JP3899649B2 - 炭素繊維の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特に繊度の大きい炭素繊維を得るに適した炭素繊維の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を耐炎化し、ついで炭化することにより製造される。
【０００３】
ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を耐炎化する方法としては、図１に示すように、耐炎化炉１の両側にガイドロール２を配置し、繊維束３をジグザグ状に耐炎化炉内に通す方法が一般的である。
【０００４】
耐炎化反応は発熱反応であるので、処理糸条が太くなるすなわち、処理する前駆体繊維束のフィラメント数が大きくなりすぎると、繊維束内部に蓄熱し処理温度に対し繊維束内部の温度が極端に高くなり暴走反応が発生しやすい。
【０００５】
かかる繊維束内部での蓄熱を抑制する手段としては、繊維束を実質的に無撚の状態として略矩形に保つことが有効である。しかしそのような技術を用いた場合、繊維束の集束性が低くなることと、繊維束が太くなるに従い発生する毛羽も多くなることから、ガイドロールにさばけた単繊維の毛羽が巻きつき易く、糸切れを発生させるという問題があった。
【０００６】
また、繊維束が太いと、耐炎化炉を出ても繊維束がなかなか冷えず、耐炎化反応での発生ガスすなわち耐炎化途中の繊維束の油剤分解物、もしくはポリアクリロニトリルの分解物等、いわゆるタール分がガイドロールに付着しやすく、ロール表面が粘着性を帯びるために、繊維束の単繊維の毛羽がさらに巻付きやすくなり、やがては糸切れを誘発するという問題もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、総繊度の大きいポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を耐炎化するに際し、ロール上での巻き付き糸切れを抑制し、安定にプロセスを通過させ、生産性を向上させた炭素繊維製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の炭素繊維の製造方法は、前記課題を解決するために次の構成を有する。すなわち、総繊度３０，０００デニール以上のポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を実質的に撚りのない状態で温度２００〜３００℃の耐炎化炉によりガイドロールで折り返しながら耐炎化し、ついで炭化する炭素繊維の製造方法において、前記ガイドロールの径Ｒ（mm）と前駆体繊維束のフィラメント数Ｆ（本）の比Ｒ／Ｆを １×１０−３〜８×１０−３とするとともに、前記ガイドロールを前記耐炎化炉の外側に配置し、前記ガイドロールに接触する直前の繊維を１５０℃以下の温度に冷却することを特徴とする炭素繊維の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明につき、詳細に説明する。
【００１０】
本発明において、耐炎化途中の繊維束は実質的に撚りのない状態に制御される。ここで実質的に撚りがない状態とは、通常、ガイドロール間で撚りが１ｍ当たり０．１ターン以下であることを指す。
【００１１】
ガイドロールは図１の様に耐炎化炉の両側に交互に配置され、ロールは、後述するガイドロール表面上に存在する繊維の温度を特定のものとするために、炉の外側にあるようにする。
【００１２】
ロール径とは、耐炎化途中の前駆体繊維束がロールに添って作る円弧の直径を指す。すなわち、ロールに溝のない平ロールの場合はロールの最大径がロール径となるが、溝を有するロールの場合は溝底部の直径を指す。
【００１３】
ロールの材質は、熱、張力により受けるひずみが少ないものであれば金属、コンポジット等、いずれを問わないが、価格、メンテナンス性を考慮すれば鉄に防錆メッキを施した物あるいはステンレスが好ましい。
【００１４】
ロール径Ｒ(mm)は耐炎化処理する前駆体繊維束のフィラメント数Ｆ(本)に応じ、Ｒ／Ｆが１×１０-3〜８×１０-3、好ましくは１.５×１０-3〜６×１０-3、より好ましくは２×１０-3〜４×１０-3の範囲に制御される。
【００１５】
Ｒ／Ｆが小さい場合、すなわちロール径Ｒがフィラメント数Ｆの割に小さいときは繊維の屈曲が多く、上下の繊維束間の距離が小さいため、毛羽がロールへ取られやすくなり、巻付きが発生しやすくなる。
【００１６】
また、Ｒ／Ｆが大きい場合、すなわちロール径Ｒがフィラメント数Ｆの割に大きいときはロール自体の重量が大きくなるため、慣性モーメントが大きくなりスタート・ストップ時に繊維速度の変動にロール速度が追従できずにロール上で繊維がスリップし、毛羽糸切れによるトラブルが発生しやすく、また上下の繊維束の距離が大きいため耐炎化炉の設備が上下方向に大きくなり設備コストが高くなり、ひいては製造コストが高くなる。
