JPS60126324A - フィラメントの揃いの良い炭素繊維束を製造する方法 - 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 本発明は石炭系ピ、ンチ、石油系ピッチ、有機物焼成ピ
ッチなどのピッチ類を溶融紡糸し、得られる繊維束糸条
を、酸化雰囲気中で加熱して不融化し、次いで不活性雰
囲気中で炭化、あるいは必要に１５して黒鉛化する事に
よって連続フィラメント状の炭素繊維を製造する方法に
関するものであり、更に詳しくは連続的にピッチ繊維を
熱処理する方法に関する。

従来技術 ピッチ類を原料とする炭素繊維は、レーヨン系や、アク
リルニトリル系等の炭素繊維に較べて炭化数十が高く、
低コストであり、又原料がメンフェースピンチやプリメ
ソフェースピッチ状であるときは、これらに較べて黒鉛
化性が優れ、弾性４Ｋが高い特長がある。

ピンチ系炭素繊維を製造する方法はピッチ類を加熱溶融
して紡糸機から押し出し、必要に応じて集束して、まず
ピンチ繊維を得、これを空気などの醇化性雰囲気ドで最
高２００〜４００　’Ｃｉ付近に加熱して不融化して不
融化ｍ維とし、次いで炭化炉内で窒素などの不活性カス
雰囲気中で例えばｅ　ｏ　ｏ　’ｃ以」二に加熱して炭
化し、さらには２０００〜３０００　’Ｏの高温で処理
して黒鉛化して炭素繊維を得る。ピッチ繊維は炭化過程
で構成分子が環化、巨大化し。

平面構造が発達して高強度、高弾性となり、これにより
織物用や、複合材料の補強改質用として特性を発揮しう
る。

炭素繊維がこの様な用途や、他の特性を生かした用途に
利用されるに於ては、これが連続したフィラメント状で
ある事が、要求される長さのものを供給し、またこれら
加工工程を連続化し、加工品の品質を安定させる上から
非常に重要な事である。然し乍らピッチ系炭素繊維の製
造に於ては、これを連続したフィラメント状で製造する
のは著しく困難であった。これはピッチ繊維や不融化繊
維の強度が１〜５　ｋｇ　／　ｍ　ｍ’程度、伸度０．
５〜２．０％程度ときわめて脆弱な為、ガイドでの屈曲
、擦過、糸層表面の打撃等接触や機械的張力によって簡
単に切断するので、繊維を不融化、炭化設備内でロール
で駆動させて、連続的に処理する事が極めて難しいため
であり、この点が同じ炭素繊維でもポリアクリルニトリ
ルを原料とする場合に比較してピッチ類を原料とする場
合の最大の難点となっている。その為にやむなくピッチ
を溶融紡糸し繊維束を容器に沈積させ、その状態のまま
不融化ならびに炭化する方法などが工夫されているが、
その様な方法では繊維が広い面にわたって、容器の底面
に触れ、この部分が炭化時に熱の伝達が異常となり、均
質な炭素繊維が得られにくい。また繊維束が容器内に沈
積した緊張の無い状態では不融化、炭化過程での中糸の
収縮挙動がまちまちであり、繊維束としてのまとまりが
損なわれてしまう。この様に従来の方法では、ピンチか
ら連続した炭素繊維を製造する車は極めて難しく、製造
出来たとしても繊維束を構成する単糸がルーズになって
いたり、切れて毛羽立って荷姿の悪どなるのは避けられ
なかった。

ピッチ繊維の不融化、炭化過程におけるハンドリング方
法については特開昭５８−　Ｅ１００１ｉ９号公報にピ
ッチ繊維を通気孔をイ１する容器に高充填密度で収納し
て不融化炉、炭化炉を通過させる方法が開ボされている
か１段で炭化を終了してしまうので紡糸過程や緊張のか
からない不融化や炭化で生じた中糸の不揃いを解消する
事が出来ない。また特公昭５１．−１２７４０号公報に
は紡糸されたピッチ繊維を集束剤により集束したのち受
器に沈積せしめその状態で不融化、炭化して２ｔ／ｃｍ
’以上の引張り強度とし、その後フィラメント状繊維を
沈積状態から引き出す連続フィラメント状炭素繊維の製
造方法が示されているが、引き出された繊維はそのまま
製品とするか、２．’０００℃以上に焼成して、黒鉛化
されるものであり、本発明のように炭化過程における繊
維の伸度発現現象を利用してフィラメントの揃いの良い
炭化糸を得る為にピッチ繊維を２段階に分けて炭化する
方法ではない。

