JP4796517B2 - 炭素繊維束糸条の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維束糸条の製造方法に関するものであり、より詳しくは、アクリル繊維束糸条を接続しながら、連続的に耐炎化及び炭素化処理を施す炭素繊維束糸条の製造方法であり、かつ炭素化処理された炭素繊維束糸条のうちその接続部を選択的に除去する炭素繊維束糸条の製造方法に関するものである。

従来から、アクリル繊維糸条は炭素繊維糸条を製造するための前駆体として広く利用されており、アクリル繊維束糸条を２００〜３００℃の酸化性雰囲気中で加熱処理する耐炎化工程によって耐炎化繊維束糸条にした後、引き続いて１０００℃以上の不活性雰囲気中で加熱処理する炭素化工程によって炭素繊維束糸条にするのが一般的である。

こうして得られた炭素繊維束糸条は種々の優れた物性を備えていることから、各種の繊維強化複合材料等の強化用繊維として広く利用されている。炭素繊維束糸条は従来の航空機やスポーツ用品への用途に加え、建築、土木、エネルギー関係の産業用途としても利用されており、急速にその需要が伸びている。この需要をさらに拡大するためには、より低コストで炭素繊維束糸条を供給することが望まれている。

一般に炭素繊維製造用のアクリル繊維束糸条などの前駆体糸条は、ボビンなどに巻き上げられた形態、あるいは箱体に折畳み積層した形態で供給されている。かかる収納形態の前駆体糸条が耐炎化工程や炭素化工程などの各種焼成工程へと供給される。炭素繊維束糸条の製造コストを下げるべく、焼成工程での操業性を上げるためには、これらの前駆体糸条を焼成工程に供給して炭素繊維束糸条を製造するにあたり、多数本の前駆体糸条を接続して連続的に焼成工程へと供給することが必要である。そのために、上述した収納形態にある前駆体糸条の後端を後続の前駆体糸条の先端と接続させる（特許文献１〜３）。

その際、糸条の接続部には蓄熱などによる焼成中の糸切れを防止するため特許文献２のように前駆体糸条の後端もしくは後続の前駆体糸条の先端あるいはその両方を耐炎化処理した糸条を接続させる。あるいは特許文献１のように先行する前駆体糸条の後端を後続の前駆体糸条の先端に接続する際、予め耐炎化処理された糸条を用いて接続している。
特開平１０−２２６９１８号公報 特開２０００−１４４５３４号公報 特開２００２−３０２３４１号公報

このようにして焼成された炭素繊維束糸条のうち、接続部及びその周辺については強度が低下し品質が低下しており、故に当該接続部を検知し接続部が製品ボビンに巻き取られる前に接続部を選択的に切断、除去する必要がある。

しかし、特許文献１，２では接続部を選択的に除去する方法については記載されておらず、接続部が製品としてボビンに巻込まれてしまう恐れがある。

また、従来では作業員の目視によって接続部の監視および接続部除去を行ったり、光電管等のセンサを用いた接続部検出が行われていたりしているが、毛羽、厚み斑等による誤検知、未検知等の問題があり品質低下した部分が製品に混入する恐れがある。

本発明は、このような従来の接続部の検出方法による誤動作、人力に起因する見落とし等による品質低下を防止し、焼成工程の操業性を上げて低コスト化を図るための炭素繊維束糸条の製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、アクリル繊維束糸条を連続的に焼成する炭素繊維束糸条の製造方法であって、下記の工程を含む炭素繊維束糸条の製造方法である。
１）二本のアクリル繊維束糸条の端部同士を、少なくとも一方の端部が耐炎化された状態、又は耐炎化された別の糸条を介して接続し、耐炎化された部位を接続部に含む連続するアクリル繊維束糸条を得る工程；
２）前記連続するアクリル繊維束糸条の前記接続部における耐炎化された部位を、前記接続部とそれ以外の部分との色差により検出する工程；
３）前記連続するアクリル繊維束糸条を焼成して炭素繊維束糸条を得る工程；
４）前記工程２）で検出した部位が、前記炭素繊維束糸条を巻き取るボビンの手前に設けられた切断装置に到達する時間を算出する工程；
５）前記切断装置により、前記接続部を含む炭素繊維束糸条を切り出す工程；
６）前記接続部を含む炭素繊維束糸条と、前記接続部を含まない炭素繊維束糸条とを、それぞれ別のボビンに巻き取る工程。

