JPH0145555B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、高強度高弾性の黒鉛繊維を製造する
装置に関するものである。更に詳しく説明すれ
ば、アクリロニトリル系繊維より得られた炭素繊
維から高周波誘導加熱によつて高強度高弾性を有
する黒鉛繊維を製造する装置に関するものであ
る。 従来、黒鉛繊維を製造する方法として、炭素繊
維を2000℃以上の温度で処理することは知られて
いる。このような高温処理で得られる黒鉛繊維
は、その製造途中段階である1200〜1400℃の処理
で得られる炭素繊維に比べると強度が大幅に低下
するという欠点がある。このため、高強度品とし
ては炭素繊維、高弾性品としては黒鉛繊維の何れ
かを選択する必要があつた。 こうしたことから、高強度でしかも高弾性の黒
鉛繊維が望まれてきた。一方、黒鉛繊維の製造に
は2000℃以上、特に2500℃以上の高温が必要であ
るため、エネルギー面について、また高温雰囲気
中での発熱体の耐酸化性について問題があつた。 従来、黒鉛繊維を得るに必要な高温発生手段と
しては抵抗加熱方式（例えばタンマン炉使用）、
高周波プラズマ方式（アルゴンガス使用）、高周
波誘導加熱方式（同加熱炉使用）などが知られて
いる。 抵抗加熱方式は、3000℃以上の高温を作りかつ
安定を維持する点で優れた方法であるが、発熱体
に直接数百ないし数千アンペアもの高電流を通す
ため、発熱体に接続される電極が大きくなり、し
かも高電流のため電気抵抗による発熱があり、こ
の部分の冷却が必要となる。また、発熱体の周囲
は、熱効率を高めるために充分な断熱（保温）が
不可欠である。 こうしたことから、加熱炉は大型でしかも複雑
となる。更に発熱体に直接電流を流すため、これ
に繊維が接触すると漏電する危険がある。 高周波プラズマ方式（アルゴンガス使用）は、
石英管内にアルゴンガスを流し、これに高周波磁
界を加えることによりアルゴンプラズマを発生さ
せるものである。この方式によると10000〓程度
の高温領域を比較的簡単に、しかも短時間で作る
ことができる。しかし、この高温領域が動いた
り、消滅したりするため安全性を欠く欠点があ
る、更に高温領域と低温領域との境界域が小さく
黒鉛繊維を得るに必要な昇温、温度分布を得るこ
とができない。このため、繊維を処理する際に温
度斑を生じ安定した品質のものを得ることが困難
である。 高周波誘導加熱方式は、3000℃以上の高温領域
を作り、かつ安定に維持するには最も優れた方法
である。高周波誘導加熱炉に備えられる発振器
は、電源電圧±10％変更に対し、高周波出力の変
動を±0.1％に抑える制御回路を有しており、加
熱電源としては非常に安定している。このような
高周波誘導加熱方式は、安定性よく適温が得られ
る点において優れている。 何れの方法を採用するとしても、被処理繊維を
高温領域に導入するために、最高温度領域からで
きるだけはなれた位置に被処理繊維の導入口、排
出口を設けなければならず、装置が大型化すると
共に複雑なものとなる傾向があつた。 本発明者等はこのような様々な問題のある黒鉛
繊維の製造について検討し、アクリロニトリル系
繊維を原料として得た炭素繊維から高強度高弾性
の黒鉛繊維を高周波誘導加熱方式により得るため
の優れた装置を開発することに成功し、本発明に
至つた。 本発明は下記の通りである。 アクリロニトリル系繊維より得た炭素繊維から
高強度高弾性を有する黒鉛繊維を連続的に製造す
るための高周波誘導加熱装置を備えた高強度高弾
性黒鉛繊維の製造装置において、被処理繊維の通
路となる直胴孔を有する発熱体（炉芯筒）を介し
て、被処理繊維の供給部と引取部を有し、該発熱
体の中央部の肉厚を厚くし、発熱体を断熱材で包
み、かつ断熱材の空隙及び被処理繊維の加熱処理
部を不活性ガス雰囲気中に保持しうるように不活
性ガス供給手段を有する高強度高弾性黒鉛繊維の
製造装置。 このような装置を使用すると、高強度高弾性の
黒鉛繊維を得ることができ、また放熱が少なく、
局部的に安定性が高く、高温領域を得ることがで
きる。 ここでアクリロニトリル系繊維とは、繊維構成
重合体成分中に少なくとも95重量％のアクリロニ
トリルを含む重合体又は共重合体よりなる繊維で
あり、共重合成分としては、アクリル酸、メタア
クリル酸又はこれらのエステル類、塩類、アクロ
レイン、アクリルリアミドなどの通常アクリロニ
トリルとの共重合用として知られているビニル系
単量体が使用できる。 黒鉛化処理に供される原料繊維は上記アクリロ
ニトリル系繊維を耐炎化処理（酸化処理）したの
ち炭化処理して得られた炭素繊維の短繊維又は繊
維束である。 アクリロニトリル系繊維の耐炎化は、例えば特