【００１７】
本発明では、ガイドロールに接触する直前の繊維束の温度を、１５０℃以下、好ましくは１００℃以下とする。
【００１８】
ガイドロールに接触する直前の繊維束の温度が１５０℃を超えると、繊維束において耐炎化反応がまだ続いているため、発生するポリアクリロニトリルの分解物、油剤の分解物ガスが、ロールに凝縮、転写されることがある。凝縮したガスは粘着性であり、このため、単糸毛羽がロールに取られ、やがて該毛羽が成長し、糸切れに至る問題がある。
【００１９】
前記問題を解決するためには、耐炎化炉から出てきた繊維束を搬送ロールに達する前に１５０℃以下に冷却し、一旦耐炎化反応を終了もしくは抑制させればよく、具体的には、たとえば、耐炎化炉とロールの距離を大きく取る、ロールまでの間に繊維束が冷えるように繊維束の走行速度を設定する、耐炎化炉から出てきた繊維束に冷風を付与するなどの方法を取ることができる。
【００２０】
耐炎化途中の繊維束の幅１ｍｍあたりの繊度、いわゆる糸条密度は４，０００デニール／ｍｍ〜１０，０００デニール／ｍｍ、好ましくは５，０００デニール／ｍｍ〜８，０００デニール／ｍｍであることが望ましい。糸条密度が４，０００デニール／ｍｍより小さいと、ロールへの接触するフィラメント数が大きくなり、その分表面に現れる単繊維毛羽数も多くなることから、巻き付きの発生頻度が高くなる。一方、糸条密度が１０，０００デニール／ｍｍを超えると繊維束の厚みむらが大きくなり、耐炎化反応の暴走が発生するおそれがあるので、耐炎化処理温度を下げる必要が生じ、生産性が下がる。
【００２１】
耐炎化に際して、繊維束には３０×１０-5〜２００×１０-5Ｎ／デニール、好ましくは４０×１０-5〜１７０×１０-5Ｎ／デニール、より好ましくは５０×１０-5〜１５０×１０-5Ｎ／デニール、の張力を付与することが望ましい。かかる張力が、３０×１０-5Ｎ／デニールより小さいと、繊維にたるみが発生し単糸毛羽がロールに取られやすくなり、２００×１０-5Ｎ／デニールを超えると耐炎化途中の繊維束の一部が破断し始め、毛羽の巻き付きが促進されやすくなる。
【００２２】
かかる張力は耐炎化炉での延伸比すなわち、耐炎化へ繊維束をフィードする速度と耐炎化炉出で繊維束を引き取る速度の比を変えることにより制御される。すなわち、耐炎化へ繊維束をフィードする速度を一定にし、耐炎化出で繊維束を引き取る速度を早くすれば張力をあげることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。
【００２４】
実施例１
単繊維繊度１．５デニール、フィラメント数１００，０００、総繊度１５０，０００デニールの実質的に無撚のポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を、溝幅２５ｍｍの溝ロールを介し糸条密度６，０００デニール／ｍｍの略矩形シート状に保ち、図１に示す様な熱風循環方式の耐炎化炉へ供給した。
【００２５】
耐炎化炉のロール間距離は１０ｍであり、ガイドロール直径２００mm、耐炎化炉内から繊維束が出入りするスリットとガイドロールの距離は８００ｍｍとした。このときのＲ／Ｆは２×１０-3であった。
【００２６】
耐炎化の条件は、繊維束をフィードする速度３ｍ／分、温度２３０℃とし、耐炎化時間は６０分とした。耐炎化炉から出てきた直後の繊維の温度は２２０℃、ガイドロールに接触する直前の繊維温度は９０℃であり、前駆体糸条のガイドロール表面での温度は８５℃であった。
【００２７】
この条件で耐炎化を３日間連続で運転したところ、ガイドロールへの単糸巻き付きはゼロであり、糸切れなく安定して走行した。
【００２８】
上記耐炎化処理を行って得られた耐炎化繊維を、次いで不活性雰囲気中最高温度９００℃、１４００℃の２段階で炭化処理を行い、表面処理、サイジング付与を行い炭素繊維を得た。
【００２９】
得られた炭素繊維は、毛羽が少なく、引張強度は３．９GPa、弾性率２３５GPaの優れたものであった。
【００３０】
比較例１
ガイドロールをロール径８０ｍｍのものに変更した以外は実施例１と同様にして耐炎化繊維を得た。このときのＲ／Ｆは０．８×１０-3であった。
【００３１】
耐炎化炉から出てきた繊維束のロール接触直前の温度は９０℃であり、運転を始めて５時間でガイドロールに単糸の巻付きが発生した。そのまま放置したところ１５分後には単糸の巻付きが成長し、糸切れが発生した。上記耐炎化繊維が巻き付くまでの間、不活性雰囲気中最高温度９００℃、１４００℃の２段階で炭化処理、ついで、表面処理、サイジング付与を行った炭素繊維は毛羽が多く、引張強度は２．９GPa、弾性率２３５GPaであった。
【００３２】
比較例２
耐炎化炉内から繊維が出てくるスリットとロールの距離を１５０ｍｍに変更した以外は実施例１と同様にして前駆体繊維束を耐炎化炉に供給した。
【００３３】
耐炎化炉から出てきた繊維束のロール接触直前の温度は１９０℃であり、５時間運転した後、ロール表面がタールで粘着性を帯びていた。
