JPS6285029A - 炭素繊維の製造方法 - 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］ 本発明は炭素繊維の製造方法に係り、ざらに詳しくは該
炭素繊維製造における排ガス、特にタール状物による炭
素繊維の品質低下が少なく、毛羽。

糸切れ、融着等の欠点の著しく少ない高品質炭素繊維の
製造法に関する。

［従来技術］ 炭素繊維は、比強度や比弾性率が金属材料に比べ高いの
で、近年宇宙航空用途を主体に軽量構造４として大量に
使用されるようになってきた。その需要の拡大に伴い、
製造コストの低減と同時に、より一層の品質の向上が望
まれている。

炭素繊維は、よく知られているようにセルロース、ポリ
アクリロニトリル、ピッチ等の有機繊維を不活性ガス中
、高温で焼成することによって得られる。中でもアクリ
ル系繊維を焼成して得られる炭素繊維は品質、性能の均
一な製品を安定に製造し得るため、広く工業的に生産さ
れている。

このアクリル系繊維からの炭素繊維の製造プロセスは、
一般に該アクリル系繊維を予め酸化性雰囲気中で加熱し
て、咳ｉＩｉ維を構成する高分子鎖を酸化すると共に、
ニトリル基を環化させ、マツチやガスバーナの炎にさら
しても燃焼しない熱的に安定な構造を有する繊維に転換
せしむる耐炎化、もしくは酸化工程と、その工程を通す
ことにより得られる耐炎化繊維を更に１０００℃以上の
不活性雰囲気中で熱処理する炭素化工程とで構成されて
いる。

上記耐炎化工程では、雰囲気中の酸素を取込みつつ、ｍ
維を構成しているポリアクリロニトリルが環化、酸化２
分解等の化学反応を起こしながら、熱的に安定な耐炎化
構造に転換される。

咳耐炎化工程の反応はいずれも発熱反応であり、化学反
応速度、即ち時間当り、単位質量当りの発熱量に見合っ
た熱量を除熱して、反応の暴走を抑制することが操業性
のみならず、炭素ｌ！雑の品質を維持するのに必要であ
る。実際に、多糸条を連続的、かつ効率的に生産しよう
とするには、かなり繁雑な工程となり、これまで数多く
の改良技術が提案されている。

しかしながら、この耐炎化工程におけるプレカーサの重
量減は、後の炭化工程における重量減に比して少なく、
アクリル系繊維自体からの分解ガスの発生というよりは
、プレカーサの製造工程に適用された油剤等の蒸発２分
解生成物が大部分であること、またこの工程では前記１
ノた除熱の必要性からも、通常多量の酸化性雰囲気ガス
が用いられ、なんらかの排ガス処理を施しつつ循環利用
することもできるので、上記油剤等の熱分解物によるプ
レカーサの汚染等は比較的少なくすることが可能である
。特に、酸化性雰囲気と（−）で空気をそのまま利用す
ることができることから、大量のガスを循環使用しても
それほどコスト高の要因にはならない。

これに対して、咳耐炎化繊維をより高温の不活性雰囲気
中で加熱し、炭素繊維に転換する工程、特に最高温度が
７００〜’ｌ０００℃というような炭化＠域では、該繊
維は大巾な重量減を示し、プレカーサの重量減の約５０
％はこの領域で発生ずる。しかもこの炭化工程に供給さ
れる不活性ガスの量は、ガス自体が高価であることもあ
って、前記耐炎化工程に比べ少なくするのが普通である
。

そのため、該炭化工程における不活性ガス中には多量の
熱分解生成物、特にタール状物が含有され、このタール
状物による炭化時のトラブル防止が炭素繊維製造におい
て極めて重要である。

このような炭化工程における分解ガスによるトラブルを
抑制することを目的として、既にいくつかの技術が提案
されている。例えば、特開昭５７−５９２３号公報、同
５７−２５４１９号公報。

同５８−１２６３１６号公報、同５９−１１２０２９号
公報等を挙げることができる。これらはいずれも不活性
ガスの供給、流し方、排出に考慮を払ったものであるが
、炭化炉の状態を固定的に捕え、そこで焼成される糸条
の性状、焼成条件との関連で問題を解決しようとするも
のではない。

［発明が解決しようとする問題点１ 本発明者らは、かかる従来技術の欠点に鑑み、特に高強
度の炭素繊維を効率よく生産する方式について鋭意倹約
し、焼成されつつある繊維の炭素化時の減量挙動、分解
ガスの発生挙動に適合するように排気を行なうことを可
能ならしめることにより、優れた効果が得られることを
見出したちのである。即ち、本発明の目的は炭化炉の排
気孔の位置を以下に述べるように定めることにより供給
される糸条の性状や形状が変化した場合にも安定して高
品質の炭素繊維の製造が可能な方法を提供するものであ
る。

