JPH0233323A - 高強度、高弾性率の炭素繊維の製造方法及び紡糸口金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 −１ノ 本発明は、ピッチから高強度、高弾性率の炭素縁！！Ｉ
（本明細書では「炭素繊維」とは黒鉛繊維をも包含して
使用する。）を製造する方法に関し、更に詳しく言えば
、改良された構造の紡糸口金及び該紡糸口金を用いて１
本のピッチ繊維中に複数のクワジ（擬似）フィブリルを
形成させながら溶融ピッチを紡糸することを包含する高
強度、高弾性率の炭素ｍ雑の製造方法に関するものであ
る。

従」Ｌの」Ｌ術 近年、軽量で、高強度、高弾性率の炭素繊維が開発され
、種々の技術分野に使用されている。該炭素繊維を製造
するためには１通常、溶融したピッチを紡糸ノズルに加
圧下に押入することによリピッチ繊維に紡糸し、該ピッ
チ繊維を所定本数染型合糸し、これを不融化、炭化更に
は黒鉛化することによって高強度、高弾性率の炭素繊維
としている。

従来、ピッチ繊維の紡糸は、ノズルプレートに複数の紡
糸ノズルを円！屑方向に１列又は同中心にて複数列形成
して形成される紡糸口金を使用して行なわれている。

第１４図には、このようなピッチ繊維の紡糸に使用され
る典型的な一例である、紡糸口金１のノズルプレート２
に形成された１つの紡糸ノズル３が図示されている。第
１４図に図示されるように、紡糸ノズル３は、ノズル部
４と、該ノズル部４へと溶融ピッチを案内するピッチ案
内部（ピッチ溜り部）５とから構成され、又ノズル部４
とピッチ溜り部５とは軸線方向に整列してノズルプレー
ト２に一体的に形成されていた。

更に、ノズル部４は、従来ドリル又は電子ビームにてノ
ズルプレートに形成された一定孔径（ｄ）の貫通孔であ
り、又ピッチ案内部５は」一端が直径りにて開口し、下
端がノズル孔６の直径ｄとされる概略切頭円錐形状のピ
ッチ溜り部とされ、従来、斯る形状、構成が最も好まし
いものと思われていた。

しかしながら、上記ノズルを使用した場合、紡糸時にピ
ッチａｍ中の平面状高分子炭化水素の横断面での積層構
造がラジアル配向となり易く、これらのものは炭化又は
黒鉛化の工程で、繊維が繊維軸に沿った方向に７字型に
開裂し、この開裂部が欠陥となって繊維強度を大幅に下
げるという欠点を有していた。

が　　　よう これを改善するべく種々の紡糸方法及び紡糸口金が提案
されてきた（例えば特開昭５９−５３７１７号、特開昭
５９−１６８１２７、特開昭５９−１６８４２４号、特
開昭６０−２７０４号、特開昭６０−２５９６０９号、
特開昭６２−１７７２２２号、特開昭６３−１０５１１
６号を参照せよ）。

光学的異方性ピッチを使用しそして上記各公報に開示さ
れるノズル或いは製造方法を使用することにより、ＰＡ
Ｎ系炭素炭素繊維べて超高弾性率或いは高弾性率の炭素
繊維を得ることができるが、高強度、高伸度を発現させ
るには未だ不十分なものであった。斯界においてはこの
面での改善が切望されている。

本発明者等は更に高い強度、高い伸度の炭素繊維を得る
べくピッチ繊維の紡糸方法、紡糸口金及び炭素繊維の製
造方法を研究開発した結果、特に紡糸口金を介して溶融
ピッチからピッチ繊維を紡糸するに際し、１本のピッチ
繊維中に複数のクワジフィブリルを形成させながら紡糸
し、該ピッチ繊維を使用して熱処理することにより高強
度、高弾性率の炭素繊維を製造し得ることを見出した。

このような技術的知見は上記公報には開示又は示唆すら
されていない。

本発明は斯る新規な知見に基づきなされたものである。

従って１本発明の目的は、クワジフイブリル構造を有し
、安定した物性を有する高強度、高弾性率の炭素繊維を
製造するための製造方法及び紡糸口金を提供することで
ある。