【００３４】
２０時間後単糸巻き付きが発生し、このまま放置したところ、１５分後に糸切れが発生した。
【００３５】
前記耐炎化繊維が糸切れするまでの間、不活性雰囲気中最高温度９００℃、１４００℃の２段階で炭化処理を行い、表面処理、サイジング付与を行い炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は比較例１同様毛羽が多く、引張強度は３．３GPa、弾性率２３５GPaであった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、総繊度の大きい前駆体繊維束を、ガイドロール上での巻き付き糸切れを抑制し、安定にプロセスを通過させて耐炎化でき、総繊度の大きい炭素繊維を生産性良く製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】外側にガイドロールを配した耐炎化炉の概略図である。
【符号の説明】
１：耐炎化炉
２：ガイドロール
３：前駆体繊維束
【発明の属する技術分野】
本発明は特に繊度の大きい炭素繊維を得るに適した炭素繊維の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を耐炎化し、ついで炭化することにより製造される。
【０００３】
ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を耐炎化する方法としては、図１に示すように、耐炎化炉１の両側にガイドロール２を配置し、繊維束３をジグザグ状に耐炎化炉内に通す方法が一般的である。
【０００４】
耐炎化反応は発熱反応であるので、処理糸条が太くなるすなわち、処理する前駆体繊維束のフィラメント数が大きくなりすぎると、繊維束内部に蓄熱し処理温度に対し繊維束内部の温度が極端に高くなり暴走反応が発生しやすい。
【０００５】
かかる繊維束内部での蓄熱を抑制する手段としては、繊維束を実質的に無撚の状態として略矩形に保つことが有効である。しかしそのような技術を用いた場合、繊維束の集束性が低くなることと、繊維束が太くなるに従い発生する毛羽も多くなることから、ガイドロールにさばけた単繊維の毛羽が巻きつき易く、糸切れを発生させるという問題があった。
【０００６】
また、繊維束が太いと、耐炎化炉を出ても繊維束がなかなか冷えず、耐炎化反応での発生ガスすなわち耐炎化途中の繊維束の油剤分解物、もしくはポリアクリロニトリルの分解物等、いわゆるタール分がガイドロールに付着しやすく、ロール表面が粘着性を帯びるために、繊維束の単繊維の毛羽がさらに巻付きやすくなり、やがては糸切れを誘発するという問題もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、総繊度の大きいポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を耐炎化するに際し、ロール上での巻き付き糸切れを抑制し、安定にプロセスを通過させ、生産性を向上させた炭素繊維製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の炭素繊維の製造方法は、前記課題を解決するために次の構成を有する。すなわち、総繊度３０，０００デニール以上のポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を実質的に撚りのない状態で温度２００〜３００℃の耐炎化炉によりガイドロールで折り返しながら耐炎化し、ついで炭化する炭素繊維の製造方法において、前記ガイドロールの径Ｒ（mm）と前駆体繊維束のフィラメント数Ｆ（本）の比Ｒ／Ｆを １×１０−３〜８×１０−３とするとともに、前記ガイドロールを前記耐炎化炉の外側に配置し、前記ガイドロールに接触する直前の繊維を１５０℃以下の温度に冷却することを特徴とする炭素繊維の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明につき、詳細に説明する。
【００１０】
本発明において、耐炎化途中の繊維束は実質的に撚りのない状態に制御される。ここで実質的に撚りがない状態とは、通常、ガイドロール間で撚りが１ｍ当たり０．１ターン以下であることを指す。
【００１１】
ガイドロールは図１の様に耐炎化炉の両側に交互に配置され、ロールは、後述するガイドロール表面上に存在する繊維の温度を特定のものとするために、炉の外側にあるようにする。
【００１２】
ロール径とは、耐炎化途中の前駆体繊維束がロールに添って作る円弧の直径を指す。すなわち、ロールに溝のない平ロールの場合はロールの最大径がロール径となるが、溝を有するロールの場合は溝底部の直径を指す。
【００１３】
ロールの材質は、熱、張力により受けるひずみが少ないものであれば金属、コンポジット等、いずれを問わないが、価格、メンテナンス性を考慮すれば鉄に防錆メッキを施した物あるいはステンレスが好ましい。
