JP4043875B2 - 炭素繊維前駆体糸条とその製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐炎化工程前までトータル繊度が１５万〜１５０万デニールの１本のトウの形状を保ち、耐炎化工程で５万〜２５万デニールの小トウに分割可能な実質的に捲縮のなく高性能炭素繊維が得られる炭素繊維前駆体糸条とその製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化複合材料には、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が使用されている。中でも、炭素繊維は、比強度、比弾性率、耐熱性、耐薬品性等に優れ、航空機用途、ゴルフシャフト、釣り竿等のスポーツ用途、一般産業用途の繊維強化複合材料の強化材として使用されている。高強度、高弾性率の炭素繊維を得るためには、炭素繊維前駆体糸条束として糸切れ、毛羽の発生が少なく品質に優れたものが必要である。前駆体糸条束のフィラメント構成として、フィラメント数が３０００本以上から２４０００本以下が主に用いられていた。
【０００３】
最近、炭素繊維の利用は建築、土木、自動車、エネルギー、コンパウンド等の一般産業用途にまで使用されるようになり、そのため、高強度・高弾性率でより安価な生産性に優れたラージトウが強く求められている。
【０００４】
例えば、特開平１０−１２１３２５公報では、トータルデニールが３０万デニール以上１５０万デニール以下のラージトウを、耐炎化工程で５万デニール以上２５万デニール以下の小トウに容易に分割できる炭素繊維前駆体糸条を製造するために、クリンパを使って捲縮処理を行い又は１０％以上５０％以下の水分を付与することが開示され、また例えば特願２００１−０１５８４７号では、ラージトウに５〜３０％の水分を付与したのち、ギヤロールを通してトウの集束性を確保している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、捲縮処理によって高性能の炭素繊維を得ようとすると、炭素繊維前駆体糸条に捲縮を施すことで糸条が挫屈、損傷するために、構成繊維に大きなダメージを与えてしまい、高性能で高品位の炭素繊維を得ることが出来ない。更に、捲縮により得られる糸条は嵩高であるので、箱容器に収納しようとした場合に箱容器を大きくするか、別途プレス装置などを用いて密度アップを図る必要があり、ハンドリングに多大の労力や設備を要する。
【０００６】
また、水分を付与したのちにギヤロールを通してトウの集束性を確保しようとすると、水分に起因する付着性によりハンドリングがしにくくなるばかりでなく、水分の重量増加による輸送におけるコスト増加の要因となっている。また、トウを容器に収納する場合、水分が特に１０％を超えると耐炎化工程でトウを容器から引き出す際に、収納時の折り目などが十分に回復されることがなく、トウ幅が安定しないことがある。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、炭素繊維前駆体糸条に大きな変形を与えず、実質的にストレートな構成繊維からなり、しかも少量の水分の付与量にも関わらず、集束性に優れると同時に容易に小トウに分割可能な炭素繊維前駆体糸条とその製造方法及び製造装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
かかる目的は、本発明の基本構成を備えた複数本の小トウが、長さ方向に沿った側縁を重ねて、横方向に並列状態に結合されてなる炭素繊維前駆体糸条であって、隣接する小トウ同士が、その長さ方向に所定の間隔をあけて繊維交絡されてなることを特徴とする炭素繊維前駆体糸条により達成される。
【０００９】
