JP6372095B2 - 炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維の製造方法に関する。

炭素繊維を製造する方法として、炭素繊維前駆体繊維束（以下、これを繊維束と称することがある）を耐炎化処理した後、炭素化処理する方法が広く知られている。

この炭素繊維の製造時の耐炎化処理としては、例えば、熱処理装置を用いて、空気等の酸化雰囲気下で、繊維束を熱風により熱処理する方法が採用されている。

しかしながら、耐炎化処理は繊維束の発熱を伴う酸化反応であることから、熱処理炉内を循環させる熱風の風量や風速を上げて、繊維束の熱を速やかに除去することが重要である。さらに、熱処理室内の繊維束を均等に熱処理することが重要である。

上記課題を解決する方法として、例えば、特許文献１は、熱処理室内に熱風を吹き出す熱風吹出口と、熱処理室内の熱風を吸い込む熱風吸込口を備え、耐炎化炉の熱処理室が仕切り板によって区画され、熱風に対して前駆体繊維が、並流方向に走行する並流通路と、向流方向に走行する向流通路が、熱風吸込み口近傍にて連通している耐炎化炉が開示されている。

特開２００８−２３１６０３号公報

しかし、特許文献１に記載された熱処理炉では、熱風を吹き出す吹出しノズルと、各仕切り板の位置関係を極めて精密に制御しない限り、熱風が各仕切り板の間に均等に流れ込まないため、各区画の間で熱風の風速斑が大きくなるおそれがある。そしてそのような精密な制御は、工業製品の加工においては実質的に実現困難である。

上記課題を解決するために、本発明者らは検討を行い、本発明を完成するに至った。

本発明の要旨は、炭素繊維前駆体繊維束を耐炎化処理して耐炎化繊維束とし、前記耐炎化繊維束を炭素化処理して炭素繊維束を得る炭素繊維束の製造方法であって、
前記耐炎化処理が、下記の条件を満足する炭素繊維束の製造方法。
・シート状の炭素繊維前駆体繊維束を複数回折り返して、熱処理室内を多段で走行させ、前記炭素繊維前駆体繊維束の長手方向に対して平行に熱風を吹き付け、熱処理する。
・前記熱処理室内に、前記炭素繊維前駆体繊維束の長手方向において第一熱風区域と第二熱風区域とを設け、
前記第一熱風区域は、前記熱処理室の一端側にあって、隣り合う２シートの前記炭素繊維前駆体繊維束の間に、シートの重なる方向において複数の熱風の流れを有し、
前記第二熱風区域は、前記第一熱風区域の下流にあって、熱風の流れの２つ以上が混合して流れる。
・前記第一熱風区域の熱風流路断面積は、前記第二熱風区域の熱風流路断面積より大きい。

本発明によると、熱処理室内の各繊維束に均等に熱風を送ることが可能となる。さらに熱処理炉に供給する総熱風量を増すことなく、各繊維束への熱風の風速を向上することが可能となる。その結果、熱処理炉の熱風循環ファンへの負荷を増すことなく、炭素繊維の生産性を向上することができる。

本実施形態に係る代表的な熱処理炉１の構造を模式的に表す側断面図である。 本実施形態に係る熱処理炉１の構造の一例を模式的に表す側断面図であって、隣り合う２シートの炭素繊維前駆体繊維束の間にあって、一つの吹出しノズル３の出口に、複数のスリット状開口部が設けられている。 本実施形態に係る熱処理炉１の構造の一例を模式的に表す側断面図であって、隣り合う２シートの炭素繊維前駆体繊維束の間に、複数個の吹出しノズル３が設けられている。 本実施形態に係る仕切り板１１の先端付近を拡大して模式的に表す側断面図である。 図４の実施形態に係る熱処理炉１の構造を模式的に表す側断面図である。

