JPH04300328A - 炭素繊維の製造方法及び製造装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭素繊維の製造方法及
び製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維の需要は年々増大しており、ス
ポーツ用品、航空機構造材、自動車、土木建材、医療機
器など多岐にわたる用途において用いられている。この
ような市場のニーズに応えるためには、大量にかつ低価
格で炭素繊維を供給することが必要である。大量の炭素
繊維を製造する場合には大量の前駆体繊維を焼成する耐
炎化工程が不可欠である。

【０００３】炭素繊維製造工程中、耐炎化工程における
反応は、酸化と環化が同時に進行する発熱反応であるの
で、高温で処理すれば反応がより速くなり、反応時間を
短縮することができる。しかし、処理温度が高すぎて糸
条内に反応熱が蓄積すると暴走反応が起こり、糸条の切
断や発火につながる。特に、トウなどの太糸条を耐炎化
処理する場合、暴走反応を回避するためには、低温で長
時間耐炎化することが必要であり、これが炭素繊維の製
造コストを高くする要因となっていた。かかる製造コス
トを大幅に低減するには、耐炎化反応熱を効率的に除去
することが最も有効な手段であることから種々の見当が
なされている。

【０００４】耐炎化反応を短時間で終了させるための従
来の耐炎化方式として、例えば、特公昭５３−２１３９
６号公報では、２００　〜４００　℃に加熱したドラム
に前駆体繊維を接触させることにより耐炎化時間を２０
〜３０分に短縮し得る技術が提案されている。また、特
開平１−１０４８３５号公報では、前駆体繊維を流動層
中で２００　〜５００　℃に加熱処理することにより２
０分以内で耐炎化し得る技術が提案されている。

【０００５】しかし、これらの耐炎化方法では、糸条表
面もしくはトウ表面の伝熱効率を向上させることはでき
ても、糸条内部もしくはトウ内部で発生する反応熱を表
面へ積極的に放出する手段が講じられていない。したが
って、かかる技術は１０００００デニール程度の細い糸
条について耐炎化時間短縮を達成することはできても、
例えば、５０００００デニール程度以上の太い糸条やト
ウの耐炎化時間を短縮することはできない。

【０００６】また、特開平２−６６２５号公報には、糸
条との接触面に多孔板もしくは多孔板とメッシュあるい
はスリット構造を有する耐炎化ローラー式処理装置を使
用し、耐炎化ローラーに相対したノズルから糸条に２０
０　〜３００　℃の酸化性気体を吹き付け、同時に耐炎
化ローラー面の多孔板からその気体を吸引することによ
り５　〜２０分で耐炎化処理する技術が提案されている
。

【０００７】しかしながら、この耐炎化方法では、吹き
付ける酸化性気体により糸条の乱れを生じ、毛羽発生に
よる炭素繊維の品位低下やローラー巻き付きが発生する
ため安定な連続運転が困難になる。また、供給する前駆
体繊維の厚みムラに起因して糸条部分で発生する圧力損
失のため、気体の貫通風速がばらつき、風速の小さい部
分において暴走反応を起こし易くなるという欠点がある
。

【０００８】さらに、この公報には、供給した酸化性雰
囲気が耐炎化ローラー面に接触した糸条に有効に貫通す
るように部屋を分け、ローラーを互いに接触させて当該
酸化性雰囲気が糸条の接触していないローラー部分に通
り抜けないようにしている態様が示されているが、この
場合には、糸条が耐炎化ローラーに挟まれ単繊維間接着
が起こり易い欠点もある。また、耐炎化ローラーの５０
％には糸条がかかっていないので耐炎化ローラー面の５
０％しか利用できないという欠点もある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、従来技術の上記欠点を解決し、耐炎化繊維
の品質および炭素繊維の力学的特性を損なうことなく短
時間に太糸条もしくはトウを耐炎化処理し得る炭素繊維
の製造方法及び製造装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成させるた
めに本発明の炭素繊維の製造方法は次の構成を有する。 すなわち、前駆体繊維糸条５を複数の耐炎化ローラー１
に接触させて耐炎化した後、炭化する炭素繊維の製造方
法において、耐炎化工程が、耐炎化ローラー１の圧力損
失係数と前駆体繊維糸条５の圧力損失係数との比を０．
３〜３．０に保ちつつ耐炎化ローラー表面からローラー
内側に高温酸化性気体を吸引し、前駆体繊維糸条の少な
くとも一部を耐炎化ローラー表面に接触させて耐炎化す
る工程であることを特徴とする炭素繊維の製造方法であ
る。

