JPS60224806A - 炭素繊維の前駆体であるピツチ繊維を紡糸するためのノズル装置 - 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】 （技術分野） 本発明は、石油系あるいは石炭系のピッチを溶融して炭
素繊維の前駆体であるピッチ繊維を紡糸するのに用いる
ノズル装置の改良に関する。

（従来技術） 石油系あるいは石炭系のピッチを溶融して炭素繊維の前
駆体であるピッチ繊維を紡糸するのく用いる従来のノズ
ル装置は、一端で溶融ピッチを受け入れ、反対端から溶
融ピッチ全弁し出すようになっているノズル本体を有し
、このノズル本体の前記反対端が平板状の端壁で閉ざし
てあシ、本体の軸線に平行な方向に延びる複数のノズル
孔が端壁を貫いて設けてあり、各ノズル孔の外端からピ
ッチが押し出される。したがって、ノズル本体の端壁外
面は平らであり、この平らな端壁外面にノズル孔が開口
している。このノズル構造全以下「平ノズル」と呼ぶ。

ピッチ繊維を紡糸するノズル装置においては、紡糸され
た繊維のＦ！Ｒ面構造にクラックが生じにくく従って高
性能の炭素繊維を得るために、高温度、低粘性紡糸が強
く望まれている。しかしながら上記従来の平ノズル型ノ
ズル装置においては下記の理由により高温度低活性紡糸
を効果的に行なうことができなかった。

ノズル本体は通常、ステンレス鋼で作られており、ピッ
チが高温、低粘度になればなる程これと溶融ピッチの間
の引力は強くなり、その界面張力が大きくてノズル本体
壁面が非常に濡れやすくなる。ピッチの押し出しが続い
ているときには、ノズル孔出口に圧力がかかつているの
で溶融ピッチの排出が各ノズルで独立して行なわれてい
るが、押し出しを中断すると、ノズル孔出口周辺の端壁
面忙溶融ピッチが引き寄せられてそこを濡らし、これが
また溶融ピッチの端壁外面に沿っての移動を促進して各
隣合ったノズルの出口に存在する溶融ピッチが互いに合
体してしまう。こうなると、次に再び紡糸を行なおうと
すると、この合体した溶融ピッチ塊が独立したフィラメ
ントの紡糸を妨げると共にフィラメントの切断をしばし
ば惹起する。そのため、各紡糸サイクル４１へら状の道
具でノズル本体の紡糸面を清掃する必要がある。しかし
ながら、この清掃を完全に行なうのは顧しく、ノズル本
体の外面を傷付けることも多い。した〃工って、この溶
融ピッチ合体を防ぐべく、ノズル孔の中心間隔を大きく
することも考えられ’ｔｃ−７５Ｅ　、これではノズル
孔の配列が粗くなり、今度は生産性の点で問題が生じる
。

（発明の目的） 本発明の目的は、ノズル孔出口での溶融ピッチが紡糸面
を濡らす傾向を高めることなく溶融ピッチの高温度、低
粘性紡糸を可能とし、従って高性能の炭素繊維を得るこ
とのできる、炭素繊維の前駆体であるピッチ繊維を紡糸
するためのノズル装置を提供することＫｌる。

（発明の構成） 本発明によれば、ノズル装置は一端で溶融ぎツチを受け
入れ、反対端から溶融ピッチを押し出すようＫなってい
るノズル本体を有し、このノズル本体の前記反対端が平
板状の端壁で閉ざしてあり、この端壁の外面からノズル
本体の軸線と平行な方向に複数のノズルが外方に突出し
ており、各ノズルがそれを軸線方向に貫くノズル孔を有
し、このノズル孔が前記端壁を貫いて延びる通路を通し
て前記ノズル本体の内部と通じていることを特徴とする
。

また好ましくは、上記形式のノズル装置のノズル群は、
端壁の中心において粗で、端壁の中心からその外縁に近
づくにつれて密となるように配置しである。

（発明の効果） このようにしたのは、ノズルの材料、一般的にはステン
レス鋼と溶融ピッチの間の引力が水平方向にピッチを移
動させるほど強いが、重力に逆らってまでピッチを持ち
上げるほど強くないということに着眼したからでアシ、
ノズルがノズル本体の紡糸面から外方に突出させること
により、溶融ピッチがノズル本体紡糸面、ひいては隣接
のノズル孔に向って移動するのを完全に紡糸できる。

