JP2971498B2 - 耐炎化処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は炭素繊維を製造するに先立ち、前駆体繊維を
耐炎化処理する装置に関するものである。

（従来の技術） 炭素繊維は軽量で、強度・弾性率に優れるためスポー
ツ・レジャー用品に広く使用されているが、近年はその
性能が一段と向上し、宇宙・航空機等の一次構造材とし
ても使用され始めている。しかしながら、従来使用され
てきた金属材料等と比較するとまだまだ高価であるた
め、一般産業・工業分野への展開は遅れており、特殊な
用途に限定されているのが実状である。

炭素繊維が高価であることの基本的な要因は生産性に
劣る点にあり、とりわけ前駆体繊維の耐炎化処理が非能
率的である点が挙げられる。前駆体繊維の耐炎化処理は
酸化発熱反応であり、多量の発熱を伴う。このため急速
な耐炎化処理を行うと蓄熱により暴走反応を誘発し、繊
維が溶融切断したり、極端な場合には火災を起こすこと
もある。このような暴走反応を避けるためには、通常短
くて１時間程度、長い場合は数時間もかけて耐炎化処理
を行うのが普通であり、このことが著しく生産性を落と
している原因となっている。

耐炎化処理時間を短縮する試みとしては、例えば特公
昭53−21396号公報（＝USP4,065,549）にて酸化性雰囲
気中で高温の加熱体表面に前駆体繊維を断続的に繰り返
し接触させる方法が提案されているが、この方法による
と加熱体の表面温度を高く設定せざるを得ず、前駆体繊
維が融着を起こし易く、得られる耐炎化繊維を炭素化し
ても実用に耐える炭素繊維を得ることが難しい。

また特開昭58−214525号公報（＝EP100411）には、加
熱酸化雰囲気中で前駆体繊維を冷却ローラに間欠的に接
触させながら処理する方法が提案されているが、この方
法ではローラ周辺の温度が高いため、ローラ上での繊維
の冷却が迅速に行われない上に加熱処理室の滞在時間に
ついて特に規制されていないため、条件によっては繊維
の融着が発生し易く且つ安定な処理を行うことが出来な
いことになる。

一方で、特開昭59−82413号公報及び特開昭61−28913
3号公報に開示された耐炎化炉では、複数のローラが炉
外の上下それぞれ一列で、互いに千鳥状に配されてお
り、繊維が各ローラ間をジグザグに懸け渡されている。
このように、ローラを炉外に配することでローラ周辺の
温度は炉内より低温となるためローラ上での繊維の冷却
は迅速になされるものの、ローラ周辺の温度は外気と同
一となりその制御が困難であるため、繊維が冷却されす
ぎて、次回の加熱処理での反応が遅れ、製造効率が低下
するといった問題が生じる。更には、上記公報に開示さ
れた耐炎化炉は、加熱空気を炉内の相対する壁部に形成
された各繊維出入口近傍で繊維走行方向と平行な方向に
供給しているため、炉内の繊維入口から繊維出口へかけ
て温度が不均一になるといった問題もある。

更にまた、特公昭51−9410号公報には、繊維が加熱処
理をうける帯域とローラを収納する帯域とを隔離し、ロ
ーラ及びローラを収納する帯域の温度を繊維が加熱処理
を受ける帯域の温度より低く保って繊維を処理する提案
がなされ、繊維の融着防止、熱効率の向上などに対して
一応の効果が期待できる。しかし、この方法でも上記提
案と同様に加熱処理室の滞在時間について格別の考慮が
なされていないため、条件によっては安定な処理を行う
ことが出来ない上に、ローラ及びローラを収納する帯域
の温度を180℃以下にしているため、場合によっては繊
維が冷却され過ぎて次の加熱処理室での反応が遅れ、結
果として耐炎化処理時間を短縮することが困難になるこ
とがある。また、同公報に記載された耐炎化炉は、前駆
体繊維が上下の２本のローラ間にコイル状に懸け渡され
ているため、繊維にはヒネリやネジレが加わり易く、繊
維は安定した走行ができない。また、繊維のローラ上で
の接触位置はローラの長手方向でズレが生じる場合があ
るため、ローラ収納帯域と加熱帯域とを区画する隔離板
に形成された繊維通過用の開口部を余裕をもたせて大き
めに形成しなければならず、両帯域間での空気の流通が
多くなり、温度制御が煩雑となる。

