JPH0823088B2 - 炭素繊維マツトの製造方法及び装置 - Google Patents

炭素繊維マツトの製造方法及び装置

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JPH0823088B2
JPH0823088B2 JP60142055A JP14205585A JPH0823088B2 JP H0823088 B2 JPH0823088 B2 JP H0823088B2 JP 60142055 A JP60142055 A JP 60142055A JP 14205585 A JP14205585 A JP 14205585A JP H0823088 B2 JPH0823088 B2 JP H0823088B2
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭素繊維マツトの製造方法及び装置に係り、
より詳細には回転軸が水平（装置設置平面に対して平
行）な遠心紡糸機により紡糸してマットを形成し、不融
化、焼成をする工程を連続して行なう、生産効率及びエ
ネルギー効率に優れた炭素繊維マツトの製造方法及びそ
の装置に係る。
［従来の技術］ 従来、ピッチ系炭素繊維製造における溶融紡糸方法と
して、固定紡糸法あるいは遠心紡糸法が知られており、
数100m/min以上の速度で紡糸し得、特に遠心紡糸法によ
れば2000m/minに達する高速紡糸が可能である。
しかしながら、不融化以後の工程、特に不融化におい
ては反応速度が遅い上にピッチ繊維が極めて脆弱でわず
かな衝撃でも糸切れを起すため、 紡糸時繊維をトウにした後、Ｕ型のトレイ上部のバ
ーに懸架してトレイ単位で処理する メッシュベルト上にピッチ繊維を堆積させる 紡糸時に一旦ボビンに捲き取り、その後捲き戻して
フィラメントで連続処理する 等の方法が行なわれてきた。
とこらがトウ法、特に回転軸が（装置設置平面に対し
て）垂直の遠心紡糸機を使用して繊維をトウとして捕集
する場合はトウ形成のコントロールが難かしく、また不
融化、焼成を低密度で処理しなければならないため生産
効率が悪くエネルギーの消費も大きい。その他タール、
粉塵による汚れのために長時間運転が難かしいこと、ク
ローズド化が難かしい等の欠点がある。
またメッシュベルト法においては、繊維の積み重ねだ
けのため生産効率が良好でなく、生産効率を上げるため
に強制通風等により目付けを増加させると繊維の局部的
な損傷を引き起こしやすい。さらにトラバースの高速化
による機械的トラブルが発生しやすいこと、品質が一定
化しにくいこと等の欠点が指摘される。
さらにフィラメントでの連続処理では、糸切れさせな
いようにするためのハンドリングに非常に手間がかかる
ためやはり生産効率は良好でなく、実用化は困難であ
る。
このように従来の方法においてはいずれも生産効率が
悪く、結果として炭素繊維は割高なものとならざるを得
なかった。
［発明の目的］ 従って本発明の目的は、上記のような従来の炭素繊維
の製造方法の欠点がない、より生産効率、エネルギー効
率が高い経済的なピッチ系炭素繊維の製造方法、即ち単
位炉容積（m3）あたりの単位時間（hour）繊維処理量
（kg）で示される炉効率（kg/m3・hr）がより高く、単
位生産量当りのエネルギー消費量がより低く、しも得ら
れる炭素繊維マットはそのまま断熱材等として使用し
得、あるいはチョップ、ミルド等に容易に加工し得る、
ピッチ系炭素繊維の製造方法を提供することである。
［発明の構成］ 本発明において、回転軸が水平になるように設置され
た遠心紡糸機で紡糸し、これを前記回転軸に対して平行
方向にトラバースし且つ該回転軸に対して直交方向に移
動する水平ベルトコンベア上に堆積させることによりピ
ッチ繊維の連続マットを形成すると、繊維配向した充分
な強度を有するピッチ繊維の連続マットが得られ、紡
糸、不融化及び焼成の炭素繊維マット形成工程を連続的
に行い得、且つ生産効率及びエネルギー効率を著しく向
上せしめ得ることが見出された。
本発明の炭素繊維マットの製造方法は、繊維形成性ピ
ッチを回転軸が水平な遠心紡糸機により溶融紡糸して遠
心力及び延伸風により延伸した後、紡糸機の延伸板上に
設けられた少なくとも１個のカッターにより裁断し、前
