JP6287641B2 - 不織布化方法及び不織布化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピッチを原料とした繊維シートの繊維同士の交点を融着させることにより同繊維シートを不織布化する不織布化方法及び不織布化装置に関する。

特許文献１には、石油や石炭、コールタールなどの副生成物であるピッチを原料としたピッチ系の炭素繊維不織布の製造に先立ち、溶融されたピッチを紡糸するとともにベルトコンベア上に堆積させることにより繊維シートを形成し、この繊維シートを加熱して繊維同士の交点を融着させることにより同繊維シートを不織布化する方法が開示されている。また、不織布化された繊維シートに対して、不融化処理、炭化処理、及び黒炭化処理を順に施すことにより、炭素繊維不織布が製造されることが開示されている。

特開昭６２―１７７２２１号公報

ところで、例えば炭素繊維不織布を燃料電池のガス拡散層として用いる場合には高い電気伝導性が要求される。しかしながら、従来の炭素繊維不織布においては、繊維同士の交点での結合部が小さいために電気伝導性がそれほど高くない。また、繊維同士の交点での結合力が弱いため、燃料電池の組み付け作業時にガス拡散層としての炭素繊維不織布に対して荷重が作用すると繊維が移動して繊維の密度に粗密が生じやすく、所謂目開きが生じるといった問題が生じるおそれがある。

これに対して、特許文献１には、加熱ロールを用いて繊維シートの繊維同士の交点を融着させる旨の記載がある。しかしながら、ピッチよりなる繊維は硬いために、繊維シートが加熱ロールを通過する際に線接触的に荷重が作用すると、繊維が折れやすいといった問題が生じる。

本発明の目的は、ピッチよりなる繊維シートの繊維同士の交点を適切に融着させることができる不織布化方法及び不織布化装置を提供することにある。

上記目的を達成するための不織布化方法は、溶融されたピッチを紡糸するとともに堆積させて形成された繊維シートの繊維同士の交点を融着させることにより同繊維シートを不織布化する方法であって、前記繊維シート全体を面接触にて挟圧した状態において同繊維シートを前記ピッチの軟化点よりも低い温度にて加熱することにより同繊維シートの繊維同士の交点を融着させる工程を含む。

また、上記目的を達成するための不織布化装置は、溶融されたピッチを紡糸するとともに堆積させて形成された繊維シートの繊維同士の交点を融着させることにより同繊維シートを不織布化する装置であって、前記繊維シートを面接触にて挟圧する挟圧装置と、前記挟圧装置により前記繊維シート全体が挟圧された状態において同繊維シートを前記ピッチの軟化点よりも低い温度にて加熱する加熱装置と、を備える。

上記方法又は上記装置によれば、繊維シート全体が面接触にて挟圧された状態において加熱されるため、加熱ロールを用いる場合とは異なり、繊維シートに対して局所的に荷重が作用することを回避することができる。このため、繊維が折れることを抑制しながら、繊維シートの繊維同士の交点を融着させて強固に結合させることができる。

本発明によれば、ピッチよりなる繊維シートの繊維同士の交点を適切に融着させることができる。

一実施形態に係る不織布化装置の側面図。 （ａ）は挟圧装置の下側金属板上に厚さ調整用のスペーサと繊維シートとが載置された状態の側面図、（ｂ）は下側金属板上に載置されたスペーサ及び繊維シートと上側金属板とを離間して示す拡大側面図、（ｃ）は電気炉内において挟圧装置により繊維シートが挟圧されている状態を示す側面図。 変形例に係る挟圧装置の側面図。

以下、図１及び図２を参照して、一実施形態について説明する。
本実施形態においては、まず、メルトブロー法によって、溶融されたピッチを紡糸するとともにベルトコンベア上に堆積させることにより繊維シート４０を形成する。なお、このピッチは、ＪＦＥケミカル株式会社の製品であるＭＣＰ−１１０Ｃ（軟化点Ｔｓが１１０℃であるコールタールピッチ）を素材としている。この素材には、固定炭素が６０％、トルエン不溶分が２０％、キノリン不溶分が３％含まれている。そして、上記素材を加熱して溶融状態とするとともに同素材に酸素を取り込むことにより、ピッチの軟化点Ｔｓを例えば２１５℃まで上昇させている。そして、このようにして軟化点Ｔｓが高められたピッチを用いて前記繊維シート４０が形成される。

