JPS605683B2 - 黒鉛繊維の製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、耐炎繊維若しくは炭素繊維を処理して、高強
度高弾性を有し且つ安定した品質の黒鉛繊維を長時間連
続して製造するための装置に関するものである。

従来、耐炎繊維若しくは炭素繊維、特にアクリロニトリ
ル系繊維から誘導された耐炎繊維、又は炭素繊維を２０
００００以上の温度の不活性ガス雰囲気中で加熱処理し
て、黒鉛繊維を得る装置として高周波誘導加熱炉が用い
られることは知られている。

この高周波誘導加熱炉は、高周波誘導加熱用発振機によ
り容易に且つ短時間で２０００午○以上、特に２５００
ｏｏ以上の高温をつくることができる炉であると共に、
制御回路によって、発振機としては、電源電圧の土１０
％の変動に対して、高周波出力の変動を±０．１％に抑
え、発熱体の温度を安定させることができる。しかしな
がら、加熱炉における放熱量の変化、特に高温であるた
めに生ずる断熱材の劣化に伴う放熱量の増大に対しては
、全く対応できず、炉内の温度が不安定化し、得られた
黒鉛繊維の品質の低下及び品質の変動がし‘よいま起る
。

すなわち従来、１０００〜３０００ｑｏのような高温炉
における断熱材としては、炭素繊維フェルト、黒鉛粉末
、或いは粉末状カーボンブラック等が使用され、通常の
黒鉛粉末としては２００〜６００メッシュ、粉末状カー
ボンブラックとしては平均２０〜５０皿仏の直径のもの
が知られている。しかし、この黒鉛粉末の断熱材を高周
波誘導方式による加熱炉に用いた場合、これらの断熱材
は高周波によって誘導され易く、断熱材として作用する
だけでなく、発熱体の一部としても作用するため、断熱
材としての効果が減じられ、このため断熱材層を大きく
しなければならなかった。又、２０００ｑｏ以上の高温
においては必然的にこれらの炭素質材料の劣化、グラフ
アィト結晶への成長による電気抵抗特性の減少等がおこ
り高周波による磁界で誘導されて発生する熱量が蚤時的
に変化し、炉の温度を変動させるという欠点を有してい
る。更にＹ粉状カーボンブラックを使用する場合カーボ
ンブラックが２０〜５０仇ｈ仏という非常な微粒子であ
るため、前記断熱材の如く、高周波による磁界によって
誘導されることはないため断熱材としての機能を発揮し
得るという利点がある反面２０００ｑ０以上の高温にあ
っては、必然的にカーボンの劣化、グラフアィト化に伴
う体積の縮小、カーボンブラック中の有機物の分解逸散
、雰囲気ガスの膨脹収縮などに伴い粉状カーボンブラッ
ク層内に空隙を生じ、そのため放熱量が増大し、炉の温
度が低下してくるという欠点がある。

このような放熱量の増加に対応して発振機の出力を増大
させる場合、発振機の出力の限界を超え又外壁ガラス質
村の耐用温度にもなることがあり、これを防止するため
断熱材の詰め変えを必要とし、長期間の連続運転は困難
であった。

更に又、加熱炉温度が非常な高温であるため、雰囲気ガ
スとして不活性ガス「特にアルゴンガスを用いる必要が
あるが、このアルゴンガスが非常に高価であるため極力
その使用量を少くする構造とする必要があった。本発明
者等はこの様な問題について検討の結果、以上の如き欠
点を克服し、安定した高品質の黒鉛繊維を、長期間連続
して製造できる装置を完成するに至った。

すなわち、本願第１発明は次のとおりである。

耐炎繊維若しくは炭素繊維より黒鉛繊維を製造する装置
において、断熱材充填層を介して管状発熱体を鉛直に配
したたて型炉となし、該炉下部に、シール液中に織縫取
出用閉口部と上端部に不活性ガス供孫合口及びシール液
の液面の位置に不活性ガス吸引口とを夫々有するシール
管を接続させ、上部より供給された繊維を管状発熱体中
央を通しつつ黒鉛化処理し、処理後シール液中を通して
取出す機構とした黒鉛繊維の連続装置である。又、本願
第２発明は前記第１発明において、管状発熱体が高周波
誘導加熱式でガラス質材製管体内に配され、断熱材が安
息角３５度以下の粒状カーボンブラックであり、該粒状
カーボンブラックを構成するカーボンブラック粉末の平
均粒子径が２０〜５０仇 ｍ仏である装置である。