［問題点を解決するための手段］ 上記本発明の目的は、前駆体繊維糸条に耐炎化処理を施
し、しかる接受なくとも７００℃の不活性雰囲気で熱処
理を施す炭素化処理において、該炭化炉の両端より不活
性ガスを供給し、ほぼ中央部より分解ガスを吸引排気す
るに際し、該分解ガスの排出孔を該炭化炉に供給される
耐炎化処理された糸条の所定の処理温度にお（プる減量
曲線の主減量の終了する位置乃至はその進行方向に沿っ
た前方近傍に設定することによって達成できる。

以下、本発明の構成を図面を参照しながら、具体的に説
明する。

図は、最高温度約７５０℃の炭化炉の炉内温度分布と、
処理糸条Ａ、Ｂの処理糸道に沿った減量曲線を模式的に
示した図である。

かかる減量曲線は、走行中の糸条を切断し、素早く炉内
より引き出し、一定の長さく２０ｃｍ程度とするのがよ
い）に細断し、各切片の重量を順次測定することによっ
て求めることができる。

ここで糸条を引き出す時には、炉の入口の方へ引き出す
ことが必要であり、反対に炉の出口の方へ引き出すと、
熱履歴の少ない低温部分の糸条がより高温の部分を通過
して来ることになるので正確な値が求まらないことにな
る。

図中、Ａ、Ｂは異なる耐炎化糸条を同一条件で炭化した
時の減量挙動に差がおることを示すものでおるが、この
ように耐炎化糸によっては、その減量曲線は大幅に異な
ることがある。例えば、従来の技術においては、特開昭
５９−１１２０２９号公報の教えに従えば、炉内のガス
の排出は４００〜６００℃の領域で行なうというもので
あり、図中Ａ°点乃至はここより炉の入口に若干寄った
ところということになる。しかしながら、耐炎化糸Ｂに
ついては、Ａ°点では未だ殆ど減量が起こっておらず、
Ｂ゛点、即ち、炉内温度が約７００℃に達したところで
ほぼ減量が終了していることがわかる。

本発明者らの検討によれば、Ｂのような糸条の炭化にお
いて従来のようにへ°点の近傍で排気を行なうと、高品
質の炭素繊維が得られないことが判明した。その理由は
次のように推定される。即ち、Ｂの糸条に対してＡ゛点
で排気を行なうと、排気孔を通り過ぎてから多量の分解
ガスが発生することになる。従って、この分解ガスを糸
条の走行に逆らって吸引排気する必要がある。しかしな
がら、ガスの一部は随伴流として、より高温の炉内へ拡
散して行くため、効率よく吸引排気することが困難であ
る。これらの分解ガスの中には、より高温では炭素と反
応する酸素や水蒸気を多量に含んでおり、これらが炭素
繊維の表面と反応し、欠陥を生じることになるためと考
えられる。

このように炉内に発生する反応性分解ガスを効率よく排
気するためには、減量がほぼ終了する時点でにおいて排
気をすべきであり、図の例であれば　Ｂ　＋点というこ
とになる。

ただし、厳密にＢ°点という局在化された点である必要
はなく、Ｂ′点の近傍で、どちらかといえば、糸条の進
行方向に沿って前方、即ち、炉内の温度の高い側に設け
るのがよい。Ｂ゛点より手前の低温側では不都合でおる
理由は既に述べたが、Ｂ゛点より高温側に遠く離れると
、結局分解ガスが高温で焼成中の炭素繊維と接触するこ
とになり、品質低下を来たすことになる。以上述べたよ
うに、本発明においては、装置の構成から分解ガスの排
出孔を決めるのではなく、糸条の減量挙動を測定し、そ
れに合わせて排出孔の位置を決定すべきでおるという技
術思想に基づくものであり、従来技術とは、この点にお
いて異なる。

炭素化処理における減量挙動は、耐炎化糸の性状によっ
て異なることは既に述べたが、特に、耐炎化時の熱履歴
および糸束の全デニールの影響を強く受ける。より具体
的には、以下の実施例によって詳述するが、ここで重要
なことは、このような耐炎化糸の炭素化処理における減
量挙動の変化に対して、追従できるように装置上の配慮
を必要とするということである。即ち、同一の炭化炉を
多目的に使用することが経済性の観点から要求される。