るための 上記目的は本発明に係る高強度、高弾性率の炭素繊維を
製造するための製造方法及び紡糸口金にて達成される。

要約すれば本発明は、ノズルプレートを貫通してノズル
部と、該ノズル部の入口端に連接したピッチ溜り部とを
設け、ノズル部には複数個のノズル孔を形成して成る紡
糸ノズルを少なくとも１つ有する紡糸口金を配置し、溶
融ピッチを前記ピッチ溜り部からノズル部へと案内し、
次いで該ノズル部の複数個のノズル孔に押入することに
より１本のピッチ繊維中に複数のクワジフィブリルを形
成させながら紡糸し、次いで不融化処理及び炭化処理を
行ない、更に必要に応じて黒鉛化処理を行なうことを特
徴とする高強度、高弾性″Ｊｉ１炭素繊維の製造方法で
ある。

上記高強度、高弾性率炭素繊維は、溶融したピッチを加
圧下に送給しピッチ繊維を紡糸するための紡糸口金であ
って、ノズルプレートを貫通して、ノズル部と、該ノズ
ル部の入口端に連接したピッチ溜り部とを設け、ノズル
部には複数側のノズル孔が形成されて成る紡糸ノズルを
少なくとも１つ有することを特徴とする紡糸口金にてピ
ッチ繊維を製造することにより好適に製造される。

笈ム１ 次に、図面を参照して本発明に係る炭素繊維の製造方法
及び紡糸口金について更に詳しく説明する。

第１５図は、本発明の方法を実施するのに用いられるピ
ッチ繊維の紡糸装置の一具体例を示す概略断面図である
。この紡糸装２ｔｌｏＯは、ピッチ配管（図示せず）よ
り溶融したピッチ（特に光学的異方性ピッチ）ｌｏｔが
注入された加熱シリンダー１０２と、該シリンダー１０
２内のピッチを加圧するプランジャー１０３と、加熱シ
リンダー１０２の底面側に取付けられたノズルプレート
２を有する紡糸口金１とを具備する。紡糸口金１は、ノ
ズルプレート２に紡糸ノズル３が１個又は複数個穿設さ
れており、ポル）１０７及び口金押え１０８によって加
熱シリンダー１０２の底面側に着脱自在に固着すること
によって構成される。

紡糸されたピッチ繊維は紡糸筒１０９を通過した後巻き
取りポビン２００に巻き取られる。

本発明の方法を実施するのに用いられる紡糸口金１につ
いて更に詳しく説明すると、 第１図に紡糸口金の一実施例が示される０本実施例によ
ると、紡糸口金ｌのノズルプレート２には、上端が直径
Ｄ１にて開口し、下端が直径ＤＺとされる概略切頭円錐
形状のピッチ溜りＰＩＩ５と。

該ピッチ溜り部５に連通したノズル部４とから成る紡糸
ノズル３が形成される。このとさ、紡糸されるピッチｍ
維の配向を制御し、本発明に従ってクワジフィブリルを
形成させるには、ノズル！！ｌ！４の長さを文とした場
合に、ｌ　／　Ｄ　ｚは０．５〜１５であることが好ま
しい。

又、ピッチ溜り部５の形状は円筒状、角柱状。

逆円錐形状等、任意の形状とし得るが、ピッチの円滑な
流れが得られるという点から図示されるように９３頭円
錐形状のものが好適である。

紡糸口金１の一几体的構造を挙げれば、ノズルプレート
２は厚さ２０ｍｍのステンレス鋼板（ＳＯ３３０４，６
３０等）とされ、紡糸ノズル３のピッチ溜り部５の１端
直径ＤＩは０．５〜Ｉｏｎｍ、下端直径ＤＺは０．１−
１ｍｍとされ、ノズル部の長さ又は０．５〜３　ｍ　ｍ
とされる。

