JPS59131879A - 高強度高弾性黒鉛繊維の製造装置 - 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】 本発明は、高強度高弾性の黒１１繊維を製造する装置に
関するものである。更に詳しく説明すれば、アクリロニ
トリル系ｖａ紺より得られた炭素ＩＩ維から高周波誘導
加熱によって高強度高弾性を有する黒！９繊維を製造す
る装置に関づ−るものである。

従来、黒鉛繊維をＩ！ｌ造する方法として、炭素１ＪＩ
ｉ維を２，０００℃以上の温度で処理することは知られ
ている。このような高温処理で街らねる黒鉛繊維は、イ
の製造途中段階である１、２００〜１．４００℃の処理
で得られる炭素繊維に比べると強度が大幅に低下すると
いう欠点がある。このため、高強度品としては炭素４Ｍ
維、高弾１１品としては黒鉛繊維の何れかを選択する必
要があった。

こうしたことから、高強度でしかも高弾性の黒鉛繊維が
望まれてきた。一方、黒鉛繊維の製造には２　、０００
℃以上、特に２，５００’Ｃ以、ｊ二の高温が必要であ
るため、エネルギー面について、また高温雰囲気中での
発熱体の耐酸化性について問題があった。

従来、黒鉛繊維を得るに必要な高温発生手段としては抵
抗加熱方式（例えばタンマン炉使用）、高周波プラズマ
方式（アルゴンガス使用）、高周波誘導加熱方式（同加
熱炉使用）などが知られている。

抵抗加熱方式は、３，０００’Ｃ以上の高温を作りかつ
安定を維持する点で優れた方法であるが、光熱体に直接
数百ないし数千アンペアもの高電流を通すため、発熱体
に接続される電極が大きくなり、しかも高電流のため電
気抵抗ににる発熱があり、この部分の冷却が感型となる
。また、発熱体の周囲は、熱効率を高めるために充分な
断熱（保温）が不可欠である。

こうしたことから、加熱炉は大型でしがも複雑となる。

更に発熱体に直接電流を流すため、これにｕＡＮが接触
すると漏電する危険がある。

高周波プラズマ方式（アルゴンガス使用）は、？５英管
内にアルゴンガスを流し、これに高周波磁界を加えるこ
とによりアルゴンプラズマを発生させるものである。こ
の方式によると１０，０００’ｋｌｌ！ｉ！度の高温領
域を比較的前１１１に、しがも短時間で作ることができ
る。しかし、この高温領域が動いたり、消滅したりする
ため安定性を欠く欠点がある、更に高温領域と低温領域
との境界域が小さく黒鉛４１ｉ帷を１ｑるに必要な昇温
、渇廉分布を１ｑることができない。このため、繊組を
処理する際に温度斑を生じ安定した品質のものを得るこ
とが困ＨＴ”ある。

高周波誘導加熱方式は、３，０００℃１ストの高温領域
を作り、かつ安定に維持づる１ＪＩＪ最も優れた方法で
ある。高周波誘導加熱炉に備えられる巻 発振ｌは、電画電圧±１０％変更に対し、高周波出力の
変動を±０．１％に抑える制御回路を有しており、加熱
電源どじでは非常に安定している。

このような高周波誘導加熱方式は、安定性よく適）品が
１ｑらねる点において優れている。

何れの方法を採用するとしても、被処理繊維を高温領域
に導入するために、最高温度領域からできるだけはなれ
た位置に被処理繊維の導入、排出口を段（）な（プれば
ならず、装置が大型化すると共に複雑なものとなる傾向
があった。

本発明者等はこのような様々な問題のある黒鉛繊維の製
造について検討し、アクリ１コニトリル系繊維を原料と
して得た炭素繊維から高強度高弾性の黒鉛繊維を高周波
誘導加熱方式により１ｑるための優れた装置を開発覆る
ことに成功し、本発明に至った。

すなわち、本発明の黒鉛Ｉｌ（絹製）告装置は、アクリ
ロニトリル系Ｉｌｌより得た炭素１１紐から高強度高弾
性を右する黒鉛繊維を連続的に製ｙｌｉづ−るための高
周波誘導加熱装置であって、被処理織麗の通路となる直
胴孔を有する発熱体Ｃ炉芯筒）を介して被処理繊維の供
給部と引取部を有し、該発熱体の中央部の肉厚を厚くし
、発熱体を断熱材で包み、かつ断熱材の空隙および被処
理１１雑の加熱処理部を不活性ガス雰囲気中に保持しう
るようにしたものである。