以下、本発明の実施形態の一例について、図面を用いて詳細に説明する。

本願発明は、耐炎化処理が、下記の条件を満足する。
・シート状の炭素繊維前駆体繊維束を複数回折り返して、熱処理室内を多段で走行させ、前記炭素繊維前駆体繊維束の長手方向に対して平行に熱風を吹き付け、熱処理する。
・前記熱処理室内に、前記炭素繊維前駆体繊維束の長手方向において第一熱風区域と第二熱風区域とを設け、
前記第一熱風区域は、前記熱処理室の一端側にあって、隣り合う２シートの前記炭素繊維前駆体繊維束の間に、シートの重なる方向において複数の熱風の流れを有し、
前記第二熱風区域は、前記第一熱風区域の下流にあって、熱風の流れの２つ以上が混合して流れる。
・前記第一熱風区域の熱風流路断面積は、前記第二熱風区域の熱風流路断面積より大きい。

図１は本願発明に用いる熱処理炉の側断面図を模式的に示している。本実施形態の熱処理炉１は、熱処理室２、繊維束８の導出入口１０及び１０‘、熱処理室２の室内側に対向して配される複数の吹出しノズル３と、複数の吸込みノズル４を備える。吹出しノズル３と吸込みノズル４は、繊維束８を上下から挟むように配される。シート状の繊維束を複数回折り返して、かかる熱処理室内を多段で走行させ、前記繊維束の長手方向に対して平行に熱風をあて、熱処理する。熱処理室２の外部には、吹出しノズル３と吸込みノズル４との間で熱風を循環するための循環流路７を備える。循環流路７には、吸込みノズル４から送られてきた熱風を加熱する気体加熱手段５、及び加熱された熱風を吹出しノズル３に送る送風機６が配される。また、シート状の繊維束８は、多段に配されたガイドロール９に掛け回され、熱処理室１の導出入口１０，１０’を通して、熱処理室２の内部を複数回往復して走行する。

この際、前記熱処理室内に、前記炭素繊維前駆体繊維束の長手方向において第一熱風区域１４と第二熱風区域１５とを設ける。

前記第一熱風区域は、前記熱処理室の一端側にあって、隣り合う２シートの前記炭素繊維前駆体繊維束の間に、シートの重なる方向において複数の熱風の流れを有する。

前記第一熱風区域１４における複数の熱風の流れの形成手段は限定されない。図１の例においては、隣り合う２シートの前記炭素繊維前駆体繊維束の間に向かって吹出しノズル３を一つ設け、更に第一熱風区域１４に、熱風の流れと平行な部材を設けて、吹出しノズル３から吹出される一つの熱風の流れを、複数に分割している。

熱風の流れと平行な部材を設ける場合、吹出しノズル３と部材との間にある程度の空間を設けると、流れを複数に分割するにあたって、均一性を保ちやすくなる。この距離は５０ｍｍ以上が好ましい。一方この距離が長すぎると、その分前記第二熱風区域１５の長さが短くなる。従ってこの距離は１０００ｍｍ以下が好ましい。

このほか、例えば一つの吹出しノズル３の出口に、複数のスリット状開口部１６を設けて、隣り合う２シートの前記炭素繊維前駆体繊維束の間に複数の熱風の流れを作ってもよい（図２）。図２において、第一熱風区域１４とは、１つの吹出しノズル３から吹出される、一つの熱風の流れが、複数のスリット状開口部１６によって分割され、該繊維束の間に複数の流れを形成する区域のことを言う。

また、隣り合う２シートの前記炭素繊維前駆体繊維束の間に吹出しノズル３を複数個設けて、複数の熱風の流れを作ってもよい（図３）。図３において、第一熱風区域１４とは、該繊維束の間に設けられた複数個の吹出しノズル３から吹出される熱風が、該繊維束の間で複数の流れを形成し、流れる区域のことを言う。

前記第二熱風区域１５は、前記第一熱風区域１４の下流にあって、熱風の流れの２つ以上が混合して流れる。

そして、前記第一熱風区域１４の熱風流路断面積は、前記第二熱風区域１５の熱風流路断面積より大きい。なおここでいう熱風流路断面積とは、隣り合う繊維束２シートの間において、シートの重なる方向の断面積中で、熱風が流れることが可能な部分の面積の合計をいう。