このような装置とすることによって、断熱材の体積の収
縮等によって生じた空隙には速かに粒状の力−ポンプラ
ックが補填されると共に、カーボンブラックはそれ自体
は微細粒子であるため、高周波で誘導されることもなく
炉内温度の恒温性が保持され又、炉下部に接続された所
定構造のシール管によって、不活性ガスの放出が制御さ
れ、高品質に安定した黒鉛繊維を得ることができる。

本発明において原料とされる耐炎繊維若しくは炭素繊維
は、レーヨン、ピッチ、アクリロニトリル系重合体その
他の有機繊維から誘導されたものであるが、特に高弾性
、高強度の高品質黒鉛繊維のためには、ァクリロニトリ
ル系重合体繊維を特公昭５２一３９１０び号公報などで
既に知られる様な、２００〜３００℃の酸化性雰囲気中
制限収縮下０．１〜１０時間処理して得られた耐炎繊維
である。又、原料の炭素繊維は、この耐炎繊維を不活性
ガス雰囲気中６００〜１５００００の温度で０．１〜１
０分間処理して得られた繊維が好ましい。ここでアクリ
ロニトリル系重合体とは、少くとも９５重量％のアクリ
ロニトリルを含む重合体又は共重合体であり、英重合成
分としては、アクリル醸し メタクリル酸又はこれらの
ェステル類、塩類、アクロレイン、アクリルアミドなど
普通のアクリロニトリルとの共重合用として知られてい
るビニル系単量体が使用できる。本発明における断熱材
として使用される粒状としたカーボンブラックは、カー
ボンブラック粉末を造粒機により造粒し、安息角３５度
以下の表面平箔のものである。カーボンブラックは粒径
２０〜５０皿仏のものを粘縞剤としてフェノール、ェポ
キシ、フラン等の樹脂又はタールピッチ等を用いた粒子
径０．０１〜５肋で平均粒子径０．５〜１．５側に造粒
し、５００〜１０００ｏｏで暁結させたものが使用でき
る。 、「本発明において粒状カーボンブラックを
構成するカーボンブラック粉末の平均粒子径は２０〜５
０仇ｈ仏であることが必要であって、そのためには粘結
剤は少量で１％（重量）以下が好ましい。

このような特定粒子径の粉末から構成され、かつ安息角
３５度以下の粒状としたカーボンブラックは表面が滑性
であるため流動性がよく、連続運転中に必然的に生ずる
断熱材層内の空隙を遠かに補填し、断熱材層の保温性を
変化させることなく、炉の温度を長時間一定に保ち、安
定した運転をすることができる。炉下部に接続されるシ
ール管は、炉と気密的に接続され、不活性ガスはシール
管内で上端部、すなわち炉との接続位置に近い位置に設
けられた不活性ガス供給口より供給される。

又シール管の他の一端はシール液中に没し、被処理織縫
取出用関口部を有する。シール液としては水、炭化水素
系液状物が使用される。シール管に設けられた不活性ガ
ス吸引口は、シール管がシール液中に没した液面の位置
に設けられ、供給口より供給された不活性ガスの一部は
シール管内を降下し、シール液面を這って吸引口より排
出される。

これは、シール液の気化したガスが炉内に混入するのを
防ぐのに有効である。本発明装置を図面によって説明す
る。第１図は本発明装置の具体化された一例を示す断面
概略図である。

第１図中１は高周波誘導により発熱する管状発熱体（炉
芯筒）であり中央には被処理繊維２の通路となる直内円
筒孔３を有する。発熱体１は断熱材４，５によって包ま
れておりガラス質材管６の中央に配され鉛直に設置され
、架台７と上ぶた８にて固定される。

