JP6149583B2 - 炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法 - Google Patents

Description

本発明は、加圧スチーム延伸工程を有する炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法に関する。

炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法として、加圧スチームにより延伸することが従来から知られている。大気圧下の熱水より高温が得られるとともに、水分の存在がアクリル繊維束の可塑化効果を生み、高倍率の延伸が可能となるためである。特に、炭素繊維の前駆体として使用されるアクリル繊維束は、アクリロニトリル重合率が非常に高いので顕著な融点が存在せず、熱の効果だけでは実質的に延伸が不可能なため、加圧スチーム延伸が適用される場合が多い。しかしながら、アクリル繊維束を加圧スチーム延伸により、高倍率に延伸する場合において、単繊維の切断、毛羽の発生、繊維束全体の切断といった欠陥が発生する場合があった。細繊度の繊維を得る場合、より高速で処理しようとする場合でも同様である。

特開平５−１９５３１３ 特開平１０−２９２２４０

特許文献１では、安定に加圧スチーム延伸を行うために、減圧後に冷却管で徐熱、一旦過度に徐熱し蒸気を飽和状態とし、発生した液滴状の水分をバッフル板付きのドレン除去槽で除くという技術が開示されている。しかし、この方法では冷却水の温度、流量の変動、あるいはもとのスチーム性状の変動に追随する事が困難で、常時安定なスチーム性状に制御するという目的には不十分である。

また、特許文献２では加圧スチームの温度を飽和水蒸気温度より高くし、加圧スチーム中に液滴状の水を含まないようにスチーム温度を制御する方法が開示されている。この技術を用いることで、液滴状の水分を含まないスチームによる延伸が行うことが出来る為、局所的な加熱斑による延伸糸条の目付け斑や、繊維構造の均一性を損なう等の問題を防止することが出来る。しかしながら、スチームの湿り度が低く延伸糸条の可塑化効果を効率的に得る事が出来ず、高速、高倍率で安定した延伸を行う事が困難であった。更に、スチームの温度を検出している部分が蒸気導入部のみであり、その他の部分については温度制御する事が出来ておらず毛羽や工程トラブルを防止するという目的には不十分であった。

本発明の課題は、従来技術の欠点を改善し、炭素繊維前駆体アクリル繊維束に加圧スチーム延伸を施す際、特に高倍率、高速で処理を行う場合に工程通過性の優れた延伸方法を提供することにある。

上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、加圧スチーム延伸装置による炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸は、スチームが導入される蒸気室の前記繊維束の入口側に設けられた、スチームをシールする為のシール室でほぼ全て行われている事がわかった。さらに、加圧スチーム延伸装置における蒸気温度の制御を、前記蒸気室だけでなく、前記シール室（シール室および／またはシール室入口部）においても行うことが、高速・高倍率で安定した延伸を行う上で極めて有効である事を見出し本発明に至った。

本発明の要旨は、加圧スチーム延伸装置を用いた炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法であって、
スチームが導入される蒸気室と、前記蒸気室の繊維束の入口側及び出口側に設けられた蒸気をシールする為のシール室と、前記入口側シール室に設けられた繊維束の入口部と、前記出口側シール室に設けられた繊維束の出口部を有する加圧スチーム延伸装置を用いて繊維束を延伸する際に、
式 ： Ｔ _１’ ≦Ｔ _１ ≦Ｔ _１’ ＋２、Ｔ _２’ ≦Ｔ _２ ≦Ｔ _２’ ＋２、Ｔ _３’ ≦Ｔ _３ ≦Ｔ _３’ ＋２
を満たすように温度制御を行うことを特徴とする炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法である。
上記の式において、Ｔ_１（℃）、Ｔ _２ （℃）及びＴ_３（℃）は、前記蒸気室、前記入口側シール室及び前記入口部外側における蒸気温度をそれぞれ表し、また、Ｔ_１’（℃） 、Ｔ _２’ （℃）及びＴ_３’（℃）は、前記蒸気室、前記入口側シール室及び前記入口部外側の検出圧力における飽和蒸気温度をそれぞれ表す。

前記加圧スチーム延伸装置におけるスチームの温度制御が、該スチームの温度と圧力を検出しながら該温度に応じて水分をアトマイザーで供給することにより行われる事が重要である。
また、前記アトマイザーで供給する水分の噴霧径が、５０μｍ以下である事が重要である。
さらにアトマイザーで水分を供給した後、蒸気と水分を均一に混合する手段を有する事が好ましい。

本発明により、炭素繊維前駆体アクリル繊維束に加圧スチーム延伸を施す際、効率的な可塑化効果を得る事ができるようになる為、高倍率で延伸を行う場合、より高速で処理しようとする場合、細繊度の繊維を得る場合などに、アクリル繊維束全体の切断といったトラブルを防止する事が出来る。さらに、単繊維の切断や毛羽の発生を防止する事ができ、高品質のアクリル繊維束を安定的に得ることが出来る。

