JPS6175819A - 耐炎繊維の製造方法および炉 - 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〕 本発明は炭素繊維の製造におけるいわゆる耐炎化もしく
は安定化工程に関する。さらに詳しく言えば連続前駆体
繊維を／、　０００〜／、！；００”Ｃで炭素化する前
に炭素化炉内で糸が急激に反応して切断することがない
様子め繊維を空気中もしくは一部不活性ガス中２００〜
３夕０’Ｃに加熱して環化反応や酸化反応を行わせ、い
わゆる耐炎繊維を作る工程に関する。

〔従来の技術〕

炭素繊維の製造実験では、耐炎繊維を得るための炉（以
下耐炎化炉という）は円筒炉であり、前駆体繊維はその
中を一直線に走行する方法であるが、工業的にはこのよ
うな方法は実質的に使えない。

前駆体繊維の耐炎化炉の中の滞留時間は前駆体繊維の化
学構造、炉の温度によって異るがポリアクリロニトリル
系前駆体繊維では一般に／〜≠時間とされている。故に
一直線に繊維が走行する耐炎化炉では炉長を１０ｍとし
ても繊維の走行速度は／〜≠時間で７ＱｍすなわちＱ、
　０　＜ｌ〜０．　／　７　ｍ／ｍｉｎ　　となり、工
業的な量産は不可能である。ポリエステルやナイロンて
は２，００　Ｃ）〜３．０００　ｍ／ｍｉｎ　で紡糸が
行われている時代である。

したがって一般的には耐炎化炉内で繊維を往復走行させ
ることにより滞留時間をかせぐことが行われている。そ
の例として特開昭タター／θｔｊ’２θ明細書を挙げる
ことができる。

このように耐炎炉内で繊維を往復走行させるためにはロ
ーラによる繊維の方向転換が行われる。

したがって耐炎化炉にはその上方と下方もしくは左方と
右方に多数のローラが設けられ炉を出た繊維はローラで
Ｕターンして再び炉に入る。そして炉の中を何度も往復
する。

一方、耐炎化工程では繊維にある程度の張力をかけるこ
とが強度の高い炭素繊維を得るために必要であるとされ
ている。但し、繊維を破壊することなく張力をかけるた
めに耐炎化炉内で糸を伸長させるか収縮させるかは用い
る前駆体繊維の熱挙動により異る。熱収縮の非常に大き
な前駆体繊維は、収縮させないと繊維は切断してしまう
。熱により張力の低下する繊維では、伸長させないと張
力が維持できない。繊維の熱挙動は耐炎化炉内で酸化反
応や環「ヒ反応の進行により変化するので、前述の多数
のローラの表面速度の設定が重要な課題となる。各ロー
ラ速度の７例は、特公昭ｊｕ−３９７００号明細書に記
載されている。

〔解決するべき課題〕

これらのロールは、繊維の速度を大きくする程、また放
熱によるエネルギーロスを小さくするために炉を小さく
する程繊維の炉内滞留時間をかせぐために繊維の上下往
復＠数を増さざるを得す、そのため個数が増える。

これらの多数のロールの個々の最適回転速度を決めるこ
とは非常に困難であるばかりでなく、これらのロールで
繊維の伸長収縮を調節することは系の品質１新しい問題
を生ずる。

すなわちこれらのロールから繊維への力の伝達Ｇは、ロ
ール表面と繊維との間の摩擦力によっているが、ロール
と繊維との接触は、せいぜいロール半周分しかないので
、ロール前後に若干の張力差があると必ずそこでスリ、
ブを生じる。多数のロール上でのスリ、プはそれだけ繊
維を傷つけ易く、製品の強度低下、毛羽の発生、ひいて
は繊維の切断を生じる様になる。これらのロールは巻き
付いた毛羽を除去するために金属刃物でこすられること
が多く傷がつき易いので特に上記問題は重要である。し
たがって本発明の目的は、毛羽の発生の少ない耐炎繊維
を得ることである。本発明の第２の目的は、糸切の少な
い耐炎化工程である。本発明の第３の目的は、高強度の
炭素繊維となる耐炎繊維を得ることである。他の目的は
以下の説明より明かとなる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは前記目的を達成するために植種検討した結
果、前駆体繊維を炉内を上下往復走行させる耐炎繊維の
製造方法において、炉内の繊維の張力を実質的に一定に
することが有効なことを見出した。