その他、西独公開2,026,019号にはローラを炉外に設
けてローラの温度が繊維の融着温度以上にならないよう
にする方法が開示されているが、この方法も同様に加熱
処理室の滞在時間を特に規制していないため上記と同じ
欠点を有している。

（発明が解決しようとする課題） 即ち、従来の技術では処理時間の短縮化を実現するこ
とが困難であり、またその短縮を図ろうとすると繊維の
溶着が起こり易くなり、迅速でかつ安定した耐炎化処理
ができなかった。

本発明の目的は、かかる非能率的で生産性に劣る従来
の耐炎化処理方法を改良して、高速で且つ生産性に優れ
た能率的な耐炎化処理装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） この目的を達成するため本発明は、炭素繊維用前駆体
を加熱空気中で耐炎化するに際し、炭素繊維用前駆体繊
維を移送するための複数のローラを有し、互いに対向し
て設けられたローラ室と、前駆体繊維の通過開口部を除
いて前記各ローラ室と壁を介して区画された加熱処理室
とからなる前駆体繊維を加熱空気中で耐炎化するための
耐炎化処理装置に於て、 （１） 前記複数のローラは両ローラ室間を千鳥状に配
設され、前記前駆体繊維が前記ローラにジグザグに懸け
渡されてなり、 前記耐炎化処理装置は更に、 （２） 加熱処理室とローラ室を区画する互いに対向す
る壁の間を、前駆体繊維が５〜60秒間で通過するよう前
記繊維を走行させる繊維走行手段と、 （３） 上記ローラの表面温度及び前記ローラ室温度を
加熱処理室温度より10〜80℃低く且つ180℃以上の温度
に維持する少なくともローラの温度維持手段と、 （４） 加熱処理室内の繊維走行路間に配され、前駆体
繊維に対して直角方向に加熱空気を吹き付けるための加
熱空気吹付け手段と、 （５） 前記加熱処理室内の空気を前記ローラ室へと引
き込み、その後、加熱してから再び前記加熱処理室へと
循環させる空気循環機構と、 を備えてなることを特徴とする耐炎化処理装置を基本構
成とし、これを上記課題の解決手段とするものである。

炭素繊維用前駆体繊維としてはポリアクリロニトリ
ル、セルロース、ピッチ、リグニン等の有機重合体繊維
が一般に用いられるが、このうちでもポリアクリロニト
リルは高性能な炭素繊維を得る上で特に好ましいもので
ある。これら前駆体繊維は炭素化に先立ち不融化するた
めに、加熱空気中、200〜300℃の温度で耐炎化処理され
る。

（作用） 前駆体繊維は一方のローラ室に入り、最初のローラ周
面の一部を周回して壁の開口部を通り、加熱処理室内を
通過して他方のローラ室に導入される。繊維は加熱処理
室の対向する壁間を５〜60秒で通過する。加熱処理室を
通過した繊維は、他方のローラ室に配設された前記ロー
ラに対して千鳥状に配されたローラの周面一部を周回
し、再び加熱処理室内に導入される。

以後、繊維は加熱処理室を挟んで配置された所望本数
のローラを順次ジグザグに周回しながら進み、加熱処理
室の外部に導出されて耐炎化処理を終える。このよう
に、千鳥状に配された複数のローラ間にジグザグに懸け
渡すことにより、繊維にはヒネリやネジレが加わること
がなく、繊維は安定して走行することができ、繊維の品
質を低下させる虞れもない。また、平行して走行する繊
維の間隔は前記ローラの直径であり、その間隔にズレが
生じることはなく、前記繊維は常に一定した位置を走行
するため、前記壁に形成された繊維通過用の開口部も最
小限の寸法とすることができ、ローラ室及び加熱処理室
間の空気の出入りを少なくでき、各室の温度制御が容易
となる。