すなわち、本発明によれば長さ方向に沿った側縁を重ねて並列状態にある小トウ同士が、その隣接する境界部分で長さ方向に所定の間隔をもって流体により局部的に交絡処理を受けて繊維同士が交絡結合している。一般に、炭素繊維前駆体糸条は湿式紡糸により得られ、紡糸原液を紡糸口金から紡出して凝固糸とした後、洗浄、延伸、添油、乾燥等の各工程を経て製造される。本発明の炭素繊維前駆体糸条は、小トウ間の境界部分の繊維が局部的に交絡している。この集束後の炭素繊維前駆体糸条を小トウに分割しようとすると、各小トウは幅方向に横断する交絡部により形態が安定化されているため、局部的に交絡している各小トウ間の交絡部で容易に分割することができる。
【００１０】
炭素繊維前駆体糸条の全体で見ると、小トウ間の前記交絡部が、並列状態で結合している複数本の小トウの全面にわたって、幅方向に横断する連続した交絡部の一部であることが好ましい。更に好ましくは、交絡部が、トウの全幅に亘って長さ方向にジグザグ状に存在する。炭素繊維前駆体糸条は、容器から引き出されるまでは一本のトウとしての形態を保持しており、以降の焼成工程において各小トウの形態を保持しつつ容易に小トウごとに分割できることが要求される。各小トウの形態は小トウの製造工程で発生した弱い繊維交絡により比較的安定してはいるものの、その繊維間の結合だけではその結合力が弱く、炭素繊維前駆体糸条の分割時に確実に小トウ間の交絡部で分割されるという保証はない。
【００１１】
そこで、本発明のように並列状態にある複数本の小トウの全面にわたって小トウの幅方向を横断する連続した交絡部を形成しておくと、小トウ自身の持つ繊維間結合力と相まって、小トウへの分割時には、小トウ間の交絡部において確実に分割されるようになる。更に、本発明にあっては、各小トウに１０％以下の水分が付与されていることが望ましい。この水分の付与により、各トウの構成繊維間の結合力が増す。また、収納時の癖によりトウ幅が不安定になる現象をなくすこともできるし、同時に輸送効率が上がり経済性が高まる。その水分率が０％に近いと静電気が発生しやすく、トウの構成繊維がばらけやすくなってその取り扱い性が不良となり、１０％を越えるとハンドリング性が低下したり、水の表面張力による容器からの引き出し性に支障が生じる。
【００１２】
ここで、水分率とはウエット状態にある炭素繊維前駆体の繊維束の重量ｗと、これを１０５℃×２時間の熱風乾燥機で乾燥した後の重量ｗ_o とから、（ｗ−ｗ_o ）×１００／ｗ_o によって得られる値（％）である。
【００１３】
また、前述のような炭素繊維前駆体は、本発明の複数本の小トウが並列状態で結合された炭素繊維前駆体糸条の製造方法によって製造できる。すなわち、その基本構成は、複数本の小トウを、長さ方向に沿った側縁を重ねて、横方向に並列に並べて走行させること、及びこの並列走行する複数本の小トウの一面にエアを噴出させながら、トウ走行面を横断する方向にエア噴出ノズルをトラバースさせること、を含んでいることを特徴とする炭素繊維前駆体糸条の製造方法にある。
【００１４】
このように、並列する小トウを一方向に走行させながら、その走行面に対して横断方向にエアを噴出しながらエアノズルをトラバースさせることにより、集束された炭素繊維前駆体糸条にはトウの幅方向を横断する連続した交絡部が形成されることになり、小トウ間の分割能を確保するとともに、集合トウとしての集束をより確実にする。小トウに対するエアの噴射前に、同小トウに水分を１０％以下付与することが、エア交絡時の結合力が増加するため好ましく、前述した理由により水分は１％以上、８％以下がより好ましい。
【００１５】
また、前記トラバースの回数は小トウの１ｍ当たり１〜５回に設定することが好ましい。１回より少ないと小トウ同士の交絡の間隔が広すぎて、炭素繊維前駆体糸条を容器に収納するときに集合トウとしての形態を維持できない。５回を越えると小トウ同士の交絡による結合が強すぎた場合に、特に耐炎化工程における反応熱によりトウ内部に過剰な蓄熱がなされ、糸切れや融着などが発生しやすくなる。
