JPH0258368B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は炭素繊維の製造の技術分野で利用さ
れ、特にピツチ系炭素繊維の溶融紡糸機に関する
ものである。

（従来技術） 炭素繊維は原料を押出機またはギヤポンプの押
出圧によつて、ノズルより押し出して紡糸し、そ
の後不融化処理、焼成炭化をして製品とする。本
来押し出しを行なうに当つて、混合、混練が行な
われるのであるが、その度合は後述するセルフク
リーニング性と密着に関係しており、混合、混練
を重視すれば、セルフクリーニング性は悪くなる
傾向にある。また逆にセルフクリーニング性を重
視すれば混合、混練は悪くなるものである。

しかしながらメソフエーズを含有するピツチ系
炭素繊維原料を供給して、押出機の内部で加熱し
溶融し、この溶融された原料を紡糸口より吐出さ
せ紡糸するようにした場合は、その混練特性もさ
ることながらむしろ後述するセルフクリーニング
性を重視しないと、良品を得ることが出来ない。

ここで用いる「メソフエーズ」なる用語は、周
知のように一般に液晶と同議語であり、結晶固体
と無定形液体との中間であるものの状態をいう。

そしてメソフエーズ部分は、流動中剪断を受け
ると配向して光学的異方性を示すが、配向の度合
によつて流動性も変化すると解釈される。押出機
を通過中にこのような配向度合の異るものが不均
質に混じり合つた状態で吐出されると以降の紡糸
ノズルをのすべてにわたつて均一な流動状態とな
らず、流動性に劣る部分からノズルの目ずまりが
生じる。ノズルに目ずまりが生じたならば紡糸不
能におちいることは周知の事実である。

またこのような材料は、高温で長時間加熱され
ると、ピツチの分子量が大きくなりすぎて、流動
性が阻害され、ノズルの目ずまりが生じやすくな
る。しかし従来の押出機にあつては、挿入された
原料がすべて均一に配向されかつ加熱されるので
はなく、局部的に長時間押出機内に滞留する部分
があるため、この長時間滞留する部分を少なくす
ることが必要となる。この不均一性を表現するの
に、セルフクリーニング性なる用語がある。すな
わち押出機に供給された材料がすべて均一の状
態、言いかえれば平均滞留時間経過後に吐出され
るとき最高のセルフクリーニング性を有すること
となる。そこで多量成分として一般に無着色の材
料を用い、押出機の供給口に局部的に着色された
材料を小量成分として投入する場合について考え
れば、第４図に示すように、縦軸に押出機先端か
ら吐出される前記小量成分材料の全量に対する
％、すなわち濃度を、また横軸に時間の経過をと
ると、セルフクリーニング性が良好な押出機では
同図のP₁のように小量成分の濃度のピークがシ
ヤープでかつ濃度の数値が大、そこに至る迄の時
間t₁が小さらに濃度が零となる時間t₂が小とな
り、材料の大部分は必要最小時間加熱され、長時
間加熱される材料の割合は僅少となる。一方セル
フクリーニング性が悪い押出機では同図のP₂の
ようにピークがシヤープでなく、濃度の最大値の
数値小、濃度が零となる時間大となり、材料の配
向、加熱を受ける時間のばらつきが大きくなる。

従つてメソフエーズを含有するピツチ系炭素繊
維原料が供給される押出機は、セルフクリーニン
グ性が良好でなければならない必然性がある。し
かしながら従来の押出機のセルフクリーニング性
では、メソフエーズを含有するピツチ系炭素繊維
原料を処理するに充分満足しうる程度にセルフク
リーニング性が良好なものではなかつた。

（発明が解決しようとする問題点） この発明においては、メソフエーズを含有する
ピツチ系炭素繊維原料を加熱処理してピツチ系炭
素繊維を製造する従来の紡糸機では、セルフクリ
ーニング性が充分に良好ではなく、原料の滞留時
間が不均一であるために、高温度下に過度の時間
滞留した部分の分子量が過大となり、また異方性
のものが不均質に混ざり合つた状態となり、紡糸
口をつまらせ、良好な紡糸が出来ないという問題
点を解決しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） この発明の溶融紡糸機は、メソフエーズを含有
するピツチ系炭素繊維原料の供給をフイード機構
２を介して受けると共に脱気部３ｂが設けられた
押出機３と、押出機３の下流側に接続される紡糸
口４とを少なくとも具備し、押出機３のスクリユ
ー５は、第１ステージS₁および第２ステージS₂の
２ステージの２軸に構成され、かつ前記フイード
機構２は、前記スクリユー５の第１ステージS₁の
計量部S₅における１リードあたりの空間容積と、
この部分における前記原料の見掛比重およびスク
リユー５の回転速度の積に対して、35％以上の材
料供給重量としたことを特徴とする、ピツチ系炭
素繊維の溶融紡糸機である。