この耐炎化処理の間、繊維は通常200〜400℃に室内温
度が設定された酸化性雰囲気の加熱処理室内で加熱と反
応による発熱を繰り返す。このとき加熱処理室内では、
同処理室内の繊維走行路間に配された加熱空気吹付け手
段から繊維に対して直角方向に加熱空気が吹き付けられ
る。しかるに加熱処理室内で加熱された繊維は、ローラ
室に入るたびにローラ表面温度が上記加熱処理室内の温
度より10〜80℃低く、同時に180℃以上に設定されロー
ラ周面を周回するときに、繊維内部に蓄積された反応熱
を放散させて繊維の過熱が防がれ溶着や溶融による切断
をなくす。また、上記加熱空気吹付け手段は、繊維に対
して直角方向に加熱空気を吹き付けるため、繊維の走行
方向と平行な方向に加熱空気を供給する場合と比べ、加
熱処理室内の温度分布を均一に維持することができる。

（実施例） 以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて具
体的に説明する。

図は同実施例に係る耐炎化処理装置の概略構成を示
し、第１図は側断面図、第２図は正断面図である。

第１図において、１は前駆体繊維であり、本実施例装
置の入口開口部6aから同装置内に入り、同装置の出口開
口部6bから外部に導出される。

耐炎化処理装置は、前記開口部6a,6bを除いて全体が
断熱材５により密閉され、内部は上方から上部ローラ室
11a、加熱処理室８、下部ローラ室11bの３室に壁3a,3b
を介して区画されている。上記ローラ室11a及び下部ロ
ーラ室11bは、本実施例装置では第２図に示すようにロ
ーラ長に合わせて加熱処理室８より間口を狭く設定して
ある。勿論、本発明はこの構造に限定されない。

上下ローラ室11a,11bには所望数のローラ2,2…が両室
間を千鳥状に配設されており、上下ローラ2,2…間を繊
維がジグザグに懸け渡される。ローラ２は内部が空洞で
あり、その一方の軸端を例えばロータリジョイント14を
介してファン12に連結され、他の軸端を外部に開口させ
ている。従ってファン12から送られる冷却空気をローラ
内部を通して外部にそのまま放出し、ローラを内部から
冷却する。

加熱処理室８には、内部の繊維走行路を挟んで多数の
ダクト10が対向配置され、同ダクト10の繊維対設面に多
数の加熱空気吹出し開口部10a,10a…が設けてあり、同
開口部10a,10a…から繊維に対して直角方向に加熱空気
が吹き出す。同ダクト10はモータで駆動されるファン16
及びその前面にヒータを備え、ダクト内部９に熱風が送
り込まれるようにされている。

加熱処理室８の前記ダクト10のファン16側と上下ロー
ラ室11a,11b間はファン15を介して排気ラインで結ばれ
ており、空気は上下ローラ室11a,11b→加熱処理室８→
上下ローラ室11a,11bと循環するようになっている。

なお、13はローラ冷却用ファン12とロータリジョイン
ト14間に介装されるバルブである。また、第２図におい
て矢印は空気の流れを示している。

以上のような構造をもつ耐炎化処理装置を使って前駆
体繊維の耐炎化処理を行うときは、前駆体繊維１を開口
部６ａを通して耐炎化装置内に導入し、上下各ローラ2,
2…に順次懸け渡されて装置内を移送する。