また上記ノズル配置は、高温、低粘性紡糸においてノズ
ル紡糸面の中心に近いノズルから出る溶融ピッチ温度と
中心から外方に離れるノズルから出る溶融ピッチ温度と
の温度差を小さくすることができることから、よ）一層
の高温、低粘度紡糸を可能圧する。

（実施例） 以下、添付図面を参照しながら本発明を説明する。

第１，２図全参照して、本発明によるノズル装置は、円
筒形のノズル本体１を包含し、このノズル本体は一端で
溶融装置（図示せず）から溶融ピッチを受け入れ、反対
端から溶融ピッチ全弁し出すようになっている。、ノズ
ル本体１の反対端は平板状の端壁２で閉ざされており、
この端壁はその平らな外面から外方に突出する複数のノ
ズル３を有する。これらのノズル３はノズル本体１の軸
線方向に平行に延びておシ、その長手方向中心を貫いて
ノズル孔４（第６図）が穿孔されている。ノズル孔４は
ノズル本体端壁２を貫いて設けた通路５全通してノズル
本体１の内部と通じている。各通路５の内端はピッチの
扼入を促進すべく截頭円錐形の膚ぐ９孔６と次っている
。

このようなノズル装置を有する紡糸装置で用いる素原料
は石炭のコークス化、液化処理の残渣として得られるピ
ッチ、石油の精製、重質油の熱分解からの残渣として得
られるピッチ等である。これらの素原料ピッチはそのま
までは紡糸に通さないので、遊離カーボン分や巨大分子
４をフィルタで濾過して紡糸ピッチとする。通常は、得
たピッチｔ　１０　Ｔｏｒｒで減圧蒸留し、３４０℃以
上の留分を用いる。このピッチは光学的に等方性をもっ
たものろるいは炭素質メンフェース（以后メンフェース
（Ｍｅｓｏ−ｐｈａａｅ　）と云う）相を等方性相に６
０％以上含むものであってもよい。

このような紡糸ピッチは貯蔵ホッパ（図示せず）に投入
され、そこで雰囲気を窒素等の不活性ガスに置換される
。固形ピッチはここからパルプまたはスクリュウ・フィ
ーダ等気密性のおる搬送手段（図示せず）で溶融槽ろる
いは溶融スクリュウ（図示せず）に導かれて溶融される
。溶融温度は、ピッチの種類によって異なるが、普通は
２５０℃ないし４００℃程度である。

溶融ピッチは、溶融部からノズル装置にギアポンプによ
って移送される。その間に、脱泡のために脱泡槽を特に
設ゆることもおる。ノズル装置に行く途中あるいはノズ
ル装置の本体１内に固形物を除去するための金網フィル
タが設けであるのが普通である。ノズル装置１では、溶
融ピンチは、通路５およびノズル孔４を通ってノズル３
から外気中に押し出され、巻取機や空気エジェクターで
引張られて繊維となる。

ノズル本体１の他にピッチを収容する器や流路もステン
レス鋼で作っであるのが好ましい。また、雰囲気は不活
性雰囲気でなければならない。ノズル本体１の外側には
、ヒータ（図示せず）が装置して１７，２５０℃ないし
３９０℃の範囲の温度にピッチ温度を保つよう釦なって
いる。紡糸時に、ノズルにかかる圧力はＱ、１５ｋｇ／
ｃＩＩＬ２ないし３０ｋｇ／ｃＩＩＬ２の程度でめる。

各ノズル３は、ノズル本体１の紡糸面から垂直に０．７
ｍ７ｚいし６．５　ｍ突出しており、各ノズル孔４の直
径は０．１５ｍ＋ないし０．５０目程度が一般的でメク
、ノズル孔の直径対長さの比が１．５ないし６．０程度
の範囲にあると好ましい。なお、隣合ったノズル３の外
壁面間の間隔は０．８ｙｒｘないし１５．０顛程度であ
ると効果的であることがわかった。各ノズル３のノズル
孔４のところの断面厚さＵ　Ｏ，１５關ないし０．５ｉ
ｎが適当である。