【００１６】
更に、本発明にあってはエアノズルから噴出するエア圧が５０〜３００ｋＰａとすることが望ましい。５０ｋＰａより低いと繊維間の交絡が殆どなされず、集束性不良となる。また、３００ｋＰａを越えると繊維間の交絡が強すぎて、小トウへの分割時に繊維切れなどが発生し炭素繊維としての性能へ影響を及ぼしてしまう。
【００１７】
以上の方法は、本発明の複数本の小トウが並列状態で結合された炭素繊維前駆体糸条の製造装置によって効率的に実施が可能となる。その基本的な構成は、複数本の小トウが並列状態で結合された炭素繊維前駆体糸条の製造装置であって、複数本の小トウを、長さ方向に沿った側縁を重ねて、横方向に並列に並べて走行させる並走面と、その並走面に向けて同並走面を横断する方向にトラバースするエア噴出ノズルとを備えてなることを特徴とする炭素繊維前駆体糸条の製造装置にある。前記小トウの１ｍ当たりのトラバース回数を１〜５回に制御する制御装置を備えていることが好ましい。かかる構成を備えた製造装置によれば、複数本の小トウを集束したラージトウ形態をもつにも関わらず、焼成時には小トウに容易に分割できる炭素繊維前駆体糸条を効率的に且つ連続して製造することができる。
【００１８】
更に本発明にあっては、並走する複数本の小トウの走行速度とエア噴出ノズルのトラバース速度とを相対的に変更する駆動制御装置を備えていることが好ましい。並走する複数本の小トウの走行速度とエア噴出ノズルのトラバース速度との相対速度を変更することにより容易にトウ長さ方向の絡みの数を変更することができ、任意の集束性を与えることができる。また本発明にあって、エア噴出ノズルの本数は１本に限定されず、複数本を同時にトラバースさせることもできる。集束させる小トウの本数を変更するときは、エア噴出ノズルの本数を増減させることにより容易に対応できる。
【００１９】
【発明の実施形態】
以下、本発明の代表的な実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。
本実施形態にあって、炭素繊維前駆体繊維のトウ（小トウ）は、アクリロニトリル系重合体を含む紡糸原液を紡糸口金から紡出して凝固糸とした後、洗浄、延伸、添油、乾燥等の通常の各工程を経て製造される。アクリロニトリル系重合体としては、通常の炭素繊維前駆体アクリロニトリル繊維に用いられるものであれば特に制限はなく、アクリロニトリルの単独重合体もしくは共重合体、またはこれらの重合体の混合重合体を使用することができる。
【００２０】
図１は、複数本の上記小トウを集束して所望の太さのラージトウを製造する本発明方法の一例を概略的に示している。
上述のようにして得られた複数本の繊維トウ（小トウ）１を図示せぬ容器から取り出して偏平にされ、図示せぬ案内部材により、その長さ方向に沿った側縁が一部重なるようにして引き揃えて第１送りロール群２へと導入され、第２送りロール群７を介して容器１１に振り落とされる。第１及び第２の送りロール群２，７の一部のロールは、第１及び第２駆動モーター８，９により積極的に駆動回転する駆動ロールであり、これらの駆動ロールは制御装置１０からの信号を受けて、小トウ１に５０〜２００ｇｒの張力が発生するように同調して駆動回転している。
【００２１】
因みに、本実施形態による各小トウ１のトウ幅は３０〜３５ｍｍであって、トウ速度は３０〜８０ｍ／ｍｉｎに設定されている。小トウ１のトウ幅とトウ速度とは、以下に述べるトウに対する水分の付与量とエア噴出ノズルのトラバース速度とにより変更され、前記範囲内で適正に調整される。
【００２２】