（作 用） 押出機３内に供給されたメソフエーズを含有す
るピツチ系炭素繊維原料は、押出機３内を下流に
向けて移動しながら加熱され溶融される。そして
押出機３は２軸スクリユーでありかつ脱気部３ｂ
により途中より脱気されるため、単軸押出機に比
し、シリンダ脱気部での材料の溢出を防止しうる
のみならず、紡糸口４より吐出される繊維溶融物
の中に揮発分よりなる泡を包含することがなく、
従つて糸切れを減少させることができる。

また押出機３は２ステージ、２軸かつそのフラ
イト５ａが噛合型であり、さらに２軸が異方向回
転であることにより、そのセルフクリーニング性
が良好となり、良好な紡糸が得られる。

２軸押出機の押出量は長期的な観点からすれば
フイード機構２の輸送能力で決定される。

押出スクリユー５の回転スピードを上昇させる
とフイード機構２より供給された材料は急速に押
出機３先端に達するが、吐出量はフイード機構２
の供給能力を上回ることはできない。

このような場合材料は押出機３の出口直前で強
く撹拌されてセルフクリーニング性が悪化する。
これに反してフイード機構２の回転スピードに対
して押出機スクリユー５の回転スピードを低下さ
せると、材料はスクリユー溝内を無理なく搬送さ
れてセルフクリーニング性が向上する。

この発明においては、スクリユー５の第１ステ
ージS₁の計量部S₅における１リードあたりの空間
容積と、この部分における原料の見掛比重および
スクリユー５の回転速度の積に対して、35％以上
の材料供給重量となるように、フイード機構２を
構成して、セルフクリーニング性を向上させたも
のである。

（実施例） 以下この発明の実施例を詳述する。なお第１図
および第２図において、上流側とは図において右
側をまた下流側とはその反対側を意味するものと
理解されたい。

ホツパー１の下端はフイード機構２の上流側に
連通している。フイード機構２は通常の１軸のス
クリユーコンベアとして構成されており、動力２
ａによつて駆動され、その材料供給重量が制御さ
れる。そしてフイード機構２の下流端は押出機３
の上流端と投入継手７によつて連設されており、
投入された原料は押出機３の２軸の同径のスクリ
ユー５に対して供給される。これらスクリユー５
は歯車装置６によつて互に異方向に同期的に駆動
される。

スクリユー５は１条ねじとし、第２図図示のよ
うに、第１ステージS₁および第２ステージS₂が配
設されており、さらに第１ステージS₁は、供給部
S₃、圧縮部S₄および計量部S₅で構成されている。
さらに第２ステージS₂も逆圧縮部S₆および計量部
S₇で構成され、脱気部３ｂがこの逆圧縮部S₆の部
分に開口されている。フライト５ａの形状（スク
リユー５の軸を含む平面でスクリユー５の山を切
断したときの断面部の形状）を、台形とすると
き、１条ねじの軸方向の噛合間隙Ｘは、２軸が異
方向に回転する場合は、 Ｘ＝ξ＋｛（Ｚ−γ）＋（Ｒ−ρ）｝tanα ＋Ｌψ−φ／2π ………(1) また同方向回転の場合は、 Ｘ＝ξ＋｛（Ｚ−γ）＋（Ｒ−ρ）｝tanα −Ｌψ−φ／2π ………(2) ここで第６図（スクリユー５の横断面図）およ
び第７図（スクリユー５の縦断面図）を参照し
て、今Ｐ点を両スクリユー５のかみ合つている個
所の任意の点とした場合、 ξ＝（スクリユー５の谷底の幅T₁）／２ −（スクリユー５の山の峯の幅T₂）／２ ｒ＝スクリユー５の谷の半径 Ｒ＝スクリユー５の山の半径 ρ＝一方のスクリユー５の中心ＡとＰ点との距
離 Ｚ＝他方のスクリユー５の中心ＢとＰ点との距
離 α＝フライト５ａの斜面の角度 Ｌ＝スクリユー５のピツチ ＝∠BAP φ＝∠ABP さらにフライト面に直角方向の噛合隙間Xn（フ
ライト隙間）は、 Xn＝Xcos βcos αn ………(3) ここでβ＝フライト５ａのヘリツクス角αn，＝
フライト５ａを斜面に直角な平面で切断したとき
の、斜面の角度 フライト５ａの形状は矩形もしくは、僅かにテ
ーパーのついた台形とすることが好ましいので台
形についての算式を示した。ここで矩形ねじに対
してはα＝０とすればよい。