本発明に従えば、ノズル部４には複数個の、通常２〜ｌ
ＯＯ個の、本実施例では、第２図に図示するように、５
個のノズル孔２０が形成される。

該ノズル孔２０の孔径は０　、０１−０　、３ｍｍとさ
れる。該ノズル孔２０は、ドリル又は電子ビーノ、にて
穿設される。このとき、互いに隣接したノズル孔２０間
の間隔Ｘは、０．１ｍｍ以下、好ましくは０．０５ｍｍ
以下とされる６間隔Ｘが０゜１ｎｍを越えると、紡糸時
にノズル孔本数分の微細な繊維が個別に１本づつ分離し
て紡出される。

これら個々の繊維は極めて脆弱なために糸切れを起し、
紡糸作業を継続して行なうことが困難となる。更に重要
なことは、紡出されたｍ維は集合して１本の単一の繊維
を形成することができないので、繊維中にクワジフィブ
リルを形成させるという本発明の目的を達成することが
できない。

つまり、本発明にては、ｌ木のピッチ繊維中に複数のク
ワジフィブリルを形成するために、紡糸時に一度分割さ
れたピッチ流れを紡糸ノズルから紡出後に再度集合させ
ることが重要である。従って、−ｈ述のように、紡糸さ
れたピッチＨＡ！ｉＩが個別に分離して紡出するような
紡糸方法では本発明が目的とするようなピッチｍ維は得
られず、又、特開昭６３−１０５１１６号公報に記載さ
れるように、複数のノズル孔にてピッチ流れを分割し、
更に該分割されたピッチ流れを引続きノズル孔内にて集
合させ、その後にノズルより紡出するような紡糸方法で
は、−度分割されたピッチ流れがノズルの吐出口に達す
るまでに元に戻ってしまい、紡出されたピッチ繊維中に
クワジフィブリルを形成することはできない。

ノズル部４内に複数個のノズル孔２０を形成する他の実
施例がｔ５３図及び第４図に図示される。

本実施例によれば、限定されるものではないがピッチ溜
り部５の上端直径Ｄ１は０．５〜Ｉｏｎｍ、下端直径０
２はＱ、ｌ−１，２ｍｍとし、ノズル部４には直径ＤＯ
が０．１〜１ｍｍ、長さ見が０．５〜３ｍｍとなるよう
にノズル下孔４ａが穿設される。該下孔４ａに複数本の
中空パイプ２０ａが、本実施例では、外ｆｌ　ｄ　ｏが
０．１ｍｍ、内径ｄが０．０６ｍｍとされるステンレス
鋼パイプ５木がその上端部を取付架台３０にて集合、固
定されて挿入される。

本実施例においても、上記第１図に関連して説明した実
施例と同様に、ピッチ繊維中に複数のクワジフィブリル
を形成させるには、ノズル部４の長さ見とノズル部４の
直径ＤＯとは、！ｌ／ＤＯは０．５〜１５であることが
好ましい。

前記中空パイプ２０ａのピッチ溜り部５内への突出１１
ｏは通常０．１〜３ｍｍとされる。取付架台３０は任意
の構成とし得るが、本実施例では、第５図に図示される
ように、２個のリング３２．３４を平行に離間して配置
し、両リング３２．３４を連結部材３６で円周４箇所に
て固定して構成されるのが好適である。複数本の中空パ
イプ２０ａはその上端部が取付用架台３０に圧入、ろう
付け、焼きばめ、焼結等によって取付けられ、各中空パ
イプ２０ａの中心孔がノズル孔２０を形成する。勿論１
本実施例では、中空パイプ２０ａとノズル下孔４ａとの
間に形成される空隙部Ｇにも溶融ピッチは押入され、該
空隙部Ｇも一種のノズル孔としてａｔ　ｔＥする。

上記説明では、複数本の中空パイプ２０ａは取付架台３
０に固定された後ノズル下孔４ａ内に装着されるものと
して説明したが、取付架台３０を使用することなく、中
空パイプ集合体を直接ノズル下孔４ａに嵌着するように
構成してもよい。

