JP2510185B2 - 炭素繊維用ピッチの溶融紡糸ノズル - Google Patents

炭素繊維用ピッチの溶融紡糸ノズル

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JP2510185B2 JP62042146A JP4214687A JP2510185B2 JP 2510185 B2 JP2510185 B2 JP 2510185B2 JP 62042146 A JP62042146 A JP 62042146A JP 4214687 A JP4214687 A JP 4214687A JP 2510185 B2 JP2510185 B2 JP 2510185B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、製品の品質向上に適した、特定の構造に設
計された炭素繊維用ピッチの溶融紡糸ノズルに関するも
のである。
[従来の技術] 光学的異方性成分を含むピッチを溶融紡糸するとき、
ピッチの分子は繊維軸方向に配向するが、繊維軸に垂直
な平面上の断面図を顕微鏡で観察すると、同一のピッチ
を用いても紡糸条件によって炭素層の断面配列が放射状
に見えるラジアルタイプと、同心円状に見えるオニオン
タイプと規則的な配列が見られないランダムタイプとに
分かれることが従来より知られている。
このうち、ラジアルタイプの断面を有するものは紡糸
工程に続く炭化工程又は黒鉛化工程に紡糸糸をかける
と、繊維軸に沿った方向に表面が開裂してクラックが発
生し、このクラックが炭素繊維強度を大幅に低下させる
原因となる。
このランダムタイプ又はオニオンタイプの構造を有す
る炭素繊維が好ましいと一般に言われており、紡糸工程
後の繊維がこれらのタイプのいずれかの断面を有するよ
うに紡糸条件を設定しようとする努力が従来より行なわ
れている。
例えば、オニオンタイプのように配向性のよい繊維を
製造する場合、単に1本の繊維を紡糸するのであれば、
比較的容易に紡糸できるが、工業的に多数の繊維を1個
のノズル部品から紡糸するときは非常に困難である。
このような工業的規模の紡糸工程において炭素繊維製
品のクラック発生を防止するため、オニオンタイプの断
面を得る溶融紡糸方法として種々の方法が既に提案され
ている。
すなわち、ノズルのノズル孔の上流空間部に種々の充
填物を挿入する方法(特開昭59−88909号公報、特開昭6
0−259609号公報、特開昭61−186520号公報)及びノズ
ル内面を複雑な形状にする方法(特開昭59−163422号公
報、特開昭59−168127号公報、特開昭60−252723号公
報)が知られている。
前者のノズル孔の上流空間部に充填物を挿入する方法
は、多数の紡糸ノズル孔のそれぞれの、充填物の充填状
態が不均一であり、このため紡糸されたピッチの糸径が
不揃いとなり、また通常該空間部が非常に細くかつ多数
のノズル孔があるため、充填物の充填や該空間部の清掃
が繁雑過ぎるという欠点がある。
後者の複雑な形状のノズル内面を使用する方法は、同
じく多数のノズル孔がある上に孔の径が細いため、ノズ
ルの製作が困難である上に、実用化するには清掃等のメ
インテナンスが難し過ぎる欠点がある。
[発明が解決しようとする問題点] 本発明は、炭素繊維用ピッチの溶融紡糸用ノズルであ
って、該紡糸工程に起因する炭素繊維製品のクラック発
生を起こさず、製作しやすく、かつ清掃しやすい簡単な
形状の溶融紡糸ノズルを提供することを目的とする。
[問題点を解決するための手段] 本発明者は、製品炭素繊維のクラック防止に効果があ
ってかつ繊維軸方向の配向性のよい従来の種々の溶融紡
糸手段を注意深く観察した結果、これらの方法では、ノ
ズル孔から吐出される前のピッチの流れをできるだけ乱
すこと及びピッチが通過するノズルの前後のピッチ内圧
の急激な圧力低下が有効であることに想到し、ノズル直
前の上流域でのピッチ流の乱れ及びピッチの内圧の急激
な変化を起こすために有効でかつ簡単な構造のノズルを
使用すれば、必ずしもオニオンタイプの断面が得られな
くともクラックの発生を防止でき、かつ満足の強度及び
弾性率を持つ炭素繊維製品が得られることを見出し本発
明を完成した。
すなわち、本発明は、底面にノズル孔を設けたピッチ
流入部を有するノズルであって、該ピッチ流入部1個当
りに2個以上の該ノズル孔が設けてあり、かつ、該ノズ
ル孔の長さが0.05〜5mmであることを特徴とする炭素繊
維用ピッチの溶融紡糸ノズルを提供するものである。
本発明の溶融紡糸ノズルは、0.05〜5mm、好ましく
は、0.1〜2mmの長さのノズル孔を有することが必要であ
り、そのノズル孔径は、通常では、0.1〜0.5mmであり、