記遠心紡糸機の下部に設けられ遠心紡糸機の回転軸に対
して平行方向にトラバースし且つ該回転軸に対して直交
する方向に移動する水平ベルトコンベア上に堆積させて
ピッチ繊維の連続マットを形成し、次いで該ピッチ繊維
の連続マットを不融化、焼成することから成る。
本発明の炭素繊維マットの製造方法を添付の図面を参
照してさらに詳しく説明する。
第１図は本発明の遠心紡糸機及びその下部に設けれら
れたベルトコンベアを遠心紡糸機の回転軸方向から見た
側面図、第２図は同じく遠心紡糸機及びベルトコンベア
の第１図におけるAA′での断面図であり、第３図は本発
明の工程を示す略図である。
第１図及び第２図を参照すると、紡糸円筒１において
加熱溶融されたピッチはギアーポンプ９により定量さ
れ、ピッチ供給ライン８を経て外周部に単列又は複列又
はそれ以上の列状に配置された多数のノズル孔３を有す
る回転ボール２の内部に注がれ、回転ボール２の回転と
共に遠心力によりノズル孔３より吹出して紡糸される。
延伸風供給パイプ５を通り、紡糸円筒１をかこむ延伸
風吹出し口６からノズル周辺に紡糸方向に向けて均一に
噴出される気体により、紡糸された繊維は紡糸円筒１を
囲む延伸板４の表面に沿って延伸風及び遠心力によって
延伸される。
ピッチ繊維はボール１回転毎に延伸板上の少なくとも
１個のカッター７に接触して切断され、ボール１回転毎
にノズル孔数だけの両端の自由なほぼ一定長の繊維が形
成される。裁断されたピッチ繊維は延伸風、重力及びコ
ンベア11の堆積面裏側からの任意の吸気により、第１図
においてａ〜ｅ及びａ′〜ｅ′として示したような軌跡
を描いてベルトコンベア11上にゆるやかに単糸状で繊維
がからみつつ堆積する。
ベルトコンベア11はピッチ繊維堆積面を繊維延伸方向
に移動させると同時に該方向に直交する方向に前記移動
速度の少なくとも２倍の速度で反復運動、即ちトラバー
スしており、その結果一定幅及び一定厚さを有するピッ
チ繊維の連続マットが形成され、該マットは後処理で連
続マットとして取扱うのに充分な強度を有する。
第３図を参照すると、上記のように製造されたマット
17は、マット形成ベルトコンベア18からマット移送コン
ベア19を経て直接不融化炉入口20に送られ、炉内を大気
と遮断するための簡単なエアーカーテンあるいはダブル
ローラ21を経てバー22に懸架される。
バー22はコンベア速度、バー間隔及びマットの懸架長
によって定められる速度で等速循環しており、マットは
連続的に処理される。マット目付及び厚みに対してバー
間隔をコントロールすることによりマットはスムーズに
懸架される。
不融化炉内はNO2を0.1〜10％含む100〜400℃の空気雰
囲気であって、この炉内に１〜４時間滞留させることに
よりピッチ繊維の不融化を行なう。
不融化炉は入口部より出口部に向って雰囲気ガス温度
が徐々に高温になるように構成され、適当な間隔をもっ
てブロアあるいはファンが取り付けられており、該ブロ
アあるいはファンにより雰囲気ガスを繊維の配向方向と
直行する方向から循環している。
不融化したマットは大気とのシールのためのエアーカ
ーテンあるいはダブルローラ23を経てコンベア24により
焼成炉に送られる。焼成炉の入出口シールには不融化炉
と同様なN2カーテンあるいはダブルローラ25が用いられ
る。
焼成炉内は300〜900℃のN2雰囲気で、この炉内には５
〜30分滞留させることにより焼成を行なう。
焼成炉内に搬入されたマットは充分なマット強度を有
しているので、マットは自重懸垂しながら処理される。
炭素繊維化したマットからは容易にチョップ、ミルド
あるいはフェルト等を製造し得、あるいはマットをその
まま断熱材として使用することもできる。
本発明に使用可能なピッチは炭素含有率が89〜97重量
％で平均分子量が400〜5000であればよい。軟化点の高
いメソフェースピッチは、遠心紡糸可能な粘度範囲まで
昇温することによって適用できる。
溶融遠心紡糸機としては回転円筒式、回転ノズル式等
多くの種類があるが、本発明においてはそのいずれをも
使用できる。尚、本発明の説明に使用した添付の図面は
回転ノズル式の遠心紡糸機を使用した例を示すものであ
るが、本発明は何等それに限定されるものではない。
遠心紡糸機の回転ボール直径は好ましくは100〜500mm
である。小さ過ぎると生産効率が問題となり、大き過ぎ