第３図及び第４図に示す紡糸ノズルを使用して紡糸する
場合には、溶融ピッチは主として中空パイプ２０ａ内を
通って紡糸されるが、同時に取付架台３０の横から１両
リング３２．３４の間隙部Ｇを通って、中空パイプ２０
ａとノズル下孔４ａとの間に形成される空隙ＰＢＧにも
押入され、紡糸がなされる。つまり、本実施例によると
、中空パイプの木数分だけの繊維のほかに該繊維の周囲
にもピッチ繊維が紡糸されて集まるので、ピッチ繊維全
体の強度がより強くなり、糸切れを起こし難くなるとい
う利点がある。

又、本実施例において、第３図に示す構成では各中空パ
イプ２０ａの紡出側端部２０ｂはノズルプレート２の紡
出側面２ａと同一平面をなすように構成されたが、ノズ
ルプレート２の紡出側面２ａは中空パイプ２０ａの紡出
側端部２０ｂより文だけ突出するように形成することも
できる。ただし、この場合にはピッチ繊維中に複数のク
ワジフィブリルを形成するためには文１は０．３ｍｍ以
下となるようにする必要がある。又、逆にノズルプレー
ト２の紡出側面２ａが中空パイプ２０ａの紡出側端ＰＪ
２０ｂより内方へと、換言すれば中空パイプ２０ａの紡
出側端部２０ｂがノズルプレート２の紡出側面２ａより
突出するように形成することもできるが、この場合には
中空パイプ２０ａの紡出側端部２０ｂが温度降下を来さ
ない程度とすべきである。

第６図〜第８図にはノズル部４内に複数個のノズル孔２
０を形成する他の実施例が示される。

第６図に示す実施例においては、ノズル部下孔４ａに挿
入される中空パイプ２０として２種類のサイズの中空パ
イプ２０ａ、２０ｂが使用され、ノズル部に複数のノズ
ル孔２０が形成される。

第７図に示す実施例においては、ノズル部４内に複数個
の、本実施例では５個のノズル下孔４ａを穿設し、該下
孔４ａに各々中空パイプ２０ａを挿入して、ノズル孔２
０が形成される。

第８図に示す実施例においては、金属繊維、炭素繊維、
その他のセラミック繊維ｆと、金属粉ｍとの円柱状焼結
体を形成し、該焼結体を第３図に図示するようなノズル
下孔４ａに挿入し、固着することにより、極細のギヤピ
ラリ−状ノズル孔２０が形成される。金属繊維を使用し
た場合には第５図に示すような取付架台３０によりノズ
ル下孔４ａに地付けることもできるが、通常は焼結によ
リノズル下孔りａ内に固定される。

上記各実施例では、ノズル部４の形状は円形であるとし
て説明したが、円形に限定されるものではなく、例えば
第９図及び第１Ｏ図に図示されるように、ノズル下孔４
ａを細長穴形又は三ツ美形に形成し、該下孔４ａ内に複
数の中空パイプ２０ａを配列することもできる。該下孔
４ａは更に、図示してはいないが、他の任意の形状、例
えば楕円形、星形等の異形断面とすることもできる。更
にはノズル孔２０も円形断面に限定されるものではなく
、楕円形、細長孔形、三ツ美形、星形等の異形断面とす
ることも可能である。

第１１図〜第１３図にはノズル部４内に、例えｌｆｏ、
１ｍｍ以下、好ましくは０．０５ｍｍ以下の厚さのステ
ンレス板等の金属製の仕切板３０を配置して複数個のノ
ズル孔２０を形成する他の実施例が示される。

第１１図に示す実施例においては、ノズル部下孔４ａに
仕切板３０を複数枚、本実施例では４枚平行に下孔４ａ
の軸線方向に沿って配設し、ノズル部にスリット状のノ
ズル孔２０が５個形成される。

第１２図は仕切板３０を十字形状に配置した実施例であ
り、又第１３図は仕切板３０を本字形状に配置した実施
例であり、それぞれ４個或いは６個のノズル孔２０が形
成される。

上記第１１図〜第１３図に示す各実施例においても、ノ
ズル部４の形状は円形である必要はなく１例えば第９図
及びｔ５ｔｏ図に図示されるように、ノズル下孔４ａを
細長穴形又は三ツ美形に形成したり、或いは、図示して
はいないが、他の任意の形状、例えば楕円形、星形等の
異形断面とすることもできる。

