JPS6021910A - 連続的にピツチ繊維束を熱処理する方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は石炭系ピッチ、石油系ピンチ、有機物焼成ピッ
チなどのピッチ類を溶融紡糸し、集束して得られる繊維
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、あるいは必要に応じて黒鉛化する
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。

（ロ）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収率が高く、
低コストであり、又原料がメンフェースピッチやプリメ
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、弾性率が高い特長がある。

ピッチ系炭素ｍ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
ピッチｍ維を得、これを空気などの酸化性雰囲気下で２
５０〜３５０℃付近に加熱して不融化して不融化繊維と
し、次いで炭化炉内で窒素などの不活性ガス雰囲気中で
例えばｓｏｏ’ｃ以上に加熱して炭化し、さらには２０
００〜３０００°Ｃの高温で処理して黒鉛化して炭素ｍ
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、年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＃１１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↓
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／　ｎｕｎ２程度、伸度Ｑ
−５〜２．０％程度ときわめて脆弱な為、ガイド、マの
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受器に沈
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、受器の底面に触れ、この部分が触れない部
分に較べてガスや熱の伝達が異常となり、この為、その
部分だけが不融化せず融着したり、不融化程度にムラが
生じたりして均質な炭素繊維が得られにくい。

またｔａｍ束が重なり合って各単ｍ維がもつれ合ったり
、その為に単糸切れが生じたすし、さらにピッチ繊維は
処理過程で収縮するが、繊維束が受器内に沈積した緊張
の無い状態では単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われてしまう。この様に従来の
方法では、ピッチから連続した炭素繊維を製造する事は
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
悪くなるのは避けられなかった。

（ハ）発明の目的 本発明者はピッチを原料として単糸の並びの整った毛羽
の無い炭素＃ｌ！維束を製造する為には、ピッチ繊維束
をロール駆動して張力をかけながら連続して熱処理する
以外にないと考え、これを実施するに当って生ずる問題
点の解決に取り組み、鋭意研究の結果本発明を完成する
に至ったものである。

に）発明の構成１作用及び効果 ピッチ繊維を炭素Ｓ維に転換する過程に於ては、まずこ
れを酸化性雰囲気下に加熱して不融化繊維に変えねばな
らない。これは通常２５０〜３５０°Ｃ迄の温度に保持
する事によって成されるが、不融化度の低いピッチ繊維
は溶融し易いので、不融化はピッチの軟化温度以下の温
度から出発して徐々に昇温しなければならない。不融化
反応はピッチ＃ｌｌ＃ＩＩに酸素が３〜ｌＯ重量％程度
付加する事によって完了するが、不融化過程で繊維は１
〜５％程度収縮する。又繊維の強度は不融化を経ても殆
ど大きくならず、ピッチ繊維と較べ実質的に変らない程
度に脆く弱い。

不融化に次いで繊維は不活性ガス雰囲気下に加熱されて
炭化糸となる。通常８００℃以上迄加熱される。この過
程に於いて、ピッチ繊維を構成する分子は次第に合体し
て巨大化し、同時に５〜１５％の収縮を生じ、それにつ
れて繊維の強度は徐々に大きくなるが、分子の合体度の
比較的低い６００°Ｃ迄の低温度域に於ては、繊維強度
はなお一般の高分子繊維に較べて小さいので、この付近
迄の取扱いは不融化過程と同様細心の注意を払うことが
望ましい。

さてピッチｍ維束をローラーで連続駆動して不融化過程
あるいは引き続いて炭化過程を通過させ、単糸の揃った
毛羽立ちの少ない炭素繊維束を作るに当って、繊維束取
扱い上爪も重要な点は、繊維束にかかる駆動張力を、そ
の抗張力以下の範囲で工程を通じて極カ一定に保ち、部
分的に過大な張力がかかるのを避けること、逆にまた、
工程を通じてＵ＆維束が垂んで単糸配列に乱れが生じる
事がない様、絶えず緊張がかかる状態に保つ事である。

本発明は、脆弱なピッチ繊維束が熱処理過程で徐々に微
妙な収縮を生じる中で、この様に一見矛盾した張力コン
トロールと緊張の維持を実現する方法として、ピッチ繊
維束を送り出しローラー、炉内に配した複数個のローラ
ー及び引取りローラーを介して不融化炉或いは引き続い
て炭化炉を通過せしめるにあたり、不融化炉内或いはこ
れと炭化炉の夫々を複数の温度帯域の部屋に分割し、各
部屋内に於ては、繊維束は複数個の対になったローラー
と懸垂関係に置き、ローラーの少なくとも１つは自在回
転するダンサ−ローラーで、各部屋のダンサ−ローラー
の少なくとも１つは、位置検出機構を持ち、その検出さ
れた位置から各部屋のローラー及び或いは送り出しロー
ラーあるいは引取りローラーあるいはこれらの組合−せ
を選んでローラーの駆動速度を制御して、繊維束にかか
る張力を一定に保持しつつ、連続的にピッチ繊維束を熱
処理することにより、単糸の切断がなく、またｍ維束が
ルーズになって荷姿が崩れる事もなく、連続して処理出
来る事を見出した。