【００１１】また、本発明の炭素繊維の製造装置は次の
構成を有する。すなわち、複数の耐炎化ローラー１を有
する炭素繊維の製造装置において、耐炎化ローラー１は
内部に吸引ローラー２を有し、耐炎化ローラー表面と吸
引ローラー２の間に圧力抵抗体３を有し、耐炎化ローラ
ー１は互いに非接触に配置され、吸引ローラー２内側は
吸引装置と接続されていることを特徴とする炭素繊維の
製造装置である。

【００１２】以下、本発明の炭素繊維の製造方法および
製造装置についてさらに詳細に説明する。本発明の炭素
繊維の製造方法における耐炎化工程は、前駆体繊維を複
数の耐炎化ローラー１に接触させて耐炎化するものであ
る。耐炎化方法をローラー方式によらず、オーブン方式
などによるのでは、走行安定性や糸状厚さの均一性が損
われ貫通風速がばらついて耐炎化反応が暴走しやすくな
るという問題点がある。

【００１３】本発明の炭素繊維の製造方法における耐炎
化に際しては、耐炎化ローラー１の圧力損失係数と前駆
体糸条の圧力損失係数との比を０．３〜３．０に保つも
のである。かかる圧力損失係数の比が０．３に満たない
場合には、熱風は耐炎化ローラー１を容易に貫通するが
、接触糸条５には貫通しにくくなり、耐炎化ローラー面
上において糸条が接触している部分は糸条が接触してい
ない部分に比べ熱風の貫通風速は著しく小さくなり、暴
走反応開始温度が低くなってしまう。一方、かかる圧力
損失係数の比が３．０を越える場合には糸条が耐炎化ロ
ーラー１に接触している部分と糸条が耐炎化ローラー１
に接触していない部分の貫通風速の差が小さくなるが、
圧力損失が大きくなるためエネルギーのロスが大きい、
吸引ブロア能力を過大なものとする必要があるなどの問
題がある。

【００１４】本発明において耐炎化ローラー１の圧力損
失係数とは、図２に示す装置の１１に耐炎化ローラーに
用いるのと同じ目開きまたは充填率の圧力抵抗体を上下
２枚の保持用金網１２で挟み込み、２００　℃の熱風を
平均風速（以下、貫通速度）０．２５ｍ／ｓｅｃで下か
ら貫通させたときの圧力損失ΔＰｒから、ΔＰｒ／０．
２５２　により求めた値をいう。

【００１５】なお、この装置に用いる測定用パイプ８の
材質はステンレスであり、その内径は１４５　ｍｍ、ま
た、上下の保持用金網１２の間隔は　７０ｍｍとした。

【００１６】また、本発明において前駆体繊維糸条５の
圧力損失係数とは図２に示す装置の１１に実際の耐炎化
に用いるのと同じ充填密度で前駆体繊維糸条５を挟み込
み、２００　℃の熱風を貫通速度０．２５　ｍ／ｓｅｃ
で下から貫通させたときの圧力損失ΔＰｆから、ΔＰｆ
／０．２５２　により求めた値をいう。

【００１７】このように耐炎化ローラーの圧力損失係数
と前駆体繊維糸条の圧力損失係数との比を０．３〜３．
０に保つには、圧力抵抗体３を、耐炎化ローラーの表面
と該耐炎化ローラーの内側に配置された吸引ローラー２
との間に充填または配置した耐炎化処理装置を用いるこ
とにより達成できる。

【００１８】ここで圧力抵抗体としては、例えば、粒子
状充填物、金網、焼結金属、フェルト、織物、編物など
を単独でまたは組合せて用いることができる。

【００１９】また、圧力抵抗体の材質としては３００　
℃程度の高温に対しても変質・変形しないものが好まし
く、カーボン、ステンレス等の耐蝕金属、アルミナ、シ
リカなどが好ましい。耐炎化反応で発生するタール物質
による圧力抵抗体の閉塞を防止する観点から、圧力抵抗
体の目開きまたは粒子の直径は、０．１　〜５　ｍｍ程
度が好ましい。