公昭52−39100号公報などですでに知られている
通り、200〜30℃の酸化性雰囲気中制限収縮下0.1
〜10時間処理することによつて行なわれる。炭素
繊維は、この耐炎繊維を200mg／ｄ以下の張力下、
不活性ガス雰囲気中600〜1500℃の温度で0.1〜10
分間処理することによつて得られる。 本発明の装置による黒鉛化処理は、このような
炭素繊維を用いて行なわれる。黒鉛化処理は、好
ましくは、次のようにして行なわれる。Ar、
He、Ｎ等特にAr、Heなどの不活性ガス雰囲気
中10〜300mg／ｄの張力下において、600〜1500℃
から2700〜3500℃の温度に達するまでは200〜
1000℃／秒の昇温速度で加熱し、該温度にて0.1
〜３分間保持される。このように昇温速度は200
〜1000℃／秒とすることが必要で、200℃／秒よ
り遅いと繊維は雰囲気中の不純物、繊維からの発
生ガスにより悪影響をうけ、1000℃／秒より速い
と被処理繊維の単繊維の内外層間において処理斑
を生じ両者間の歪による繊維の破壊等による強度
低下を生ずる。また、黒鉛化時の張力が10mg／ｄ
未満のときは強度が低く、30mg／ｄを越えると繊
維束の単糸切れ、毛羽の発生等が起ると共に強度
も低下してくる。 黒鉛化処理温度の2700〜3500℃における保持時
間は0.1〜３分間である。保持時間が0.1分より短
いと高い弾性が得られず、３分より長いと強度低
下が大きくなる。処理時間と強度及び弾性率との
関係を示すと第１図の通りである。図中１は3300
℃、２は2900℃、３は2600℃で夫々処理した繊維
について示している。 このように繊維の弾性率（第１図実線）は、処
理時間0.1〜0.5分で急に上昇するが１〜1.5分でほ
ぼ平衡となる。一方繊維の強度（第１図点線）
は、３分より長くなると急激に低下する。したが
つて、0.1〜３分間で処理することが必要である。 従来、黒鉛繊維を得るための高周波誘導加熱装
置として第２図に示す如き直胴管状発熱体のもの
が知られているが、このような装置は発熱体から
の外部への放熱が大きく好ましくない。すなわ
ち、両端部の温度が高くなり、これを防止する
ために炉が長くなる欠点を有すると同時に被処理
繊維束の空気置換が充分に行なわれないうちに急
激に加熱されることとなり、放熱が大きいため
使用電力が多く必要となる、などの欠点を有す
る。 そこで本発明者等は、炉芯筒である発熱体の形
状を第３図に示す如く、肉厚を中央部を厚くし、
両端部を薄くすることにより発熱体中央部の熱容
量を大として高温に維持し、両端部への伝熱を少
なくすると共に両端部からの放熱を少くしうるこ
とを見出した。第２図及び第３図は炉芯筒である
発熱体の断面図であり図中１は発熱本体を示し、
２は中空部であり被処理繊維の通路となる。第３
図の如き発熱体を使用し、黒鉛化処理を行なうと
装置の小型化と共に被処理繊維の処理温度までの
昇温速度の調整も容易である。本発明の装置にあ
つては、このような発熱体の周囲を断熱材で包
み、不活性ガス供給手段を設けて断熱材の空隙及
び被処理繊維の加熱処理部を不活性ガス雰囲気中
に保持しうるようにする。発熱体の温度分布は、
発振コイルの形状、或は発熱体に対する位置など
により2700〜3500℃の温度分布を長さ方向に容易
に作ることができる。 第４図は本発明装置の１例を示す高周波誘導加
熱炉の断面概略図である。図中１は発熱体（炉芯
筒）の中央部に直内円筒２を有する管状体であ
り、発熱体の両端より肉厚となる。肉の厚さは中
央部から段階的に、或は曲面的に順次薄くするこ
とができる。実際の設計において、肉厚の差は３
〜30倍程度であるが両端部はできるだけ薄い方が
好ましい。 発熱体１は、断熱材３を介してルツボ４に垂直
に納められチヤンバー５内に設置される。 発熱体１の材質はカーボン、黒鉛が適する。ま
た、断熱材３は、発熱体からの放熱を防ぐと共に
外壁材を保護するためのものであり、通常はカー
ボンブラツク、カーボンフエルト等が使用され
る。６は高周波誘導コイル、７は不活性ガス供給
口である。被処理繊維８は、供給ローラー９を介
して張力を調整しつつ供給され、処理された後引
取ローラー１０を介して系外に取出される。 処理中系内を不活性ガス雰囲気に保つために７
から不活性ガスを供給する。これにより被処理繊
維通路及び断熱材３の空隙、ルツボ４とチヤンバ
ー５の間が不活性ガス雰囲気とされる。チヤンバ
ー５の材質は通常絶縁性のもの例えば石英ガラス
が使用される。図中６の高周波誘導コイルは、発
熱体中央の肉厚部を中心に磁界を生じさせ、発熱
させるように設置する。また該コイル６は冷却す
ることが好ましい。同コイルには発振器が接続さ