以下本発明の方法をその概念を例示する図面によって説
明する。

第１図においてピッチ繊維束（あるいは繊維束群）ｌは
送り出しローラー２によってボビンあるいはケンス３か
ら熱処理室４に送り込まれる。８は適当に配置されたガ
イドである。熱処理室４は酸化性雰囲気の不融化炉ある
いはこれと不活性ガス雰囲気の炭化炉から成る。熱処理
炉内ではローラー５とローラー６が上方及び下方に対向
して配置されていて、ピッチ繊維束ｌは以下の理由から
両ローラー群の間を懸垂関係を成して通過させる。すな
わち、ピッチ＃ｌｌ維の不融化反応は繊維が熱融着しな
い様きわめてゆっくり昇温しなければならないが、これ
をピッチ繊維束１の連続駆動処理に適用する場合、熱処
理炉４内に滞留するピッチ繊維束１の長さが非常に長く
なる。従ってもしピッチ繊維束１を水平に駆動させると
すれば炉長は極めて長いものとなり、膨大な敷地面積を
必要とする。本発明の様にローラー５と６を対向させて
この間にピッチ繊維束１を懸垂させれば、熱処理炉４の
空間利用率が高くなり、敷地の有効利用が図れる。熱処
理炉４は複数の温度帯域の′部屋４′、４″や・Ｑに分
割されている。これはピッチ繊維束ｌは徐々に昇温しな
けらば融着するので、熱処理炉４内に温度勾配を持たせ
る必要があることと、ピッチ繊維束１は各処理温度に応
じて膨張、収縮が生じ、それによって張力の変動が生じ
るが、これを速やかに吸収する為に熱処理炉４をピッチ
ｍ維束１のｖＩ６脹、収縮のパターンに応じた各温度帯
域毎に分割、シて、その中にダンサ−ローラー６′を配
して張力変動を吸°収しようとする為である。

ダンサ−ローラー６′はスプリングあるいはエアシリン
ダーその他の方法による復元機構を備えた自在回転ロー
ラーであるので、ゴ定ｌＪ内で変位が可能であり、ピッ
チ繊維束ｌに常時軽い緊張を与えつつ、張力の変動を吸
収して、ピッチ繊維束１が乱れてルーズになるのを防ぐ
と可時に、急激な張力変動により切断するのを防止する
。

以上の様な理由から、熱処理炉４の部屋４′、４″Φ争
・へり分割の区分は、融着な起さない為の温度勾配から
決められる区分と、膨張・収縮による張力変動に対し各
部屋４′、４″・・・に配置したダンサ−ローラー６′
が対応出来る為の区分のより小さい方で決めるべきであ
り、不融化炉で２つ以上、究極的にはローラー５．６の
各１対毎に分割されることもある。

各部屋４′、４″・・・内のダンサ−ローラー６′は、
ローラー６の中から各部屋で少なくとも１つ選んで設け
る。これも究極的にはローラー６すべてがダンサ−ロー
ラー６′となることもある。ダンサ−ローラー６′は繊
維束１にかかる張力が、変動すると変位し、これをスプ
リング或いはエアシリンダー等で吸収する。本発明では
さらにこのダンサ−ローラー６′の位置から、ピッチ繊
維束ｌにかかる張力を検出して、ローラー５や６の、さ
らには送り出しローラー２や引取りローラー７の駆動速
度を制御し、ピッチ繊維束ｌにかかる張力変動を最小に
し糸切れを防ぐものである。ダンサ−ローラー６′で検
出される標準位置からの変位の情報は、出来るだけ多い
方が良く、各部屋４′、４′・・・内のダンサ−ローラ
ー６の少なくとも１つは位置検出機能を備え、各温度の
膨張・収縮帯域の変動に対応出来る様にし、究極的には
すべてのダンサ−ローラー６′に検出機能を備えること
もある。