壁３は上述の如く耐炎化処理を受ける繊維がその間を
５〜60秒間通過するだけの距離ｌを隔てて設けられてお
り、前駆体繊維は60秒間を越えて同一温度で耐炎化処理
を受けると暴走反応を起こし易く、これに伴って繊維の
溶融切断等を引き起こし易い。耐炎化処理温度が高くな
ればなるほどこの傾向は顕著となる。また、５秒間より
短い場合は、加熱時間が短か過ぎて繊維の温度が加熱処
理室の温度に達する前にローラ室11a,11bに移り冷却さ
れることになり、効率が悪い上にローラの本数を増加す
る必要が生じるため設備費が膨大なものとなる。そのた
め壁３の間隔を、繊維がその間を５〜60秒間、好ましく
は10〜50秒間で通過するだけの距離に設定し、その間を
繊維が５〜60秒間で通過するよう、例えば公知のフィー
ドローラ（駆動ローラ）のような繊維走行手段により前
記繊維を走行させる。加熱処理室８にて耐炎化処理を受
けた繊維は、直ちに室内温度が加熱処理温度より10〜80
℃低く且つ180℃以上に維持されたローラ室11に入り、
表面温度が加熱処理温度より10〜80℃低く且つ180℃以
上に維持されたローラ２に接触し、繊維内部に蓄積した
反応熱を放散させる。反応熱の放散が十分でない場合に
は、ローラ２の表面上で繊維が溶融切断したり、あるい
は切断に至らずとも繊維が互いに融着して以後の炭素化
処理が不可能となることがある。このような不都合を避
けるために、ローラ２及びローラ室11の温度は加熱処理
温度より10〜80望ましくは10〜70℃低く且つその温度が
180℃望ましくは200℃以上になるように維持しなければ
ならない。

また、ローラ２及びローラ室11の温度が加熱処理温度
より80℃を越えて低い場合、あるいはその温度が180℃
よりも低い場合は、繊維が上下ローラ室11a,11bより再
び加熱処理室10に入った時、耐炎化を十分に進行させる
ことが困難となる。

ローラ２の表面温度を加熱処理温度より10〜80℃低く
維持する手段としては、ローラ内に液状熱媒等を循環さ
せることも考えられるが、構造が複雑となる、高価であ
る、迅速な制御が難しい等の欠点を有する。そのため好
ましい手段としては、既述した第２図に示すようにロー
ラ軸の片側よりロータリジョイント14を用いてローラ内
に冷却用空気を吹き込み、軸の他端より排出するように
する。この冷却手段としては、この例以外にもローラ表
面に多数の開口部を設け、ローラ内に導入した空気をロ
ーラ表面に設けた開口部より噴出する方法がある。な
お、冷却用空気としては外気を利用するのが一般的であ
る。

また、ローラ室11の雰囲気温度を加熱処理温度より10
〜80℃低く維持する手段としては、加熱処理室８から加
熱空気をファン15により導入量を制御しながら繊維が通
過する開口部４を通してローラ室に入れる方法をとるの
が一般的である。

加熱処理室８に入った繊維にはファン16で送られヒー
タ17で加熱された空気がダクト内部９より開口部10を通
して繊維に対して直角方向に吹き付けられる。この際、
加熱空気を少なくとも繊維の片面に吹き付ける必要があ
る。これはローラ２及びローラ室11で加熱処理温度より
低く冷却された繊維を短時間で加熱処理温度まで昇温さ
せると同時に、処理される繊維に十分な酸素を補給する
のに重要であり、さらに繊維内に蓄積される反応熱を一
部除去するためにも有効である。

その際、繊維に吹き付ける加熱空気の風速は１〜10m/
sec好ましくは２〜6m/secが望ましい。これより風速が
低くなると、比較的低温処理の場合は昇温が迅速に行わ
れないため反応が遅れ、高温処理の場合は反応熱を十分
除去することができないため繊維が溶融切断したり、繊
維に反応に必要な酸素が供給されないため次の炭素化処
理に於て繊維の切断を頻発する耐炎化繊維となるといっ
た問題が起きる。また、これより風速が高くなると処理
中に単繊維の破断が多くなるといった問題が起きる。

また、繊維に吹き付ける加熱空気の温度としては230
〜290℃程度が好ましい。これより温度が低くなると反
応速度が遅いため処理に多大の時間を要し、これより温
度が高くなると耐炎化反応よりも分解反応が優勢となる
ため、得られる耐炎化繊維は炭素化に適したものになり
得ない。耐炎化処理を終了した繊維は、装置の出口開口
部6bより装置外に取り出され、必要に応じてさらに耐炎
化を進めるか、あるいは炭素化処理に供されるが、炭素
化処理を行わずそのまま耐炎化繊維として使用すること
もできる。