【００２０】耐炎化ローラーの内側に粒子状充填物を充
填する場合には、ローラーの圧力抵抗を均一にして粒子
の流動化による貫通風の乱れを防止する観点から、粒子
状充填物として、粒子径の揃った球状充填物を間隙がで
きるだけ少なくなるように充填させ、また、見掛け充填
厚さを５０ｍｍ以上とすることが好ましい。該球状充填
物の全粒子径が平均粒子径±２０％の範囲内に分布して
いるものであればさらに好ましい。

【００２１】本発明の炭素繊維の製造方法における耐炎
化に際しては、耐炎化ローラー１の外側から内側に高温
酸化性気体を吸引しつつ前駆体繊維糸条をローラー表面
に接触させるものである。

【００２２】このように高温酸化性気体を強制的に前駆
体繊維糸条の間を通過させない場合には、前駆体繊維糸
条内に反応熱が蓄積し、暴走反応が起こりやすく、これ
を防ぐためには低温度で長時間の処理を必要とし生産効
率が低くなるという問題がある。

【００２３】また、高温酸化性気体を強制的に前駆体繊
維糸条の間を通過させるとしても、耐炎化ローラーの内
側から外側に高温酸化性気体を吸引したのでは、吹きつ
ける酸化性気体により糸条は耐炎化ローラー表面から剥
される方向に力を受けるので糸条の乱れを生じ、毛羽が
発生して、ローラー巻き付きや、最終的に得られる炭素
繊維の品位低下を起こすという問題がある。

【００２４】前記のように耐炎化ローラー１の外側から
内側に高温酸化性気体を吸引するには、本発明の炭素繊
維の製造装置において、耐炎化ローラー１を、その内部
に多孔板もしくは多孔板とメッシュを有する吸引ローラ
ー２を配置して耐炎化ローラー１と吸引ローラー２の間
に圧力抵抗体を配置したものとし、該吸引ローラー２内
側を吸引装置と接続すればよい。

【００２５】かかる炭素繊維の製造装置により、前駆体
繊維の耐炎化を行なえば、図１のように前駆体繊維糸条
５に対して接触する多孔板、もしくは多孔板とメッシュ
を有する吸引ローラー２を用いて強制的に糸条内に熱風
を貫通させ、糸条を耐炎化ローラー表面に押しつけるこ
とにより糸条の乱れを防止し、酸化性雰囲気を均一に吸
引ローラー２の内側に向けて貫通させることにより耐炎
化することができるのである。

【００２６】本発明の炭素繊維の製造方法において酸化
性雰囲気とは空気、酸素等、前駆体に対して加熱時に広
義の酸化反応を生じる気体をいう。

【００２７】以上の対策を取ることにより、供給糸条の
厚みムラに対して貫通風速が均一化し、かつ糸条の接触
していない耐炎化ローラー部分の貫通風速が低下し、接
触部分に有効に酸化性雰囲気が貫通するので図１に示す
ように、耐炎化ローラー間の距離を離し、耐炎化ローラ
ーと糸条との接触割合を増加させることができ、結果と
してローラー本数を減らすことができる。

【００２８】貫通風速の適正範囲は下限は糸条の厚さあ
たりの糸条繊度によって異なり一概に言えないが、例え
ば、幅１　ｍｍあたりの糸条繊度が５０００デニールの
トウを耐炎化時間２０分間で焼成する場合には、貫通風
速は標準状態換算で０．１ｍ／ｓｅｃ以上にするのが好
ましい。一方、貫通風速を極端に上げると糸条の乱れが
発生し、暴走開始温度も頭打ちになり、また吸引ブロア
ーの能力を過度に大きくする必要があるので、上限は０
．５ｍ／ｓｅｃ程度とするのが好ましい。