本発明では、さらに好ましくは送り出しローラー２や引
取りローラー７と対を成すローラー２′や７′もダンサ
−ローラーと成し、さらに好ましくはこれらにも位置検
出機能を持たせる場合もある。ダンサ−ローラー６′さ
らには２′や７″の位置から検出されたピッチ繊維束１
の張力から、ローラー５や６の駆動ローラーの速度、さ
らには送り出しローラー２や引取りローラー７の速度は
、ダンサ−ローラー６′や２′、７′の変位を標準位置
に戻す方向で成されるが、これは各ダンサ−ローラー６
′や２′、７′と対を成すローラー５や２．７の速度を
制御する場合、及びすべての位置検出ローラー６′さら
には２′、７′の変位から演算してローラー５．６さら
には２．７の複数個あるいはすべての速度を同時に制御
する場合がある。

ピッチ−繊維束１が複数本の場合、本発明の方法を実施
するに当ってはすべての繊維＊１の張力が等しくなって
いる事が必要である。それはダンサ−ローラー６′の張
力変動吸収作用や位置検出がピッチ繊維束群１の卆均値
に対して成される為、張りの強いピッチ繊維束ｌには強
い張力がかかり糸切れするおそれがあり、また張りの弱
いピッチ繊維束１はルーズになる可能性がある為である
。

これを防いで本発明の方法を実施する為に必要に応じて
次の様な方法を採るのが良い。

すなわち、送り出しローラー２あるいは引取ローラー７
及びこれと対を成すダンサ−ローラー２′あるいは７′
の片方あるいは両方を、ピッチ＃ｌ！維束群ｌの各々に
対応して独立に配置し、すべてのピッチ繊維束１に一定
範囲内の緊張がかかる採にすれば良い。さらに好ましく
は、各々ピッチ繊維束１に係るダンサ−ローラー２′や
７′の変位から、（ｌ々のピッチａｍ束ｌにかかる送り
出しあるいは引取り張力を検出して、これにより、個々
のピッチ繊維束１を駆動する送り出しローラー゛２ある
いは引取りローラー７の駆動速度を制御すれば、各ピッ
チ繊維束１の張力をより一層均等化して、熱処理炉４内
での処理に於るローラー巾方向のピッチ繊維束群１の張
力ムラを無くすることが出来、繊維束１の切断や垂みな
く連続的に熱処理する事が出来る。

（ホ）実施例 実施例１ １Ｏ＃Ｌの単糸から成、る１２０００デニールのピッチ
繊維束を第１図の様な装置で連続駆動して熱処理した。

熱処理炉は同容積の部屋１１室から成り、初めの８部屋
は加熱空気の流通する不融化炉として１５０°Ｃから２
０℃刻みで温度が上昇する様装置し、次の２部屋は初期
幾化炉として４５０°Ｃ及び５５０°Ｃに保ち、酸素濃
度３０ＰＰｆｆｉ以下となる様に窒素ガスを流し、最後
の１部屋では冷窒素ガスを流して繊維束を１００°Ｃ以
下に冷却してからボビンに巻き取った。各部屋内での繊
維束９行路長は１０ｍで、下部に自在回転のダンサ−ロ
ーラー、上部に駆動ローラ、−を５ｍ離して対を成して
１対ずつ配置し、同時に送り出しローラー、引取りロー
ラーにも対を成してダンサ−ローラーを配し、すべての
ダンサ−ローラーに位置検出器を取りつけた。

ダンサ−ローラーはスプリングにより最も低い位置で４
０ｇ、中心位置で２００ｇ、最高値で３８０ｇの荷重が
かかり、その移動可能巾は１８０ｍｍとした。繊維束は
不融化炉内で１．０％、炭化炉で２．２％収縮したが、
送り出しローラーは０．５ｍ／分の定速とし、他の駆動
ローラーは対を成すダンサ−ローラーが中心位置から２
０＋ａｍ変位すればこれを元に戻す方向に速度を調整す
る様に制御したところ、引き取りローラーの位置で平均
張力２２５ｇ　（１８，８ｍｇ／デニール）で安定し、
６時間の連続操業で繊維束の切断なく熱処理が出来、毛
羽やルーズなたるみのない熱処理系が巻き取られた。

実施例２ １０ルの単糸から成る１０００デニールのピッチ繊維束
１２本を第１図の様な装置で連続駆動して熱処理した。

熱処理炉はいずれも空気雰囲気の２部屋から成り、第１
室は２４０°Ｃ１第２室は２８０’Ｃの不融化炉で、各
部屋の繊維束の行路長はそれぞれＢｏｗｌｏｏｍであり
、実施例１と同様に自在回転のダンサ−ローラーと駆動
ローラーが１０ｍ離れて対を成して第１室には３対、第
２室には５対配置されていた。引き取りローラーにも対
を成してダンサ−ローラーを配し、これと、上記各部屋
の最終のダンサ−ローラーには位置検出器を取りつけた
。ダンサ−ローラーはスプリングにより最も低い位置で
４０ｇ、中心位置で２００ｇ、最高位で３６０ｇの荷重
がかかりその移動中は１８０ｍｍであった。繊維束の送
り出し側の駆動ローラー及びそれと対を成すダンサ−ロ
ーラーは繊維束毎に独立して１２対配されており、各ダ
ンサ−ローラーはスプリングにより最も低い位置で４ｇ
、中心位置で２０ｇ、最高位で３ｆ（ｇの荷重がかかり
、その移動可能巾は１６０１とした。