これらのノズル３′ｆｔノズル本体１に設ける方法とし
ては、まず、ノズル本体１の端壁２にノズル孔４や通路
５よりも直径の大きい孔をあけ、各孔に管状物を挿入し
、これを端壁２に密封溶接する方法がめる。この場合、
突出ノズル３は円筒形である。あるいは、ノズル本体１
の一端を閉じている端壁２の外面に多数の交差する溝を
切ｐ１四角形断面の突出ノズルを形成し、その後にノズ
ル孔４や通路５を形成するという方法もある。

このようなノズル装置から溶融ピッチを紡糸するとき、
先に述べたように作業を中断し九とき、ノズル３の先端
、すなわち出口のところに溶融ピッチが溜り、界面張力
が動くが、そのエネルギは溶融ピッチをノズル３の外面
に沿って上方に移動させるほどではない。しかも、ノズ
ル３が突出しているからその表面積が比較的大きく、冷
却効果も高まっているので、界面張力は低くなっており
、ノズル本体１の紡糸面を濡らす傾向が完全に排除され
る。なお、界面張力、すなわち濡れる傾向は温度が高く
なるほど大きくなる。

ノズル３ｔ−通過する際のピッチの粘度は５０ないし１
０００ポアズであることが多い。特に高性能の炭素繊維
を得るためのメソフェース系ピッチの紡糸粘度は１５０
ポアズ以下、好ましくは１００ポアズ以下の低粘度にし
た方が、繊維の断面構造にクラック（ひび割れ）が生じ
にくいものとなる。

一般忙、１個のノズル本体１のノズル数が増加すると、
ノズル相互の熱干渉のため低粘性紡糸は難しくなり、高
粘度紡糸へずれる。したがって、複数のノズルによる紡
糸を従来の平ノズルでは、１５０ポアズ以下の低粘性紡
糸は不可能であった。

しかしながら、本発明によるノズル装置では、多数のノ
ズルを用いても低粘性紡糸が可能である。

クラックの入うやすい繊維断面を１子顕微鏡で観察する
と、第４図に示すように１放射状の組織配列があシ、こ
れがクラックの主たる原因であると考えられる。このよ
うなｆｆｒ面構造を形成させないためＫｆ′ｉ、繊維形
成部近辺での低粘性高温状態からの急冷却が必要である
。

本発明の突起状のノズルはピッチを吐出する下部出口が
多大の熱量を保持している端壁２から離れているので、
前記下部出口の周囲の温度は、端壁２直下の周囲の温度
に比較して低温になっている。従って本発明の突起状の
ノズルの下部出口から吐出されたピッチは低粘性高温状
態から急激に冷却される環境の中で繊維を形成する。従
って高温度、低粘性紡糸が可能である。このことは製造
されるピッチ繊維をして前述の第４図で説明したような
りラックが生じない良質なものとする利点があるばか９
でなく、繊維形成部分たる溶融ピッチの逆円錐（これは
后で詳述する）の高さが低くなって変動のない非常に安
定しｆｃ繊維化を果し得るという利点もある。このよう
な状態で紡糸したピッチ繊維は繊維径の変動が極めて少
ないのでその意味からも良質な繊維と云える。

それに対して、従来の平ノズルでは端壁２に相当すると
ころからいきな夛燗壁２直下の高温度の空間（そこは高
温度の端壁２かもの熱の輻射が効いているで高温変圧な
っている）Ｋｌ？！！融ピッチが吐出されて繊維形成部
分たる溶融ピッチの逆円錐を作ること忙なる。この場合
はこの逆円錐の周囲の温度は高温度であるので冷却が充
分でなく、その結果として逆円錐の高さが高いものとな
って、所謂「息つき」と称する逆円錐高さの変動が起る
。

このように逆円錐の高さの変動があった場合に得た繊維
径は繊維の長手方向くおいて太くなったり細くなったり
する欠点をもつ。さらに冷却が効も・ない場合には逆円
錐の高さが極端に高くなって逆円錐形を保ち得なくなる
。このときは溶融ピンチは単に孔から流下するだけとな
って繊維化が不可能となる。すなわち、本発明の突出ノ
ズル構造では、溶融ピッチ゛の吐出は高温度の端壁２か
ら離れた位置で行なわれるので逆円錐の形成が確実とな
シ、その結果として繊維化が安定するのである。

