JPH04153327A - 耐炎化繊維の製造方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は新規な耐炎化繊維の製造方法に関するものであ
る。

〈従来の技術〉 耐炎化繊維はその不燃性、耐化学薬品性等から炭素Ｍ１
ｍの原材料の他に、近年はアスベスト代替繊維として或
いは不燃織物の原料として利用が急速忙広まりつつある
。

しかしながらとの耐炎化繊維は、一般にポリアクリロニ
）　Ｉ）ル糸の繊維をその原料としているために耐炎化
処理に長時間を要し、そのため炭素繊維の価格までには
いかないまでも一般の繊維に比べればかなりの高価格と
なり、一般産業への幅広い展開の妨げとなっていた。

従来の耐炎化繊維の製造方法は４０００〜２４、０００
フィラメント程度のポリアクリロニトリル系繊維束を用
いて、これを２００〜３００℃に加熱された酸化性電体
が循環する耐炎化炉内で多数のローラー間を多数回往復
させながら処理するものであった。

この方法では生産性を上げるために耐炎化炉内に導入す
る繊維束の量を増やしたり、耐炎化炉内の雰囲気温度を
高温化したりすると酸化反応に伴う発熱が繊維内に蓄積
しやすくなるため繊維温度が急上昇し、繊維が燃焼・切
断する暴走反応を起こしやすいという問題があった。

従って、この問題を解決するために従来の耐炎化繊維の
製造工程では原料の前駆体繊維束を、留維京間の間隙が
かなり広くなるように並べた上、比較的低温である２０
０〜２５０℃前後の温度で６０〜２００分間もの畏い間
処理するという極めて低い生産性で製造しなければなら
なかった。

そこでこの欠点を克服するために、例えば特公昭５３−
２１３９６号公報には２００〜４００℃に加熱したロー
ラーに前駆体繊維束を間欠的に接触させて耐炎化処理を
行ない、耐炎化処理時間を２０〜３０分の短時間とする
ことが記載されている。

この方法は従来の耐炎化処理方法とは異なり、加熱方式
として伝導加熱方式をとっているため峻維内に反応熱が
蓄積し難く、かなりの高温でも暴走反応が起こらないの
で耐炎化処理時間の短縮には有効である。

しかし、繊維を加熱したローラー如直接接触させるため
に耐炎化処理中にｆａ維の融着を生じやすく、又−回の
処理面が片側のみとなるため厚み方向に処理斑が出来や
すい。このためこのような耐炎化繊維からは十分な性能
を有する不燃織物や炭素繊維を作ることは困難である。

又以上のような欠点を克服するために、例えば特開昭６
１−１６７０２３号公報には繊維を予め酸化性雰囲気中
で予備酸化処理し、ついで高温処理ゾーン■として２５
０〜６５０℃に加熱された加熱体に接触させ、最後に高
温処理ゾーン■として酸化性雰囲気中２５０〜５５０℃
で処理する３段処理方法により１０〜３０分間という短
時間で耐炎化を行なうことが提案されている。この３段
処理方法は、従来の雰囲気加熱方式に比べては融着の防
止及び処理斑の解消という点で有利である。

しかしながら、このような処理を行なった繊維は耐炎性
繊維としてはある程度使用に耐えるものであっても、炭
素繊維を製造する際に用いられる耐炎化繊維として炭素
化処理を行なうと糸切れの多発等工程上のトラブルを生
じやすい。

このことは耐炎化処理時間が短くなればなるほど顕著に
なり、特に十数分程度からそれ以下のものに著しい。

本発明者の検討によれば、これは繊維断面方向に生じる
構造斑に起因するものであることが判った。耐炎化工程
に続く炭素化工程に耐え得る熱的に安定な耐炎化糸構造
を形成する上で非常に重要な役割を果たす酸素は、繊維
の断面方向へ時間と共に拡散するため、このような極め
て短時間の処理では繊維内への酸素の拡散が追い付かず
、繊維は表面層のみが耐炎化された２重構造をとるよう
になる。このような構造を有する耐炎化繊維は、炭素化
工程で用いられるような温度条件で処理すると、この構
造斑に起因する反応性の違いによって繊維が破断するよ
うなトラブルを発生し易く、安定に且つ十分な性能を有
する炭素繊維を製造することが困難である。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明の目的は上記欠点を克服する耐炎化繊維の製造方
法、具体的には炭素繊維を製造するに当たシ、非常に効
率の良い、安全な耐炎化方法で且つそれによって得られ
る耐炎化繊維からは十分な性能を有する炭素繊維を製造
することが可能な耐炎化処理方法を提供することにある
。