本発明によれば、除去すべき接続部の検出を、当該接続部と前後のアクリル繊維束糸条との色差が明確な焼成工程導入前に行うため、確実かつ容易に接続部の位置情報を得ることができる。

すなわち、二本のアクリル繊維束糸条の先端部分及び後端部分の少なくとも一方を予め耐炎化し、又は接続する２本のアクリル繊維束糸条の先端に一定長さの耐炎化糸条を介して絡合させた、連続するアクリル繊維束糸条において、耐炎化された接続部とそれ以外の部分の色差が明確となり、容易にセンサによって検知可能となり本課題を解決することができる。

以下、本発明の実施形態について図を参照して工程ごとに詳細に述べる。

図１は、本発明の炭素繊維束糸条の製造方法に好適に使用される炭素繊維束糸条の製造設備の概略構成図である。図１の装置では、アクリル繊維束糸条供給用箱体１ａより引き出したアクリル繊維束糸条２ａをガイドロール及び搬送ロール５ａを介して耐炎化炉６へ導入し、さらに炭素化炉７へ導入することができる。このような構成により、アクリル繊維束糸条を連続的に焼成して炭素繊維束糸条を製造することができる。なお、本発明において、耐炎化及び炭素化を合わせて焼成と呼ぶ。

「１）二本のアクリル繊維束糸条の端部同士を、少なくとも一方の端部が耐炎化された状態、又は耐炎化された別の糸条を介して接続し、耐炎化された部位を接続部に含む連続するアクリル繊維束糸条を得る工程」
まず、二本のアクリル繊維束糸条の端部同士を接続して、連続したアクリル繊維束糸条とする。図１では、アクリル繊維束糸条供給用箱体１ａに収められているアクリル繊維束糸条２ａの後端と、アクリル繊維束糸条供給用箱体１ｂに収められているアクリル繊維束糸条２ｂの先端とが、接続部３ｂによって接続されている。なお、接続部３ａは、アクリル繊維束糸条２ａの先端と、先行するアクリル繊維束糸条の後端との接続部である。

ここで、接続部における蓄熱などによる焼成中の糸切れを防止するため、二本の糸条のうちの少なくとも一方の端部が耐炎化された状態で、又は耐炎化された別の糸条を介して接続される。すなわち、接続部は耐炎化された部位を含んでいる。二本の糸条のうちの少なくとも一方の端部が耐炎化された状態で接続することが好ましい。接続は、例えば特許文献１〜３に記載された方法で行うことができる。

図３はアクリル繊維束糸条の接続部を検出している状態の模式図であり、アクリル繊維束糸条２ａの後端とアクリル繊維束糸条２ｂの先端をそれぞれ予め耐炎化し、交絡せしめて、アクリル繊維束糸条の接続部３ｂをなしている。

「２）前記連続するアクリル繊維束糸条の前記接続部における耐炎化された部位を、前記接続部とそれ以外の部分との色差により検出する工程」
図１の装置では、アクリル繊維束糸条供給用箱体１ａから搬送ロール５ａまでの区域で、連続するアクリル繊維束糸条が直線的に走行している区間の近傍に、センサ４が設けられており、アクリル繊維束糸条の走行を常時監視している。図３に示すように、アクリル繊維束糸条の接続部３ｂが当該区間に差し掛かると、接続部とそれ以外の部分との色差によって接続部を検知する。