また別の方法として特公昭４７−　１０２５４号公報で
は有機化合物を６００ｍ／分以上の速度で　１，０００
倍以−ヒの延伸倍率で溶融紡糸し、不融化炭化あるいは
黒鉛化するに於て５５０〜８５０℃及び或は１，３５０
〜２，８００°Ｃの温度域において応力を加える炭素又
は黒鉛質繊維の製法が示されているが、繊維の黒鉛化性
を改善しようとするものであり、強度の弱いピッチｌａ
ｍや不融化あるいは炭化初期の取扱いの困難さを克服し
てフィラメントの揃いの良い炭止糸を製造する方法を示
すものではない。

発明の目的 本発明は、ピッチｍｓが強度や伸びが低い為にポリアク
リルニトリル繊維の場合の様に不融化、炭化上程を通じ
て繊維束をロール駆動して緊張庫に連続処理する事がで
きず、各単糸の揃いの良い毛羽立ちの無い炭素繊維が作
り難い点を解決して繊維束として優れた形状を有するピ
ッチ系炭素繊維の製造方法を開発したものである。

発明の構成・作用 その骨子とするところは、ピッチを多孔押出紡糸機で溶
融紡糸し集束剤を使わずに気流引取装置を介して受器に
引取る事により連続フィラメント状ピッチ繊維束を製造
する第１工程と、このピッチ繊維を通気孔を有する容器
にて、酸素を含むガス中で繊維に乱れが生じない範囲で
強制通風下に加熱して不融化したのち不活性ガス雰囲気
下に繊維の破断伸度が２．５％を越える迄加熱して炭化
（１次炭化）する第２工程と、１次炭化の終った繊維束
をロールを介して緊張下に炉内で駆動してさらに高温に
て炭化あるいは必要に応じて黒鉛化して炭素繊維とする
第３工程より成る車を特徴とするフィラメントの揃いの
良い炭素繊維束を製造する方法である。

単繊維の並びの良い揃った炭素繊維束を得るには、まず
第一にピンチの溶融紡糸において乱れの無いまとまった
ピッチ繊維束を作る事が必須となる。ここで重要な事は
集束剤を使わずにピッチ繊維束を製造する事である。繊
維束を作る場合集束剤を塗布して単ａｍをまとめる事が
一般に行なわれているがピッチ繊維の場合は集束剤をス
プレーやロールを使って塗布する過程で単糸の切断が起
って毛羽の原因になるうえに、単繊維どうしが集束剤に
よって局部的に付着し合うためａｍ束としてムラが生じ
る。またピッチ繊維は次いで不融化工程で加熱下に酸化
されるがこの付着した部分には空気などの醜化剤の拡散
が悪くなり均一な反応が阻害される。ただ集束剤を使わ
ずに繊維を防糸すると静電気の作用で単ｍ維が互いに反
撥して繊維束のまとまりが悪くなる場合があるので複数
筒のローラーで延伸しつつ気流引取装置を介して繊Ｍ１
束を受器に５引取り、その際必要に応じて静電除電器を
使用するなどの方法をとるのが良い。繊維束を受器に引
取らず糸巻きに巻取るのは次の工ＪＬ、ｌへ移イＩする
為の巻戻し作業が強度の弱いピッチ繊維では非常に難し
くなるので工業的には採用しにくい。

次に受器に投入されたピッチ繊Ｍ１束は第２工程に移り
通気孔を有する容器にて酸素を含むガス中で最高２００
〜４００℃迄加熱して不融化する。これとその後の１次
炭化迄は繊維の強度が低いので繊維に応力のかからない
様に静置状態で行うのが繊維束のνＪ　Ｋｌｉや毛羽を
防ぐ−１−から重要な事である。