ガラス質村としては石英ガラス、硬質ガラス等のガラス
の外、気密性が良く、絶縁性の材質のものであればよく
、碍石管も使用される。断熱材４は、粒状としたカーボ
ンブラックが使用され、断熱材５は例えばアルミナシリ
カ製フェルトである。断熱材５は、炉の構造特に炉体を
出来るだけ４・さくするときに用いられるが必ずしも必
要ではない。又、炭素繊維フェルトを使用するときはこ
れが高周波により誘導され易いので、炭素繊維フェルト
層の厚さを１０〜１５肌程度とし、炭素繊維フェルト層
を内側とし、その外に粒状としたカーボンブラック層を
設けてもよい。

ガラス質材管６内の断熱材層４，５は、アルゴン、ヘリ
ウム、窒素等の不活性ガスの雰囲気とし、気密性を保持
するためバッキン額でシールし、上ぶた８にはガラス充
填口９を有する。

又ガラス質材管６の外周には高周波発振機コイル１０を
有し、炉本体の基本構造とされる。この炉本体の下部に
はシール管１ １が気密的に接続され、シール管１１の
上端部には不活性ガス供給口１２を有しシール管１０の
池端はシール液１３中に入り開□している。

シール管１０のシール液１３の液面の位置には不活性ガ
ス吸引口１４を設ける。この不活性ガス吸引口の位置は
重要な意味を有する。これは気化したシール液１３が炉
内３に入るのを防ぐため、不活性ガス供給口１２から供
給されたガスの一部がシール液面上を這い気化したシー
ル液と共に吸引口１４から系外に排出されるような位置
に設ける。例えば、その構造として、第２図の如くする
ことも有効である。シール管１１は、炉本体の炉芯筒１
と一直線とせず、第１図の如く、シール管１１を屈曲さ
せることは、気化したシール液が炉内３に混入するのを
防ぐと共に炉の直下にシール液面があると、炉芯筒の韓
射熱で液温が上昇し気化し易くなるため、炉芯筒の光が
液面に投影されないようにし、液温の上昇を防ぐ上で更
に有効である。このような黒鉛化装置に、供給部１５を
介して供給された繊維材料２は発熱体１の中で黒鉛化さ
れつつ連続的に移送されシール管関口部１６よりシール
液内に導入された引取機構１７を経て引取られる。

以上のごとき装置において断熱材層に充填される粒状と
したカーボンブラックの効果について示すと第３図の如
くである。

第３図は第１図に示したごとき装置を使用し、炉内温度
２８５０ｑｏに維持するために、高周波発振機の出力を
調整しつつ２５餌時間運転したときの発振出力の変化を
示したもので、運転開始後２８５０ｑｏに達し安定した
ときの発振出力を基準とし、百分率で示してある。

第３図中ィは、５伽〃の平均粒子径のカーボンブラック
粉末を粒状した安息角４８度（本発明の範囲外）の粒状
カーボンブラックを使用したときの場合について、口は
２０〃（本発明の範囲外）の平均粒子径の黒鉛粉末を粒
状とした安息角２９度の粒状黒鉛を使用した場合につい
て、ハは、５仇ｈ仏の平均粒子径のカーボンブラック粉
末を粒状とした安息角２９度の粒状カーボンブラックを
使用した本発明の場合について夫々示したものである。

平均粒子径は何れも０．７肌とした。この結果によれば
、本発明例のハの場合にのみ運転中に発振出力を殆んど
変化（増加）させることなく前記の炉内温度（２８５び
０）を維持できたことが明らかであるから、本発明によ
り充填された断熱材層を有するものが、安定した保温状
態を示すことが判る。

又炉下端は液体でシールされ、シール液の炉内混入の防
止について配慮されているため、不活性ガスの供給量を
節約できると共に、高品質の黒鉛繊維を得ることができ
る。

実施例 １ 第１図のごとき装置において、発熱体１は直円筒３の内
径５０側、外径７仇奴、長さ２２０仇帆の黒鉛質とし、
断熱材４は平均粒子径５仇ｈ〃のカーボンブラック粉末
を粘結剤フェノール樹脂を用いて平均粒子径０．８側、
安息角３０度の粒状カーボンブラックとし、発熱体１と
断熱材５の７０側の間に高さ１８００肌に充填してある
。