前記第二熱風区域１５における混合された熱風の流れの形成手段は限定されない。図１の例においては、吹出しノズル３と吸込みノズル４の間であって、前記第一熱風区域１４の下流側に、仕切り板１１を繊維束長手方向と平行に設けている。この場合、前記第一熱風区域１４からの複数の熱風の流れは、熱風流路断面積がより狭い前記第二熱風区域１５に向かって流れる過程で混合され、各繊維束に均等に熱風を送ることが可能となる。更には供給する総熱風量を増すことなく、各繊維束への熱風の風速を向上することが可能となる。

前記第二熱風区域１５の熱風流路断面積は、前記第一熱風区域１４の熱風流路断面積に対し、３０％以上９５％以下の範囲とすることが必要である。この範囲とすることで、熱風の急縮小による圧力損失の発生を抑制することができる。下限は、５０％以上がより好ましく、６０％以上がさらに好ましい。また上限は、８５％以下がより好ましく、８０％以下がさらに好ましい。

前記第二熱風区域１５の長さは、単純に熱処理の効率のみを考えるのであれば、長いほど好ましいのであるが、熱風の流れの均一性を達成するにあたっては、その他区域との長さのバランスをとることが必要となる。従って前記第二熱風区域の長さは、熱処理室２内の熱風の流れる距離（吹出しノズル３と吸込みノズル４の間の距離）に対し、７０％以上９０％以下の範囲であることが好ましい。

前記第一熱風区域１４の長さ（注；多孔板を含まない長さ）は、前述のバランスを考慮すると、熱処理室２内の熱風の流れる距離（吹出しノズル３と吸込みノズル４の間の距離）に対し、３％以上１５％以下の範囲であることが好ましい。

図１の例においては、仕切り板１１は、前記第二熱風区域１５を、１枚の前記炭素繊維前駆体繊維束に熱風をあてる区域と、別の１枚の前記炭素繊維前駆体繊維束に熱風をあてる区域とに分割している。従って仕切り板１１の体積の分だけ、熱風が流れることが可能な部分の体積が減少する。即ち本願発明における上記要件を、簡便な構成で達成することが可能となる。

そのほか、例えば前記第二熱風区域１５の入口においてスリット状の流路を有する整流部材を配置しても、類似の効果を得ることができる。

上記のような構成を採用することにより、ある隣り合う３シートの繊維束において、一つの隣り合う２シートの繊維束の間、及びもう一つの隣り合う２シートの繊維束の間において、それぞれ別の前記第一熱風区域１４で形成された流れを、繊維束を通して、１シートの繊維束の一方側、他方側のそれぞれにおいて合流させることが可能となる。このため更に均一性を向上させることができる。

前記第一熱風区域１４からの複数の熱風の流れの混合は、前記第一熱風区域１４と前記第二熱風区域１５との間に、熱風混合区域１７を設けることによって、更に均一性を向上させることができる。

この際、前記熱風混合区域１７に、熱風の流れと平行な孔開き部材を設けて、前記孔開き部材の一方側と他方側とで熱風の流れを連通させると、前記第一熱風区域からの複数の熱風の流れを、記第二熱風区域１５に向かってスムーズに流すことができる。

なお、最初に熱処理室内に入る繊維束、及び最後に熱処理室外に出る繊維束については、図１に示すように、繊維束と熱処理室の内壁との間において、前述の要件を満足する第一熱風区域１４と第二熱風区域１５とを設けることが好ましい。この場合、「熱処理室の内壁と、当該炭素繊維前駆体繊維束の間」が、前述の「隣り合う２シートの前記炭素繊維前駆体繊維束の間」に相当する。

前記第一熱風区域１４に流入する熱風の線速は、隣り合う２シートの前記炭素繊維前駆体繊維束の間のそれぞれについて同じであることが好ましい。また、繊維束シートの幅方向の熱風の線速のばらつきを、極力小さくすることが好ましい。

