JP2024025248A - 繊維束の加熱方法およびその加熱装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)本発明は、少なくとも一対の電極に接しつつ搬送されると共に少なくとも該電極間で導電性を有する繊維束を、該電極間への通電により該ジュール加熱する加熱工程を備え、該電極の少なくとも一方は、該繊維束の外周側に接しつつ該繊維束を集約する集束部を有する繊維束の加熱方法である。
本発明は、繊維加熱装置としても把握される。例えば、本発明は、少なくとも一対の電極と、該電極間に掛架された繊維束を移動させる搬送手段と、該電極間に電力を供給する電源とを備え、該電極の少なくとも一方は、該繊維束の外周側に接しつつ該繊維束を集約する集束部を有する繊維束の加熱装置でもよい。
本発明は、上述した加熱方法や加熱装置を用いて熱処理された繊維(束)(「処理繊維(束)」という。)としても把握される。加熱方法や加熱装置に供される加熱前の繊維(束)(「処理前繊維(束)」という。)は、通電を行う電極間で導電性を有する限り、その材質や状態は問わない。導電性は、通電可能であれば、具体的な電気抵抗値等を問わない。
(1)本明細書でいう「繊維束」は、「単繊維」(モノフィラメント)の集合体である。代表的な繊維束を構成するフィラメント数は、10(0.01k)~240000(240k)程度、さらには100(0.1k)~60000(60k)である。なお、本明細書では、適宜、「繊維束」を単に「繊維」ともいう。繊維束の構成要素を明確にするときは、単繊維またはモノフィラメントという。
(1)電極の少なくとも一つは、繊維束の外周側に接しつつ、繊維束を集約する集束部を有するとよい。繊維束の集約とは、繊維束を構成する単繊維同士が密集さらには密接する状態である。繊維束は、集束部を上流側から下流側へ通過する際に、通常、断面(外周囲の包絡線からなる断面)が集束部の断面に応じて変化し、単繊維の密集度に応じて縮形する。
電源は、交流電源でも直流電源でもよい。安定化電源を用いると、電流および/または電圧の制御(例えばフィードバック制御)が容易となる。
繊維束の搬送は、例えば、少なくとも下流側に設けた巻回体(ボビン、ローラ等)をモータ等で駆動させて、繊維束を巻き取ってもよい。巻回体と駆動源からなる搬送手段は、下流側のみならず、上流側にも設けてもよい。
電極間距離は一定でもよいし、通電状態に応じて変化させてもよい。例えば、電極間距離を短くして、繊維束の温度を上昇し易くしてもよい。繊維束の移動速度に応じて電極間距離を変化させてもよい。移動速度に応じた電極間距離の調整により、例えば、通電による繊維束の加熱時間(通電時間)を制御してもよい。電極間距離の距離調整手段は、例えば、少なくとも一方の電極を所定位置に移動させ得るスライダーにより行える。スライダーは、例えば、駆動源(サーボモータ等)、リニアガイド、ボールねじ等により構成される。
電極間に掛架された繊維(束)の張力は一定でもよいし、通電状態に応じて変化させてもよい。張力は、例えば、テンショナにより調整される。テンショナは、例えば、繊維束に接触するアイドラ、ローラ、スライダ等を介して、繊維束に所望の荷重を印加する。その荷重源は、例えば、電磁力(モータ、ソレノイド等)、油圧、空圧、重力(錘)、バネ等である。ローラは、特に制限されないが、例えば、ニップローラ、複数のローラからなるフィードローラ等を挙げることができる。上述した搬送手段等がテンショナを兼用してもよい。例えば、繊維束の下流側および/または上流側に設けた巻回体の回転トルクをモータ等で変化させて繊維束の張力を調整したり、繊維束の下流側の巻き取り速度と上流側の送り速度を調整し、その速度差により張力を調整してもよい。
通電加熱中の繊維(束)の温度が、連続的または離散的(断続的)に計測されてもよい。計測手段(温度計の形式や種類等)は問わない。細くて熱容量や強度等が小さい繊維(束)の温度は、例えば、非接触式温度計(放射温度計、サーモグラフィ等)により精度よく計測される。
少なくとも一箇所で計測される繊維束の温度に基づいて、繊維束の加熱制御がなされてもよい。制御方式(フィードバック制御、フィードフォワード制御等)は問わない。例えば、計測される繊維束の温度(単に「実温度」という。)に基づくフィードバック制御をリアルタイムで行い、繊維束の実温度を目標温度に安定して収束させてもよい。目標温度と実温度の温度差(変動幅)は、繊維束の種類、加熱目的、装置の仕様等により異なるが、例えば、±75℃さらには±50℃に収まると好ましい。
繊維束は、処理目的に応じた雰囲気で加熱されるとよい。酸化雰囲気下の加熱なら、大気中(開放状態)でなされてもよい。非酸化雰囲気下の加熱なら、少なくとも電極間にある繊維束を所望雰囲気にするチャンバを用いてもよい。
(1)通電加熱処理前の繊維(処理前繊維)は、通電による加熱が可能であれば、その材質を問わず、有機繊維、無機繊維、金属繊維等のいずれで構成されてもよい。代表例として、耐炎化繊維、不融化繊維、予備炭化繊維、炭素繊維、黒鉛化繊維等がある。