この工程は反応及び炭化速度がゆっくりしていて時間の
かかるゾーンであるので本発明の様に容器内に多ｈ（の
繊維を収容して処理する事は炉の利用効率を高め生産性
の上からも非常に右利な方法である。不融化及び１次炭
化は繊維を容器に収容して実施するので容器や炉は共通
していても良い。

不融化工程に於ては酸化反応による発熱があるので通風
して除熱する。但し通風が強すぎると繊維束が乱れてし
まうので注意が必要である。通常０゜０２〜３ｍ／秒程
度の範囲が適当である。

これらの容器内に入れたままの処理を行なう為の通気孔
を有する容器は、各工程毎に夫々に適したものに移し替
えて使ってもよいが、紡糸工程のピッチ繊維引取り受器
をそのまま容器として使うと繊維の移し替え作業が省け
、移し替えに伴う繊維の乱れも回避されるのでより有利
である。

不融化終了後容器に入った繊維は、不活性ガス雰囲気下
に炭化する。本発明者らの観察によれば第１図に示すよ
うにピッチ繊維の炭化があるレベルにある間には繊維の
伸度が大きくなる１、このような段階になると繊維を延
伸することが可能となり、延伸すれば単繊維の集合状態
にある程度のルーズな乱れがあってもこれを整った集中
の良い状態に成形する事が出来る。本発明はピッチ繊維
が弱くまた伸びの出ない間は繊維束を乱さない様に静置
状態で不融化及び１次炭化し、次いで伸びの出る段階で
は第３工程に移してｍ維をロール駆動して緊張ドに炭化
炉を通して２次炭化する。１次炭化から２次炭化に切り
換える点は繊維の破断伸度が２．５％好ましくは３．０
％を越える点であり、炭化温度としてはピッチの種類に
よっても差はあるが４００〜７５０°Ｃ好ましくは４５
０〜７００°Ｃ付近である。この伺近では繊維の強度も
１０ｋｇ／　ｍ　ｍ’程度になり２次炭化として繊維束
が駆動する方法をとっても破断の危険性が少くなる。炭
化後半では繊維の収縮が太きく　１’Ｏ〜２０％にも達
するのでこの（＝１近を１次炭化の様に容器内で繊維の
自由収縮のままに放置するのは繊維の集合状態を乱す事
になり好ましくなく本発明の様に繊維の伸びの出る段階
で緊張のかけられるロール駆動処理に切り替えるのは非
常に意義が深い。ただこの緊張処理も？１１−繊維が既
に相互に強く付着し合っていると効果が少い。その点本
発明は第１工程で紡糸する際に集束剤を使用していない
ので第３工程での緊張に対し各単繊維が素直に延伸され
その効果が十分に発揮され良好な繊維束に成形される。

第３工程の処理温度は、炭化系の製造としては１５００
°Ｃ程度迄、また必要に応じて３０ｆ）、０’０迄の黒
鉛化処理迄−貫して処理する事が可能である。

第３工程においては、第２工程を終了した繊維束を２本
以上まとめて無撚りあるいは撚り合せて１本の繊維束と
して処理し生産性を高めたり、又、最終商品の繊維束の
要求する単繊維数に分繊したりして処理する事が出来る
。又、＄３工程で繊維束を駆動するのに繊維束とロール
との摩擦を減らし毛羽発生を抑える為に、各種の界面活
性剤や合成樹脂、シリコンオイルなどを含む油剤を使用
することも本発明の方向をより効果あらしめる。

実施例１ 軟化点２００°Ｃの原料ピ・ンチをホール数　１，００
０の押出し紡糸機で押出し２台のゴデツトローラと気流
引取装置を介して連続したピッチ繊維束を得た。２台の
ローラー及びローラーと気流引取装置の間には繊維束に
近接して静電除去装置を取付けた結果繊維の集束性は良
好であり、その繊度は　１．０００デニールであった。