そのために有効な耐炎化炉としては横に複数個配列され
た上方フリーロール群と、該上方７１Ｊ−ロール群と対
向してその下方に横に配列され、かつその各ロールが前
記上方フリーロール群の各ロールとたがいちがいに位置
し、連続繊維を前記上方フリーロール群との間に交互に
掛けることにより該連続繊維を上下繰返し往復走行させ
得る下方フリーロール群と、前記上方フリーロール群と
下方フリーロール群との間にあって前記連続繊維を加熱
するための炉体と、前記２種の７リーロール詳の一方の
両端または両群の相対する各一端にあって、杢系の入口
、出口で連続繊維を把持するための少くとも一対の駆動
源を有するニップロールとからなるものが挙げられる。

さらに好ましくは、炉内では加熱気体が上から下または
下から上に流れているものがよい。

以下本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に基いた好適な耐炎化炉の７例である。

上方フリーロール詳／と下方フリーロール詳２は炉体３
をはさんで上下に対向して横に配列されており、両フリ
ーロール群の各ロールはたがいちがいに配列されており
、下方フリーロール群のロール、２／の右端の上方に上
方フリーロール群のロール／／の左端が位置シ、該ロー
ルの右端の下方に下方フリーロール群のロール、２．２
の左端が位置し以下これを繰返している。故に上方フリ
ーロール群のロールと下方フリーロール群のロールとの
間に交互に掛けられた連続繊維は炉３の中をほぼ垂直に
上下往復している。

各ロールは走行する連続繊維との摩擦力により回転する
フリーロールである。このロールはできるだけ回転抵抗
の少ないものが好ましい。高性能ベアリングもしくは空
気ベアリングにより軸支されている。ロールを支える軸
自体もロールとほぼ同じ速度で積極的に駆動されて回転
していてもよい。ただしこれは連続繊維の張力調節する
ためではなく、ロールの回転抵抗を下げるためにのみ駆
動されなければならない。

ロールはなるべく直径の小さいものが好ましい。ロール
の径が大きくなると往復する連続繊維の走行間隔が広く
なり、往復回数が減少するため、炉内の滞留時間が短か
くなる。

直径は、／ｊｃｍ以下が好ましい。またロールには溝の
ないものが好ましい。通常の炭素化工程では、繊維７本
ごとに装置を設けると、美大な装置となるので、７組の
装置に数百本の繊維を平行に通す。従ってこのロールに
は数百本の繊維が走行する。したがって繊維同志がから
まったり交錯したりしない様溝付ローラを使用すること
が多い。ところがそのために新しい問題が生しる。７つ
は溝の壁との摩擦である。繊維が溝内に進入して来る時
、第３図の様に溝の方向から少し傾いていると繊維は常
に壁にこすられ毛羽を発生し易くなる。第２に、ロール
の溝の中に毛羽等が巻き付くと除去しにくい。故に表面
の平滑なロールに較べて刃物等で傷をつけてしまうこと
が多く、これも毛羽の原因になる。

この様な理由で溝付ロールの使用をできるだけ抑え、ガ
イドを用いるのが好ましい。ただし、ガイドも通常は繊
維をこすることがない様、取付位置には細心の注意が必
要である。

上下のフリーロール群は、連続繊維の走行に応じて回転
するのみであり、連続繊維の張力は入口ニップロール≠
と出口ニップロールタの回転表面速度差により調節され
る。二、７プロールは駆動源より回転する下側の駆動ロ
ール≠／もしくは夕／と、表面をゴム等の弾性体で構成
され、エアシリンダー（図示せず）等で繊維をはさんで
駆動ロールを加圧する加圧フリーロール≠２もしくは６
２から構成されている。

ニップロールの他の例としては、３−個以上の同一速度
で回転するローラ詳を第２図に示すが、この場合両端の
ロールでの繊維とのスリ、ブは避けられない。

ニップロールの位置は、第１図では上方フリーロール群
の右側と下方ロール群の左側に示したが、これは上下フ
リーロール詳の配置によって逆であっても、また共に上
方もしくは下方にあっても差し支えない。

炉３は加熱気体流入口♂から入り、加熱気体流出ロアか
ら出て行く。加熱気体の流れは上下逆でもよいが、温度
むらの原因となったり、流れが乱れて毛羽が隣接繊維に
からんだりし易い。加熱気体により１．２００〜３夕０
°Ｃに熱せられる。連続して上下往復走行する前駆体繊
維はこの温度により酸化反応および／もしくは環化反応
を起し耐炎繊維となる。