本発明の一実施例である繊維束の加熱装置M1(単に「装置M1」という。)を図1に示した。本実施例でいう左右方向(水平方向)と上下方向(鉛直方向)は、図1中に示す矢印の方向とする。
装置M1は、一対のローラ11、12と、電源2と、コンピュータからなる制御ユニット3(制御手段)と、放射温度計4と、処理前繊維束F1の送出ボビン51と処理繊維束F2の巻取ボビン52(搬送手段)と、テンショナ61、62と、送出側にある処理前繊維束F1と巻取側にある処理繊維束F2をそれぞれ誘導支持するアイドラ71、72(空転体/遊び車)と、通電繊維束Fhの周囲を所定雰囲気にするチャンバ8とを備える。
電極を構成するローラ11、12の円筒体111、121の外周側に溝115、125を形成した。ローラ11、12および溝115、125は同形状とした。ここでは、ローラ11の溝115について詳述する。
上述した加熱装置を用いて、処理前繊維束を加熱処理した処理繊維束を実際に製作し、その特性を評価した。具体的には次の通りである。
処理前繊維束には、次のように製作した予備炭化繊維束を用いた。
各処理前繊維束(予備炭化繊維束)を、装置M1を用いて通電加熱した処理繊維束を製作した。具体的には次の通りである。
チャンバ8内へ窒素を導入して、チャンバ8内を酸素濃度10ppm未満の不活性雰囲気とした。繊維束Fの搬送速度:12mm/分、繊維束Fの張力:191gf(7.8×10-3N/tex)、通電する電極間距離:35mm(ローラ11、12間の通過時間:2分55秒)、通電時間:10分間とした。この際、繊維束Fの加熱温度を1400℃(目標温度)に設定し、電流値:5A(一定)とした定電流制御により、繊維束Fを通電加熱した。
電極I(r=0.5mm、W=1mm)または電極II(rc=0.5mm、Wc=6mm)を装着した装置M1を用いて、処理前繊維束αまたは処理前繊維束βを通電加熱した。これにより、表1に示す試料1、2、C1の処理繊維束F2(炭素繊維束)を得た。なお、電極Iの外周面114から最深部までの深さは1.5mm、電極IIの外周面114から底部1171までの深さは1.5mmとした。
通電加熱中、電極間(ローラ11、12間)の抵抗値と、通電繊維束Fhの表面温度とを計測した。抵抗値は、電源装置で計測された電圧値を電流値で除して求めた。温度は、放射温度計4により、通電繊維束Fhの上方から計測した。計測位置は、図4に示すように、電極間の略中央付近で、通電繊維束Fhの幅方向の3箇所(中央部:P0、一方の端部:P1、他方の端部:P2)で行なった。
比較のため、上述した予備炭化繊維束を、従来の炭化炉(電気炉)を用いて炉加熱した処理繊維束も製作した。具体的には次の通りである。
各試料の処理繊維束F2から無作為に取り出した5本の単繊維それぞれについて引張試験を行い、引張強度と引張弾性率を測定した。測定値の算術平均値(N=5)を表1に併せて示した。なお、試料C1については、測定値のばらつきが大きかったため、不等号(<)を用いて上限値を示した。
(1)表1から明らかなように、溝115を備えるローラ11、12(電極I)を用いて処理前繊維束F1を通電加熱した試料1、2の場合、高強度かつ高剛性な炭素繊維が安定的に得られた。また試料1、2の場合、通電加熱中の通電状態(抵抗値の変化)や通電繊維束Fhの表面温度も安定していた。これらは、溝115により、処理前繊維束F1が密集した状態で通電加熱されたためと考えられる。
上述した装置M1を用いて、処理前繊維束F1を加熱処理する工程例(手順/ステップ)を図6に示した。集束部を有する電極を用いた通電加熱と併せて、以下のような工程を行なってもよい。
115 溝
1151 底部(集束部)
2 電源
3 制御ユニット(制御手段)
4 放射温度計
5 ボビン(搬送手段)
6 テンショナ
7 アイドラ
8 チャンバ
M1、M2 繊維束加熱装置
F1 処理前繊維束
Fh 通電繊維束
F2 処理繊維束
Claims (6)
- 少なくとも一対の電極に接しつつ搬送されると共に少なくとも該電極間で導電性を有する繊維束を、該電極間への通電によりジュール加熱する加熱工程を備え、
該電極の少なくとも一方は、該繊維束の外周側に接しつつ該繊維束を集約する集束部を有する繊維束の加熱方法。 - 前記集束部は、深さ方向に狭幅する構成面を有する溝状または筒状である請求項1に記載の繊維束の加熱方法。
- 前記集束部を有する電極は、回転体からなり、
該集束部は、該回転体の外周側に設けられると共に回転中心側にかけて狭幅する底面を有する開溝である請求項1に記載の繊維束の加熱方法。 - 前記開溝は、前記繊維束を前記底面側へ誘導する拡幅部を外周縁側に有する請求項3に記載の繊維束の加熱方法。
- 前記繊維束は、耐炎化繊維、不融化繊維または予備炭化繊維からなる請求項1~4いずれかに記載の繊維束の加熱方法。
- 少なくとも一対の電極と、
該電極間に掛架された繊維束を移動させる搬送手段と、
該電極間に電力を供給する電源とを備え、
該電極の少なくとも一方は、該繊維束の外周側に接しつつ該繊維束を集約する集束部を有する繊維束の加熱装置。
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