ノズル孔の長さ(L)とノズル孔径(D)との比L/Dは
0.5〜10である。
本発明のノズルの長さは強度的に可能であれば、短い
ほどノズルの前後のピッチ内圧の急激な低下があるため
望ましい。
ノズル孔の長さが5mmを越えると上記の急激な内圧低
下が起こらない上、ピッチの流れが整流されるのでクラ
ッチが生じ、0.05mm未満ではノズル板か強度的に弱くな
る。
本発明の溶融紡糸用ノズルにおいて、流入部1個当た
りに2個以上のノズル孔を設ける必要がある。この場
合、流入部当たりのノズル孔の個数は流入部の大きさに
依存し、0.1〜50mm2当り1個の割合で設けるのが望まし
い。
流入部の底面に比較的近接して2以上のノズル孔があ
ると、各ノズルに流れ込む溶融ピッチ流が互いに乱し合
って、乱流的流れになる傾向がある。
本発明においては、これを乱流化効果と称するが必ず
しも流体力学的乱流に限定するものでなくその傾向をい
うものである。
このような乱流化効果はノズル孔へのピッチ流の流入
角度すなわちノズル孔の入り口周辺の表面のノズル孔の
軸方向の中心線に対する角度が影響する。ノズル孔の中
心線を含む任意の方向の断面図において、ノズル孔の軸
の上方向の中心線と該入り口周辺の表面の線との間の角
度を流入角αとすると、本発明においては、このαが45
〜100度程度が望ましく、αが45度未満では、層流にな
りやすく、αが100度を越えるとピッチ流の停滞が起こ
り、又清掃等のメインテナンスが困難になる。
流入角αは、ノズルの流入部の底の形状によっては、
前記断面の方向によって大きく変わる。本発明におい
て、該断面の方向を一回転さしたときの流入角の最大値
を最大流入角αmaxとし、最小値を最小流入角αminと定
義する。
本発明におけるピッチ流入部の形状は、ピッチの流入
方向に対して深くない方がピッチ流が整流化されないの
で望ましく、またノズル孔の入り口近辺に流入部の壁が
近いと整流が乱され、良好な結果が得られる。
ノズル孔入り口付近への流入部内壁の接近度を次ぎに
定義する最短壁平均距離で表現できる。
ノズル口径をdとすればノズルの入り口から上に伸ば
した中心線に対して直角方向で最も近い内壁までの距離
をlとしてノズル孔入り口から中心線上5dの高さまでの
Lの平均値をlavとし、これを最短壁平均距離と定義す
る。
本発明のノズルの流入部は、このように定義した最短
壁平均距離がdの1〜25倍であるのが望ましい。
また、本発明の流入部の深さは5d〜200dの範囲が望ま
しい。5d未満ではノズル底板の強度が低くなり、200dを
越えるとピッチ流が整流化される。
本発明のノズルの流入部の態様は、例えば、第1図に
示すように直方体状の流入部1の底部中央に縦にノズル
孔2を4個設けたもの又は第2図のように断面が下向き
のくさび形の流入部があり、そのくさび形の下部の底線
の位置にノズル孔が4個設けてあるもの又は第2図の形
状を細長くして円弧溝状もしくは真円溝状にして多数の
ノズル孔を設けたもの(第3図)又は第4図のように六
角形もしくは正多角形にしたもの第5図のように垂直の
側壁がなく単に波型もしくは円弧型の断面の溝の中心線
にノズル孔を設けたものが好適に使用できる。
また各流入部の底のノズル孔の配置は、例えば、第6
図に示すような一列型、碁盤の目型、十字型、千鳥型、
円周型、六角型等種々の配置を選択できる。
特に、入り口が円形の流入部に同心円周状にノズル孔
を設けたもの及び正多角形状の流入部に同心的に同多角
状にノズル孔を設けた場合は、ピッチ流入角及びノズル
孔周辺の壁の状況が完全に同一になるので紡糸条件を各
ノズル孔について統一できる点で望ましい。
本発明のノズルは上記のようなノズル孔を底面に設け
た流入部を1個又は複数個有する連続一体的構造のノズ
ル底板からなる。このようなノズル板としては、例え
ば、第3図に示すような中央に一列にノズル孔を有する
真円溝状流入部及び円弧溝状流入部を有するノズル板及
び第7図のように前記直方体状又は六角型の流入部を多
数並べた構造を一体的に製作したもの等が使用できる。
本発明のノズルの各流入部の底に設けられたノズル孔
の長さは前記のように0.05〜5mmであり、流入部の底の
最短厚みをこれに一致させるのが望ましい。
本発明の多数の流入部を一体的に有するノズルにおい
ては、流入部の側壁はノズル板にかかるピッチ内圧を支
えるリブとして役に立っている。
本発明のノズルのピッチ流入部に所望により金網、針
金等の充填物を使用してピッチ流の整流化をさらに妨げ
ることもできる。
本発明のノズルによる溶融紡糸が適用できるピッチと
してはどのようなものでもよく、例えば、石油系ピッ
チ、石炭系ピッチ、化学系ピッチ等が挙げられる。
石油系ピッチとしては、石油精製工程における種々の
