JP4913622B2 - 炭素繊維の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、生産性の高い炭素繊維の製造方法及び製造装置に関する。

炭素繊維は、ポリアクリロニトリル、レーヨン等の前駆体繊維を束ねて撚られた前駆体糸条を、酸化性雰囲気で満たされた低温炉（以下、単に低温炉と称する。）で耐炎化処理した後、得られた耐炎化糸条を窒素、アルゴン等の不活性雰囲気で満たされた高温炉（以下、単に高温炉と称する。）で炭素化処理することによって得られる。

前駆体糸条は、通常、横一列に平行に並べた前駆体糸条帯として低温炉に送入され、低温炉で耐炎化処理された後、耐炎化糸条帯として低温炉から送出される。耐炎化糸条帯をそのまま横一列に平行に並べて高温炉に送入するには、高温炉の送入口を横方向に大きく開口しなければならない。しかしながら、高温炉の送入口を横方向に大きく開口させると、高温炉の炉幅が広くなり、設備が大型化してしまう。また、高温炉の送入口を大きくすると、高温炉内の雰囲気が炉外に漏れやすくなり、熱効率が悪くなるため、設備費が増大してしまう。したがって、高温炉の送入口はできるだけ狭くした方がよい。

例えば特許文献１には、低温炉から送出される耐炎化処理後の耐炎化糸条帯を複数の耐炎化糸条ブロック（以下、単に糸条ブロックと称する。）に分割してから、各糸条ブロック単位で糸道を変更し、糸条ブロック内では各糸条が横一列に平行に、各糸条ブロック相互間では鉛直方向に所定の間隔を保って再配列させることにより、高温炉の送入口の横幅を狭くしても送入できるようにした方法が開示されている。
また、例えば特許文献２には、低温炉を鉛直方向に複数台配置し、前記複数台の低温炉から搬出される耐炎化処理後の糸条を鉛直方向に幅寄せすることにより、高温炉の送入口を狭くする方法が開示されている。
特開平７−７０８２８号公報 特開２００３−３１３７３０号公報

しかしながら上記特許文献１の方法では、分割された複数の糸条ブロックのうち、外側に位置する糸条ブロックになるにつれて、糸条ブロックを中央の糸条ブロックの鉛直方向に振り向けるための角度が大きくなるため、糸条ブロックが大きく捻られ、糸条ブロック内の両端の糸条に張力がかかるとともに中央部の糸条が緩むことで、糸条ブロック内の各糸条にかかる張力に不均衡が生じる。したがって、糸条ブロックの走行が不安定になり、得られる炭素繊維の品質低下を招く。外側を走行する糸条ブロックを中央の糸条ブロックの鉛直方向に振り向けるための角度を小さくすれば、糸条ブロック内の各糸条の張力の不均衡を小さくできるが、そのためには低温炉と高温炉の設置間隔を長くしなければならず、全体の製造ラインが長大になってしまう。さらには、糸条数及び生産品種の変更の度に、ローラの交換が都度必要となり、設備費が増大する。
また、上記特許文献２では、生産量を増大させる際に、新たな低温炉を増設する必要があり、設備費が増大する。また、複数の低温炉を用いているので、各低温炉によって耐炎化糸条の品質にばらつきが生じて、得られる炭素繊維の品質が低下する問題がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、均一で高品質な炭素繊維が得られ、かつ設備費の抑制と設備の小型化が可能な炭素繊維の製造方法及び製造装置を目的とする。

本発明の炭素繊維の製造方法は、前駆体糸条からなる前駆体糸条帯を低温炉で耐炎化処理する耐炎化処理工程と、耐炎化処理工程後の耐炎化糸条帯を高温炉で炭素化処理する炭素化処理工程とを有する炭素繊維の製造方法において、耐炎化処理後の耐炎化糸条帯を複数の糸条ブロックに分割し、分割後の各糸条ブロックを複数回反転させた後、鉛直方向に間隔を介して重なるように再配列し、再配列された糸条ブロックを高温炉に送入することを特徴とする。
各糸条ブロックは、同一角度で複数回反転することが好ましい。
分割後の各糸条ブロックの一つは、直線的に走行させることが好ましく、該糸条ブロックは反転させないことが好ましい。
本発明の炭素繊維の製造装置は、前駆体糸条からなる前駆体糸条帯を耐炎化処理する低温炉と、耐炎化された耐炎化糸条帯を炭素化処理する高温炉とを有する炭素繊維の製造装置において、耐炎化処理後の耐炎化糸条帯を複数の糸条ブロックに分割する分割手段と、分割後の各糸条ブロックを複数回反転させる反転手段と、反転された糸条ブロック同士を間隔を介して重なるように並べる再配列手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、均一で高品質な炭素繊維が得られ、かつ設備費の抑制と設備の小型化が可能な炭素繊維の製造方法及び製造装置を提供することができる。