そのため、高性能の炭素繊維を得ることができ、またノ
ズル間の中心距ｉｔ−従来よりも小さくすることができ
、ノズルの数を多くすることができる。

なお、ノズルの突出長さは０．７　ｍないし６．５ｍの
範囲が有効である。０．７絽よりも短いときには、突出
したことＫよる利益が少なく、溶融ピッチの凝集物がノ
ズルまわシを濡らしやすくなる。また、６．５ｍよりも
長いときには、冷却効果が大きすぎて高粘性を保つ時間
が長くなってしまうのである。

上記ノズル構造において、さらに低粘性紡糸を有効に行
なうために１ノズル群の配列をノズル本体紡糸面の中心
に近付くにつれて粗とし、紡糸面の外縁に近いほどノズ
ル配列を密とするとよい。

一層詳しく説明すれば、ノズルから吐出された溶融ピッ
チは、ノズルの出口先端で逆円錐形を形成し、この逆円
錐形の先端が延びて繊維となる。

そのとき、ノズル先端に形成されている逆円錐形の溶融
ピッチから熱が周囲に発散し、それによって溶融ピッチ
が固化してフィラメントとなるのである。したがって、
ノズルから吐出されるピッチの温度とその周囲温度の差
が大きければ、それだけ前記の逆円錐形の形成が確実と
なるが、ノズルが密に隣接している場合には前記溶融ピ
ッチと周囲との温度差が小さくなって逆円錐形に溶融ピ
ッチがなシ得ず、ノズル先端から端に流下する状態にな
り、繊維を形成できなくなる。この状態は周囲全多くの
ノズルで囲まれた内側ノズルに多く発生する。

そこで、本発明では、突出しているノズル群の配列を先
に述べたようにする。そして、この配列Ｌ１次のようＫ
して決定すると好ましい。ノズルは、端壁２の中心点を
中心とする同心円に沿って配列し、この配列が、最内用
（ｎ＝１）Ｋ配置するノズルの数をＡとし、同心円を内
側から数えてｎ番面の円に配置するノズルの数１２（ｎ
−１）・Ａとし、最外円（ｎ＝：ｎＯ）に配置する各隣
接ノズルの中心距離ＭＯヲ約６〜６朋とし、内側から見
て９番とするように決定するのである。この規則に従っ
て配列したノズル群の例を第６図から第１４図までに示
す。第６図ＵＡ＝３、ｎｏ＝６、Ｍｏ＝４ｉｕ＋とじた
例でアシ、第７図はＡ　＝　５　、ｎｏ　＝　４、ＭＱ
＝４１ｍとした例であり、第８図はＡ　＝　５、ｎｏ　
＝５、Ｍｏ＝４ｉｎとした例でアシ、第９図はＡ＝４、
ｎ□　＝　３、ＭＯ：４ｍｍとした例であり、第１０図
はＡ＝４、ｎｏ＝４、ＭＯ＝４１１ＩＩＩとした例であ
り、第１１図はＡ＝４、ｎｏ＝５、Ｍｏ＝４ｉｍとした
例でメジ、第１２図はＡ＝５、ｎｏ＝３、Ｍｏ＝４ｙ、
とじた例で１ム第１３図はＡ　＝５　、ｎｏ　＝　４、
Ｍ。

＝　４　ｍｍとした例でらり、第１４図はＡ　＝　５　
、ｎ□＝５、ＭＯ＝４１１とした例である。

以下、本発明によるノズル構造での実際の例をいくつか
示す。

例　Ｉ ここでは、従来の平ノズルと本発明のノズル装置とを用
いて、石炭から得た軟化点２００℃の等方性ぎツチを溶
融、紡糸し、その結果を比較した。

平ノズル　本発明ノズル ノズル数　３９　６１ ノズル配列　同心円４列　同心円４列 ノズル中心距離　約７Ｒ約５絽 ノズル長さ　ｔ　Ｑ　３龍 ノズル孔直径ａ　Ｏ，５５ｔｇ　０．３５ｍ突出ノズル
形状　無し　円筒形 突出肉厚ｍ　無し　０．５關 全吐出量　４．６ｇ７％　２．５に分 平均ピッチ粘度　４００ポアズ　１５０ポアズ紡糸温度
　２８５℃　２９７℃ 上記結果より、本発明のノズル装置によれば、紡糸中断
時のピッチ合体を生じることなく、高温、低粘度の紡糸
が可能なことが分かる。

