JPS5860019A - 炭素繊維の製造方法 - 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】 本発明は石炭系ピッチから炭素繊維を製造するための改
良方法に関する。

ポリアクリロニトリルのような合成高分子物質または石
油系ピッチのような物質から炭素繊維を製造する方法は
よく知られている。炭素繊維の製造プロセスには不融化
および炭化のための熱処理が含まれるが、従来この熱処
理には次の方法が提案または実施されている。すなわち
、（１）連続的に糸を延伸しつつ炉内を通過させる方法
、（２）糸の束を懸垂したバーをトレイに入れて炉内を
通過させる方法、（３）メツシュコンベア上に糸をシー
ト状に乗せて炉内を通過させる方法である。

ポリアクリロニトリル繊維を前駆体とする場合には、糸
の強度が充分にあるので上記（１）の方法により熱処理
することが可能であるが、ピッチ系繊維の場合には炭化
前の強度が極めて小さいので（１）の方法によるのは困
難である。（２）の方法は糸の充填密度が小さいため、
炉の容積が大となり経済的ではない。また（３）の方法
は処理温度が７０００℃を越えると実用的な耐久性をも
ったメツシュベルトの製作が内錐となるので１０００℃
以１−では使用できない。

本発明の目的は炭化工程をピッチ系繊維の高い充填密度
の状態で、かつ処理途中の繊維を傷つけることな〈実施
することができる石炭系ピッチからの炭素繊維の製造方
法の提供にある。

本発明のいま一つの目的は炭化炉の処理能力が大で、か
つ高温での炭化が可能な石炭系ピッチからの炭素繊維の
製造方法の提供にある。

本発明の炭素繊維の製造方法は石炭系ピッチを溶融紡糸
し、得られたピッチ繊維を不融化炉において酸化性ガス
中で加熱し、ついで炭化炉において不活性ガス中で加熱
して炭素繊維を製造するに当って、該ピッチ繊維を通気
孔を有する容器に高充填密度で収納して該不融化炉およ
び炭化炉を通過させることを特徴とするものであり、繊
維を収納した容器を合板上に乗せ、この台板なレールＬ
を滑らせることにより炉内を移動させる方法であり、不
融化工程において酸素含有ガスを又、炭化工程に於て不
活性ガスと繊維を収納した通気性の容器及び合板の通気
孔を通して流す方法である。

この様な構造は耐火材料を用いて構成することが可能と
なり、炭化工程に於ける温度を充分高くすることが可能
となる。

本発明において出発物質として用いられる石炭系ピッチ
とは石炭類を公知の方法により水素加圧下に炭化水素系
溶剤中にて加熱して解重合し、未溶解固形物を分離除去
し、蒸留により溶剤を除去して得られたもの、またはコ
ールタールｐ熱処狸により得られたものであり、石炭系
ピッチを溶融紡糸して得られたピッチ繊維は底部に通気
孔を有する容器に高充填密度で収納される。この容器は
、レール上をスライドすることができる合板の上に乗せ
られる。

この台板は順次、一方向から油圧などで連続的または間
欠的にレール上を押し進めることにより不融化炉および
炭化炉内を通過せしめられる。この構造は荷重や応力の
かかる移動部分を耐火物で製作することが可能となり、
金属の耐熱温度以１−の温度で炭化処理をすることが可
能となると同時に合板を仕切りとして炉の上下の気密性
が保ちいくなり、後述の如くガスの繊維層内通過を確実
なものとすることが出来る。

ピッチ繊維を容器に収納した状態でのカサ比１Ｆは好ま
しくは２０〜．２００にβであり、ピッチ繊維者厚さは
２０〜左θ０醪である。カサ比重］および／またはピッ
チ繊維層厚さが下限値より小さくなると炉の容積が過大
となり、カサ比重および／または層厚さが上限値よりも
大きくなると不融化工程における酸素含有ガスの流通圧
力損失力（大きくなり、また、炭化工程で発生するター
ルなどの除去が充分に行われず、好ましくない。

ピッチ繊維を収納する容器、合板、レールの材料は高温
での強度が大きく、スポーリング性が小さく、摩擦係数
も小さく安価なものが望ましい。

このような耐火材料は例えば黒鉛または炭化ケイ素であ
るが、これらを用いると炭化炉の温度は実用的に７５０
０℃まで上げることが出来る。合板の移動速度は平均２
０〜コ０θＭＸ／分とするのが実用的である。なお、繊
維を収納する容器は通常、荷重や応力が殆どかからない
ので温度によっては耐熱性の金属で製作することも出来
る。