検知する色としては、例えば耐炎化前のアクリル繊維束糸条の色である白色とすることができる。即ち該糸条色である白色予め指定する。そして検知領域にて糸条の色をセンサ４で検知する。検知領域はセンサ４の視野内に設けられた、指定した色と糸条の色との一致度を判断する領域で、細かく分割されている。

一致度は、具体的にはセンサ４に付随の色抽出機能を用いて検知領域内のアクリル繊維束糸条の白色部分の色を抽出し、色相、彩度、明度の３つの値を数値化し、認識させることで判断する。認識させた色の数値を用い、現在検知領域内を走行している部分の一致度判定を、細かく分割された検知領域１つ１つで行う。指定した色が一致した、分割された検知領域の合計数が検知領域内の面積値として表される。

前記接続部における耐炎化部分（黒色）が走行し当該検知領域に差し掛かることによって、アクリル繊維束糸条の白色が検知できなくなり、当該検知領域全てが前記耐炎化部分色である黒色になると、面積値がしきい値の下限の範囲外となり白色を検知できなくなる。この時を以って接続部の通過したことを検知する。

また逆にセンサ４に接続部における耐炎化部分の黒色を認識させることもできる。この場合、当該色がセンサ４の検知領域に走行してくる事によって該面積値が増加する。該面積値が設定したしきい値範囲内となった時点で接続部の通過したことを検知する。

このように、本発明では、接続部とそれ以外の部分との色差が明確な焼成工程導入前に検知を行うため、確実かつ容易に接続部の位置情報を得ることができる。

センサとしては、画像センサ、カラーセンサ等の色を検知可能なものであればよく、特に限定されないが、誤検知防止の観点から、画素数が２０万以上の画像センサが好ましく、画素数が２００万以上のカラー画像センサがより好ましい。具体的には、（株）キーエンス製ＣＶ−３０００（商品名）の画像センサを用いて、連続するアクリル繊維束糸条の接続部（耐炎化部分）の色抽出及び検知を実施することができる。

「３）前記連続するアクリル繊維束糸条を焼成して炭素繊維束糸条を得る工程」
連続するアクリル繊維束糸条は、搬送ロール５ａ、５ｂ、５ｃにより、耐炎化炉６及び炭素化炉７に導かれ、それぞれ耐炎化及び炭素化される。この際、耐炎化炉６の前後にある搬送ロール５ａと搬送ロール５ｂ、及び炭素化炉７の前後にある搬送ロール５ｂと搬送ロール５ｃは、それぞれ工程速度が異なっており、各炉内で適正な工程張力にするためそれぞれの速度差がつけられている。

「４）前記工程２）で検出した部位が、前記炭素繊維束糸条を巻き取るボビンの手前に設けられた切断装置に到達する時間を算出する工程」
連続するアクリル繊維束糸条は、耐炎化炉６および炭素化炉７での焼成工程を経た後、表面処理装置８にて炭素繊維束糸条の表面を処理され、洗浄・乾燥される。その後、サイジング剤付与装置９にてサイジング剤を付与される。こうして得られた炭素繊維束糸条は乾燥された後、オートターレット式巻取機１０の製品巻取ボビン１２によって巻き取られる。なお、オートターレット式巻取機１０には、製品巻取ボビン１２の手前に、炭素繊維束糸条を切断するための切断装置（不図示）が付随している。

ここで、本発明では、工程２）で検出した接続部が切断装置に到達するまでの時間を算出する。図１の製造設備におけるセンシング及び演算部分の概略構成を図２に示すように、センサ４で測定された色差の情報から画像処理装置により接続部の位置を検知し、演算装置により接続部がオートターレット式巻取機１０に到達する時間が計算される。具体的には、接続部の現在位置Ｋ_n（ｍ）およびオートターレット式巻取機１０に到達する到達時間Ｔ_x（ｍｉｎ）は以下の計算式によって算出される。