留分の残さ、例えば、常圧蒸留残さ、減圧蒸留残さ、流
動接触分解油残さなどからのピッチなどが挙げられる。
石炭系ピッチとしては、石炭乾留の際に留出するコー
ルタールピッチ、例えばα−ビチューメン、β−ビチュ
ーメン、γ−ビチューメン又は化成タールなどが挙げら
れる。
化学系ピッチとしては、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、ポリ塩化ビニルなど
の高分子物質を熱分解したときに生成する残さピッチ等
が挙げられる。
本発明のノズルにより溶融紡糸されるピッチは、上記
原料ピッチを熱処理等の工程にかけメソフェーズ含量の
多いピッチとしたものが望ましい。
本発明のノズルによる溶融紡糸は常法の条件により実
施できる。例えば、温度280〜380℃において、紡糸圧1
〜20kg/cm2Gによりピッチを溶融紡糸できる。
本発明のノズルにより、溶融紡糸した繊維状ピッチを
通常の焼成工程により炭化した場合、クラックの発生は
全く見られず、得られた炭素繊維の断面が楕円状のラメ
ラ構造を2個示すものが得られることが多い。
このように、本発明のノズルを用いて溶融紡糸すれ
ば、当初の目的のオニオンタイプのラメラ断面図のもの
が得られなかった場合でも炭化工程又は黒鉛化工程でク
ラックの発生はなく、軸方向の配向性がよく、炭素繊維
製品の強度及び弾性率等の物性も満足できるものが得ら
れる。
[実施例] 本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
実施例1 キノリン不溶分QI=28%、軟化点325℃、数平均分子
量1085のメソフェーズピッチを、10個のノズル孔を有す
る第1図のような直方体形状のノズル口金であって、ノ
ズル孔径0.3mm、ノズル長1.2mm、流入部の入り口寸法3
×40mm、深さ11mm、流入角α90度、最短壁平均距離1.5m
mのノズルを用い、口金温度を338℃に設定し、紡糸圧3k
g/cm2、紡糸速度250m/minで平均径13μのピッチ繊維を
得た。
これを常法に従い200〜360℃で30分間、1500℃でN2
囲気下で5分間焼成した。
その結果、得られた炭素繊維の強度は320kg/mm2、弾
性率29トン/mm2であった。
実施例2 キノリン不溶分QI=23%、軟化点318℃のメソフェー
ズピッチを第8図のような流入口を同心円状溝として、
これに合計500ホール配置したノズル口金をスクリュー
押出機に設置した。該同心円状溝の断面は第2図bの形
に形成されている。
このノズルは、ノズル孔径0.2mm、ノズル長0.4mm、流
入部の溝幅3mm、深さ12mm、最小流入角度αmin75度、最
大流入角度αmax90度、最短壁平均距離1.2mmであった。
溶融ピッチを流量1300g/hrで押し出し、平均糸径12.8
μ、糸径のバラツキ標準偏差7.2%のピッチ繊維を得
た。
実施例1と同様に不融化焼成したところ、得られた炭
素繊維の強度は280kg/mm2であり、弾性率は26トン/mm2
であった。
[発明の効果] 本発明の炭素繊維用ピッチの溶融紡糸ノズルを用いれ
ば、炭素繊維製品のクラックの発生を防ぎ、高強度、高
弾性率の炭素繊維を製造することができ、しかもノズル
自体の構造が簡単なため製作が容易な上、清掃等の溶融
紡糸装置のメインテナンスの手間がかからない点で有利
である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例のノズルの斜視図であり、第2
図は他の実施例のノズルの斜視図及び断面図であり、第
3図及び第4図はそれぞれ本発明の実施例のノズルの上
平面図であり、第5図は側壁がない場合の本発明の実施
例のノズル底板の斜視図であり、第6図は実施例のノズ
ル孔の配置例を示す図であり、第7図は多数の流入部を
有する本発明の実施例のノズルの上平面図であり、第8
図は本発明の他の実施例のノズルの斜視図である。図中
符号1は流入部、2はノズル孔、3は流入部側壁、4は
流入部底面である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】底面にノズル孔を設けたピッチ流入部を有
    するノズルであって、該ピッチ流入部1個当りに2個以
    上の該ノズル孔が設けてあり、かつ、該ノズル孔の長さ
    が0.05〜5mmであることを特徴とする炭素繊維用ピッチ
    の溶融紡糸ノズル。
JP62042146A 1986-10-09 1987-02-25 炭素繊維用ピッチの溶融紡糸ノズル Expired - Lifetime JP2510185B2 (ja)

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