れ通常周波数２〜400KHzが使用される。発振器
はSCR型のものを使用すると特に効率がよい。 かかる装置によると発熱体の端部の肉厚を薄く
することによつて端部の容積を小さくし、もつて
放熱及び温度勾配を好ましい昇温速度に沿うよう
容易に設定することができる。 また、加熱部以外の領域の温度を低くすること
ができ、更に高温領域形成のための総エネルギー
量を少なくすることができる。肉薄の部分は下端
部より上端部を長くすることが好ましい。これは
熱流の方向と一致させるためである。 このような装置によつて黒鉛繊維を製造するに
は発熱体の一方端部より被処理繊維を供給し他端
より取出し、その間に黒鉛化が行なわれる。被処
理繊維は下方、上方何れの方向からでも供給で
き、また不活性ガスの供給も方向は任意である
が、運転中は高温部が不活性雰囲気に保たれるよ
う常時供給することが好ましい。処理時間及び昇
温速度は被処理繊維の供給速度によつても調整さ
れる。 本発明の装置によつて炭素繊維を黒鉛化処理し
た場合と、従来の直胴型の発熱体を使用した場合
とを比較して、処理条件及び製品物性を示すと第
１表の通りである。

【表】 第１表の結果によれば、本発明の装置を使用し
たテストNo.、の場合、得られた黒鉛繊維は比
較例の３の場合に比し高強度で高弾性であつて優
れていることがわかる。 実施例 第４図に示した本発明装置において、内径５mm
φ、両端部外径10mm、中央部外径40mmφ、全長
305mm、中央大径部長さ170mm、上端細径部長さ80
mm、下端細径部長さ55mmの炉芯筒を断熱材で包み
アルゴンガスで充填し、更にアルゴンガスを10
／分で流通させた。炉外周の中央より400KHz、
出力9kwの発振器にて発熱体中央部を発熱させ
た。その結果発熱体の両端面の温度は300℃、中
央部最高温度3350℃で、3350℃の温度領域の長さ
は約150mmである。 一方原料繊維としてアクリロニトリル98重量
％、メチルアクリレート２重量％の共重合体から
なる0.8デニール、6000フイラメントのストラン
ドを空気中270℃15分、280℃10分張力50mg／ｄで
加熱処理した。得られた耐炎繊維を1300℃の抵抗
加熱炉にてN₂気流中張力10mg／ｄで３分間処理
した炭素繊維を使用した。前述の装置にこの炭素
繊維を下方から炉芯筒１の内筒に供給した。通過
速度15cm／分、張力10mg／ｄであつた。 このときの2700℃までの昇温速度は225℃／秒、
3300℃以上での保持時間は１分間であつた。アル
ゴンガスは上方の入口７より10／分で供給し
た。このように炉芯筒１内を通過し黒鉛化処理し
ローラー１０を経て外部に引き出された。 得られた黒鉛繊維の性能は強度255Kg／mm²、弾
性率50T／mm²であつた。 供給炭素繊維の強度は256Kg／mm²、弾性率
24T／mm²であり製品黒鉛繊維において強度の低下
はほとんどなく弾性率のみ向上した。 一方比較例として外径400mmφ、内径５mmφ全
長305mmの直胴型発熱体を上記発熱体に変えた装
置について同様に温度分布を測定した結果、両端
面の温度は600℃、中央部温度は3050℃であつた。
また、3050℃の温度領域の長さは140mmであつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置を使用した場合における処
理時間と強度及び弾性率との関係図、第２図は従
来の直胴型発熱体の断面図、第３図は本発明装置
の中央肉厚型発熱体の断面図、第４図は本発明装
置の一例を示す装置の断面概略図である。 記号の説明、第１図において１〜３：夫々3300
℃、2900℃、2600℃で処理したときの曲線、第２
〜３図において１：発熱体本体、２：中空部、第
４図において１：発熱体、２：直内円筒、３：断
熱材、４：ルツボ、５：チヤンバー、６：高周波
誘導コイル、７：不活性ガス供給口、８：被処理
繊維、９：供給ローラー、１０：引取ローラー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アクリロニトリル系繊維より得た炭素繊維か
   ら高強度高弾性を有する黒鉛繊維を連続的に製造
   するための高周波誘導加熱装置を備えた高強度高
   弾性黒鉛繊維の製造装置において、被処理繊維の
   通路となる直胴孔を有する発熱体（炉芯筒）を介
   して、被処理繊維の供給部と引取部を有し、該発
   熱体の中央部の肉厚を厚くし、発熱体を断熱材で
   包み、かつ断熱材の空隙及び被処理繊維の加熱処
   理部を不活性ガス雰囲気中に保持しうるように不
   活性ガス供給手段を有する高強度高弾性黒鉛繊維
   の製造装置。