以上でのべたフライト間隙Xnとスクリユー５
の外径Ｄとの比すなわちXn／Ｄは上記した算式
より計算されたXnの最小値に対して少なくとも
１／５望ましく１／10以下とするとセルフクリー
ニング性をより良好にすることができる。

ただし空間的にフライト噛合面が互に接触する
ことなく、また運転中にも接触を回避できる最小
のXn／Ｄの値は概ね１／100である。

以上はフライト５ａ相互の間隙であるが、この
他、第７図にηで示す、山径と谷径との間の間隙
（カレンダ間隙）が存在する。

スクリユー５の第１ステージS₁、第２ステージ
S₂共１リード（１条ねじの場合１ピツチに同じ）
あたりの空間容積は、その上流側から下流に向つ
て減少するように形成されている。上流側の１リ
ード当たりの空間容積V₁と下流側の１リード当
たりの空間容積V₂との比、すなわちV₁／V₂を圧
縮比と称する。例えば第１ステージS₁においては
圧縮比を2.5ないし4.0位にすることが多い。圧縮
比を構成するために、リードの長さあるいは第７
図におけるT₁の値を、上流側と下流側とで変え
て、上流側で大きく、下流側で小さくする方法
と、スクリユー５の谷の径2γを上流側では小さ
く下流側では大きくする方法の２通りの方法が行
われる。あるいはこの２通りの方法を組み合わせ
ることもある。

前記のカレンダ間隙η値は、第６図および第７
図より、両スクリユー５間の軸間距離をＣとし
て、 η＝Ｃ−Ｒ−γ ………(4) であらわされる。そしてこのηの値と、 Ｄ＝2R ………(5) であらわされるＤの値との比、すなわちη／Ｄも
少なく共１／30望ましくは１／50以下とすると、
セルフクリーニング性をより良好とすることがで
きる。但し、空間的にフライト５ａの外径面が、
その谷面に互に接触することなく、また運転中に
も接触を回避できる最小のη／Ｄの値は、おおむ
ね１／100である。

第２図を示すスクリユー５では、圧縮比を得る
ために、第１ステージS₁、第２ステージS₂共上流
側でスクリユー５の谷の径を小さく、下流側では
大きくする方式を採用したものである。また一方
第５図に示すスクリユー５では圧縮比を得るため
に、第１ステージS₁、第２ステージS₂共上流側よ
り下流側に至るまで谷の径は等しく、ただし上流
側ではリードを大、下流側ではリードを小さくし
たものである。

セルフクリーニング性向上の意味からは、圧縮
比を構成するための方法として第２の方法すなわ
ち谷の径は等しく上流側ではリードを大きく、下
流側ではリードを小さくするものが好ましい。

このようにすれば(4)式でのべたカレンダ間隙η
の値を小さくすることができる。

幾何学的見地からすればどのようなゾーンにつ
いても上記したことは当てはまるが流体の送りは
連続の定理からして、上流側から下流側に亘つて
単位時間当りどのゾーンをとつても一定量でなく
てはならない。第１ステージS₁、第２ステージS₂
の計量部S₅およびS₇では、１リードあたりの空間
の容積がそれぞれの上流側の部分の空間容積より
小さく形成されているので、この小さく形成され
た部分には材料が充満されて、圧力が上昇し、下
流側より上流側に対して圧力勾配が生じる。その
おり圧力の上昇と逆方向に前記空間を仕切る噛合
部を通しての漏洩流が生じるが、この漏洩流の生
じる位置は第１ステージS₁および第２ステージS₂
の計量部S₅，S₇もしくはその上流方向の直前の位
置に生じる。したがつてセルフクリーニング性向
上の観点から計量部S₅，S₇における隙間はXn、
η共小さく保つ必要がある。