以下、上記実施例装置を使って実際に耐炎化処理を行
う場合の例を具体的に説明する。なお、本文中の引張り
強度及び弾性率はJIS7601法により測定し、密度は密度
勾配管法により求めた。

具体例１ 12000フィラメント、1.2デニールのポリアクリロニト
リル系前駆体繊維を50束、中心間距離が3mmになるよう
に並べ、図示実施例と同じ耐炎化処理装置を３基直列に
接続した装置に導入して耐炎化処理を行った。ローラ２
の外径は100mmとした。ローラ２の数は１基当り11本、
対向する壁３の距離は1mmとし、繊維を3m/minで移送し
て対向する壁３の間を１回当り20秒間で通過させた。加
熱空気を繊維に吹き付けるためのダクト９の繊維対向面
には、幅2mmのスリット状開口部10を片面当り７個設
け、それぞれの装置で255℃、270℃、280℃の加熱空気
を吹き出させた。なお、その際の加熱空気の風速は4m/s
ecとした。

またローラ内には一方の軸より冷却用空気を導入し他
方の軸より系外に排出させて、ローラ表面温度を制御す
ると共に、壁３の開口部４からローラ室11a,11bに導入
される空気量を制御して、ローラ表面温度とローラ室温
度を加熱処理室内８の温度より50℃低く維持した。

耐炎化に要した時間は合計で10分間であった。処理後
の耐炎化繊維の密度は1.35g/cm³であった。

このようにして得られた耐炎化繊維を、窒素雰囲気
中、600℃で１分間、1400℃で１分間処理して炭素繊維
とした。その性能を測定したところ、引張り強度360Kg/
mm²、弾性率23ton/mm²と良好なものであった。

比較例１ 具体例１においてローラ内に導入する冷却空気の量を
減らして、ローラ室に導入する加熱空気の量を増やし、
ローラ及びローラ室の温度を加熱処理温度と同じにして
耐炎化処理を行ったところ、繊維が互いに融着し、炭素
化することが出来なかった。

比較例２ 具体例１において繊維に吹き付ける加熱空気の風速を
0.5m/secに変更したところ、変更後約30分で繊維が溶融
切断し、処理を続けることができなかった。

比較例３ 具体例１において繊維に吹き付ける加熱空気の風速を
12m/secに変更して耐炎化処理を行った。得られた耐炎
化繊維は単糸切れが多く、具体例１と同じ条件で耐炎化
したところ、引張り強度260Kg/mm²、弾性率22ton/mm²と
得られた炭素繊維の性能は低いものであった。

比較例４ 具体例１において繊維に吹き付ける加熱空気の温度を
それぞれ255、270、300℃に変更して耐炎化処理を行っ
た。この場合は処理温度が高いため耐炎化の処理時間は
合計で６分間であった。得られた耐炎化繊維を具体例１
と同様にして炭素化したところ、引張り強度220Kg/m
m²、弾性率18ton/mm²と得られた炭素繊維の性能は低い
ものであった。

比較例５ 具体例１において前駆体繊維の移送速度を3m/minから
0.5m/minに変更し、壁３の間を１回当り３分間で通過す
るようにしたところ、変更後の約10分後繊維が溶融切断
し、処理を続けることが出来なかった。

具体例２〜４ 実施例の装置を用いて第１表に示した条件によって耐
炎化処理を行い、これをさらに具体例１と同様にして炭
素化したものの性能を表中に示した。いずれも良好な炭
素繊維であった。なお、耐炎化処理装置内の対向する壁
3a,3bの間を繊維が通過する時間は、繊維の移送速度に
よって変更した。

具体例５ 実施例の装置の全ローラを改造し、ローラ表面に幅1m
mのスリット状開口部を３カ所設けた。この装置により
具体例１に用いたのと同じ前駆体繊維束を耐炎化処理し
た。なお、処理時の条件は具体例１と同じとした。この
耐炎化繊維束を具体例１と同様にして炭素化したとこ
ろ、引張り強度360Kg/mm²、弾性率23ton/mm²の具体例１
と同等の性能を有する炭素繊維束が得られた。

