがよい。炭素繊維Ｃの相互の隙間を一定としやすく、また、炭素繊維Ｃが一定の集団を形成するようにまとまっている。図４の（ａ）に比べて、薄く幅広の炭素繊維がまとまった状態のままで原糸を分割工程に送ることができる。

図５の（ａ）の状態で、図５の（ｂ）のようにレーザーを照射すると、図５の（ｃ）のような分割糸Ｂが得られる。図５の（ｃ）に示した例では、最も左方に形成される分割糸Ｂは１５本の炭素繊維Ｃで構成され、左から二番目に形成される分割糸Ｂは１５本の炭素繊維Ｃで構成され、左から三番目に形成される分割糸Ｂは１６本の炭素繊維Ｃで構成され、最も右方に形成される分割糸Ｂは１５本の炭素繊維Ｃで構成されている。このように、レーザーを照射する前の炭素繊維Ｃのまとまりがよいと、得られる分割糸Ｂに含まれる炭素繊維Ｃの本数がばらつきにくく、分割糸Ｂの太さがばらつきにくい。

図４および図５を比較して説明したように、本実施形態に係る製造装置１および製造方法によれば、開繊された原糸Ａに収束剤を付与する収束剤付与工程が、原糸Ａにレーザーを照射する分割工程より前に行われる。このため、原糸Ａをなす炭素繊維がまとまった状態でレーザーを照射することができ、安定的に太さの揃った分割糸Ｂを得ることができる。また、レーザーを照射する前に収束剤を付与するという簡単な手法で、細い分割糸Ｂが安定的に得られる。

上記した本実施形態において、分割工程の後に分割糸Ｂに分割糸用サイジング剤を付与する後処理工程と、後処理工程の後に分割糸Ｂを加熱する加熱工程が行われる。このため、分割工程の後の分割糸Ｂの収束性がよく、分割後の分割糸Ｂが相互にくっつきにくい。なお、収束剤自体が分割糸サイジング剤としても機能する場合には、後処理工程を省いて加熱工程のみを行ってもよい。

１ 製造装置
１０ 送り出し部
２０ 前処理部
３０ 開繊部
４０ 収束剤付与部
５０ レーザー照射部
６０ 後処理部
７０ 加熱部
８０ 巻き取り部
Ａ 原糸
Ｂ 分割糸
Ｃ 炭素繊維

Claims (5)

1. 炭素繊維の原糸を送り出す送り出し工程と、
   前記原糸に付与された原糸用サイジング剤を除去する前処理工程と、
   前記原糸の幅を広げ厚みを薄くする開繊工程と、
   開繊された前記原糸に収束剤を付与する収束剤付与工程と、
   前記原糸にレーザー光を照射することにより、前記原糸を長手方向に沿って複数本の分割糸に分割する分割工程と、
   前記分割糸を巻き取る巻き取り工程と、をこの順に行う炭素繊維の分割糸の製造方法。
2. 前記分割工程の後かつ前記巻き取り工程の前に、前記分割糸を加熱する加熱工程を有する、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記分割工程の後かつ前記加熱工程の前に、前記分割糸に分割糸用サイジング剤を付与する後処理工程を有し、
   前記加熱工程で前記分割糸用サイジング剤を硬化させる、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記収束剤と前記分割糸用サイジング剤とが同一の材料である、請求項３に記載の製造方法。
5. 炭素繊維の原糸を送り出す送り出し手段と、
   前記原糸に付与された原糸用サイジング剤を除去する前処理手段と、
   前記原糸の幅を広げ厚みを薄くする開繊手段と、
   開繊された前記原糸に収束剤を付与する収束剤付与手段と、
   前記原糸にレーザー光を照射することにより、前記原糸を長手方向に沿って複数本の分割糸に分割する分割手段と、
   前記分割糸を巻き取る巻き取り手段と、を有する炭素繊維の分割糸の製造装置。

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