【００１４】
ロール径Ｒ(mm)は耐炎化処理する前駆体繊維束のフィラメント数Ｆ(本)に応じ、Ｒ／Ｆが１×１０-3〜８×１０-3、好ましくは１.５×１０-3〜６×１０-3、より好ましくは２×１０-3〜４×１０-3の範囲に制御される。
【００１５】
Ｒ／Ｆが小さい場合、すなわちロール径Ｒがフィラメント数Ｆの割に小さいときは繊維の屈曲が多く、上下の繊維束間の距離が小さいため、毛羽がロールへ取られやすくなり、巻付きが発生しやすくなる。
【００１６】
また、Ｒ／Ｆが大きい場合、すなわちロール径Ｒがフィラメント数Ｆの割に大きいときはロール自体の重量が大きくなるため、慣性モーメントが大きくなりスタート・ストップ時に繊維速度の変動にロール速度が追従できずにロール上で繊維がスリップし、毛羽糸切れによるトラブルが発生しやすく、また上下の繊維束の距離が大きいため耐炎化炉の設備が上下方向に大きくなり設備コストが高くなり、ひいては製造コストが高くなる。
【００１７】
本発明では、ガイドロールに接触する直前の繊維束の温度を、１５０℃以下、好ましくは１００℃以下とする。
【００１８】
ガイドロールに接触する直前の繊維束の温度が１５０℃を超えると、繊維束において耐炎化反応がまだ続いているため、発生するポリアクリロニトリルの分解物、油剤の分解物ガスが、ロールに凝縮、転写されることがある。凝縮したガスは粘着性であり、このため、単糸毛羽がロールに取られ、やがて該毛羽が成長し、糸切れに至る問題がある。
【００１９】
前記問題を解決するためには、耐炎化炉から出てきた繊維束を搬送ロールに達する前に１５０℃以下に冷却し、一旦耐炎化反応を終了もしくは抑制させればよく、具体的には、たとえば、耐炎化炉とロールの距離を大きく取る、ロールまでの間に繊維束が冷えるように繊維束の走行速度を設定する、耐炎化炉から出てきた繊維束に冷風を付与するなどの方法を取ることができる。
【００２０】
耐炎化途中の繊維束の幅１ｍｍあたりの繊度、いわゆる糸条密度は４，０００デニール／ｍｍ〜１０，０００デニール／ｍｍ、好ましくは５，０００デニール／ｍｍ〜８，０００デニール／ｍｍであることが望ましい。糸条密度が４，０００デニール／ｍｍより小さいと、ロールへの接触するフィラメント数が大きくなり、その分表面に現れる単繊維毛羽数も多くなることから、巻き付きの発生頻度が高くなる。一方、糸条密度が１０，０００デニール／ｍｍを超えると繊維束の厚みむらが大きくなり、耐炎化反応の暴走が発生するおそれがあるので、耐炎化処理温度を下げる必要が生じ、生産性が下がる。
【００２１】
耐炎化に際して、繊維束には３０×１０-5〜２００×１０-5Ｎ／デニール、好ましくは４０×１０-5〜１７０×１０-5Ｎ／デニール、より好ましくは５０×１０-5〜１５０×１０-5Ｎ／デニール、の張力を付与することが望ましい。かかる張力が、３０×１０-5Ｎ／デニールより小さいと、繊維にたるみが発生し単糸毛羽がロールに取られやすくなり、２００×１０-5Ｎ／デニールを超えると耐炎化途中の繊維束の一部が破断し始め、毛羽の巻き付きが促進されやすくなる。
【００２２】
かかる張力は耐炎化炉での延伸比すなわち、耐炎化へ繊維束をフィードする速度と耐炎化炉出で繊維束を引き取る速度の比を変えることにより制御される。すなわち、耐炎化へ繊維束をフィードする速度を一定にし、耐炎化出で繊維束を引き取る速度を早くすれば張力をあげることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。
【００２４】
実施例１
単繊維繊度１．５デニール、フィラメント数１００，０００、総繊度１５０，０００デニールの実質的に無撚のポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を、溝幅２５ｍｍの溝ロールを介し糸条密度６，０００デニール／ｍｍの略矩形シート状に保ち、図１に示す様な熱風循環方式の耐炎化炉へ供給した。
【００２５】
耐炎化炉のロール間距離は１０ｍであり、ガイドロール直径２００mm、耐炎化炉内から繊維束が出入りするスリットとガイドロールの距離は８００ｍｍとした。このときのＲ／Ｆは２×１０-3であった。
【００２６】
耐炎化の条件は、繊維束をフィードする速度３ｍ／分、温度２３０℃とし、耐炎化時間は６０分とした。耐炎化炉から出てきた直後の繊維の温度は２２０℃、ガイドロールに接触する直前の繊維温度は９０℃であり、前駆体糸条のガイドロール表面での温度は８５℃であった。
【００２７】
この条件で耐炎化を３日間連続で運転したところ、ガイドロールへの単糸巻き付きはゼロであり、糸切れなく安定して走行した。
【００２８】
上記耐炎化処理を行って得られた耐炎化繊維を、次いで不活性雰囲気中最高温度９００℃、１４００℃の２段階で炭化処理を行い、表面処理、サイジング付与を行い炭素繊維を得た。
【００２９】
得られた炭素繊維は、毛羽が少なく、引張強度は３．９GPa、弾性率２３５GPaの優れたものであった。