図１及び図２に本発明の実施形態例を示して、本発明を詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の炭素繊維の製造装置は、低温炉（不図示）から送出された耐炎化糸条帯２を複数の糸条ブロック７０、７１、７２に分割する分割手段、すなわち第１ローラ１０、第２ローラ１１、１２と、分割後の糸条ブロック７１、７２を複数回反転させる反転手段、すなわち第３ローラ２１、２２、第４ローラ３１、３２と、分割された糸条ブロック７０、７１、７２を所定の間隔を介して重ねる再配列手段、すなわち第５ローラ４１、４２、第６ローラ５１、５２とを有している。

本発明の炭素繊維の製造方法は、まず、前駆体糸条からなる前駆体糸条帯が、低温炉で耐炎化処理される耐炎化処理工程を経て耐炎化糸条帯２となる。耐炎化処理後の耐炎化糸条帯２は、上記分割手段によって複数の糸条ブロック７０、７１、７２に分割され、分割後の糸条ブロック７０、７１、７２は上記反転手段によって複数回反転され、反転後の各糸条ブロック７０、７１、７２は上記再配列手段によって鉛直方向に間隔を介して重なるように再配列される。これらの手段を介して幅寄せされた糸条ブロック７０、７１、７２は、高温炉１に送入され、炭素化処理する炭素化処理工程を経た後、第７ローラ６０、６１、６２によって高温炉１から送出される。
以下に、糸条ブロックの分割手段、反転手段、及び再配列手段について、順を追って説明する。

図２に示すように、低温炉から送出された耐炎化糸条帯２は、第１ローラ１０によって走行方向を上下方向いずれかに方向転換する。
なお、糸条ブロックの走行経路の合理化を図るため、耐炎化糸条帯２の一部、すなわち本実施形態例における糸条ブロック７０は、直線的に走行させることが好ましい。また、図１では、耐炎化糸条２の端側を直線的に走行する糸条ブロック７０として分割したが、糸条ブロック７０が分割される位置はこれに限らず、例えば耐炎化糸条帯２の中寄りで直線的に走行する糸条ブロック７０を分割してもよい。
他の耐炎化糸条帯２は、第１ローラ１０によって、耐炎化糸条帯２の平面に対する鉛直方向に方向転換するが、該方向転換の角度は、図２に示すように直角でもよく、その他の角度でもよい。

図２に示すように、走行方向を方向転換した耐炎化糸条帯２は、相互に離れて設けられた少なくとも１個の第２ローラ１１、１２によって、糸条ブロック７１、７２に分割されるとともに、走行方向を高温炉１に向けて方向転換する。
なお、第１ローラ１０により方向転換した糸条帯２の分割数は、耐炎化糸条帯２の糸条帯の幅や、高温炉１の送入口の寸法等により適宜変更される。また、糸条ブロック７０〜７２の横方向の幅も、耐炎化糸条帯２の糸条帯の幅や、高温炉１の送入口の寸法等により適宜変更される。

第２ローラ１１、１２で方向転換された糸条ブロック７１、７２は、糸条ブロック７１、７２の走行方向に対し一定の傾きをつけた第３ローラ２１、２２により、糸条ブロック７０側へ走行方向を反転する。
なお、本発明の炭素繊維の製造方法における反転とは、糸条ブロック７１、７２が、ローラに沿って走行方向を変更することを意味する。例えば、糸条ブロック７１、７２が、糸条ブロック７１、７２の平面に対して水平で、かつ走行方向に対して斜めの向きを有して配置されたローラに沿って走行方向を変更することを、糸条ブロックの反転と称する。

第３ローラ２１、２２を通過した耐炎化糸条ブロック７１、７２は、耐炎化糸条ブロック７０の鉛直方向に配置された第４ローラ３１、３２によって、走行方向を高温炉１側に反転し、鉛直方向に間隔を介して配列しつつ走行する。

第３ローラ２１と第４ローラ３１、並びに第３ローラ２２と第４ローラ３２の配置及び傾きは、糸条ブロック７１、７２の糸条ブロック内に張力の不均衡を生じさせない配置、及び傾きであれば特に限定されないが、好ましくは、第３ローラ２１と第４ローラ３１、並びに第３ローラ２２と第４ローラ３２が互いに平行であること、すなわち同じ傾きを有して配置される。上記配置であれば、糸条ブロック７１、７２の第３ローラ２１、２２による反転角度と、糸条ブロック７１、７２の第４ローラ３１、３２による反転角度が同一角度となり、糸条ブロック７１、７２の糸条ブロック内に均衡な張力が加わるため好ましい。
第３ローラ２１と第４ローラ３１、並びに第３ローラ２２と第４ローラ３２が平行でない場合は、ローラでの糸条ブロックの走行位置が定まらないか、あるいは糸条ブロックの走行位置が第５ローラ４１、４２の設置位置から大きく外れていくことになるため好ましくない。