前記第二熱風区域における、吹出しノズル３から下流２ｍの地点（安定した線速を計測可能な地点）における各区画間の線速斑は、平均線速に対し１０％以内に収めることが好ましい。さらに好ましくは７％以内である。

図４は、本願発明の第一熱風区域１４、熱風混合区域１５、第二熱風区域１６の構成の一部を模式的に示した側断面図である。また、図５は、図４の実施形態に係る熱処理炉１の構造を模式的に表す側断面図である。図４の左から順に、薄板部１３ａ、多孔板１３ｂ、厚板１２で構成されている。

薄板部１３ａは、第一熱風区域１４において熱風の流れと平行に配される部材である。多孔板１３ｂは、熱風混合区域１７において熱風の流れと平行に配される孔開き部材である。厚板１２は、第二熱風区域１５を、１枚の前記炭素繊維前駆体繊維束に熱風を吹き付ける区域と、別の１枚の前記炭素繊維前駆体繊維束に熱風を吹き付ける区域とに分割する。

薄板部１３ａと多孔板部１３ｂとは一体化されて薄板１３をなし、上下に２枚配される。薄板１３は、シートが重なる方向の外寸が厚板１２の厚さと同じとなる位置で、厚板１２と一体化されている。薄板部１３、厚板１２の外寸、厚さは全領域で一定である。

なお、薄板部１３ａ、多孔板部１３ｂ、厚板１２は、この例においては一体化されているが、別々の部材として設置しても構わない。

吹出しノズル３から吹出され、第一熱風区域１４に吹き込まれる熱風は、一方の薄板部１３ａの上と、他方の薄板部１３ａの下と、及び両者の間とを、３つの流れとして熱風の直進性が保持された状態で進んだ後、多孔板部１３ｂの孔から、厚板１２の上側及び下側の第二熱風区域１５に、混合された状態で流れ出る。

厚板１２及び薄板１３のシート幅方向の長さは、熱処理室の内部の同方向長さと等しくすると、各繊維束走行区間のシート幅方向の風速斑を抑制できるため好ましい。

薄板部１３ａ、多孔板１３ｂ、厚板１２は、これら部材の自重、熱処理室内の温度変化による歪等によって、許容範囲を超えて変形しない材質とする。コストと性能のバランスを考慮すると、鉄、ステンレスが好ましい。また厚板１２の内部に空洞を有しても構わない。

多孔板部１３ｂの開孔率は、１０％以上５０％以下が好ましい。ここでいう開孔率とは、多孔板の全面積に対する貫通孔の合計面積の比率をいう。１０％未満になると圧損が大きくなるため、薄板１３における上下２枚の平板の間を通過する熱風の流量が減少し、糸条走行区間に直接流れる熱風の流量が増加する。この際、当該吹出しノズルと、その上側及び／又は下側の吹出しノズルとの間で、吹き出し圧力に僅かな圧力差があれば、誘因効果により前記各区画に流入する流量に差が生じ、その結果、各区画間の風速斑が増加する。また、開孔率が５０％より大きくなると、厚板１２の上側と下側の繊維束走行区間の僅かな圧力差によって、それぞれの区画に多孔板から送出される熱風の風量に差が生じ、各繊維束走行区間の間の熱風の風速斑が増加する。開孔率は２０％以上３０％以下がより好ましい。

多孔板部１３ｂの形態は、圧損により熱風を整流化する作用を有していれば、特に限定されず、例えばメッシュ、エキスパンドメタル等を用いればよい。また材質についても特に限定されず、例えばステンレスを用いればよい。

多孔板部１３ｂの面積は、開孔率と、前記第一熱風区域１４の熱風流路断面積とを考慮して適宜調整すればよい。これは若干の試行錯誤により決定できる事項である。

仕切り板１１の設置方法は、例えば、熱処理室２のシート幅方向にレールを設置し、そのレール上に仕切り板を敷き詰めれば、仕切り板の設置と取り外しを容易に行うことができる。また、仕切り板１１の厚みを適宜選ぶことによって、各糸条走行区間の断面積を変更して、同区間内の熱風の風速を所望の値とできる。