【００２９】耐炎化ローラーに前駆体繊維糸条を接触さ
せる条件としては、貫通風速を均一化するために、その
幅１　ｍｍあたりの糸条繊度を３０００デニールから１
５０００　デニール程度とするのが好ましい。幅１　ｍ
ｍあたりの糸条繊度を３０００デニールより小さくする
と処理効率が著しく低下する。一方、幅１　ｍｍあたり
の糸条繊度を１５０００　デニールより大きくすると、
暴走開始温度が低下し、これを防ぐためには耐炎化時間
が長くなりすぎ、一定の大きさの設備を前提とすると、
かえって生産能力が低下する。

【００３０】また、かかる耐炎化方式において、供給糸
条のローラーに対する接触面積を小さくして糸条の耐炎
化ローラーへの接着を防止する観点から、耐炎化ローラ
ー表面に突起を持たせることが好ましい。突起の形状は
進行する糸条表面を痛めることのない半球状または図４
に示すような半円筒状が好ましく、突起の高さは糸条と
ローラー間の間隙を熱風が通過しにくくする観点から５
　〜５０ｍｍとするのが好ましい。突起の材質は耐炎化
ローラー表面の材質と同じでも異なっていても良いが、
異なる場合には３００　℃程度の高温に対しても変質・
変形しないもの、例えばカーボン、ステンレス等の耐蝕
金属、アルミナ、シリカなどが好ましい。また、該突起
の配置はなるべく均一に分散して配置するのが好ましい
。

【００３１】本発明では以上のように密閉した空間に酸
化性気体を充満させて、その温度をある一定の高温（２
００〜３００　℃）　に保っておき、その空間の内側に
圧力抵抗体を配置した耐炎化ローラーを置き、前駆体繊
維を当該耐炎化ローラーに接触させながら進行させ、ド
ラムの内部から糸条間隙を貫通するように酸化性気体を
吸引して耐炎化繊維を製造するものである。

【００３２】本発明における上記のような耐炎化処理方
法は、例えば吹き出し用のノズルにより酸化性気体を局
所的に糸条に吹き付ける場合の欠点である糸条の乱れが
ないため、より安定且つ均一に耐炎化処理糸を製造する
ことができる。また、耐炎化ローラーを離して配置する
ためにローラーを有効に使い、しかも単糸接着を起こさ
ず耐炎化することができる。さらに、酸化性気体が耐炎
化ローラーの内部に吸収される際に抵抗体を通るために
、ローラーの面上に糸条が接触するところと接触しない
ところで貫通する気体の風速が均一化するために、太糸
条やトウ形状の繊維を短時間で耐炎化することができる
。

【００３３】

【実施例】（実施例１）直径１ｍ、幅６０ｃｍ、ステン
レス製の耐炎化ローラーの内部に、粒子径０．２　±０
．０４ｍｍのカーボン粒子を、糸条の圧力損失係数とカ
ーボン粒子層の圧力損失係数との比が１．５　となるよ
うに充填したものを３本作製し、これらに単繊維繊度１
．０　ｄ　、フィラメント数、１，０００，０００　本
のポリアクリロニトリル系前駆体繊維糸条を、各耐炎化
ローラーに対する接触角度　４π／３ラジアンで接触さ
せた。

【００３４】耐炎化速度は２ｍ／　分とし、雰囲気温度
を徐々に昇温させ、平均貫通風速を変え暴走開始温度を
測定した結果を表１に示す。幅１　ｍｍあたりの糸条繊
度が１２０００　デニールの場合であっても２０分で耐
炎化可能な条件があり、後述の比較例に比べ２０分で耐
炎化可能な条件範囲は極めて広い。

【００３５】

【表１】

【００３６】（比較例）内部に圧力抵抗体を配置しない
ほかは実施例１と同様にし、耐炎化ローラー幅方向の糸
条が接触しない部分は金属板で覆い、高温熱風が吸引さ
れないようにして耐炎化処理を施した。かかる耐炎化ロ
ーラーの圧力損失係数は０であった。実施例１と同様に
雰囲気温度を徐々に昇温させ、平均貫通風速を変え暴走
開始温度を測定した結果を表２に示す。２０分で耐炎化
可能な条件はとり得るもののその範囲は極めて狭い。