この束ｉ、ｏｉｃｇを直径３００ｍ　ｍ、内容積４０文
の通気孔を有する金属性容器に入れて加熱炉に収め空気
を繊維層に対し通風速１１１７１．５ｍ／秒で通Ｌ　ｔ
　ｌｙ＜　ラ１５０’Ｏカラ２１１］０”０迄′ｌ’Ｃ
／分の速度で昇温し到達温度に２０分間保持して不融化
した。その後雰囲気を窒素に変え同じ通風速度で通気し
ながら３０分かけて５３０　’Ｏ迄加熱して１次炭化を
終了した。この繊維は強度１４ｋｇ／ｍｍ′、破断伸度
４．１％であった。この繊維束を連続してロールで駆動
し０．３ｇ／ｄの張力をかけつつアルゴンカス雰囲気ド
５５０〜１，０００’Ｃ！迄の温度勾配を有する炉に０
．２ｍ／分の速さで８分間がかって通して２次炭化して
巻取った。炭化糸はルーズや毛羽が無く良い集束状態で
あった。

実施例２゜ 実施例１と同様に紡糸したピッチ繊維束を　１．Ｏｋｇ
ずつｌＯ箇の直径３００ｍｍ内容積５０文の通気孔を有
する受器に引き取った。これらの受器を８ｏ分間で温度
１４０〜１６０’Ｏ１酸素４０％（残り窒素）；１６０
〜１８０°Ｃ１酸素３０％；　１１］［］　〜２５０’
Ｏ１酸素２０％：２５０〜３００　’０、酸素１０％を
それぞれ通風速度０．８ｍ　７秒で循環通風する不融化
炉に通しさらに窒素雰囲気下３０分かかって４００〜Ｂ
　２０　’Ｏに加熱する炭化炉に入れて１次炭化した。

この繊維の強度は２２　ｋ　ｇ　／　ｍ　ｍ’、破断伸
度は４．２％であった。この繊維束１０本をそれぞれシ
リコンオイル系油剤を塗布する塗布装置を経て１つにま
とめ２００　’Ｏの乾燥炉を通し次いで窒素雰囲気下６
ｏｏ二１２ｏｏ°ｃの温度勾配を有する炭化炉に０．５
ｍ　７分の速さでロールで引っ張って連続して通過させ
て巻取った。炉内滞留時間は１０分で張力は０．８ｇ／
ｄであった。炭化糸はルーズや毛羽が無く良い集束状態
であった。

発明の効果 以上詳述したごとく、本発明方法によればルーズや毛羽
の無いフィラメントの揃いの良い炭素繊維束を製造する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ピッチ繊維の炭化過程における強度、伸度の
変化を示す図面である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピッチを多孔押出紡糸機で溶融紡糸し集束剤を使
   わずに気流引取装置を介して受器に引取る事によりＸ１
   ！続フィラメント状ピッチ繊維束を製造する第１　工程
   と、このピッチ繊維を通気孔を有する容器にて、酸素を
   含むガス中で繊維に乱れが生じない範囲で強制通風下に
   加熱して不融化したのち／Ｉ”　７＋’＋性ガス雰囲気
   下に繊維の破断伸度が２．５％を越える迄加熱して炭化
   （１次炭化）する第２工程と、１次炭化の終った繊維束
   をロールを介して緊張下に炉内で駆動してさらに高温に
   て炭化あるいは必要に応して黒鉛化して炭素繊維とする
   第３−Ｌイνよりなる事を特徴とするフィラメントの揃
   いの良い炭素繊維束を製造する方法。
2. （２）通気孔を石する容器が紡出されたピッチ＃ａ　４
   ８束の引取り受器である特許請求の範囲第（１）項記載
   のフィラメントの揃いの良い炭素繊維束を製造する方法
   。
3. （３）ピッチを紡糸するに際し少くとも２個のローラー
   並びに少くとも１個の除電装置及び％流引取装置を介し
   て受器に引取る特許請求の範囲第（１）項記載のフィラ
   メントの揃いの良い炭素繊維束を製造する方法。
4. （４）１次炭化の終った繊維束を合糸あるいは分繊して
   から２次炭化する特許請求の範囲第（１）項記載のフィ
   ラメントの揃いの良い炭素繊維束を製造する方法。
5. （５）２次炭化に際し繊維束に油剤を塗布する特許請求
   の範囲第（１）項または第４項記載のフィラメントの揃
   いの良い炭素繊維束を製造する方法。