るとノズルに温度ムラを生じ機械的な問題が発生しやす
い。
延伸風は80〜120m/secとするのが望ましく、ボール回
転数はノズル形状及び処理量に依存するが、紡糸温度が
多少変動してもピッチ切れをしないように選択する。
ノズル直径は、異物によるノズル詰りを排除すること
及びノズル洗浄の便宜性から0.6mm以上とするが望まし
く、また余り大きくするとピッチ切れが起こりやすくな
るので0.6〜1.0mmとするのが好ましい。
マットの目付及び厚みは紡糸機の能力及びその台数、
コンベア速度及びコンベア幅により任意に調整し得る
が、除熱及び加熱の操作を行なう後処理工程の生産効率
から制限される。マット目付または厚さは小さいと生産
効率が低下するが、大き過ぎると不融化での反応制御が
難かしく、焼成での昇温に時間がかかることになる。具
体的にはマットの目付が0.2〜5Kg/m2、厚さが10〜100mm
の範囲とすることが好ましい。
上記の目付及び厚さの範囲を得るための装置条件とし
ては回転ボールノズル孔数200〜2000、回転数300〜1000
rpm、トラバース速度１〜50m/min及びマット移動速度0.
1〜6m/minとするのが装置上及び操作上好ましい。
マット幅はトラバース幅により決定され任意に調整し
得るが、後処理工程でのハンドリング面から3m以下とす
ることが好ましい。
ピッチ繊維堆積面となるベルトコンベアは任意のもの
が使用できるが、ピッチ繊維の堆積が円滑に行なわれる
ように通気性のベルトを用い、堆積面の反対側から吸気
することが好ましい。
［発明の効果］ 本発明の重要な特徴の１つは、回転槽が水平で回転面
を垂直とした遠心紡糸機を使用して前記したような過程
により、繊維配向した所望厚さ、目付け及び幅を有し充
分なマット強度を有するピッチ繊維の連続マットを連続
的に製造し得るようにした事である。これにより下記の
ような本発明の効果が得られるものである。
従来の紡糸機からピッチ繊維をトウのような形状で
取出した場合に必要であったトウのバー懸架装置、即ち
懸架バーに直交する方向に首振りさせ且つバーの水平方
向にトラバースさせる充填機（第４図 参照）を必要と
しない。
不融化において、マットの配向性がよいために反応
熱の除熱が効率的に行なわれるので処理密度を大きくし
得、結果として炉生産効率を向上し得る。
前記の繊維配向性による熱処理性の向上により、従
来のトウ等と比べてはるかに大きなサイズのマットとし
て処理できるため、不融化を連続処理として行なうこと
ができる。その結果従来のトレイは必要とせずその加熱
熱量も不要であり、炉も小型化し得るのでヒートロスも
減少し、エネルギー効率及び設備効率を著しく向上し得
る。
焼成炉内でマットを自重懸垂しながら処理し得るの
で、従来のようなバー懸架及びＵ型トレイを使用する方
法と比較して処理密度が大きくなり、且つマット内外の
均一な加熱に必要な時間を大幅に短縮し得るので生産効
率が著しく向上する。さらに炉自体も小型化し得、トレ
イを使用しないのでトレイの加熱熱量が不要であり、壁
面からのヒートロスが著しく低減され大幅な省エネルギ
ーが可能になる。
焼成の低温領域で発生するH2OやCO2等を高温領域に
混入させると繊維物性の低下につながるが、焼成炉内壁
とマットの間隔を数10mm以下にできるため、少量のキャ
リア量でそれ等の混入を防ぐことが可能になる。
マットの層高や目付は前記の通り容易に調整できる
ので不融化の均一を容易に確保できる。
連続マットとして取り扱えるので不融化炉、焼成炉
におけるシールはダブルローラあるいはニップルローラ
でよく大きな置換室は不要である。
その他にも紡糸工程のみを考慮しても次のような効果
を指摘することができる。
紡糸の安定性が向上しクローズド化も容易である。
装置全体が簡略化されるので運転上の支障が減少す
る。
紡糸でのロス量は、コームでの保持が必要でないた
め粉塵発生が少なく、かつ粉塵を回収してマットに混入
することが可能なため、著しく低減される。
実施例 本発明及びその上記したような効果を実施例及び比較
例により更に説明する。
実施例１ 石油ナフサを熱分解してエチレン，プロピレン等のオ
レフィン類を分取した残りの高沸点留分（いわゆるエチ
レンボトム油）を380℃で熱処理して320℃,10mmHg.abs.