本発明の加圧スチーム延伸装置の一例を示す概略図。

以下、図１も参照しながら、本発明を詳細に説明する。
加圧スチーム延伸装置１３における加圧スチーム延伸の前後に、繊維製造の分野で公知の工程を適宜行うことができる。例えば、アクリル系繊維を溶液紡糸する場合は、原料重合体としてアクリロニトリルのホモポリマー、あるいはコモノマーを含んだアクリロニトリル系共重合体を、公知の有機又は無機溶剤に溶解した溶液を紡糸した後、延伸する際に本発明の加圧スチーム延伸を行うことができる。この場合、紡糸方法はいわゆる湿式、乾湿式、乾式のいずれでも良く、その後の工程で脱溶剤、浴中延伸、油剤付着処理、乾燥等を施すことができる。加圧スチーム延伸は繊維製造のいかなる段階で実施してもよいが、溶液紡糸の場合は繊維束中に溶剤をある程度除去した後、すなわち洗浄後又は浴中延伸後、あるいは乾燥後が好ましく、高配向の繊維を得る観点から乾燥後がより好ましい。

延伸雰囲気のスチーム圧は、加圧状態すなわち大気圧より高い圧力に適宜設定でき、目的に添うものであれば良く特に限定されない。すなわち延伸する繊維の種類、加圧スチーム延伸工程での処理状態、あるいは目的とする繊維特性等により適宜設定される。

本発明は、加圧スチーム延伸装置１３を用いた炭素繊維前駆体アクリル繊維束１の延伸方法であって、スチームが導入される蒸気室４と、前記蒸気室４の繊維束の入口側及び出口側に設けられた蒸気をシールする為のシール室３，５と、前記入口側シール室３に設けられた繊維束の入口部２と、前記出口側シール室５に設けられた繊維束の出口部６を有する加圧スチーム延伸装置１３を用いて繊維束を延伸する際に、前記蒸気室４、前記入口側シール室３及び前記入口部２外側における蒸気温度をそれぞれＴ_１（℃）、Ｔ_２（℃）及びＴ_３（℃）とし、前記蒸気室４、前記入口側シール室３及び前記入口部２外側の検出圧力における飽和蒸気温度をそれぞれＴ_１’（℃）、Ｔ_２’（℃）及びＴ_３’（℃）とした時に、式：Ｔ_１’≦Ｔ_１≦Ｔ_１’＋２、Ｔ_２’≦Ｔ_２≦Ｔ_２’＋２、Ｔ_３’≦Ｔ_３≦Ｔ_３’＋２を満たすように温度制御することが重要である。加圧スチーム延伸装置１３による炭素繊維前駆体アクリル繊維束１の延伸はスチームが導入される蒸気室４の前にあるスチームをシールする為のシール室３でほぼ全て行われているため、本発明のように、加圧スチーム延伸装置１３における蒸気温度の制御を、前記蒸気室４だけでなく、前記シール室３およびシール室入口部２においても行うことで効率的な可塑化効果を得る事が出来る。

蒸気室４に導入される加圧スチームは、蒸気減圧弁１１、水量調整弁１２、ドレンセパレーター１０及びアトマイザー９を有するスチーム供給装置により供給される。このスチーム供給装置により、所望の水分量、圧力及び温度の加圧スチームが調製される。スチーム供給装置と蒸気室４の間には蒸気フィル―タ７が設けられ、加圧スチームから異物を除去し、蒸気室４に導入される加圧スチームの清浄性を高めている。

前記加圧スチーム延伸装置１３におけるスチームの温度制御が、該スチームの温度と圧力を検出しながら該温度に応じて水分をアトマイザー９で供給することが重要である。通常、蒸気はドレンの衝突による配管の減肉や亀裂、破孔を防止するため、ドレンを含まない過熱蒸気を供給するが、アクリル繊維束を延伸する際に、水による可塑化効果を効率的に得るには、飽和蒸気の方が好ましく、水分をアトマイザー９で供給することにより、効率的に飽和蒸気を得る事が出来る。

また、前記アトマイザー９で供給する水分の噴霧径が、５０μｍ以下である事が重要である。水分の噴霧径が小さい程、供給した水分の蒸発効率が向上し、より効率的に過熱蒸気の温度を低下させることが出来る。

前記アトマイザー９で水分を供給した後、スタティックミキサー８のような蒸気と水分を均一に混合する手段を有することが好ましい。
さらにアトマイザー９は、加圧スチーム延伸装置１３に極力近い蒸気配管に設置することが好ましい。
さらに前記加圧スチーム延伸装置１３で用いるスチームの温度制御方法が、該スチームの温度と圧力を検出しながら該温度に応じて水分をアトマイザー９で供給し温度制御する事が重要である。また、前記アトマイザーで供給する水分の噴霧径が、５０μｍ以下である事が重要である。さらにアトマイザー９で水分を供給した後、蒸気と水分を均一に混合する手段を有する事が好ましい。これらにより余分な液滴状の水分を含む事なく、飽和蒸気温度のスチームを得る事が出来る。

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。なお、本実施例中、アクリル繊維束全体の切断回数の評価は、１５分間加圧スチーム延伸を行い、アクリル繊維束全体が切断した回数を計測することにより行った。繊維束全体が切断した場合は、改めて加圧スチーム延伸装置に導糸し、繰り返し計測を行った。なお、切断回数が５回に達した時点で本評価は終了することにした。