以上説明したように、本発明によれば、均等に熱風を送り、熱処理炉に供給する総熱風量を増すことなく、熱風の風速を向上することが可能となる。この効果により、熱処理炉の熱風循環ファンへの負荷を増すことなく、炭素繊維の生産性を向上することができる。

以下、本発明の具体的な構成を実施例に基づいて説明するが、本発明の構成はこれらに限定されるものではない。

[風速及び風速斑の測定]
熱処理室２において、吹出しノズルと吸込みノズルの間の間隔を５０００ｍｍ、繊維束の導出入口（１０、１０‘）の間隔を２２０ｍｍとし、熱処理室２の外側左右両端に、それぞれ１台のガイドロールを配設して、熱処理室内を、繊維束を３回往復走行させた。吹出しノズル３の吹き出し口端面の位置をゼロ点として、熱処理室２の内部において、繊維束の走行方向に向かって２０００ｍｍの位置で、繊維束の導出入口の中間点の高さで、熱風の線速測定を実施した。すなわち線速測定は、繊維束が走行する３ケ所で実施した。線速測定には、多点風速計ＳＹＳＴＥＭ６２４３ ＭＯＤＥＬ１５６０（ＫＡＮＯＭＡＸ社製）と０９６５−０４プローブ（同）を用いた。１回／秒の頻度で３０秒間測定を行い、その平均を線速とした。上記３ケ所で測定した線速の最大線速から最小線速を引いた値を、上記３ケ所で測定した線速の平均値で割った値を線速斑とした。

仕切り板を設置する前の熱風の線速は１．５ｍ／ｓ、線速斑は１５％であった。表１に参考例として示す。

［実施例１］
高さＨ＝１５５ｍｍの吹出しノズルからｘ＝１００ｍｍの位置に、長さａ＝２６５ｍｍ、厚さｃ＝１．０ｍｍの平板と、長さｂ＝２６５ｍｍ、厚さｃ＝１．０ｍｍ、開孔率３０％の多孔板と、厚さＴ＝５５ｍｍの厚板をこの順で設置した。薄板部を構成する多孔板と平板の垂直方向の内寸は５３ｍｍとなる。
第一熱風区域断面積に対する第二熱風区域断面積は７６％であり、熱処理室の長さに対する第一熱風区域長さは５．３％である。また、厚板の末端と吸込みノズルの間の間隔は３００ｍｍのため、熱処理室の長さに対する第二熱風区域長さは８１％である。

その結果、熱風の線速は２．０ｍ／ｓに増加し、表１に示す通り、線速斑は７．０％で良好であった。
［実施例２］
厚板の厚さをＴ＝１５５ｍｍとした以外は、実施例１と同様として熱風の線速と線速斑の測定を行った。結果を表１に示す。
[実施例３]
吹出しノズルと平板の距離をｘ＝０ｍｍ（吹出しノズルと平板が接触）とした以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。結果を表１に示す。
[実施例４]
吹出しノズルと平板の距離をｘ＝６００ｍｍとした以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。結果を表１に示す。
[実施例５]
多孔板の開孔率を１０％にした以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。結果を表１に示す。

[実施例６]
多孔板の開孔率を５０％にした以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。結果を表１に示す。
[実施例７]
多孔板の長さをａ＝５３０ｍｍとした以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。結果を表１に示す。
[実施例８]
平板の長さをb＝５３０ｍｍとした以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。結果を表１に示す。
[実施例９]
薄板部を構成する多孔板と平板の厚さをc＝１０ｍｍとした以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。結果を表１に示す。