次に、以下に説明する不織布化装置１０を用いて繊維シート４０の繊維同士の交点を融着させることにより繊維シート４０を不織布化する。
図１に示すように、不織布化装置１０は、繊維シート４０全体を面接触にて挟圧する挟圧装置２０と、同挟圧装置２０を収容可能な電気炉３０とを備えている。

挟圧装置２０は、例えばステンレス鋼などの金属材料によって形成された下側金属板２７及び上側金属板２８を載置可能な基台２１を備えている。基台２１には、上方に延びるとともに上端において内方に向けて屈曲した支持部２２が固設されており、支持部２２には、ボールねじを有し、同支持部２２に対して昇降可能な可動部２３が設けられている。また、可動部２３の下端には、ばね２４１を有するとともに前記上側金属板２８を押圧する押圧部２４が固設されている。なお、同図においては、上側金属板２８が繊維シート４０から上方に離間して示されている。

次に、不織布化装置１０を用いた不織布化処理の手順及び本実施形態の作用について説明する。
図２（ａ）に示すように、まず、下側金属板２７の上面の中央部に、不織布化前の繊維シート４０を載置するとともに繊維シート４０の周囲にスペーサ２９を載置する。このスペーサ２９は不織布化後の繊維シート４０の厚さを所定の厚さｄ（例えば１００μｍ〜２００μｍ）に調整するためのものであり、前記所定の厚さｄを有している。

次に、図２（ｂ）に示すように、繊維シート４０上に上側金属板２８を載置する。
次に、図２（ｃ）に示すように、可動部２３を所定長さ降下させることにより押圧部２４を介して上側金属板２８に対して所定の荷重を作用させる。このことにより、下側金属板２７及び上側金属板２８に挟圧された繊維シート４０に対して前記所定の荷重を作用させる。なお、金属板２７，２８と繊維シートとの間にアルミ箔や離型剤を介在させることが好ましい。

そして、電気炉３０内に挟圧装置２０を移動させ、同電気炉３０によって繊維シート４０を所定時間加熱する。このことにより、繊維シート４０をピッチの軟化点Ｔｓ（例えば２１５℃）よりも低い温度にて加熱して繊維シート４０の繊維同士の交点を融着させる、すなわち繊維シート４０を不織布化する。

このとき、金属板２７，２８の加熱温度（以下、加熱温度Ｔｈと称する。）が高いほど繊維シート４０の繊維を柔らかくすることができ、繊維同士の交点を強固に融着させることができる。ただし、加熱温度ＴｈをＴｓ−４５℃よりも高くすると、繊維が過度に柔らかくなってしまい、不織布としての形状を維持することが難しい。

一方、加熱温度Ｔｈが低いほど繊維シート４０の繊維が変形しにくいことから、不織布としての形状を維持しやすくなる。ただし、加熱温度ＴｈをＴｓ−７５℃よりも低くすると、繊維が柔らかくならず繊維同士の交点を融着させることが難しい。

これらのことから、加熱温度Ｔｈが以下の第１の範囲内である場合には、繊維シート４０の繊維を適度に柔らかくして繊維同士の交点を好適に融着させることができるとともに、不織布としての形状を維持することができる。

Ｔｓ−７５℃ ≦ Ｔｈ ≦ Ｔｓ−４５℃ ・・・（１）

更に、加熱温度Ｔｈが以下の第２の範囲内である場合には、繊維同士の交点での結合の強度向上と不織布としての形状維持とをより高いレベルで両立することができる。

Ｔｓ−６５℃ ≦ Ｔｈ ≦ Ｔｓ−５５℃ ・・・（２）

このように挟圧装置２０により繊維シート４０全体が面接触にて挟圧された状態において電気炉３０により繊維シート４０が加熱されるため、加熱ロールを用いる場合とは異なり、繊維シート４０に対して局所的に荷重が作用することを回避することができる。このため、繊維が折れることを抑制しながら、繊維シート４０の繊維同士の交点を融着させて強固に結合させることができる。

こうして不織布化処理が完了すると、次に、可動部２３を上昇させ、上側金属板２８を取り外す。そして、不織布化された繊維シート４０を不織布化装置１０から取り出す。
次に、酸素雰囲気下において所定の不融化温度（例えば２００℃〜４００℃）にて加熱することにより繊維シート４０を不融化させる（不融化処理）。不融化処理をすることなく以下の炭化処理を行なうと、繊維が融けてしまうためである。