また、アクリル繊維束の毛羽の発生状況の評価は、走行状態のアクリル繊維束を肉眼で
３分間観察し、糸条表面の毛羽の数を計測することにより行った。

延伸糸の破断倍率は、加圧スチーム延伸装置上流側の延伸糸フィードロールの速度は変更せず、前記加圧スチーム延伸装置下流側の延伸糸引取りロールの速度を徐々に上げていき、延伸糸が破断した時の前記引取りロール速度を計測し、以下の計算式より求めた。
引取りロール表面速度（ｍ／分）／フィードロール表面速度（ｍ／分）＝ 破断倍率

（実施例１）
アクリロニトリル単位９８モル％、メタクリル酸単位２モル％からなるアクリル系共重合体を、ジメチルホルムアミドに溶解して重合体濃度２３％の紡糸原液を調整した。この紡糸原液を、紡糸ノズルを用いて、温度１０℃、濃度８０％からなる凝固浴中に吐出し凝固糸を得た。この凝固糸を、冷延伸および熱水中延伸を実施し、油剤付着および乾燥緻密化処理を行って、アクリル繊維束を得た。引き続き、アクリル繊維束を図１に示した加圧スチーム延伸装置に通し、表１〜３に示す条件で４．０倍延伸を行った。引き続き、乾燥して、単繊維繊度が１．０デシテックス、フィラメント数が１２０００のアクリル繊維束を得た。得られたアクリル繊維束の、繊維束全体の切断回数及び毛羽発生状況を評価した結果と、延伸糸の破断倍率を測定した結果を表４に示した。

（実施例２〜４）
表１〜３に示すように加圧スチーム延伸装置の蒸気温度を変更した以外は、実施例１と同様にしてアクリル繊維束を得た。得られたアクリル繊維束の、繊維束全体の切断回数及び毛羽発生状況を評価した結果と、延伸糸の破断倍率を測定した結果を表４に示した。

（比較例１〜４）
表１〜３に示すように加圧スチーム延伸装置の蒸気温度を変更した以外は、実施例１と同様にしてアクリル繊維束を得た。得られたアクリル繊維束の、繊維束全体の切断回数及び毛羽発生状況を評価した結果と、延伸糸の破断倍率を測定した結果を表４に示した。

表４の結果から明らかなように、加圧スチーム延伸装置の、蒸気室及び入口側シール室の入口部外側における蒸気温度並びに検出圧力における飽和蒸気温度を、本発明のように温度制御すること、好適には、蒸気室、入口側シール室及び入口側シール室の入口部外側における蒸気温度並びに検出圧力における飽和蒸気温度を、本発明のように温度制御することにより、炭素繊維前駆体アクリル繊維束全体の切断といったトラブル、毛羽の発生といった欠陥を防止し、高品質のアクリル繊維束を安定的に得ることが出来る。

１． 炭素繊維前駆体アクリル繊維束
２． 入口側シール室に設けられた繊維束の入口部
３． 入口側シール室
４． 蒸気室
５． 出口側シール室
６． 出口側シール室に設けられた繊維束の出口部
７． 蒸気フィルター
８． スタティックミキサー
９． アトマイザー
１０．ドレンセパレーター
１１．蒸気減圧弁
１２．水量調節弁
１３．加圧スチーム延伸装置

Claims (4)

1. 加圧スチーム延伸装置を用いた炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法であって、
   スチームが導入される蒸気室と、前記蒸気室の繊維束の入口側及び出口側に設けられた蒸気をシールする為のシール室と、前記入口側シール室に設けられた繊維束の入口部と、前記出口側シール室に設けられた繊維束の出口部を有する加圧スチーム延伸装置を用いて繊維束を延伸する際に、
   式 ： Ｔ_１’≦Ｔ_１≦Ｔ_１’＋２、Ｔ_２’≦Ｔ_２≦Ｔ_２’＋２、Ｔ_３’≦Ｔ_３≦Ｔ_３’＋２
   を満たすように温度制御を行うことを特徴とする炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法。
   上記の式において、Ｔ_１（℃）、Ｔ_２（℃）及びＴ_３（℃）は、前記蒸気室、前記入口側シール室及び前記入口部外側における蒸気温度をそれぞれ表し、また、Ｔ_１’（℃）、Ｔ_２’（℃）及びＴ_３’（℃）は、前記蒸気室、前記入口側シール室及び前記入口部外側の検出圧力における飽和蒸気温度をそれぞれ表す。
2. 前記加圧スチーム延伸装置におけるスチームの温度制御が、該スチームの温度と圧力を検出しながら該温度に応じて水分をアトマイザーで供給することにより行われる請求項１記載の炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法。
3. 前記アトマイザーで供給する水分の噴霧径が、５０μｍ以下である請求項２記載の炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法。
4. 前記アトマイザーで水分を供給した後、蒸気と水分を均一に混合する手段を有する請求項２または３記載の炭素繊維前駆体アクリル繊維束の延伸方法。

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