で減圧蒸留し炭素含有率94.5wt％、平均分子量620、軟
化点（高化式フローテスター）170℃の残渣ピッチを得
た。
このピッチを孔数350、ボール直径200mmの横型遠心紡
糸機３台（配列はコンベアと平行）にて１台当り毎時1
3.2kg/台（×３台）の処理量、回転数800rpm、延伸風10
0m/secにて溶融紡糸した。カッターにより順次カッティ
ングし、毎分５回の割合でトラバースしている40meshの
金網ベルトを用いた送り速度0.44m/minのベルトコンベ
ア上にマット有効幅2m、目付0.75kg/m2、マット厚さ50m
m、見掛け密度15kg/m3で、短繊維の集合体であるが連続
系として取り扱いが可能なマットとして堆積させた。
このマットをトレイを用いず2m幅のバーを0.044m/min
で等速循環させている全長10mの不融化炉にて、300mm間
隔のバーに1.5mの長さで懸架し、NO2＝２％、残りは空
気の雰囲気下でマットの配向方向と直交する方向から炉
内循環ガスを0.5m/sec（空塔速度として）を流し、反応
熱を除去しながら、100〜250℃まで３時間で昇温し、不
融化せしめた。この時の必要エネルギー（ブロアー電力
及び加熱熱量）は電力換算で136kWhであった。
次いでマットを自重懸垂しながら処理する全長14.8m
（冷却部を含む）×幅2mの堅型焼成炉にて850℃まで15
分で昇温して焼成し、200℃まで冷却した後炉外に送り
出した。キャリアガスのN2は90Nm3/hrで充分であった。
また、この時の必要エネルギー（加熱熱量）は64kWhで
炉効率13.4kg/m3・hrであった。
得られたマットをカッターにより長さ10mmに切断した
ところ繊維長分布の幅が６〜20mm、標準偏差（繊維長）
1mmの非常に揃った短繊維が得られた。またミルド及び
断熱材を製造しても従来品質のものが得られた。
このようにして得られた炭素繊維は繊維間の融着がな
く、単糸物性が糸径18μで強度70kg/mm2、弾性率3180kg
/mm2と良好なものであった（伸度2.2％）。
実施例２ 実施例１のピツチを孔数584、ボール直径330mmの同じ
横型遠心紡糸機２台にて１台あたり毎時21.6kg/hrの処
理量、回転数600rpm、延伸風速100m/secで溶融紡糸し
た。
毎分６回の割合でトラバースし、送り速度0.88m/min
の2m幅のコンベア上にマット化したところ目付0.4kg/
m2、厚さ45mm、見掛け密度9.1kg/m2のマットで得られ
た。このマットを実施例１と同様の不融化炉及び焼成炉
で処理したところ実施例１と同様な糸物性のマット炭素
繊維が得られた。
実施例３ 実施例１のピツチを用い、孔数500及びボール直径200
mmの横型遠心紡糸機３台にて１台の処理量10.8kg/hr、
回転数900rpm及び延伸風速105m/secで紡糸し、毎分６回
の割合でトラバースしている幅2mで送り速度0.75m/min
のコンベア上に堆積させたところ、目付0.36kg/m2、厚
み60mm、見掛け密度6Kg/m2のマットが得られた。
このマットを実施例１と同様の不融化炉及び焼成炉で
処理したところ、問題なく焼成でき且つ単糸物性とし
て、糸径12.7μで強度80kg/mm2、弾性率3640kg/mm2（伸
度2.2％）の良好な炭素繊維が得られた。
比較例１ 実施例１と同じピッチにて従来の堅型紡糸機（回転軸
が垂直）によりトウを形成しＵ型トレイにて不融化と焼
成を行った。この場合、本発明と比較して ロータリーコーム付紡糸機（台数は同じ） トウをトレイに懸架し搬送する機構 不融化焼成炉の出入口のトレイを収容できる大きさ
の置換室 が必要である。
不融化炉は、実施例１の条件、即ちNO2＝２％、３時
間滞留（炉長27m）、循環ガス風速0.5m/secにおいては
本比較例の従来方法では幅1.6m×長さ0.9m×高さ1.6mの
トレイに10.6kg充填、サイクルタイム16分が反応コント
ロール上限界であった。この時の炉効率は、1.01kg/m3
・hrでエネルギー消費量は189kWhであった。
焼成時には上記の条件では冷却を含めて２時間の滞留
時間（炉長17.6m）が必要であった。
この時の炉効率は1.56Kg/m3・hr、エネルギー消費量
は285kWhであった。またキャリアーN2量は200Nm3/hrで
あった。
実施例１および比較例１の諸データを下記に対比す
る。