実施例１〜９では、仕切り板の設置と、平板と多孔板の適正化によって、各区画の風速は増加し、風速斑は良好であった。
[比較例１]
薄板部を設けずに、吹出しノズルからｘ＝１００ｍｍの位置に、厚さＴ＝５５ｍｍの厚板を設置した以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。その結果、風速は２．０ｍ／ｓ、風速斑は１８％であった。

仕切り板に薄板部が設けられていないため、吹出しノズルから吹き出した熱風の流れは、厚板先端部で各区画に流量が均等となるように分配されず、その結果、風速斑が増加した。
[比較例２]
薄板部において、平板を設けず、吹出しノズルからｘ＝１００ｍｍの位置に、多孔板と厚板を順に設置した以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。結果を表１に示す。

仕切り板に平板が設けられていないため、熱風は、多孔板を通して拡がりながら糸条走行区画に流れ出す。その際、上下ノズルとの圧力差に起因した誘因効果により、各区画間に流れ出す熱風の流量に差が発生し、風速斑が大きくなる。
[比較例３]
薄板部において、多孔板部を設けず、吹出しノズルからｘ＝１００ｍｍの位置に、平板と厚板を順に設置した以外は、実施例１と同様として風速測定を行った。結果を表１に示す。

仕切り板に多孔板が設けられていないため、吹出しノズルの熱風は、薄板部内を通過せず、糸条走行区画に直接流入する。その際、熱風は、仕切り板先端部で各区画に流量が均等となるように分配されず、風速斑が増加した。

１ 熱処理炉
２ 熱処理室
３ 吹出しノズル
４ 吸込みノズル
５ 気体加熱手段
６ 送風機
７ 循環流路
８ 繊維束
９ ガイドロール
１０ 繊維束の導出入口
１０‘ 繊維束の導出入口
１１ 仕切り板
１２ 厚板
１３ 薄板
１３ａ 薄板部
１３ｂ 多孔板部
１４ 第一熱風区域
１５ 第二熱風区域
１６ スリット状開口部
１７ 熱風混合区域

Claims (4)

1. 炭素繊維前駆体繊維束を耐炎化処理して耐炎化繊維束とし、前記耐炎化繊維束を炭素化処理して炭素繊維束を得る炭素繊維束の製造方法であって、
   前記耐炎化処理が、下記の条件を満足する炭素繊維束の製造方法。
   ・シート状の炭素繊維前駆体繊維束を複数回折り返して、熱処理室内を多段で走行させ、前記炭素繊維前駆体繊維束の長手方向に対して平行に熱風をあて、熱処理する。
   ・前記熱処理室内に、前記炭素繊維前駆体繊維束の長手方向において第一熱風区域と第二熱風区域とを設け、
   前記第一熱風区域は、前記熱処理室の一端側にあって、前記前記シート状の炭素繊維前駆体繊維束を折り返すことで生じた、隣り合う折り返されたシート同士の間に、シートの重なる方向において複数の熱風の流れを有し、
   前記第二熱風区域は、前記第一熱風区域の下流にあって、熱風の流れの２つ以上が混合して流れる。
   ・前記第一熱風区域の熱風流路断面積は、前記第二熱風区域の熱風流路断面積より大きい。
2. 下記の条件を満足する請求項１に記載の炭素繊維束の製造方法。
   ・前記第一熱風区域と前記第二熱風区域との間に、熱風混合区域を有する。
3. 下記の条件を満足する請求項１又は２記載の炭素繊維束の製造方法。
   ・前記シート状の炭素繊維前駆体繊維束を折り返すことで生じた、隣り合う折り返されたシート同士の間に、その長手方向と平行に仕切板を設け、前記第二熱風区域を、１枚の前記炭素繊維前駆体繊維束に熱風をあてる区域と、別の１枚の前記炭素繊維前駆体繊維束に熱風をあてる区域とに分割する。
4. 下記の条件を満足する請求項３記載の炭素繊維束の製造方法。
   ・熱風混合区域に、熱風の流れと平行な孔開き部材を設けて、前記孔開き部材の一方側と他方側とで熱風の流れを連通させる。