本発明に従った上記各実施例にて説明されるような構成
の紡糸ノズルを使用すれば、内部に複数のクワジフィブ
リルを含む１本のピッチ［ｉが形成され、紡糸時の糸切
れをなくすことができる。

又、光学的異方性相を９５％以上含むメンフェースピッ
チを使用し、上記のノズルを用いて紡糸し、該ピッチ繊
維を使用し、通常態様にて炭素繊維を製造したところ引
張強度３．０ＧＰａ以上、引張弾性率２５０ＧＰａ以上
、伸度１．０％以上が得られ、更に熱処理したところ引
張強度は３゜０ＧＰａ以上、引張弾性率は４５０ＧＰａ
、伸度０．５％以上の黒鉛繊維が得られた。

以下、本発明を更に具体的に実施例を用いて詳述するが
、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない
。

実施例１ 実質的に１００％の光学的異方性相から成るピッチを、
第１５図に図示される紡糸装置に第３図に示される紡糸
口金１を装着して紡糸した。

紡糸口金１において、ノズルプレート２は厚さ２０ｍｍ
のステンレス板（ＳＵＳ３０４）とされ、ピッチ溜り部
５の上端直径Ｄ１は３　ｍ　ｍ、下端が直径りこは０．
５ｍｍとされ、ノズル部の長さ文は１．２ｍｍとされた
。又、ノズル部４のノズル下孔４ａの内径ＤＯは０．３
ｍｍであり、該下孔４ａに嵌着される中空パイプ２０ａ
の集合体は外径（ｄｏ）０．１ｍｍ、内径（ｄ）０．０
６ｍｍのステンレス製パイプを５本束ねたものであった
。該中空パイプの集合１体は取付架台３ｏに圧入後ろう
付けして取付け、これをノズル下孔４ａに挿入した。中
空パイプ集合体のピッチ溜り部５への突出量ｉｏは０．
５ｍｍであった。尚、溶融ピッチは中空パイプの中心孔
ばかりでなく取付架台３０の横からも流入し、パイプ集
合体とノズル下孔との間の空隙Ｇからも紡糸された。

光学的異方性ピッチを紡糸するにちり、溶融したピッチ
がフィルター（図示せず）を介してシリンダー１０１中
に装入され、紡糸ノズル３により紡糸され１巻取リロー
ラ２００により巻取られた。このとき、紡′糸温度はノ
ズル入口のピッチ温度で３３０℃に制御し、巻取り速度
は５００ｍ／分とした。

ピッチ繊維は、紡糸ノズル１本を使用した状態で紡出さ
れたが、３０分間の紡糸作業中にピッチ繊維の断糸はな
く、又糸径のバラツキもなく大略ｌＯメｍの繊維が得ら
れた。

得られたピッチ繊維を酸素気流中で２３０℃で１時間保
持して不融化し、次いで焼成炉中でアルゴン雰囲気で１
５００℃迄昇温し炭素繊維を得た。１本の炭素繊維中に
は５つのクワジフイブリルが認められ、各クワジフィブ
リルの横断面配向はランダム配向をしたものであった。

炭素繊維の引張強度は４．１ＧＰａ、弾性率は２６０Ｇ
Ｐａ、伸度は１．６％であり、物性のバラツキは見られ
なかった。

更に焼成炉中でアルゴン雰囲気で２５００℃迄昇温し、
黒鉛繊維を得た。黒鉛繊維の引張強度は４．２ＧＰａ、
弾性率は６９０ＧＰａ、伸度は０．６％であり、物性の
バラツキは見られなかった。

比較例１ 第１４図に示す紡糸口金を用いた以外は実施例１と同様
に処理した。

紡糸口金１において、ノズルプレート２は厚さ２０ｍｍ
のステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）とされ、ピッチ溜り
部５の上端直径りは３ｍｍ、下端が直径ｄは０．３ｍｍ
とされ、ノズル部の長さ又は１．２ｍｍとされた。