そのためには、例えば排気孔の位置は一定の場所に固定
しておき、処理する糸条に合わせて炉内の温度勾配を任
意に設定できるようなマルチ・セクションに分割された
ヒーター・ゾーンとするか、あるいは予め排気孔を複数
箇所設けておき、処理糸条の減量曲線を求め、それに合
わせてどの位置の排気孔を実際に使用するかを決めると
いう方法でもよい。また排気孔を処理糸道に沿ってダク
ト状に形成し、盲板と開孔部とを適宜組換えられるよう
に、開孔位置を可変としたものであってもよい。

［発明の効果］ 本発明における炭化炉の構成は、まず第一に新鮮な不活
性ガスの供給孔が炉の両端部に設けられている。通常炉
の両端部、即ち、糸条の出入口は操作上の安全性の観点
からも低温に冷却される。

従って、分解ガスが出入口近辺まで拡散してくると、凝
集し、タール状となって炉壁を汚染し、ひいては糸条を
も汚染し、糸切れ１毛羽だち１強度低下の原因となる。

この点本発明においては、両端部に常に新鮮なガスが供
給されているため、汚染されることがない。次に分解ガ
スの排出孔の位置が糸条の減量挙動に合わせて決定され
ている。

この意味は既に述べたが、炉内への分解ガスの拡散を効
果的に抑制することができ、高温で焼成中の炭素繊維と
発生した活性ガスとの反応による強度低下を防止するこ
とができる。

なお、上述したように分解ガスは冷却されると凝縮する
性質を有するが、本発明においては排出孔の位置が分解
ガスの発生温度に対し、少なくとも等しいか、または若
干高いところに設定されているので、炉内で凝縮、蓄積
することはない。もちろん、排出後も温度が低下すれば
凝縮するので、酸化分解し、無害化して大気に放出可能
とするまでガスの温度は高温に保つような配慮が必要で
おる。

ざらに、炉内における減量挙動を実験的に求め、それに
合わせて排出孔の位置を可変とできるような装置面での
配慮を（）てｉＪ′３（プば、同一の装置を用いて異な
った条件の糸条を夫々最適な状態下で、生産性を損うこ
となく、効率よく生産することができる。

以下、実施例を挙げて本発明の効果を具体的に説明する
。

実施例１ アクリロニトリル９９．２モル％、メタアクリル酸０．
８モル％よりなるアクリル繊維を２４０℃〜２６０℃の
空気中で酸化することによって耐炎化した糸条を、最高
温度８００℃で入目より中央に向かって温度勾配を有す
る仝艮８ｍの炭化炉に通し、次表に示す条件で炭素化を
行なった。

なお、表中の減量挙動は先に述べたとおり、走行糸条を
炉内より引き出し、重■を測定することによって求め、
入口からの距離として表示した。

また１ｑられた炭素繊維の強度、および弾性率はＪＩｓ
−Ｒ７６０１に規定されている樹脂含浸スト“ランド法
によった。

この結果から明らかなように、排出孔の位置が３、５　
ＩＩＩである本実施例においては実験Ｎｏ、　３を除き
、優れた強度特性を有する炭素繊維が得られている。ま
た、実験Ｎｏ、　４に示すように、上記装置において１
２０００ｄの糸条を最適に焼成する処理速度は６１１１
／ｍｉｎであることがわかる。

実施例２ 分解ガス排出孔の位置を４．２ｍに開孔させることの外
は、実施例１に準じて１２０００ｄの糸条を１０ｎ／ｎ
＋ｉｎの処理速度で炭素化処理を行なった。この結果、
強度４７５　Ｋｃ＋／ｍｍ２）弾性率２４゜２　ｔ／ｍ
ｌｌ１”の炭素繊維が得られた。即ち、開孔位置が適切
であれば、同様規模の炭化炉を用いても太繊度の炭素繊
維を効率よく生産することができることを示している。

【図面の簡単な説明】

図は、最高温度約７５０℃の炭化炉の炉内温度分布と、
処理糸条Ａ、Ｂの処理糸道に沿った減量曲線を模式的に
示した図である。 （符号の説明） Ａ：被処理糸条の減量曲線 Ｂ：被処理糸条の減量曲線 Ａ’：Ａに適合するガス排出孔の位置 Ｂ’：Ｂに適合するガス排出孔の位置 Ｃ：炉内温度分布曲線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）前駆体繊維糸条に耐炎化処理を施し、しかる後少
   なくとも７００℃の不活性雰囲気で熱処理を施す炭素化
   処理において、該炭化炉の両端より不活性ガスを供給し
   、ほぼ中央部より分解ガスを吸引排気するに際し、該分
   解ガスの排出孔を該炭化炉に供給される耐炎化処理され
   た糸条の所定の処理温度における減量曲線の主減量の終
   了する位置乃至はその進行方向に沿った前方近傍に設定
   することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前駆体繊維がア
   クリル系繊維である炭素繊維の製造方法。