第２図に示すスクリユー５は第１ステージS₁お
よび第２ステージS₂の計量部S₅，S₇におけるフラ
イト間隙Xnおよびカレンダ間隙ηをそれぞれ前
述の趣旨に沿つて小さくしたものである。

これに対して第５図に示すスクリユー５は第１
ステージS₁の供給部S₃、圧縮部S₄およびS₅はもち
ろん第２ステージS₂の逆圧縮部S₆および計量部S₇
のすべてにわたつて上記したフライト間隙Xnお
よびカレンダ間隙ηを小さくしたものである。

第２図に示すような計量部S₅，S₇における間隙
を重点に小さくとることは最小必要条件である
が、その他のゾーンについては、供給材料の見掛
比重や粘着性あるいは、脱気口よりの材料の溢出
などを考慮してデザインされるべきものである。

１リード当りの空間容積に完全に原料が充満さ
れていてかつ噛合の隙間がゼロであれば、スクリ
ユー５を１回転させた時に送られる材料の搬送量
は注目している部分の空間容積Ｖと材料の比重ρ
と回転スピードＮの積であらわされるこれを理論
搬送量と呼ぶ。

このような２ステージスクリユーでは第１ステ
ージS₁の計量部における実際の搬送量がその押出
機３の運転状況を表す１つの指標となるものであ
る。この値は、スクリユー噛合の隙間による漏洩
流のため減殺されるが、すでにのべたようになる
べく理論搬送量に近い大きな値で運転することが
セルフクリーニング性向上の意味から好ましい。

フイード機構２付の２軸スクリユー押出機３で
は材料の長期的な搬送量はフイード機構２の供給
量によつて決つてくるが、この供給量を上記した
第１ステージS₁の計量部S₅における理論搬送量の
35％以上好ましくは45〜60％とする。

紡糸口４は、第３図図示のように、その入口通
路４ａに連通して拡散部４ｂが構成され、その周
辺部において連通孔４ｃが設けられ、さらにダイ
プレート４ｄの円周上に分布されたノズル４ｅに
至り、このノズル４ｅから材料がギヤポンプ８に
よつて圧送され、細い糸となつて押し出され、紡
糸されるものである。

さてセルフクリーニング性は、フライト５ａの
条数が少ない程良好となる。ここにいう条数とは
スクリユーフライトの巻角が360゜になつたときの
軸方向の該長さを１リードとするとき該リードご
とにフライトが１回現れるとき１条とし、２，３
……回現れるとき、２条、３条……と称する。ピ
ツチをほぼ同じくして条数を増加させたときに
は、リード長が長くなるので軸方向への材料の流
れの拡散速度が速くなり、混合・混練は促進され
るが、セルフクリーニング性が悪化する。すなわ
ち１条ねじを用いればセルフクリーニング性が向
上し、良好な紡糸を行うことができる。

さらに噛合型の２軸スクリユー押出機では２本
のスクリユー５のスクリユーフライト５ａの噛合
部相互の隙間が極めて小さい場合、シリンダ３ａ
内面とスクリユー溝で形成される空間（以下単に
空間と称する。）はフライト５ａの噛合部で完全
に仕切られ部屋を形成し、押出機３の下流に向つ
て生じる圧力上昇に対して逆方向に（上流に向つ
て）流れる漏洩流が起り難い。前記した漏洩流を
多量に生じさせれば、混合・混練は促進される
が、セルフクリーニング性が悪化する。物質収支
のバランスから考えるとフライト溝深さの浅いと
ころすなわち第１ステージS₁および第２ステージ
S₂の計量部において漏洩流が起りやすいので、少
くとも該部におけるフライト５ａ相互の噛合部の
隙間を小さくすると、セルフクリーニング性が向
上し良好な状態で紡糸し得る。