このような装置を使用すると、高強度高弾性の黒鉛繊維
を得ることができ、また放熱が少なく、局部的に安定性
が高く、高温領域を得ることができる。

ここでアクリロニトリル系繊維とは、繊維構成重合体成
分中に少なくとも９５％のアクリロニトリルを含む重合
体又は共重合体よりなる繊維であり、共重合成分として
は、アクリル酸、メ５− タアクリル酸又はこれらのエステル類、塩類、アクロレ
イン、アクリルアミドなどの通常アクリロニトリルどの
共重合用として知られているビニル系単醋体が使用でき
る。

黒鉛化処理に供される原ｉ１’ｉｌ繊判自Ｊ上記アクリ
ロニトリル系ｗ４紐を耐炎化処理（酸化処理）したのち
炭化処理して１ワられた炭素１１ｉ緒の短繊維又は１１
ｉ緒束である。

アクリロニトリル系１１ｉｌｔｆｆの耐炎化は、例えば
特公昭５２−３９１００号公報などですでに知られてい
る通り、２００〜３００℃の酸化性雰囲気中制限収縮下
０．１〜１０時間処理することによって行なわれる。炭
素繊維は、この耐炎ｍＭを２００ｍＣＪ　／／ｄ以下の
張力下、不活性ガス雰囲気中６００〜１，５００℃の温
度で０．１〜１０分間処理することによって得られる。

本発明の装置による黒鉛化処理は、このような炭素Ｉｌ
ｌを用いて行なわれる。黒鉛化処理は、好ましくは、次
のようにして行われる。Δ１・、Ｈｅ、Ｎ等特にＡｒ、
Ｈｅなどの不活性ガス雰６− 囲気中１０〜３０ｍ　ｇ　、’ｄの張力下におイテ、６
００ダ ＝１５００℃から２，７００・〜３．葛００℃の温度に
達するまでは２００〜１０ＤＯ’Ｃ、′ｓｅＧの昇温速
度で加熱し、該温度にて０．１〜３分間保持される。こ
のように昇温速度は２００−１０００°Ｃ／ｓｅｃとづ
ることが必要で、２００℃／　ｓｅＣより遅いど繊維は
雰囲気中の不純物、ｔＵ紐からの発生ガスにより悪影響
をうけ、１．ｏｏｏ℃／ＳｅＯより速イと被処理１１１
の１１１１１　ＩＩの内外層間において処理斑を生じ両
者間の歪にＪ：る織組の破壊等による強度低下を生ずる
。また、黒鉛化時の張力１ｆｉ　ｉＯｍ　ｇ　、′ｄ未
渦のときは強度が低く、３０ｍ　ｏ　／（＋を越えると
厭紺東の１１１糸切ね、毛羽の死生等が起ると共に強度
も低下してくる。

黒！ｉ）化処理温瓜の２，７００・−３，！ｉ００℃に
お（Ｊる保持時間は０．１へ・３分間である。保持時間
が０．１分より短いと高い弾性が１ｑられす、３分より
長いと強度低下が大きくなる。処理時間と強度及び弾性
率どの関係を示すと第１図の通りである。図中■は３，
３００℃、■は２，９００℃、■（よ２．６００℃で夫
々処理したＩＩＩについて示している。

このように繊維の弾性率（第１図実線）は、処理部間０
．１〜０．５分で急に」：がするが１〜１．５分でほぼ
平衡となる。一方繊維の強度（第１図点１ｊ！　＞は、
３分より長くなると急激に低下Ｊ”る。したがって、０
．１〜３分間で処理することが必要である。

従来、黒鉛繊維を得るための高周波誘導加熱装置として
第２図に示づ−ごとぎ直胴管状発熱体のものが７ＪＩら
れているが、このような装置は発熱体からの外部への放
熱が大きく好ましくない。

寸なわら、■両端部の調度が高くなり、これを防出する
ために炉が長くなる欠点を有すると同時に被処理繊維束
の空気置換が充分に行なわれないうちに急激に加熱され
ることとなり、■放熱が犬さいだめ使用電力が多く必要
どなる、などの欠点を有する。