次に、繊維シート４０を所定の温度（例えば５００℃〜２０００℃）にて加熱することにより繊維シート４０を炭化させる（炭化処理）。
最後に、繊維シート４０を所定の温度（例えば２０００℃〜３０００℃）にて加熱することにより繊維シート４０を黒鉛化させる（黒鉛化処理）。

なお、不融化処理、炭化処理、及び黒鉛化処理においてはそれぞれ専用の炉が用いられる。
以上説明した本実施形態に係る不織布化方法及び不織布化装置によれば、以下に示す効果が得られるようになる。

（１）不織布化方法は、繊維シート４０全体を面接触にて挟圧するとともに繊維シート４０をピッチの軟化点Ｔｓよりも低い温度にて加熱することにより繊維シート４０の繊維同士の交点を融着させる工程を含む。

こうした方法によれば、繊維シート４０全体が面接触にて挟圧された状態において繊維シート４０が加熱されるため、加熱ロールを用いる場合とは異なり、繊維シート４０に対して局所的に荷重が作用することを回避することができる。このため、繊維が折れることを抑制しながら、繊維シート４０の繊維同士の交点を融着させて強固に結合させることができる。従って、ピッチよりなる繊維シート４０の繊維同士の交点を適切に融着させることができる。そして、このように不織布化された繊維シート４０に対して不融化処理、炭化処理、及び黒鉛化処理を施すことにより、繊維同士の交点での結合力が強く、目開きが生じにくい炭素繊維不織布を製造することができる。

（２）一対の金属板２７，２８により繊維シート４０全体を挟圧するようにしたため、繊維シート４０全体を面接触にて挟圧することが容易にできる。
（３）一対の金属板２７，２８の間にスペーサ２９を介在させることにより、繊維シート４０の厚さを所望の厚さに調整することができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・ベルトコンベアによって挟圧装置２０を搬送するとともに、加熱装置の直下を通過させることにより、繊維シート４０全体が挟圧された状態において繊維シート４０を加熱するようにしてもよい。

・加熱した一対の金属板により繊維シート４０全体を挟圧するようにしてもよい。
・図３に示すように、一対の金属板１２７，１２８に挟まれた繊維シート１４０を、下側ベルトコンベア１２１によって搬送するとともに、下側ベルトコンベア１２１と上側ベルトコンベア１２５とによって挟圧するようにしてもよい。この場合、上記実施形態と同様にして、金属板１２７，１２８の間には繊維シート１４０の厚さ調整用のシム１２９が介設されている。上側ベルトコンベア１２５は、下側ベルトコンベア１２１の搬送面との距離が搬送方向前方ほど小さくなるように設定されている。この場合であっても、繊維シート１４０を面接触にて挟圧することができる。なお、同図においては、上側金属板１２８が繊維シート１４０から上方に離間して示されている。

１０…不織布化装置、２０，１２０…挟圧装置、２１…基台、２２…支持部、２３…可動部、２４…押圧部、２４１…ばね、２７，１２７…下側金属板（板材）、２８，１２８…上側金属板（板材）、２９，１２９…スペーサ、３０，１３０…電気炉、４０，１４０…繊維シート、１２１…下側ベルトコンベア、１２５…上側ベルトコンベア。

Claims (3)

1. 溶融されたピッチを紡糸するとともに堆積させて形成された繊維シートの繊維同士の交点を融着させることにより同繊維シートを不織布化する方法であって、
   一対の板材により前記繊維シートを挟圧した後に、前記一対の板材に対して離間して設けられた可動部を可動させて前記一対の板材のうち上側に配置される板材を下側に配置される板材に向けて押圧して前記繊維シート全体を面接触にてさらに挟圧し、この挟圧した状態において同繊維シートを前記ピッチの軟化点よりも低い温度にて加熱することにより同繊維シートの繊維同士の交点を融着させる工程を含む、
   不織布化方法。
2. 前記一対の板材の間に、前記繊維シートの厚さを調整するためのスペーサを介在させる、
   請求項１に記載の不織布化方法。
3. 溶融されたピッチを紡糸するとともに堆積させて形成された繊維シートの繊維同士の交点を融着させることにより同繊維シートを不織布化する装置であって、
   前記繊維シート全体を面接触にて挟圧する挟圧装置と、
   前記挟圧装置により前記繊維シートが挟圧された状態において同繊維シートを前記ピッチの軟化点よりも低い温度にて加熱する加熱装置と、を備え、
   前記挟圧装置は、前記繊維シート全体を挟圧する一対の板材と、前記一対の板材から離間して設けられている昇降可能な可動部と、を備える、
   不織布化装置。