第１送りロール群２と第２送りロール群７との間を、前述のようにして送られる複数本の小トウ１に対して、本発明による水分の付与とエア噴射がなされる。そのため、第１送りロール群２と第２送りロール群７との間のトウ走行路には、図１に示すように、水噴射ノズル３とエア噴出ノズル５が走行する炭素繊維前駆体繊維トウ１’に噴射口を向けて配されている。水噴射ノズル３は中空管部材から構成され、その下面の長さ方向に多数の水噴出孔が形成されている。その水噴出孔の孔径は特に限定されないが、水の噴出量はトウの水分率が１〜８％となるように調整されている。ここで、水分率は次の式（１）により算出される値（％）である。
【００２３】
水分率（％）＝（ｗ−ｗ_o ）×１００／ｗ_o ……（１）
ただし、ｗはウエット状態にある炭素繊維前駆体の繊維トウの重量、ｗ_o はウエット状態にある炭素繊維前駆体の繊維束を１０５℃×２時間の熱風乾燥機で乾燥した後の重量ｗ_o である。
【００２４】
本実施形態では炭素繊維前駆体繊維トウ１’に付与される水としてイオン交換水が使われるが、その付与手法には、前述の水噴射ノズル３による噴射の他にも、例えば水中に１／２を浸漬したロール表面に接触走行させるタッチロールによる付与や、トウ１’の一部を水に浸しながらニップロール間を通して走行させるディップニップによる付与、或いはトウを完全に水に浸して走行させる付与があるが、表１に示すように、水付与後の取扱い性及び容器からの引出し性の観点からは、水噴射による付与かタッチロールによる付与を採用することが望ましい。または、水噴射の替わりに、スチームボックス内を通過させることにより必要な水分を与えても良い。
水噴射ノズル３は水供給ポンプ４に繋がっており、同ポンプ４は更に制御装置１０に接続されている。水噴射ノズル３からの水付与は、制御装置１０に予め設定されているトウの総繊度に対応する水噴射量から最適な量が演算され、制御装置１０からの信号に応じてポンプ４からの水供給圧力を制御することにより行われる。
【００２５】
【表１】

【００２６】
一方の前記エア噴出ノズル５は扁平又は円筒状のノズルからなり、本実施形態では単一のエア噴出ノズル５が使われている。このエア噴出ノズル５は単一に限らず、複数個を用いることもできる。更には、１個のノズルに多数の噴出孔を形成する場合もある。前記エア噴出ノズル５が単一の噴出口をもつ場合、本実施形態では、その口径が１ｍｍとされ、そのときの空気圧は５０〜３００ｋＰａの範囲内にあり、空気の使用量は５０〜１００ＮＬ／ｍｉｎの範囲から、繊維の交絡に最適な数値が選ばれる。エア噴出ノズル５が多数の噴出孔を有する場合には、その孔径を１ｍｍとして、１６個の噴出孔が形成され、空気圧は同じく５０〜３００ｋＰａの範囲内にあり、空気の使用量は１５０〜３９０ＮＬ／ｍｉｎの範囲に設定される。
【００２７】
前記エア噴出ノズル５はコンプレッサー６に繋がれており、コンプレッサー６は上記制御装置に接続されている。制御装置１０には、小トウ１の総繊度に対応する小トウ１同士の交絡に最適な空気圧と空気の使用量とが予め設定されており、使用する小トウ１の総繊度に対応する空気圧と空気の使用量とが呼び出され、制御装置１０からの信号に応じてコンプレッサー６の圧縮量が制御される。
もちろん他から供給される圧縮空気を用いて、使用時の圧力をコントロールすることにより、同じ目的を達する。
【００２８】
図２には横方向に並んで走行する上記複数の小トウ１同士を集束させる本発明による典型的な集束方法及び装置の概略が示されている。
互いの側縁を接触させて並列に並んで走行する複数の小トウ１は、水噴射ノズル３から噴射される適量なイオン交換水が付与されたのち、エア噴出ノズル５から噴出するエアによって一部の繊維が交絡される。エア噴出ノズル５は、並列する炭素繊維前駆体繊維トウ１’の全幅にわたって、横断方向を往復動（トラバース）している。このトラバース運動とトウ１’の走行とが相まって、エア噴出ノズル５から噴出する空気はトウの走行面に対してジグザグ状（サイン曲線）を描きながら、空気が吹き付けられた部分の繊維が交絡する。
【００２９】