ぞこで本発明者等は、炉芯筒である発熱体の形状を第３
図に示づ如く、肉厚を中央部を厚くし、両端部を薄くす
ることにより発熱体中央部の熱容量を大どして高調に８
１ｔ　Ｒｊ　Ｌ、両端部への伝熱を少なくすると杖に両
端部からの放熱を少くしうることを見出した。第２図及
び第３図１よ炉芯筒である発熱体の断面図であり図中（
１）は発熱本体を示し、（２）　Ｌｌ、中空部であり被
処理ＩＩ紐の通路となる。第３図の如き発熱体を使用し
、黒鉛化処理を行うと装置の小型化と共に被処理繊維の
処理）温度までの昇温速度の調整も容易である。本発明
のＩＩにあ〆つでは、このような発熱体の周囲を断熱材
で包み、断熱材の空隙及び被処理ｍＨの加熱処理部は不
活性ガス雰囲気中に保持しうるようにする。発熱体の温
度分布は、発振コイルの形状、或１ユ発熱体に対する位
置などにより２，７００〜３，５００℃の温度分布を長
さ方向に容易に作ることができる。

第４図は本発明装置の１例を示す高周波誘導の 加熱炉／断面概略図である。図中（１）は発熱体（炉芯
筒）の中央部に市内円筒（２）を有する箆・状体であり
、発熱体の両端より肉厚となる。

肉の厚さは中央部から段階的に、あるいは局面９− 的に順次薄くηろことが７・′きる。実際の設置におい
て、肉厚の差は３〜３０倍程醍であるが両端部はできる
だ１ノ薄い方が好ましい。

発熱体（１）は、断熱材（３）を介してルツボ（４）に
垂直に納めらｈチ１？ンバー（５）内に設置される。

発熱体（１）の材質はカーボン、思６１）が適する。ま
た、断熱材（３）は、発熱体からの放熱を防ぐと共に外
壁材を保護覆るためのものであり、通常はカーボンブラ
ック、カーボンフェルト等が使用される。（６）は高周
波誘導コイル、（７）は不活性ガス供給口である。被処
理繊維（８）は、供給ローラー（９）を介して張力を調
整しつつ供給され、処理された後引取ローラー（１０）
を介して系外に取出される。

処理中系内を不活性ガス雰囲気に保つため（こ（７）か
ら不活性ガスを供給する。これにＪ−り被処理繊維通路
及び断熱材（３）の空隙、ルツボ（４）とチャンバー（
５）の間が不活性ガス雰囲気とされる。チャンバー（５
）の材質は通１０− 常絶縁１４のもの例えば石英ガラスが使用される。

図中（６）の高周波誘導コイルは、発熱体中央の肉厚部
を中心に磁界を生じさせ、発熱させるように設置する。

また該コイル（（ｉ）　ＩＪ：＞９９Ｗす氷 ることが好ましい。同コイルには発振ノが接続が１０゜ かかる装置によると発熱体の端部の肉厚を防くすること
によって端部の容積を小さくし、もって放熱及び温度勾
配を好ましい昇温速度に）ｔ）うよう容易に設定するこ
とができる。

また、加熱部以外の領域の温度を低くすることかでき、
更に高温領域形成のための総エネルギー量を少なくする
ことができる。肉薄の部分（ユ下端部より上端部を長く
することが好ましい。

これ（ま熱流の方向と一致させるためで゛ある。

このような装置によって黒鉛綴紐を製造するには発熱体
の一方端部より被処理繊組を供給し他端より取出し、そ
の間に黒鉛化が行なわれる。

彼処１！ｌ！ＡＭ　ＩＩＩは下方、−Ｌ方いずれの方向
からでも供給でき、また不活性ガスの供給ら方向は１ｆ
意であるが、運転中は高温部が不活１〕１雰囲気に保た
れるよう常詩供給することが好ましい。処理時間及び昇
温速度は彼処Ｉ！１！繊維の供給）中度によっても調整
される。

本発明の装置にＪ、って炭素１ｍを黒鉛化処理した場合
と、従来の直胴型の発熱体を使用した場合とを比較して
、処理条件及び製品物ＩＪ’を示すと第１表の通りであ
る。

　１３− 第１表の結果によｌ’ｌば、本発明の装置を使用したテ
ストＮｏ、■、■の場合、得られた黒！８繊維は比較例
の３の場合に１ヒし高強度で高弾１ってあって優れてい
ることがわかる。