炉を複数プロ、りに分割し、系の走行と共に温度を段階
的に上げることにより繊維を過熱することなく反応を速
めることができ、炉内での滞留時間を短縮できる。

本発明では、繊維を上下に往復走行させるのであるが、
これを第≠図の様に左右の往復走行にすることは避けな
ければならない。

左右往復走行の場合、一般に炉が高さ方向に細長くなる
のを避けるために炉の両側のローラ間距離が長くならざ
るを得ないが、特に加熱気体が上下方向に流れている時
、切断した繊維の切れ端や毛羽が下段の繊維にまで垂れ
てからんだり浮き上って横の繊維にからんだりして、新
しい糸切や毛羽を誘発する。一般に耐炎化炉では、数百
本の繊維を平行して走行させているので、隣接繊維への
糸切や毛羽の誘発は重大である。

故に繊維は上下往復、加熱気体はほぼ繊維と平行という
態様が好ましい。

加熱気体には特に制限はない。空気が最も一般的である
が、一部特に耐炎化の初期もしくは炉の初段において窒
素その他の非酸化性気体を用いたり、また空気に塩化水
素ガスや亜硫酸ガス等を混合して使用することができる
。

使用する前駆体繊維にも特に制限はない。

いずれを使用しても本発明の目的を達し得る。

ただアクリルニトリルを主成分とするいわゆるＰＡＮ系
前駆体繊維は耐炎化工程で高い張力をかけることができ
、それにより高強度の炭素繊維とすることができるが、
高い張力をかける程摩擦による毛羽を生じ易くなるとい
う問題点があるので、本発明が特に有効である。

〔作　用〕

本発明の方法によれば、良好な前駆体繊維では耐炎化の
全工程で３００ｍｇ／ｄ　以上の張力を維持することが
でき、毛羽の少ない高強度炭素繊維に好適な耐炎繊維を
得ることができる。

また７本糸が切れても隣接糸に共切を誘発する口とがほ
とんどなく、また若干張力を変更する時も人口および／
または出口のニップロールのスピードを変更するだけて
よい。

〔実施例〕

メチルアクリレイト、２％、イタコン酸／％を共重合さ
せたＰＡＮ系前駆体繊維（フィラメント数３．ｏｏｏ、
−ｙイラメント径ざｊμ、比重／／了、伸度２０％）を
第１図の耐炎化炉を用いて耐炎化した。耐炎化炉の有効
高さ０、７　ｍ、炉内の系の走行回数／タロである。

上下のロールは全て直径５ｃｍのフリーロールとした。

炉内を仕切板により仏分割し、温度を入口側から、！２
θ１．２＋ＬＯ１２ｔＯ，２１０°Ｃとし、人口ニップ
ロール表面速度をλ！ｃｍ／ｍｉｎ出ロニップロール表
面速度を３０ｃｍ／ｍｉｎとした。繊維は７０本掛とし
た。繊維張力は耐炎化炉の各部で７１＋０９±３０９で
あり、測定誤差範囲内で一定であった。

各フリーロールの回転表面速度は、第！図の如くであっ
た。この耐炎繊維を純窒素を流した／、３ｊＯ′Ｃの炭
素化炉に張力１００りをかけて滞留時間３分で通して得
た炭素繊維は強度！；　／　３１ｃ９　／　ｍｍ２で、
毛羽は／、、ｚケ／ｍ　　であった。

なお、繊維強度の測定はＪＩＳ−Ｒ・７ｔＯ／のストラ
ンド法によった。

【図面の簡単な説明】

第７図は本発明による好ましい耐炎化炉の７例であり、
第２図はニップロールの他の例である。第３図は溝付ロ
ールの壁と繊維との接触を示す。第７図は好ましくない
耐炎化炉の７例である。第５図は、本実施例における各
ロールの表面速度を示す。 ／　・・・・・・　上方フリーロール群！・・・・・・
・・・下方フリーロール群３・・・・・　炉体 ４　・　・・　ニップロール

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続前駆体繊維を炉内を上下往復走行させる耐炎
   繊維製造法において、炉内の繊維の張力を実質的に一定
   にすることを特徴とする耐炎繊維の製造方法。
2. （２）炉内の加熱気体の流れを上から下もしくは下から
   上とする特許請求の範囲第一項に記載の耐炎繊維の製造
   方法。
3. （３）横に複数個配列された上方フリーロール群と、該
   上方フリーロール群と対向してその下方に横に配列され
   かつその各ロールが前記上方ロール群の各ロールとたが
   いちがいに位置し、連続繊維を前記上方フリーロール詳
   との間に交互に掛けることにより該連続繊維を上下繰返
   し往復走行させ得る下方ロール群と、前記上方フリーロ
   ール群と下方フリーロール群との間にあって前記連続繊
   維を加熱するための炉体と、前記二つのフリーロール群
   の一方の両端または両群の相対する各一端にあって系の
   入口・出口で連続繊維を把持するための少くとも一対の
   駆動するニップロールとからなる耐炎繊維製造炉。