【００３７】

【表２】

【００３８】（実施例２）単繊維繊度１．０　ｄ　、フ
ィラメント数１，０００，０００　本のポリアクリロニ
トリル系前駆体繊維糸条を１２５ｍｍ　幅、すなわち１
ｍｍ　あたりの糸条繊度が８０００デニールとなるよう
に８本引き揃え、直径１ｍ、雰囲気吸引有効幅１ｍ、糸
条の耐炎化ローラーに対する接触角度　４π／３ラジア
ン、耐炎化ローラー２０本を有する耐炎化処理装置に２
ｍ／　分の速度で供給し、２０分間耐炎化処理した。こ
の時の平均貫通風速は０．３ｍ／ｓｅｃでローラー内部
には実施例１と同じように糸条の圧力損失係数／カーボ
ン粒子層の圧力損失係数の比が１．５　となるようにカ
ーボン粒子を充填した。ローラー表面には直径２０ｍｍ
、長さ　１２５ｍｍのステンレス製半円筒状突起をロー
ラー軸に平行な方向へ軸から見て４５°おきに８個配置
した。このローラーの斜視図を図４に示す。雰囲気温度
は耐炎化反応の進行とともに上げ、初期は２４５　℃と
し、最後には２８５　℃とした。得られた耐炎化繊維を
窒素雰囲気中で１４００℃で炭素化したところ、糸切れ
・毛羽などのトラブルもなく、工程を安定に通過し、引
張強度３００　ｋｇｆ／ｍｍ２　、弾性率２３×１０３
　ｋｇｆ／ｍｍ２　の炭素繊維が得られ、アクリル繊維
からの炭化収率は５１％であった。

【００３９】

【発明の効果】本発明の耐炎化処理方法および耐炎化処
理装置によれば、例えば吹き出し用のノズルにより酸化
性気体を局所的に糸条に吹き付ける場合の欠点である糸
条の乱れがないため、より安定且つ均一に耐炎化処理糸
を製造することができる。また、耐炎化ローラーを離し
て配置するためにローラーを有効に使い、しかも単糸接
着を起こさず耐炎化することができる。さらに、酸化性
気体が耐炎化ローラーの内部に吸収される際に抵抗体を
通るために、ローラーの面上に糸条が接触するところと
接触しないところで貫通する気体の風速が均一化するた
めに、太糸条やトウ形状の繊維を短時間で耐炎化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の耐炎化処理装置を用いて前駆体繊維糸
条を耐炎化する工程の例を示す模式的側面図である。

【図２】本発明において用いる耐炎化ローラーの圧力損
失係数および接触糸条の圧力損失係数を測定するための
装置を示す模式的側面図である。

【図３】本発明に用いる耐炎化ローラーで前駆体繊維糸
条を耐炎化する例を示す模式的側面図である。

【図４】本発明に用いる、半円筒状突起を有する耐炎化
ローラーの一例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１：耐炎化ローラー ２：吸引ローラー ３：圧力抵抗体 ４：突起 ５：前駆体繊維糸条 ６：ローターメーター ７：電熱ヒーター ８：測定用パイプ ９：マノメーター １０：保温用ヒーター １１：前駆体繊維糸条または圧力抵抗体１２：保持用金
網 １３：温度計

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】前駆体繊維糸条を複数の耐炎化ローラーに
   接触させて耐炎化した後、炭化する炭素繊維の製造方法
   において、耐炎化工程が、耐炎化ローラーの圧力損失係
   数と前駆体繊維糸条の圧力損失係数との比を０．３〜３
   ．０に保ちつつ耐炎化ローラー表面からローラー内側に
   高温酸化性気体を吸引し、前駆体繊維糸条の少なくとも
   一部を耐炎化ローラー表面に接触させて耐炎化する工程
   であることを特徴とする炭素繊維の製造方法。
2. 【請求項２】複数の耐炎化ローラーを有する炭素繊維の
   製造装置において、耐炎化ローラーは内部に吸引ローラ
   ーを有し、耐炎化ローラー表面と吸引ローラーの間に圧
   力抵抗体を有し、耐炎化ローラーは互いに非接触に配置
   され、吸引ローラー内側は吸引装置と接続されているこ
   とを特徴とする炭素繊維の製造装置。