断熱材５はアルミナシリカ質製フェルトで厚み２５側高
さ１８０仇蚊とした。外筒６は内径２６０側、内径２７
仇伽の石英ガラス管、高周波誘導コイル１０の大さは内
径１仇蚊、外径１５肋の銅製パイプで、外筒６の周囲に
直径２９仇奴となる如くらせん状に１３回巻かれ、同パ
イプ内に冷却用の水を通してあり４皿ｗの発振機に接続
している。シール管１ １の先端はシール液である水中
に２５肋入るごとく水位が調整されて入り、架台７から
液面までの高さは１５０物舷である。

このような装置を用いて、アクリロニトリル９８％（重
量）、アクリル酸メチル２％（重量）から成るアクリロ
ニトリル繊維から誘導された、炭素含有率９５％（重量
）、引張強度３２０ｋ９／柵「引張弾性率２４ｔ／協、
単繊維直径７仏、構成本数６０００本からなる炭素繊維
東１０本を通過させた。

発熱体の最高温度部分は２８５０ｑｏとし、アルゴンガ
スを供給口１２から窒素ガスを供給口９から夫々１０夕
／分で供給し、排出口１４から２〆／分で吸引した。こ
のような条件で運転した結果２８５０ｑｏに安定した時
点での高周波発振出力は２１ｋｗであったが、３０独特
間経過後は２２ｋｗであり出力は安定していた。又、得
られた黒鉛繊維の経過時間による品質の変化は、第１表
の如くほとんどなく、高い強度、弾性率を示し、安定し
た品質であった。第１表

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の断面概略図、第２図は本発明装置
シール管部分の実施態様図「第３図は安息角、粒子径の
異る断熱材を使用して一定温度を維持するための発振機
の出力変化を示したものである。 第１図中、１：発熱体（炉芯筒）、２：織絵、３：直内
円筒孔、４，５三夫々断熱材、１０：高周波誘導コイル
、１１：シール管、１２：不活性ガス供給口、１３：シ
ール液「 １４：不活性ガス吸引口。 策〆図 錆Ｚ図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 耐炎繊維若しくは炭素繊維より黒鉛繊維を製造する
   装置において、断熱材充填層を介して管状発熱体を鉛直
   に配したたて型炉となし、該炉下部に、シール液中に繊
   維取出用開口部と上端部に不活性ガス供給口及びシール
   液の液面の位置に不活性ガス吸引口とを夫々有するシー
   ル管を接続させ、炉上部より供給された繊維を管状発熱
   体中央を通しつつ黒鉛化処理し、処理後シール液中を通
   して取出す機構とした黒鉛繊維の連続製造装置。 ２ 炉下部に接続されたシール管を途中で屈曲させるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲１の装置。 ３ 耐炎繊維若しくは炭素繊維より黒鉛繊維を製造する
   装置において、断熱材が安息角３５度以下の粒状カーボ
   ンブラツクであり該粒状カーボンブラツクを構成するカ
   ーボンブラツク粉末の平均粒子径が２０〜５００ｍμで
   ある断熱材充填層を介して高周波誘導加熱により発熱す
   る管状発熱体をガラス質材製管体内に鉛直に配したたて
   型炉となし、該炉下部に、シール液中に繊維取出用開口
   部と、上端部に不活性ガス供給口及びシール液の液面の
   位置に不活性ガス吸引口を夫々有するシール管を接続さ
   せ、炉上部より供給された繊維を管状発熱体中央を通し
   つつ黒鉛化し、処理後シール液中を通して取出す機構と
   した黒鉛繊維の連続製造装置。 ４ 断熱材である粒状カーボンブラツクの平均粒子径が
   ０．５〜１．５ｍｍである特許請求の範囲３の装置。 ５ 炉下部に接続されたシール管を途中で屈曲させるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲３の装置。