第３ローラ２１、２２と、第４ローラ３１、３２による糸条ブロックの反転角度は、図１、或いは図３（a）に示すように、糸条ブロック７１、７２が走行方向に対し水平方向に９０度反転する構造でもよいが、本発明の炭素繊維の製造装置では、分割後の糸条ブロック７１、７２を複数回反転させ、鉛直方向に間隔を介して重なるように再配列でき、かつ糸条ブロック７１、７２の糸条ブロック内に張力の不均衡を生じさせなければ、例えば図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように９０度以外の角度で反転してもよい。

本発明の炭素繊維の製造方法では、分割後の糸条ブロック７１、７２を複数回反転させ、かつ鉛直方向に間隔を介して重なるように再配列すればよいため、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、第３ローラ２１と第４ローラ３１による２回反転でもよく、例えば図４に示すように、第３ローラ２１と第４ローラ３１の間に１つ以上のローラ８１、８２を備えて、糸条ブロック７２を２回以上反転させてもよい。

第３ローラ２２と、第４ローラ３２は、図５（ａ）に示すように同一平面上に配置され、糸条ブロック７２が各ローラの外周のちょうど半周を沿って反転してもよく、図５（ｂ）に示すように、同一平面に配置されず、糸条ブロック７１、７２が各ローラの外周の半周未満を沿って反転してもよい。糸条ブロック７２と、第３ローラ２１並びに第４ローラ３１の関係についても同様である。
さらに、必要があれば、図６のように第３ローラ２２と第４ローラ３２の間に１つ以上のローラ８３、８４を設けて、かつ各ローラが同一平面上にない反転手段を有していてもよい。いずれにしても、糸条ブロック７１、７２に張力の不均衡を生じさせないローラの配置であって、複数回の反転を繰り返した糸条ブロック７１、７２が、最終的には直線的に走行する糸条ブロック７０と走行方向を同じくしつつ鉛直方向に再配列されればよい。

第４ローラ３１、３２を通過した糸条ブロック７１、７２は、第５ローラ４１、４２によりそれぞれ走行方向を直線的に走行する糸条ブロック７０に近づく向きに方向転換し、糸条ブロック７１、７２同士が互いに接触しないよう間隔を介して並走する。
なお、第５ローラ４１、４２の配置は、図２に示すように、第２ローラ１１、１２と同一平面上であってもよい。ただし、第３ローラ２１、２２、あるいは第４ローラ３１、３２の配置によっては、第５ローラ４１、４２が、第２ローラ１１、１２と同一平面上にあるとは限らない。

第５ローラ４１、４２を通過した糸条ブロック７１、７２は、高温炉１に向けて直線的に走行する糸条ブロック７０の手前で、第６ローラ５１、５２によって走行方向を高温炉１側に再び転換する。直線的に走行する糸条ブロック７０、及び方向転換した糸条ブロック７１、７２は、鉛直方向に一定の間隔を介して並走し、次いで、高温炉１へ送入される。糸条ブロック７０〜７２は、高温炉１で炭素化処理された後、高温炉１の送出側にある第７ローラ６０〜６２よって高温炉１から送出される。

糸条ブロック７０は第１ローラ及び第７ローラ６０によって、糸条ブロック７１、７２は第６ローラ５１、５２、及び第７ローラ６１、６２によって、所定の間隔を介して高温炉１を通過するよう配置されている。これら第７ローラ６０〜６２の配置間隔と、第１ローラ、及び第６ローラ５１、５２の配置間隔は、同じであることが好ましい。該ローラの配置間隔が同じであれば、糸条ブロック７０〜７２は互いに一定の間隔を維持しつつ高温炉１内を並走できるため、高温炉１内の不活性雰囲気に均一な条件で晒されることとなり、均一な炭素化処理を行うことができる。

本発明の実施形態例における炭素繊維の製造装置においては、第１〜第７ローラがいずれも平ローラで構成できる。他にも、平ローラでないローラやガイド棒等、走行方向を転換できる手段であれば適宜用いることができる。また、糸条のピッチを制御するために溝ローラを用いる場合があるが、第３ローラ２１、２２、及び第４ローラ３１、３２については、糸条ブロック７１、７２が、そのローラ表面を滑りながら傾斜角度に従いつつ反転することから、溝ローラを用いるのは好ましくない。
ローラ及びガイドの数は適宜増減させてもよく、その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形してもよい。