【００３０】
比較例１
ガイドロールをロール径８０ｍｍのものに変更した以外は実施例１と同様にして耐炎化繊維を得た。このときのＲ／Ｆは０．８×１０-3であった。
【００３１】
耐炎化炉から出てきた繊維束のロール接触直前の温度は９０℃であり、運転を始めて５時間でガイドロールに単糸の巻付きが発生した。そのまま放置したところ１５分後には単糸の巻付きが成長し、糸切れが発生した。上記耐炎化繊維が巻き付くまでの間、不活性雰囲気中最高温度９００℃、１４００℃の２段階で炭化処理、ついで、表面処理、サイジング付与を行った炭素繊維は毛羽が多く、引張強度は２．９GPa、弾性率２３５GPaであった。
【００３２】
比較例２
耐炎化炉内から繊維が出てくるスリットとロールの距離を１５０ｍｍに変更した以外は実施例１と同様にして前駆体繊維束を耐炎化炉に供給した。
【００３３】
耐炎化炉から出てきた繊維束のロール接触直前の温度は１９０℃であり、５時間運転した後、ロール表面がタールで粘着性を帯びていた。
【００３４】
２０時間後単糸巻き付きが発生し、このまま放置したところ、１５分後に糸切れが発生した。
【００３５】
前記耐炎化繊維が糸切れするまでの間、不活性雰囲気中最高温度９００℃、１４００℃の２段階で炭化処理を行い、表面処理、サイジング付与を行い炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は比較例１同様毛羽が多く、引張強度は３．３GPa、弾性率２３５GPaであった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、総繊度の大きい前駆体繊維束を、ガイドロール上での巻き付き糸切れを抑制し、安定にプロセスを通過させて耐炎化でき、総繊度の大きい炭素繊維を生産性良く製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】外側にガイドロールを配した耐炎化炉の概略図である。
【符号の説明】
１：耐炎化炉
２：ガイドロール
３：前駆体繊維束
Claims (3)
- 総繊度３０，０００デニール以上の、実質的に撚りのないポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を、ガイドロールで折り返しながら温度２００〜３００℃の耐炎化炉内で耐炎化し、ついで炭化する炭素繊維の製造方法において、前記ガイドロールの径Ｒ（mm）と前記前駆体繊維束のフィラメント数Ｆ（本）の比Ｒ／Ｆを１×１０−３〜８×１０−３とするとともに、前記ガイドロールを前記耐炎化炉の外側に配置し、前記ガイドロールに接触する直前の繊維を１５０℃以下の温度に冷却することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
- 耐炎化途中の繊維束は、幅１ｍｍあたりの繊度が４，０００〜１０，０００デニール／ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維の製造方法。
- 耐炎化に際し、繊維束に３０×１０−５〜２００×１０−５Ｎ／デニールの張力を付与することを特徴とする請求項２に記載の炭素繊維の製造方法。
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| JP07029798A JP3899649B2 (ja) | 1998-03-19 | 1998-03-19 | 炭素繊維の製造方法 |
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| JP07029798A JP3899649B2 (ja) | 1998-03-19 | 1998-03-19 | 炭素繊維の製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11269726A JPH11269726A (ja) | 1999-10-05 |
| JP3899649B2 true JP3899649B2 (ja) | 2007-03-28 |
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|---|---|---|---|---|
| JPWO2021090641A1 (ja) * | 2019-11-06 | 2021-05-14 |
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1998
- 1998-03-19 JP JP07029798A patent/JP3899649B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH11269726A (ja) | 1999-10-05 |
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