（発明の効果） 以上、詳細に説明した如く本発明によれば、ローラ室
と加熱処理室を区画し、前駆体繊維が両室間を、両ロー
ラ室に千鳥状に配された複数のローラ間をにジグザグに
懸け渡されて交互に通過するように構成し、前記両室の
室内温度を規定すると共に繊維が加熱処理室内を通過す
る１回当りの通過時間を規定し、さらには加熱処理室内
を繊維が通過するとき繊維に対し直角方向に加熱空気を
吹き付ける構成としたため、通過による繊維の融着ある
いは暴走反応を起こすことなく、炭素繊維用前駆体繊維
の耐炎化処理が高速で且つ短時間に行い得るようにな
り、低コストで生産性に優れた耐炎化処理装置を実現が
できた。しかも本発明の処理装置で処理された耐炎化繊
維を使うと、引張り強度が300Kg/mm²以上、弾性率が22t
on/mm²以上、さらには引張り強度が360Kg/mm²以上、弾
性率が23ton/mm²以上の優れた炭素繊維が得られ、この
ことからも本発明の耐炎化処理装置が極めて優れている
ことが確認できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る耐炎化処理装置の好適な一実施例
を示す側断面図、第２図は同正断面図である。 図の主要部分の説明 １……前駆体繊維 ２……ローラ ３……壁 ８……加熱処理室 ９……ダクト 11……ローラ室 12,15,16……ファン 17……ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 伸之 広島県大竹市御幸町20番１号 三菱レイ ヨン株式会社中央研究所内 (72)発明者 小玉 陽一 広島県大竹市御幸町20番１号 三菱レイ ヨン株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−289133（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−82413（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) D01F 9/32

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭素繊維用前駆体繊維を移送するための複
   数のローラを有し、互いに対向して設けられたローラ室
   と、前駆体繊維の通過開口部を除いて前記各ローラ室と
   壁を介して区画された加熱処理室とからなる前駆体繊維
   を加熱空気中で耐炎化するための耐炎化処理装置に於
   て、 （１） 前記複数のローラは両ローラ室間を千鳥状に配
   設され、前記前駆体繊維が前記ローラにジグザグに懸け
   渡されてなり、 前記耐炎化処理装置は更に、 （２） 加熱処理室とローラ室を区画する互いに対向す
   る壁の間を、前駆体繊維が５〜60秒間で通過するよう前
   記繊維を走行させる繊維走行手段と、 （３） 上記ローラの表面温度及び前記ローラ室温度を
   加熱処理室温度より10〜80℃低く且つ180℃以上の温度
   に維持する少なくともローラの温度維持手段と、 （４） 加熱処理室内の繊維走行路間に配され、前駆体
   繊維に対して直角方向に加熱空気を吹き付けるための加
   熱空気吹付け手段と、 （５） 前記加熱処理室内の空気を前記ローラ室へと引
   き込み、その後、加熱してから再び前記加熱処理室へと
   循環させる空気循環機構と、 を備えてなることを特徴とする耐炎化処理装置。
2. 【請求項２】前記ローラ温度維持手段は、ローラ軸の片
   側より冷却用空気をローラ内に吹き込み、軸の他端より
   排出するものである請求項１記載の耐炎化処理装置。
3. 【請求項３】前記ローラ温度維持手段は、ローラ軸の片
   側又は両側より冷却用空気をローラ内に導入し、該ロー
   ラ表面に設けた開口部より前記導入空気を吹き出すもの
   である請求項１記載の耐炎化処理装置。
4. 【請求項４】前記加熱空気吹付け手段は、前駆体繊維に
   加熱空気を１〜10m/secの風速で吹き付け可能とされて
   なる請求項１記載の耐炎化処理装置。
5. 【請求項５】前記加熱空気吹付け手段は、加熱空気の温
   度を230〜290℃に加熱するヒータを備えてなる請求項１
   記載の耐炎化処理装置。