低温炉の数は、単数でもよく、複数でもよい。得られる耐炎化糸条帯２の品質のばらつきが生じず、設備費を抑えられる点からは、単数が好ましい。生産量の大幅な向上を図るには、複数配置にすることもありえる。
低温炉を複数配置する場合は、低温炉同士を鉛直方向に重ねてもよく、横方向に配置してもよい。複数の低温炉より送出される耐炎化糸条帯２は、本発明による分割手段、反転手段、再配列手段によって、糸条ブロック内に張力の不均衡を生じることなく自在に配列が可能である。
高温炉は単数とは限らず、まず、耐炎化糸条ブロックを予備的に炭化処理する高温炉を設け、次いで、予備的に炭化処理された糸条ブロックを完全に炭化処理する高温炉を直列に配置することも考えられる。
高温炉１の送出側に、必要に応じて、高温炉１の送入側とは逆の順序で配置したローラを設けることにより、高温炉１から送出された糸条ブロック７０〜７２を、分割される前の横一列の配列に戻すこともできる。

本発明の炭素繊維の製造方法を利用すれば、生産量を増加させる場合、新たな低温炉を設置することなく、低温炉を糸条帯幅方向に拡げればよく、低温炉から送出された糸条帯を多段重ねに配列することで高温炉の大型化も抑制できるため、設備投資の負担を減らし、生産性の向上を図ることができる。
本発明の炭素繊維の製造方法を利用すれば、耐炎化糸条帯の分割手段、反転手段、再配列手段による幅寄せにより、高温炉の糸条送入口を狭くできるため、熱効率良く炭素繊維を製造できる。
本発明の炭素繊維の製造方法を利用すれば、糸条帯を多段重ねに配列、あるいは多段重ねに配列された糸条を元の横一列に戻す際の必要長が短くて済み、製造ラインのコンパクト化を図ることができる。
本発明の炭素繊維の製造装置を利用すれば、糸条帯を多段重ねに配列する際の方向転換において、糸条ブロック内の両端の糸条と中央部に位置する糸条との走行距離が等しいため、糸条ブロック内に片張りや捻りを生じさせることなく、糸条ブロックの位置を大きく移動させることができる。
本発明の炭素繊維の製造装置を利用すれば、ローラを全て平ローラで構成することが可能なため、糸条数の調整や生産品種の変更に伴うローラ交換が軽減され、設備費の抑制を図ることができる。

本発明に係る炭素繊維の製造装置の実施形態例を示す部分平面図である。 本発明に係る図１に示す製造装置の実施形態例を示す部分側面図である。 本発明に係る製造装置の糸条ブロックの反転手段の配置例を示す拡大平面図である。 本発明に係る製造装置の糸条ブロックの反転手段の配置例を示す拡大平面図である。 本発明に係る製造装置の糸条ブロックの反転手段の配置例を示す拡大側面図である。 本発明に係る製造装置の糸条ブロックの反転手段の配置例を示す拡大側面図である。

符号の説明

１ 高温炉
２ 耐炎化糸条帯
１０ 第１ローラ
１１、１２ 第２ローラ
２１、２２ 第３ローラ
３１、３２ 第４ローラ
４１、４２ 第５ローラ
５１、５２ 第６ローラ
６０、６１、６２ 第７ローラ
７０、７１、７２ 糸条ブロック

Claims (4)

1. 前駆体糸条からなる前駆体糸条帯を低温炉で耐炎化処理する耐炎化処理工程と、耐炎化処理工程後の耐炎化糸条帯を高温炉で炭素化処理する炭素化処理工程とを有する炭素繊維の製造方法において、
   耐炎化処理後の耐炎化糸条帯を複数の糸条ブロックに分割し、分割後の各糸条ブロックを上下面が裏返るように複数回反転させた後、鉛直方向に間隔を介して重なるように再配列し、再配列された糸条ブロックを高温炉に送入することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
2. 分割後の各糸条ブロックが、同一角度で複数回反転す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。
3. 分割後の糸条ブロックの一つは直線的に走行させ、該糸条ブロックは反転させないことを特徴とする請求項１または２に記載の炭素繊維の製造方法。
4. 前駆体糸条からなる前駆体糸条帯を耐炎化処理する低温炉と、耐炎化処理された耐炎化糸条帯を炭素化処理する高温炉とを有する炭素繊維の製造装置において、
   耐炎化処理後の耐炎化糸条帯を複数の糸条ブロックに分割する分割手段と、分割後の各糸条ブロックを上下面が裏返るように複数回反転させる反転手段と、反転された各糸条ブロックを鉛直方向に間隔を介して重ねる再配列手段とを有することを特徴とする炭素繊維の製造装置。

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