く課題を解決するための手段〉 本発明の要旨とするところは、炭素繊維の前駆体である
アクリロニトリル系繊維束を、Ｑ、２ｖａｔ４以上のオ
ゾンを含む７０〜２００℃の酸化性雰囲気下で耐炎化処
理することにある。

本発明者の検討によると耐炎化反応は主に、（１）暴走
反応による処理温度の制限と（２）　′ｙＪｌ維聞及び
繊維内の酸化性気体の拡散速度に支配されており、耐炎
化反応を短時間で完結させるためにはこの２つの因子を
う捷〈制御する必要があることが判った。

このことを具体的に説明すると、耐炎化処理時間を短縮
するためには、１ず処理温度を上げて環化及び酸化反応
の速度を上げることが必要であるが、通常の雰囲気加熱
方式を採用した耐炎化炉に於いてこのような処理を行な
うと酸化反応に伴う急激な発熱のためにＮ＆維山内温度
急上昇し、繊維束の燃焼・切断を引き起こす暴走反応を
起こしやすくなる。

又繊維束中のフィラメント数を減らしたり、繊維束間の
間隙を広げることでこのような暴走反応はかなシ防ぐこ
とが可能であり、この場合繊維の密度をかなりの短時間
のうちに耐炎化繊維として必要な密度に上げることがで
きるが、繊維が酸素を消費する速度が大きく、繊維内部
への酸化性気体の拡散速度が小さいために酸化反応が表
層のみで起こり、断面方向に非常に大きい密度斑を有す
る耐炎化繊維となってしまう。

このような耐炎化繊維は、その２重構造のために炭素化
処理工程に於いて切断しやすく、安定して炭素繊維を製
造することが困難である。

従って、より好適にはアクリロニトリル系繊維束を空電
中２２０〜６００℃に加熱された雰囲気中とオゾンｏ、
２　ｖｏＬ　４ｒ以上を含む温度７０〜２００℃の酸化
性雰囲気中で交互に処理することで、極めて短時間のう
ちに十分な性能を有する炭素繊維を安定に作り出すこと
が可能な耐炎化繊維を製造することが可能となる。

周知の通り、耐炎化工程で発生する暴走反応は、酸化反
応に伴う発熱が繊維内に蓄積することが原因となって起
こる。従って、繊維に蓄積した熱を迅速に取シ去ってや
れば暴走反応はかなりの高温１で抑制することができる
。しかしながら、従来までの雰囲気加熱による処理方法
では伝熱が主に対流によってなされるために伝熱係数が
小さく、蓄積した熱を取り去ることに関して効率が悪い
。伝熱係数が大きく、効率の良い方法としては伝導伝熱
が挙げられ、これを利用し２だ処理方法としては前出の
加熱ローラによる処理方法があるが前出したような欠点
も有する。そこで伝導加熱による除熱効率の良さを有［
７、尚且つ禮維間への酸素の拡散をも促進できる方法と
して鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達したものであ
る。

酸素の拡散速度を促進させる方法には、（１）繊維の径
を細くする方法、（２］雰囲気内の酸素分圧を上げる方
法がある。この２つの方法とも酸素の拡散速度を上げる
方法としては有効であるが前記の方法（１）では繊維の
生産性の低下の問題があり、（２）の方法では酸素を使
用するため爆発・火災の危険があるため保安防災上問題
がある。

そこで鋭意検討した結果、酸素の代わりとして働き、し
かも爆発・火災の危険のないオゾンを使用することに到
達したのである。

本発明の方法によれば、繊維は暴走反応を起こさずにか
なりの高温で処理できる上に酸化によって失われた酸素
はオゾンによって補われるだめ、はぼ均一な断面構造を
有する耐炎化繊維を短時間で作ることが出来る。

尚、本性に於けるオゾン濃度としてはα２〜１００ｖｏ
ｔ’ｌが考えられるが、オゾンを発生する装置上の問題
及びオゾンの分解の問題から実際の処理では１ｌｌＬ２
〜１０　ｖｏｔ４程度が望ましい。

又オゾンを供給するロール室の温度としては７０〜２０
０℃が望ましい。これより温度が低くなるとオゾンによ
る酸化促進の効果が小さくなり、これより温度が高くな
るとオゾンが繊維に到達する前に分解してしまう。