メンフェースを８２％含む、石炭から得た軟化点２５０
℃の等方性ピッチを例Ｉの突出ノズルを持つノズル装置
で紡糸した。吐出量は１．７ｇ／分、粘度は９９ポアズ
、紡糸温度は６４２℃でろシ、こうして得たピッチ繊維
を不融化してから炭化処理した。顕微鏡による断面観察
では、配列模様は放射状ではなく、第５図に示すような
タマネギ断面のような模様であった。また、紡糸の中断
かわっても、突出ノズル上に溶融ピッチの合体は生じな
かった。

例　■ ここでは、第１０図に示すように、最内用（ｎ＝１）に
配置するノズル数Ａ１に４とし、同心円の赦ｎｏｆ：４
とし、最外円に配置する各隣接ノズルの中心間距離ＭＯ
を４ｘｘとした本発明ノズル構造を用いて例Ｉと同じピ
ッチを紡糸した。

最内用ｎ＝１の直径　２０．０ｉＩＩＢ　配置突出ノズ
ル数Ａ＝４第２円ｎ　＝　２の直径　２８．３ｍ　配置
突出ノズル数人＝８第６円ｎ　＝　６の直径　５４．６
ｘｘ　配置突出ノズル数人＝１６突出ノズル合計６１ 最外円配置突出ノズル中心距離　４．Ｏｎノズル突出長
さ　３．０關 ノズル孔径　０．３５１１翼 突出形状　円筒形 突出ノズル肉厚　０．５關 全吐出量　４．７に分 ピッチ粘度　８０ポアズ 紡糸温度　６３５°Ｃ 紡糸中断時のピッチ合体発生　無し これから明らかなように、本発明のノズル装置では、ピ
ッチの合体を生じることなくより効率的な低粘性高温紡
糸が可能であり、そうして得たピッチ繊維を不融化して
から炭化し、それを顕微鏡で断面観察したところ、第４
図に示すような放射状の模様はまったく見出せず、第５
図に示すようなタマネギ断面を持っていることが、例■
や例■の場合よｐも顕著に観察できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるノズル装置のノズル本体全示す断
片部分断面側面図である。 第２図は第１図のノズル本体の紡糸面を示す端面図であ
る。 第６図は第１図、第２図のノズル本体のノズル部分の拡
大断片ＩＦｒ面図である。 第４図は従来装置で得たピッチ繊維の断面を示す図であ
る。 第５図は本発明のノズル装置で得たピッチ繊維の断面全
示す図である。 第６図から第１４図は本発明によるノズル配列の例を示
す図である。 図面において、１・・・ノズル本体、２・・・端壁、３
・・・突出ノズル、４・・・ノズル孔、５・・・通路代
理人　浅　村　皓 第１図 第２図 第３図 第４図　第５図 第６図 第８図 第９図 第１１図 手続補正書 昭和５９年　７月７Ｑ日 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５９年特許願第　７４７８３　号 ２、発明の名称 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和　年　月　日 ６、補正により増加する発明の数 ０４Ｊｌｉ１１・、＋ｌ−１ｄｖｅｌｎ１４ｆ＾１−Ｌ
−Ｌ−ｊ、＊−ノ（１）　明細書第６頁１８行から第４
頁１行の「ピッチ繊維を紡糸するノズル装置・・・・・
・強く望まれている。」を下記のように訂正する。 「　高性能の炭素繊維即ち紡糸された繊維の断面構造に
クラックが生じにくい炭素繊維を得るためには、ピッチ
繊維を紡糸するノズル装置を高温度にして、紡糸すべき
ピッチを低粘性とした紡糸が強く望まれている。」 （２）同第６頁１８行の「紡糸」を「防止」と訂正する
。 （３）同第１０頁６〜５行の「なお、隣合ったノズル３
の・・・・・・効果的であることがわかった。」を削除