紡糸時のピッチ繊維の糸切れはなく紡糸性は良好であっ
た・ 得られたピッチ繊維を実施例１と同様にして焼成したと
ころ、炭素繊維には７字型の大きな、所謂オープンクラ
ックが入っていた。その断面配向はラジアルであり、ａ
ｍ中にクワジフイブリルは認められなかった。

炭素繊維の引張強度は１．８ＧＰａであり、引張弾性率
は２２０ＧＰａ、伸度は０．７％であった。

比較例２ 実施例１で使用した第３図に示す紡糸口金と同様の構成
の紡糸口金であって、ただ、立１が０゜５ｍｍとなるよ
うに形成された点で実施例１の紡糸口金とは相違する紡
糸口金を使用し、実施例１と同じ材料１条件にて紡糸し
た。

斯る紡糸口金を使用することにより、中空パイプ２０ａ
にて分割されたピッチ流は、ノズル内で集合され、次い
でノズルから吐出（紡出）された。

紡糸時のピッチ繊維の糸切れはなく紡糸性は良好であっ
た。得られたピッチ繊維を実施例１と同様にして炭素繊
維を得た。炭素繊維の横断面配向はランダム配向であっ
たが、繊維中にクワジフイブリルは認められなかった。

炭素繊維の引張強度は２．８ＧＰａであり、引張弾性率
は２３０ＧＰａ、伸度は１．２％であった。

完」Ｌの」Ｌ釆 以上説明した如く、本発明の方法及び紡糸口金の構造に
て紡糸すれば、１本のピッチ繊維中に複数のクワジフイ
ブリルが存在する構造を得ることができ、従来からの課
題であったピー／ｆ−系炭素繊維において高い強度、高
伸度を有１．た炭素繊維を製造し得るという特長を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る紡糸口金の一実施例を示す概略
断面図である。 第２図は、第１図の線■−■にとった断面図である。 第３図は、本発明に係る紡糸口金の他の実施例を示す概
略断面図である。 第４図は、第３図の線ｆｆ−ｒＶにとった断面図である
。 第５図は、中空パイプ取付架台の斜視図である。 第６図及び第７図は、本発明の他の実施例に係る紡糸口
金のノズル部の断面図である。 第８図は、ノズル部に形成される複数のノズル孔を形成
する態様を示す他の実施例の斜視図である。 第９図及び第１０図は、本発明に係る紡糸口金のノズル
部の他の形状を示す平面図である。 第１１図〜第１３図は、本発明に係る紡糸口金の更に他
の実施例を示す概略断面図である。 第１４図は、従来の紡糸口金の概略断面図である。 第１５図は、 紡糸機の概略断面図である。 １：紡糸口金 ２：ノズルプレート ３：紡糸ノズル ４：ノズル部 ５：ピッチ溜り部 ２０：ノズル孔 ２０ａ：中空パイプ ３０：仕切板 第３図 第４図 第 図 第２図 第５図 第６図 第８図 第９図 第１０図 第１３図 第１４図 第１１図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ノズルプレートを貫通して、ノズル部と、該ノズル
   部の入口端に連接したピッチ溜り部とを設け、ノズル部
   には複数個のノズル孔が形成されて成る紡糸ノズルを少
   なくとも１つ有する紡糸口金を配置し、溶融ピッチを前
   記ピッチ溜り部からノズル部へと案内し、次いで該ノズ
   ル部の各ノズル孔内に押入することにより１本のピッチ
   繊維中に複数のクワジフィブリルを形成させながら紡糸
   し、次いで不融化処理及び炭化処理を行ない、更に必要
   に応じて黒鉛化処理を行なうことを特徴とする高強度、
   高弾性率炭素繊維の製造方法。 ２）溶融したピッチを加圧下に送給しピッチ繊維を紡糸
   するための紡糸口金であって、ノズルプレートを貫通し
   て、ノズル部と、該ノズル部の入口端に連接したピッチ
   溜り部とを設け、該ノズル部には複数個のノズル孔が形
   成されて成る紡糸ノズルを少なくとも１つ有することを
   特徴とする紡糸口金。