到達時間Ｔ_x（ｍｉｎ）に関しては、
Ｌ₀：センサと耐炎化炉間の工程長（ｍ）
Ｌ₁：耐炎化炉内工程長（ｍ）
Ｌ₂：炭素化炉内工程長（ｍ）
Ｌ₃：炭素化炉と巻取機間の工程長（ｍ）
Ｖ₁：搬送ロール５ａ工程速度（ｍ／ｍｉｎ）
Ｖ₂：搬送ロール５ｂ工程速度（ｍ／ｍｉｎ）
Ｖ₃：搬送ロール５ｃ工程速度（ｍ／ｍｉｎ）
Ｔ_a：経過時間（ｍｉｎ）
のとき、各工程を通過する時間は、
Ｔ₀：センサと耐炎化炉間の通過時間（ｍｉｎ）＝Ｌ₀／Ｖ₁
Ｔ₁：耐炎化炉内の通過時間（ｍｉｎ）＝Ｌ₁／Ｖ₂
Ｔ₂：炭素化炉内の通過時間（ｍｉｎ）＝Ｌ₂／Ｖ₃
Ｔ₃：炭素化炉と巻取機間の通過時間（ｍｉｎ）＝Ｌ₃／Ｖ₃
となり、オートターレット式巻取機１０までの到達時間Ｔ_x（ｍｉｎ）は、
Ｔ_x＝Ｔ₀＋Ｔ₁＋Ｔ₂＋Ｔ₃（ｍｉｎ）
によって計算される。

また、現在位置Ｋ_n（ｍ）に関しては、
Ｔ_a＜Ｔ₀のときはセンサと耐炎化炉間に、
Ｔ₀＜Ｔ_a＜Ｔ₀＋Ｔ₁のときは耐炎化炉内に、
Ｔ₀＋Ｔ₁＜Ｔ_a＜Ｔ₀＋Ｔ₁＋Ｔ₂のときは炭素化炉内に、
Ｔ₀＋Ｔ₁＋Ｔ₂＜Ｔ_a＜Ｔ₀＋Ｔ₁＋Ｔ₂＋Ｔ₃のときは炭素化炉と巻取機間に、
該接続部が存在することを示しており、その現在位置Ｋ_nは、対応する各工程長Ｌ_n、各工程通過時間Ｔ_nおよび経過時間Ｔ_aから、
Ｋ₀：センサと耐炎化炉間の現在位置（ｍ）＝Ｌ₀×Ｔ_a／Ｔ₀
Ｋ₁：耐炎化炉内の現在位置（ｍ）＝Ｌ₁×（Ｔ_a−Ｔ₀）／Ｔ₁
Ｋ₂：炭素化炉内の現在位置（ｍ）＝Ｌ₂×（Ｔ_a−Ｔ₀−Ｔ₁）／Ｔ₂
Ｋ₃：炭素化炉と巻取機間の現在位置（ｍ）＝Ｌ₃×（Ｔ_a−Ｔ₀−Ｔ₁−Ｔ₂）／Ｔ₃
によって算出される。

「５）前記切断装置により、前記接続部を含む炭素繊維束糸条を切り出す工程」
連続する炭素繊維束糸条における接続部がオートターレット式巻取機１０に到達する時間の情報を基に、演算装置からオートターレット式巻取機１０の制御基板に、糸条切断命令が発せられる。こうすることで、接続部を含む部分を切り出すことができる。

切り出す部分の長さは、炭素繊維束糸条の強度が低下していることが懸念される範囲を含むようにすればよい。ただし、あまり長く切り出すと製品ロスとなるため、具体的には接続部前後５０ｍが好ましく、接続部前後２５ｍがより好ましい。