実施例 第４図に示した本発明高周波誘う〃加熱装置において、
内径５ｍｍφ、両端部外径１０　ｍｎｌ、中央部り目￥
４０ｍｍφ、全長３０５ｍｍ　、中央大径部長さ１７０
ｍｍ１上端細径部良さ８０　ｍ　ｍ、下端細径部長さ５
５　ｍ　ｍの炉芯筒を断熱拐で包みアルゴンガスで充填
し、更にアルゴンガスを１０Ｒ／分で流通させた。炉外
側の中央より４００１＜　ｌ−Ｉ　Ｚ、出力９ｋｗの発
振器にて発熱体中央部を発熱させた。その結果発熱体の
両端面の温度は３００℃、中央部最高）晶度３３５０℃
で、３３５０℃の濃痘領域の長さは約１５０１１１ｍで
ある。

一方原料Ａｌｌ　Ｉｔとしてアクリロニトリル９Ｈｗｔ
）％、メチルアクリレート２（Ｗｔ）％の共重合体から
なる０、８デニール、６０００フイラメン１へのストラ
ンドを空気中２７０℃１５分、２８０℃１０分張力＝１
４− 、５０ｍ　ｇ　／　ｄで加熱処理した。得られた耐炎繊
組を１３００　’Ｃの抵抗加熱炉にてＮ２気流中張力１
０ｍ９　′ｄで３分間処理した炭素繊維を使用した。

前述の装置にこの炭素繊維を下方から炉芯筒１の内筒に
供給した。通過速度１５０　ｍ　７分、張力１０ｍｇ／
ｄであった。

このときの２７００℃までの昇温速度は２２５°Ｃ７２
／秒、３３００℃以」ニでの保持時間は１分間であった
。アルコン）Ｓ　スｔｉ　Ｊ一方（１）　入ＩＴＩ　７
Ｊ：　’０１０Ｑ／　分’Ｔ’　Ｏｊ　ＮＢした。この
ように炉芯筒１内を通過し黒鉛化処理しローラー１０を
経て外部に引き出さＩｌｌだ。

得られた黒鉛繊維の性能は強度２５５ｋｇ　／ｍｍ’　
、弾１ｉ率５０１−／ｍｍ’　であった。

率のみ向上した。

一方比較例どして外径４００ｍｍφ、内径５ｍ　ｍΦ全
全長０！ｉｍｍの直胴型発熱体を上記発熱体に変えｌ；
装置について同様に温度分布を測定した結果、両端面の
温度ｔ；Ｉ：　６００’Ｃ、中央部温度は３０５０°Ｃ
であった。ヌ３０　！ｉ　０℃の調度領域の長さは１４
０ｍｍであった。

【図面の簡単な説明】

第１図ｔａ＊弁明装置を使用した場合における処理時間
と強度及び弾性率との関係図、第２図１．１．従来の直
胴型発熱体の断面図、第３図は本発明装置の中央肉厚型
発熱体の断面図、第４図は本発明装置の一例を示ず装置
の断面概略図である。 記号の説明 第１図において■〜■：夫々３３００℃、２９００℃、
２６００℃で処理したどきの曲線 第２〜３図において１：光熱鉢本体、２：中空部 第４図においてに発熱体、２：眼内円筒、３：ＶｒＩ熱
材、４　：　／ｌ／　ツ、１＜、５：チｔンハー１６：
高周波誘導コイル、７；不活性ガス供給口、８：被処理
繊維、９：供給ローラー、１０：引取ローラー 第１　図 一→Ｆｌ子間（今） 第２図　　　　銘３図 ４２５ 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アクリ［」二１〜リル系繊維より得た炭素繊維から高強
   度高弾性を有する黒鉛繊維を連続的に製造覆るだめの高
   周波誘導加熱装置において、被処理繊維の通路となる直
   胴孔を有する発熱体（炉芯筒）を介して、彼処ＩＩＩＩ
   繊紐の供給部と引取部を有し、該発熱体の中央部の肉厚
   を厚くし、発熱体を断熱材で包み、かつ断熱材′の空隙
   及び被処理繊維の加熱処理部を不活性ガス雰囲気中に保
   持しうるようにした黒鉛繊維の製造装置。