不融化炉は内部が複数の室に分割され、この各室には所
定の温度に保たれた空気、酸素その他の酸化性ガスなど
の酸素含有ガスが容器中の繊維と合板を通して循環され
る。この場合、ガスの通路は合板およびそれを支えるレ
ールによって上、下に区分され、合板の通気孔及び繊維
を収納する容器底部の通気孔を通してのみ」−下に流通
出来るので繊維層をバイパスすることな（確実に必要な
通気をすることが出来る。合板を順次温度の異なる室を
通過させることによってピッチ繊維は不融化される。炉
内の室の数はＳ〜７０室程度が好ましく、ガス流速は０
２〜２ｍ１秒、流通方向は上から下、あるいは下から上
のいずれでもよい。ガス流速が下限値より小さいとホッ
トスポットを生じ易く、上限値よりも大きいと圧力損失
が大きくなるので好ましくない。各室の空気の温度はピ
ッチ繊維を常温から３００℃まで、θ５−３　℃／分の
昇温速度で昇温できるように決められる。このＷ温速度
が大きすぎると途中で繊維の融着が起き、小さすぎると
炉の容積が大きくなる。不融化温度を３θθ℃以上にす
ることは、ホットスポットを生じ易いので好ましくない
。

不融化されたピッチ繊維の炭化は不活性ガス雰囲気中で
順次異なる温度に加熱された炉室内を通過させることに
よって行われる。不活性ガス雰囲気中の酸素濃度は炉室
内温度が１，３０℃以下ではθ２チ、乙Ｓ′θ℃以上で
は０．０５チ以下が望ましい。これ以−Ｆの酸素濃度で
は得られた炭素繊維の強度が低下する。炭化はピッチ繊
維の温度を３〜１０°Ｃ／分の昇温速度で１０００〜／
　、Ｓ−００’Ｃまで昇温する。昇温速度が過大である
と繊維強度が低下し、過小であると炉の容積を大きくし
なければならない。最高温度な／り００℃以上とすると
炭化収率が小さくなり、また得られた炭素繊維の強度が
低下するので７５０θ″℃以上の炭化温度は好ましくな
い。しかし、７５００℃附近までは炭化温度を高温にす
るほど得られた炭素繊維の強度が増すから、炭化工程の
最高温度をなるべく高い温度に設定するのが望ましい。

炭化に際してはＣｏ、Ｃｏ、　、Ｈ２，炭化水素ガス、
クール類が発生するが、これらは高温で繊維自体を損傷
するので、絶えず繊維層内からパージすることが特に望
ましい。このパージのためには、不活性ガスを繊維／ｋ
ｇ当り１１７分以上の速度で合板の下から上、または上
から下に合板の通気孔及び繊維を収納した容器底部の通
気孔を通して通気する。

以下に図面を参照して本発明の一実施態様を説明する。

第１図〜第Ｓ図に本発明方法を実施するのに好ましい装
置の一例が示されている。第Ｓ図において不融化炉７お
よび炭化炉／／を通して耐火物製の２本のレールｑが平
行に、閉回路状に配置され机この上に通気孔を有する台
板３の複数個がこのレール上に相接して並べて置かれる
。この台板３は曲用などによる合板押し出し装置７．２
により、炉の入口側から一板づつ順次に押してし一ル上
を滑らせ、炉の出口に向って移動させ得るようになって
いる。

台板３上には底部に通気孔を有する耐熱性の容器−の複
数個が置かれ、この中にピッチ繊維／３が収納される。

この収納方法として、収納された繊維層のカサ密度がで
きるだけ全体に均一になるような任意の方法が用いられ
る。容器ユを乗せた台板３はまず不融化炉入口から炉内
に送り込まＪする。不融化炉は第２図に示されたように
複数の炉室７ａ、７ｂ・・・に分割される。各炉室にお
ける１１’ｌｌｔ度条件、炉内の合板の移動速度などの
操作条件は前述したとおりである。各炉室内には、酸素
含有ガスが第１図に示される熱交換器Ｓにより所定１１
１□１度に加温され、ブロワ−乙によって合板の下方へ
吹き込まれる。吹き込まれたガスは台板３および容器コ
の底部の通気孔を矢印をもって図示されたように通って
ピッチ繊維を酸化し、熱交換器Ｓによって所定温度に再
度加温されて合板の下方へ循環される。

不融化炉７を出た容器ユを乗せた台板３は、次に／ｇθ
°方向を転換して炭化炉／／に入る。炭化炉は、第り図
に示されるように好ましくは複数の炉室／／ａ、　／／
ｂ・・・に分割され、各室は前述したように、発熱体な
どによって異なる温度に加熱される。炭化炉におけるそ
の他の操作条件は前述したとおりである。なお、前述し
たように、炭化炉の各室内を不活性ガス雰囲気に保ち、
かつ炭化に際して発生するＣｏ、ＣＯ２，Ｈ２，炭化水
素ガスなどをパージするために、加熱前後および加熱中
に少量の不活性ガス、例えば窒素を不活性ガス導入ロワ
から導入し、繊維層を通し、不活性ガス排１４０］１０
から抜き出して各炉室内の酸素濃度を前述の許容限度内
に保持する。

炭化を終った繊維が収容されている容器ユは、炭化炉を
出て合板により運ばれたまま冷却室に入り、外部からの
間接冷却および温度の低い不活性ガスの通気により所定
の温度まで冷却された後に大気中に押し出されろ。得ら
れた炭素繊維／ダを取出した容器コは、その中に新たな
ピッチ繊維が収納され、再び不融化炉へ送られる。