する。 手続補正書 昭和５９年　８月シ≠日 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５９年特許願第　７４７８３　号 を紡糸するためのノズル装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所 氏　名 格称、　（３９７）日東紡績株式会社 ４、代理人 氏　名　（６６６９）　浅　村　皓 ５、補正命令の日付 昭和　年　月　日 ６、補正により増加する発明の数 「２、特許請求の範囲 （１）石炭または石油のピッチを溶融して炭素繊維の前
駆体であるピッチ繊維を紡糸するのに用いるノズル装置
であって、一端で溶融ぎツチを受け入れ、反対端から溶
融ピッチを押し出すようになっているノズル本体を有し
、このノズル本体の前記反対端が平板状の端壁で閉ざし
てあり、この端壁の外面からノズル本体の軸線と平行な
方向に複数のノズルが外方に突出しており、各ノズルが
それを軸線方向に貫くノズル孔を有し、このノズル孔が
前記端壁を貫いて設けた通路を通して前記ノズル本体の
内部と通じていることを特徴とするノズル装置。 （２、特許請求の範囲第１項記載のノズル装置において
、前記ノズルの群が、前記端壁の中心において粗で、前
記端壁の中心からその外縁に近づくＫつれて密となるよ
うに配列しであることを特徴とするノズル装置。 （３）特許請求の範囲第２項記載のノズル装置において
、前記ノズルが、前記端壁の中心点を中心とする同心円
に沿って配列してあり、この配列が、最内円（ｎ＝１）
Ｋ配置するノズルの数をＡとし、同心円を内側から数え
てｎ番目の円に配置するノズルの数を２　（ｎ−１）・
Ａとし、最外円（ｎ＝ｎ０）Ｉｃ配置する各隣接ノズル
の中心距離Ｍ。を約６〜３１１１１とし、内側から見て
ｎ番目の同心円の半径 によって決定されることを特徴とするノズル装置。 （４）特許請求の範囲第５項記載のノズル装置において
、最内円に配置するノズルの数Ａが６゜４．５のいずれ
かであることを特徴とするノズル装置。」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　石炭または石油のピッチを溶融して炭素繊維の
   前駆体でめるピッチ繊維を紡糸するのに用いるノズル装
   置でおって、一端で溶融ピッチを受け入れ、反対端から
   溶融ピッチ全弁し出すようになっているノズル本体を有
   し、このノズル本体の前記反対端が平板状の端壁で閉ざ
   してらシ、この端壁の外面からノズル本体の軸線と平行
   な方向に複数のノズルが外方に突出してお９、各ノズル
   がそれを軸線方向に貫くノズル孔を有し、このノズル孔
   が前記端壁を貫いて設けた通路を通して前記ノズル本体
   の内部と通じていることを特徴とするノズル装置。 （２、特許請求の範囲第１項記載のノズル装置において
   、各ノズルが前記端壁の外面から０．７　ｔｍないし６
   ．５１ｍ突出していることを特徴とするノズル装置。 （３）特許請求の範囲第１項記載のノズル装置において
   、前記ノズルの群が、前記端壁の中心において粗で、前
   記端壁の中心からその外縁に近づくＫつれて密となるよ
   うに配列しであることを特徴とするノズル装置。 （４）特許請求の範囲第６項記載のノズル装置において
   、前記ノズルが、前記端壁の中心点を中心とする同心円
   に沿って配列しており、この配列が、最内円（ｎ　＝　
   １　）に配置するノズルの数をＡとし、同心円を内側か
   ら数えてｎ番面の円に配置するノズルの数を２　（ｎ−
   １）　、　Ａとし、最外円（ｎ＝ｎｏ）に配置する各隣
   接ノズルの中心距離Ｍｏ　’に約６〜３ｕとし、内側か
   ら見てｎ番目の同心円の半径によって決定されることを
   特徴とするノズル装置。 （５）特許請求の範囲第４項記載のノズル装置において
   、最内円に配置するノズルの数Ａが６，４゜５のいずれ
   かであることｆｔ％徴とするノズル装置。