本発明による耐炎化処理時間は、処理温度、オゾン等の
酸化性気体濃度及び耐炎化炉内の循環風量、処理される
繊維の量によって多少変化するが、処理後の繊維密度と
して１．３０〜１．５０ｔ　１０ｎ”で尚且つ処理後の
単繊維断面中の黒化層（酸化Ｍ）の面積が全断面積の少
なくとも７０係以上となるような処理時間が必要となる
だめ大体５〜２０分程度に設定することが望ましい。

本発明はアクリロニトリル系繊維束を移送するための複
数のローラを有し、互いに対向して設けられたローラ室
と繊維束の通過開口部を除いてローラ室と壁を介して区
画された加熱処理室とからなる第１図に示すような処理
装置を用いて実施するのが好しい。

〈実施例〉 以下実施例により本発明を具体的に説明する。

炭素繊維ストランドの物性はＪ工５７６０１−１９８０
により測定した。

実施例１ 単糸デニール１．３ｃｌ、フィラメント数１４０００本
のアクリロニトリル系繊維束を繊維束中心間距離が５ｗ
ｍとなるように１０本並べて第１図に示すような耐炎化
処理装置により耐炎化処理を行なった。

尚、炉内ロール室には０．５　ｖｏＬ４のオゾンを含み
１７０℃に加熱された空気を供給した。又炉内加熱処理
室の温度は２７０℃とした。加熱処理室滞在時間の合計
が１０分間の処理を行なった後、繊維の密度は１．５６
　？／ｌｙｎ”　Ｋ達していた。この耐炎化繊維の断面
を光学顕微鏡で観察した所、黒化層（酸化層）の面積は
全断面積の９０憾であった。この耐炎化繊維を窒素雰囲
気中３００〜６００℃の温度勾酪を有する炉で、１．５
分処理ｊ−だ後、窒素雰囲気中１２００℃の炉で１．５
分処理した。この処理中、糸切れ・毛羽等のトラブルは
皆無で工程は非常に安定していた。又この処理によって
得られた炭素繊維はストランド強度４　′５０　ｋｇ／
ｍ”、弾性率２５　ｔｏｎ／■２と非常に性能の高いも
のであった。

比較例１ 炉内ロール室にオゾンを含まない１７０℃の空気を供給
したほかは実施例１と同様の条件で耐炎化を行なった。

１０分間の処理後、繊維の密度は１．５５　ｆ／ｃｍ”
に達していたが、繊維断面中の黒化層の面積は全体の７
０傷程度であった。

この耐炎化繊維を実施例１と同様にして炭素化したとこ
ろ、得られた炭素繊維は実施例１に比べてストランド強
度３２０　ｋｇ／ｍ２、弾性率２１ｔｏｎ／＋ｍ”と性
能の低いものであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するのに好適な装置の概略図を示
すものである。 １・・・前駆体綾紐束 ２・・・ローラ ３ａ、３ｂ・・・壁 ４・・・空　隙 ５・・・処理装置 ６ａ、６’ｂ・・・開口部 ７ａ、７ｂ・・・排ガス ８・・・加熱処理室 ９．１０・・・ダクト １１　ａ、　　１　ｌ　ｂ−ｏ−ラ室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アクリロニトリル系繊維束をオゾン０．２ｖｏｌ％
   以上を含む温度７０〜２００℃の酸化性雰囲気下で耐炎
   化処理することを特徴とする耐炎化繊維の製造方法。 ２、アクリロニトリル系繊維束を空気中２２０〜３００
   ℃に加熱された雰囲気中とオゾン ０．２ｖｏｌ％以上を含む温度７０〜２００℃の酸化性
   雰囲気中で交互に処理することを特徴とする請求項１記
   載の製造方法。 ３、アクリロニトリル系繊維束を空気中２２０〜３００
   ℃に加熱された雰囲気中とオゾン ０．２ｖｏｌ％以上を含む温度７０〜２００℃の酸化性
   雰囲気中で交互に処理する際、該繊維束を移送するため
   の複数のローラを有し、互いに対向して設けられたロー
   ラ室と、繊維束の通過開口部を除いて前記各ローラ室と
   壁を介して区画された加熱処理室とからなる処理装置を
   用いることを特徴とする耐炎化繊維の製造方法。