本発明によれば、次の効果が得られる。

（１）容器に繊維を収納するので、高いカサ密度で処理
出来ると同時に処理の途中で繊維を傷つけることがな（
・。

（２）　　容器の底部およびこれを運ぶ合板に通気一孔
を持たせることにより不融化と炭化の両工程において、
必要なガスを確実に繊維層を通して流通せしめることが
出来ると同時に両工程を同一容器で実施することができ
、両工程の中間で移し替え、巻き替えなどの工程を省略
することができる。

（３）　　荷重や応力のかかる移動機構を耐熱性材・ネ
１で構成することが可能となり、これにょっ７（炭化工
程の上限温度を高くとることができ、得られた炭素繊維
の強度を高めることができる。

（４）　　そのほか不融化炉と炭化炉とをレールによっ
て閉回路状に連結することにより、それぞれの炉の合板
の戻り機構が事実上不要となるので建設費を大巾に低下
することができる。

以下に本発明の実施例を示す。

実施例 豪州褐炭を常法によって水素加圧下□に炭化水素溶剤中
で加熱して解重合し、未溶解物を分離除去したのち、溶
剤を蒸発せしめ得られた軟化点、２１Ｉ。

℃のピッチを３００℃で溶融紡糸し直径７２μのピッチ
繊維を得た。この繊維３．０００本からなるトウ状連続
糸を一辺の長さが２ｇＯＷｍ、高さ３００咽、底部に直
径１０閣の孔３θ個を有する炭化ケイ素製の容器にカサ
比重３０　ｋｇ／　ｍ”、ピッチ繊維層厚２００Ｗｍの
状態で収納した。この容器を、中央に直径６０■の孔を
有する一辺の長さが３３０簡の炭化ケイ素製の合板上に
乗せた。この合板は炭化ケイ素製のレール上を滑らせて
一方から油圧で押して平均速度３　Ｑ　ｒｍ　７分の速
度で移動させながら、まず不融化炉に送入した。不融化
炉は７０室に分割され、それぞれの室には熱交換器と送
風機により７０℃から２７０°Ｃまで２０℃間隔で温度
調節された空気を合板の上下を通して循環し、その流速
は繊維層内空塔速度でｂＯｃｍ／秒としム不融化炉の全
長はｓｔｔｏｏｍで繊維はこの炉内に３時間滞在した。

次に進行方向を９０°づつコ回変更し、別の油圧装置に
より不融化を終った繊維を収納したままの容器を乗せた
合板を逆方向に押しながら炭化炉に送入した。

炭化炉内には特に仕切を設けず、長さ５００θ簡の炉内
の合板の上および下に炭化ケイ素発熱体を全部で２０本
等間隔で設置し、入口温度３００℃、出口温度７３００
℃となる様に調節をした。

炭化炉入口で、不活性ガスをもって空気をパージしたの
ち、合板上の容器に収納されたままの繊維は炭化炉内を
／時間ｑｏ分で通過して炭化を終了し、３００℃まで冷
却されたのち炉外に送り出された。

炭化炉内では合板の下部から少量のＮ２ガスを送入して
炉・の天井に設けられた排気ノズルよ、り発生ガスと共
に排出した。

このようにして得られた炭素繊維の性状と同じ炭化装置
で出口温度を７０００℃とした時のものの性状とを下記
に示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は不融化炉の横断面図、第２図は不融化炉の縦断
面図、第３図は炭化炉の横断面図、第９図は炭化炉の縦
断面図、第Ｓ図は本発明方法を実施するための装置の一
例を示す平面図である。 ／・・・・・・繊　維 °ス　　・・・・・・　　容　　　器 ３　　・・・・・・　　台　　　板 ダ　　　・・・・・・　　　し　　−　ル左　・・・・
・・　熱交換器 乙　・・・・・・送風機 ７　・・・・・・　不融化炉 ｇ　・・・・・・発熱体 ヲ　・・・・・・　不活性ガス導入口 １０　・・・・・・　不活性ガス排出口／／　・・・・
・・　炭化炉室 ７．２　・・・・・・　台板押し出し装置／３　・・・
・・・　ピッチ繊維 ／４’　　・・・・・・　炭素繊維

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／　石炭系ピッチを溶融紡糸し、得られたピッチ繊維を
   不融化炉において酸素含有ガス中で不融化処理し、つい
   で炭化炉において不活性ガス中で加熱して炭素繊維を製
   造するに当って、該ピッチ繊維を通気孔を有する容器に
   高充填密度で収納して該不融化炉および炭化炉を通過さ
   せることを特徴とする炭素繊維の製造方法。 ユ　繊維を収納した容器を合板上に乗せ、この合板をレ
   ニル上を滑らせることにより炉内を移動させる特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ３、　不融往工程において酸化性ガスを繊維を収納した
   通気性の容器および合板の通気孔をｉ山して流す特許請
   求の範囲第１項もしくは第２項記載の方法。 ９　炭化工程に於て不活性ガスを繊維を収納した通気性
   の容器および合板の通気孔を通して流す特許請求の範囲
   第１項もしくは第２項記載の方法。