したがって、その交絡部分も炭素繊維前駆体繊維トウ１’の全幅にわたって、その長さ方向にサイン曲線を描いてがら局部的に存在することになり、隣接する小トウ１の接触領域では長さ方向に間隔をおいて交絡部分１２が点在するようになる。ここで、炭素繊維前駆体繊維トウ１’の走行速度とエア噴出ノズル５の往復速度を調整することにより、隣接する小トウ１間の交絡部分１２の間隔を任意に調整できる。また、エア噴出ノズル５から噴出するエア量、空気圧、トウのエア噴射面とエア噴出ノズル５の噴出口との間の距離などを調整することにより、繊維の交絡度を最適な値に制御することができる。
【００３０】
また本実施形態にあって、炭素繊維前駆体繊維トウ１’の単繊維強度は、好ましくは５．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であり、より好ましくは６．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であり、さらに好ましくは７．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上である。単繊強度が低すぎると、焼成工程での単糸切れによる毛羽の発生が多くなって焼成工程通過性が悪くなる。
【００３１】
本発明で製造された炭素繊維前駆体繊維トウ１’を焼成して得られた炭素繊維のストランド強度は、好ましくは４５０Ｋｇ／ｍｍ² 以上であり、より好ましくは４８０Ｋｇ／ｍｍ² 以上であり、さらに好ましくは５００Ｋｇ／ｍｍ² 以上である。ストランド強度が４５０Ｋｇ／ｍｍ² 未満では、市場から要求される産業資材用途への適用が難しくなり、本発明を適用する必要性は乏しくなる。
【００３２】
以上のとおり、本発明の炭素繊維前駆体繊維トウ１’を容器から引き出すときは１本の集束形態が保持され、その取扱い性に優れており、以降の焼成工程では小トウ単位に容易に分割することが可能であって、その製法も簡単な機構をもって安定した実施が可能であり、最終的に得られる炭素繊維も高品質なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による炭素繊維前駆体繊維トウの製造工程を概略で示す説明図である。
【図２】本発明の代表的な実施形態を示す炭素繊維前駆体繊維トウの集束機構の概略立体図である。
【符号の説明】
１ 小トウ
１’ ラージトウ
２ 第１送りロール群
３ 水噴射ノズル
４ ポンプ
５ エア噴出ノズル
６ コンプレッサー
７ 第２送りロール群
８ 第１送りロール群の駆動モーター
９ 第２送りロール群の駆動モーター
１０ 制御装置
１１ 容器
１２ 小トウ間の交絡部分

Claims (4)

1. 複数本の小トウが、長さ方向に沿った側縁を重ねて、横方向に並列状態に結合されてなる炭素繊維前駆体糸条であって、
   隣接する小トウ同士が、その長さ方向に所定の間隔をあけて繊維交絡されてなることを特徴とする炭素繊維前駆体糸条。
2. 交絡部分が、トウの全幅に亘って長さ方向にジグザグ状に存在する、請求項１記載の炭素繊維前駆体糸条。
3. 複数本の小トウが並列状態で結合された炭素繊維前駆体糸条の製造方法であって、
   複数本の小トウを、長さ方向に沿った側縁を重ねて、横方向に並列に並べて走行させること、及び
   この並列走行する複数本の小トウの一面にエアを噴出させながら、トウ走行面を横断する方向にエア噴出ノズルをトラバースさせること、
   を含んでなることを特徴とする炭素繊維前駆体糸条の製造方法。
4. 複数本の小トウが並列状態で結合された炭素繊維前駆体糸条の製造装置であって、
   複数本の小トウを、長さ方向に沿った側縁を重ねて、横方向に並列に並べて走行させる並走面と、
   その並走面に向けて同並走面を横断する方向にトラバースするエア噴出ノズルと、
   を備えてなることを特徴とする炭素繊維前駆体糸条の製造装置。

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