各繊維束は各送り出しローラーでそのダンサ−ローラー
がたえず中心位置の上下５ｍｌｌ１内に在る様に駆動速
度を調整されながら、平均して０．５ｍ／分の早さで熱
処理炉内に送り込まれ、炉以降では位置検出器の付いた
ダンサ−ローラーの変位を読み取り、すべての変位が常
に中心位置の上下５ｍｍ内に在る様に、すべての駆動ロ
ーラーの速度を同時に調整して運転した。ｔａｍ束は各
室で０．５９６ずつ収縮したが、引き取りローラーの位
置で平均張力２１０ｇ（１７，５ｍｇ／デニール）で安
定して運転出来、各繊維束とも切断なく、毛羽やルーズ
なたるみもなく熱処理されて巻き取られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、立面図で、本発明の説明図である。 ｌ・・・ピッチ繊維束、２・・Φ送り出しローラー、２
′Φ・φダンサーローラー　、３Φ・・ポビン、４＠・
・熱処理炉、４′、４″−・・部屋、５．６・・・ロー
ラー、６′ΦΦφダンサ−ローラー、７・・・引取りロ
ーラー、７′・・・ダンサ−ローラー、８φ・・ガイド
。 特許出願人　新日本製鐵株式會社 （ほか２名） 代理人　弁理士　井　上　雅生 手続補正書 昭和５８年１２月２３日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、本件の表示 昭和５８年蒔許願第１２５７８１号 ２、発明の名称 連続的にピッチ繊維束を熱処理する方法３、補正をする
者 事件との関係　特許出願人 住所　東京都千代田区大手町二丁目６番３号名称　（６
６５）新日本製議株式會社 代表者　武　１）　豊（ほか２名） ４、代理人　〒１０３ 住所　東京都中央区日本橋２丁目２番１号共同ビル（呉
服橋） 氏名　（８４７７）弁理士　井　上　雅　主電話　０３
（２７３）８３０５ ５、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 明細書第５頁第４行目の「ポリアクリルニトリルを原料
とする場合、」を「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」と訂正する
。 代理人　弁理士　井　上　雅　生

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピッチ繊維束を送り出しローラー及び炉内の上下
   に配した複数個の対をなしたローラーを介して不融化炉
   あるいは引き続いて炭化炉に通し、ついで引き取りロー
   ラーで引き取って炉内で熱処理するにあたり、不融化炉
   内あるいはこれと炭化炉とからなる熱処理炉を複数の温
   度帯域の部屋に分割し、各部屋内においては繊維束は、
   上下のローラーを交互に経由して進行し、各部屋のロー
   ラーの少なくとも１つは自在回転するダンサ−ローラー
   で構成され、各部屋のダンサ−ローラーの少なくとも１
   つは位装置検出機能を持ち、その検出された位置に応じ
   て、各部屋のローラー、あるいは送り出しローラー、あ
   るいは引取りローラー、あるいはこれらのいくつかの組
   合せについて、ローラーの駆動速度を制御して、繊維束
   にかかる張力を一定範囲に保持しつつ、連続的にピッチ
   繊維束を熱処理する方法。
2. （２）送り出しローラー及び（あるいは引゛取すローラ
   ーに対を成してダンサ−ローラーが配置されている特許
   請求の範囲第（１）項記載の連続的にピッチ繊維束を熱
   処理する方法。
3. （３）送り出しローラー及びあるいは引取りローラーと
   対を成すダンサ−ローラーが位置検出機構を持ち、その
   検出された位置、あるいはこれと炉内の各部屋の位置検
   出ダンサ−ローラーの位置から、各部屋のローラー及び
   あるいは送り出しローラー、あるいは引取ローラー、あ
   るいは、これらの組合せを選んでローラーの駆動速度を
   制御する特許請求の範囲第（１）項記載の連続的にピッ
   チ繊維束を熱処理する方法。
4. （４）ピッチ繊維束が複数本である場合に、送り出しロ
   ーラー及びあるいは引取ローラー及びこれらと対を成す
   ダンサ−ローラーが繊維束ごとに独立して配置されてい
   る特許請求の範囲第（２）項又は第（３）項記載の連続
   的にピッチ繊維束を熱処理する方法。