「６）前記接続部を含む炭素繊維束糸条と、前記接続部を含まない炭素繊維束糸条とを、それぞれ別のボビンに巻き取る工程」
通常、炭素繊維束糸条は、オートターレット式巻取機１０の製品巻取ボビン１２によって巻き取られる。ただし、演算装置からオートターレット式巻取機１０の制御基板に糸条切断命令が発せられると、それと同時にボビン切替命令も発せられ、製品巻取ボビン１２は待機位置に移動し、変わって接続部巻取ボビン１１が巻取位置に移動する（図２参照）。そして、接続部を含む部分は、オートターレット式巻取機１０の接続部巻取ボビン１１により巻き取られる。このように、接続部を含む炭素繊維束糸条と、接続部を含まない炭素繊維束糸条とを、それぞれ別のボビンに巻き取る。

巻取ボビンの切替手順は、まず巻き取り終了後の製品巻取ボビン１２から空の接続部巻取ボビン１１に切り替えられる。このとき、糸条は繋がったままエアシリンダによって糸把持装置に導かれ固定される。その後、糸条はエアシリンダによって空ボビンに巻き取られる位置に移動し、空ボビンに巻き取られた後、切断装置で糸条が切断される。

接続部巻取ボビン１２により接続部が巻き取られている間に、満管となった製品巻取ボビン１２をオートターレット式巻取機１０より取り外して、新たな空の製品巻取ボビン１２を取り付ける。そして、接続部が規定の長さ分巻き取られた後、再び演算装置からオートターレット式巻取機１０の制御基板に糸条切断命令及びボビン切替命令が発せられる。そして、接続部巻取ボビン１１が待機位置に移動し、変わって新しい製品巻取ボビン１２が巻取位置に移動し、製品の巻き取りを開始する。

以上、説明したように、本発明の炭素繊維束糸条の製造方法によれば、除去すべき接続部の検出を、当該接続部と前後のアクリル繊維束糸条との色差が明確な焼成工程導入前に行う。したがって、確実かつ容易に接続部の位置情報を得ることができ、得られた情報を元に工程長、工程速度等諸条件を加味して演算を行い、該接続部が巻取機に巻き取られる前で切断、製品ボビンより確実に除去することが可能となる。結果として、接続部の検出方法による誤動作、人力に起因する見落とし等を防止し、焼成工程の操業性を上げて低コスト化を図るための炭素繊維束糸条の製造方法を提供することができる。

本発明の炭素繊維束糸条の製造方法で好適に使用される炭素繊維束糸条の製造設備の概略構成図である。 図１の炭素繊維束糸条の製造設備におけるセンシング及び演算部分の概略構成図である。 アクリル繊維束糸条の接続部をセンサで検出している状態の模式図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ アクリル繊維束糸条供給用箱体
２ａ、２ｂ アクリル繊維束糸条
３ａ、３ｂ 接続部
４ センサ
５ａ、５ｂ、５ｃ 搬送ロール
６ 耐炎化炉
７ 炭素化炉
８ 表面処理装置
９ サイジング剤付与装置
１０ オートターレット式巻取機
１１ 接続部巻取ボビン
１２ 製品巻取ボビン

Claims (1)

1. アクリル繊維束糸条を連続的に焼成する炭素繊維束糸条の製造方法であって、下記の工程を含む炭素繊維束糸条の製造方法。
   １）二本のアクリル繊維束糸条の端部同士を、少なくとも一方の端部が耐炎化された状態、又は耐炎化された別の糸条を介して接続し、耐炎化された部位を接続部に含む連続するアクリル繊維束糸条を得る工程；
   ２）前記連続するアクリル繊維束糸条の前記接続部における耐炎化された部位を、前記接続部とそれ以外の部分との色差により検出する工程；
   ３）前記連続するアクリル繊維束糸条を焼成して炭素繊維束糸条を得る工程；
   ４）前記工程２）で検出した部位が、前記炭素繊維束糸条を巻き取るボビンの手前に設けられた切断装置に到達する時間を算出する工程；
   ５）前記切断装置により、前記接続部を含む炭素繊維束糸条を切り出す工程；
   ６）前記接続部を含む炭素繊維束糸条と、前記接続部を含まない炭素繊維束糸条とを、それぞれ別のボビンに巻き取る工程。

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