原料 炭素含有率 89〜97Wt％ 分子量 400〜5000 軟化点 150℃以上 裁 断 トウ処理 マット処理 特に実施例１及び比較例１の生産効率及びエネルギー
消費の比較を表１に示す。
上記の通り不融化、焼成とも生産効率及びエネルギー
消費量の面で著しい向上が認められる。
生産効率は不融化炉において約32％、焼成炉において
約759％向上し、一方エネルギー消費量は不融化炉にお
いて約28％、焼成炉において約78％減少しており、焼成
炉における向上が特に著しいことを示している。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に使用する遠心紡糸機及びベルトコンベ
アを回転軸の方向から見た図であり、第２図は同じ遠心
紡糸機及びベルトコンベアのAA′における断面図、第３
図は本発明の工程図、第４図は従来法の工程図である。 １……紡糸円筒、２……回転ボール、３……ノズル、４
……延伸板、５……延伸風供給パイプ、６……延伸風吹
出し口、７……カッター、８……ピッチ供給ライン、９
……ピッチ供給用ギアーポンプ、10……ボール駆動モー
タ、11……コンベア、12……コンベア駆動ローラ、13…
…コンベア駆動モータ、14……トラバーサー、15……ト
ラバーサー駆動モータ、16……排気ファン、19……マッ
ト移送ベルトコンベア、20……不融化炉入口、21,23,25
……ダブルローラ、22……マット懸架バー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−126354（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−90621（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−25003（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】繊維形成性ピッチを回転軸が水平な遠心紡
    糸機により溶融紡糸し次いで延伸した後、紡糸機の延伸
    板上に設けられた少なくとも１個のカッターにより裁断
    し、前記遠心紡糸機の下部に設けられ前記遠心紡糸機の
    回転軸に対して平行方向にトラバースし且つ該回転軸に
    対して直交する方向に移動する水平ベルトコンベア上に
    落下堆積させてピッチ繊維の連続マットを形成し、次い
    で不融化し、堅型焼成炉により自重懸垂状態で連続的に
    焼成することを特徴とする炭素繊維マットの製造方法。
  2. 【請求項２】ピッチ繊維の連続マットを目付を0.2〜5kg
    /m2及び厚さを10〜100mmとすることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載の方法。
  3. 【請求項３】ピッチ繊維堆積面となるベルトコンベアを
    通気性のものとし、ピッチ繊維堆積面の反対側から吸気
    することを特徴とする特許請求の範囲第１〜２項のいず
    れかに記載の方法。
  4. 【請求項４】延伸板上に少なくとも１個のピッチ繊維裁
    断用カッターを有し、回転軸が水平になるように設置さ
    れた遠心紡糸機及び、前記遠心紡糸機の下部に設けられ
    前記遠心紡糸機の回転軸に対して平行方向にトラバース
    し且つ該回転軸に対して直交する方向に移動する水平ベ
    ルトコンベアからなるピッチ繊維の連続マット形成装
    置、該連続マット形成装置で形成されたピッチ繊維の連
    続マットを不融化炉へ連続的に移送するピッチ繊維の連
    続マット移送コンベア、炉の内部に入口から出口に向か
    って移動するピッチ繊維の連続マットを懸架するための
    バーを有する不融化炉、不融化されたピッチ繊維の連続
    マットを不融化炉から堅型焼成炉に連続的に移送する不
    融化繊維の連続マット移送コンベア並びに不融化ピッチ
    繊維の連続マットを自重懸架状態で炉内を連続的に移動
    させる手段を備える堅型焼成炉から成る炭素繊維マット
    の連続製造装置。
JP60142055A 1985-06-28 1985-06-28 炭素繊維マツトの製造方法及び装置 Expired - Lifetime JPH0823088B2 (ja)

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