スクリユーフライト５ａの噛合部での相互の隙
間を小さくするには同方向回転スクリユーよりも
異方向回転スクリユーの方が空記配置上好まし
い。

第８図には同方向回転スクリユー押出機３のス
クリユー横断面を示す。同図の−断面をとつ
たものを第９図に示す。この図からわかるように
同方向回転のスクリユー５では第８図で向つて右
側に位置するスクリユー５ｂと向つて左側に位置
するスクリユー５ｃは噛合部での傾角が互に逆方
向になるので、噛合部上下位置における隙間は
Ｐ，Ｑ，Ｐ，Ｑ……のように広いものと狭いもの
が交互に連なる形となる。このうちＰ間隙は広い
ものであつて、瓢箪螺旋状に連つたものとなる。
すなわち隙間を噛合部のすべての位置で小さくす
ることは幾何学的に不可能であつて漏洩流を阻止
することができない。

これに対して第１０図には異方向回転スクリユ
ー押出機のスクリユー横断面を示す。この図から
わかるように異方向回転のスクリユー５ではスク
リユー５ｂとスクリユー５ｃは噛合部での傾角が
互い同方向になるので、噛合部上下位置における
隙間Ｐ，Ｑ，Ｐ，Ｑ……は互に均一間隙に近い状
態で連なる形となる。すなわち隙間を噛合部のす
べての位置で均等にかつ小さくすることが幾何学
的に可能であつて漏洩流を阻止することができ
る。したがつて異方向回転スクリユーはセルフク
リーニング性良好のスクリユーである。

第１ステージS₁の終りに設けられた計量部S₅の
搬送能力がその押出機３の吐出量を制約する要因
となるが、そし噛合隙間が全くない完全噛合であ
つたとしたら上記計量部S₅の１リード当りの空間
容積と該部位での材料の比重とスクリユー５の回
転速度の積が搬送量となる。実際には、上記の値
に対して35％以上好ましくは45〜60％のフイード
機構２の供給量とするとよいが、フイード機構２
の供給量をあまり大きくし過ぎるとフイード機構
２直下のスクリユー溝に材料が充満して、遂には
溢れる状態になる。フイード機構２直下のスクリ
ユー溝が完全に充満されない状態を飢餓状態と称
するがフイード機構２の輸送量の上限は飢餓状態
で運転し得る範囲で上記の値をなるべく大きくす
ることがセルフクリーニング性向上にとつて好ま
しい。

（発明の効果） この発明は前記のとおり、押出機のセルフクリ
ーニング性を従来よりさらに向上させたものであ
るから、材料にメソフエーズを含有するピツチ系
炭素繊維原料を使用して紡糸を行つた場合、その
流動性がそこなわれることなく、良好な防糸が行
なわれるという効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はいずれもこの発明の一実
施例を示し、第１図は側面図、第２図はスクリユ
ーの詳細平面図、第３図は紡糸口の詳細側面図で
あり、第４図は従来のものと比較した説明曲線図
である。第５図は他の実施例によるスクリユーの
詳細平面図である。第６図および第７図はフライ
トの噛合部の隙間を計算する際に必要な説明図で
あり、第６図は横断面図、第７図は第６図の−
断面図である。第８図ないし第１０図はいずれ
もフライトの隙間を説明する説明図であり、第８
図および第１０図はいずれも横断面図、第９図は
第８図の−断面図、第１１図は第１０図のXI
−XI断面図である。 ２…フイード機構、３…押出機、３ａ…シリン
ダ、３ｂ…脱気部、４…紡糸口、５…スクリユ
ー、５ａ…フライト、S₁…第１ステージ、S₂…第
２ステージ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ メソフエーズを含有するピツチ系炭素繊維原
   料の供給をフイード機構を介して受けると共に脱
   気部が設けられた押出機と、この押出機の下流側
   に接続される紡糸口とを少なくとも具備するピツ
   チ系炭素繊維の製造装置において、前記押出機の
   スクリユーは第１ステージおよび第２ステージの
   ２ステージに形成された２軸とし、かつ前記フイ
   ード機構は、前記スクリユーの第１ステージの計
   量部における１リードあたりの空間容積と、この
   部分における前記原料の見掛比重およびスクリユ
   ーの回転速度の積に対して、35％以上の材料供給
   重量としたことを特徴とする、ピツチ系炭素繊維
   の溶融紡糸機。