JPS63211325A - 炭素繊維用ピツチの溶融紡糸ノズル - 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１ 本発明は、製品の品質向上に適した、特定の構造に設計
された炭素繊維用ピッチの溶融紡糸ノズルに関するもの
である。

［従来の技術Ｊ 光学的異方性成分を含むピッチを溶融紡糸するとき、ピ
ッチの分子は繊維軸方向に配向するが、繊維軸に垂直な
平面上の断面図を顕微鏡で観察すると、同一のピッチを
用いても紡糸条件によって炭素層の断面配列が放射状に
見えるラジアルタイプ、同心円状に見えるオニオンタイ
プ及ゾ規則的な配列が見られないランダムタイプとに分
かれることが従来より知られている。

このうち、ラジアルタイプの断面を有するものは紡糸工
程に続く炭化工程又は黒鉛化工程に紡糸糸をかけると、
繊維軸に沿った方向に表面が開裂してクラックが発生し
、このクランクが炭素繊維強度を大幅に低下させる原因
となる。

このためランダムタイプ又はオニオンタイプの構造を有
する炭素繊維が好ましいと一般に言われており、紡系工
程後の繊維がこれらのタイプのいずれかの断面を有する
ように紡糸条件を設定しようとする努力が従来より行な
われている。

例えば、オニオンタイプのように配向性のよい繊維を製
造する場合、単に１本の繊維を紡糸するのであれば、比
較的容易に紡糸できるが、工業的に多数の繊維を１個の
ノズル部品から紡糸するときは非常に困難である。

このような工業的規模の紡糸工程において炭素繊維製品
のクラック発生を防止するため、オニオンタイプの断面
を得る溶融紡糸方法として種々の方法が既に提案されて
いる。

すなわち、ノズルのノズル孔の上流空間部に種々の充填
物を挿入する方法（特開昭５９−８８９０９号公報、特
開昭６０−２５９６０９号公報、特開昭６１−１８６５
２０号公報）及びノズル内面を複雑な形状にする方法（
特開昭５９−１６３４２２号公報、特開昭５９−１６８
１２７号公報、特開昭６０−２５２７２３号公報）が知
られている。

前者のノズル孔の上流空間部に充填物を挿入する方法は
、多数の紡糸ノズル孔のそれぞれの、充填物の充填状態
が不均一であり、このため紡糸されたピッチの糸径が不
揃いとなり、また通常該空間部が非常に細くかつ多数の
ノズル孔があるため、充填物の充填や該空間部の清掃が
繁雑過ぎるという欠点がある。

後者の複雑な形状のノズル内面を使用する方法は、同じ
く多数のノズル孔がある上に孔の径が細いため、ノズル
の製作が困難である上に、実用するには清掃等のメイン
テナンスが難し過ぎる欠点がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、炭素繊維用ピッチの溶融紡糸用ノズルであっ
て、該紡糸工程に起因する炭素繊維製品のクラック発生
を起こさず、製作しやすく、かつ清掃しやすい簡単な形
状の溶融紡糸ノズルを提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者は、製品炭素繊維のクラック防止に効果があっ
てかつ繊維軸方向の配向性のよい従来の種々の溶融紡糸
手段を注意深く観察した結果、これらの方法では、ノズ
ル孔から吐出される前のピッチの流れをできるだけ乱す
こと及びピッチが通過するノズルの前後のピッチ内圧の
急激な圧力低下が有効であることに想到し、ノズル直前
の上流域でのピッチ流の乱れ及びピッチの内圧の急激な
変化を起こすために有効でかつ簡単な構造のノズルを使
用すれば、必ずしもオニオンタイプの断面が得られなく
ともクラックの発生を防止でき、かつ満足な強度及び弾
性率を持つ炭素繊維製品が得られることを見出し本発明
を完成した。

すなわち、本発明は、底面にノズル孔を設けたピッチ流
入部を有するノズルであって、該ピッチ流入部１佃当り
に２個以上の該ノズル孔が設けてあり、かつ、該ノズル
孔の長さが０．０５〜Ｓ１１であることを持金とする炭
素繊維用ピッチの溶融紡糸ノズルを提供するものである
。

本発明の溶融紡糸ノズルは、Ｏ，ＯＳ、〜５■、好まし
くは、０．１〜２■の長さのノズル孔を有することが必
要であり、そのノズル孔径は、通常では、０．１〜０．
５１ＩＩであり、ノズル孔の長さと直径との比Ｌ／Ｄは
０．５〜１０である。

本発明のノズルの長さは強度的に可能であれば、短いほ
どノズルの前後のピッチ内圧の急激な低下があるため望
ましい。

ノズル孔の長さが５肩ｌを越えると上記の急激な内圧低
下が起こらない上、ピッチの流れが整流されるのでクラ
ックが生じ、０．０５ＩＩ未満ではノズル板が強度的に
弱くなる。

本発明の溶融紡糸用ノズルにおいて、ノズル孔は流入部
１個当たりに２個以上のノズル孔を設ける必要がある。

この場合、流入部当たりのノズル孔の個数は流入部の大
きさに依存し、０．１〜５０■２当り１個の割合で設け
るのが望ましい。

流入部の底面に比較的近接して２以上のノズル孔がある
と、各ノズルに流れ込む溶融ピッチ流が互いに乱し合っ
て、乱流的流れになる傾向がある。

本発明においては、これを乱流化効果と称するが必ずし
も流体力学的６Ｌ流に限定するものでなくその傾向をい
うものである。

このような乱流化効果はノズル孔へのピッチ流の流入角
度すなわちノズル孔の入り口周辺の表面のノズル孔の軸
方向の中心線に対する角度が影響する。ノズル孔の中心
線を含む任意の方向の断面図において、ノズル孔の紬の
上方向の中心線と該入り口周辺の表面の線との間の角度
を流入角αとすると、本発明においては、このαが４５
〜１００度程度が望ましく、αが４５度未満では、層流
になりやすく、αが１００度を越えるとピッチ流の停滞
が起こり、又清掃等のメインテナンスが困難になる。

流入角αは、ノズルの流入部の底の形状によっては、前
記断面の方向によって大きく変わる０本発明において、
該断面の方向を一回転さしたと軽の流入角の最大値を最
大流入角ａＩＩｌａｘとし、最小値を最小流入角αｗｉ
ｎと定義する。

本発明におけるピッチ流入部の形状は、ピッチの流入方
向に対して深くない方がピッチ流が整流化されないので
望ましく、また／７：ル孔の入り口近辺に流入部の壁が
近いと整流が６しされ、良好な結果が得られる。

７：Ｘル孔入り口付近への流入部内壁の接近度を次ぎに
定義する最短壁平均距離で表現できる。

第９図に示すように、ノズル口径をｄとすればノズルの
入り口から上に伸ばした中心線に対して直角方向で最も
近い内壁までの距離をＬとしてノズル孔入り口から中心
線上５ｄの高さまでのしの平均値をＬａｖとし、これを
最短壁平均距離と定義する。

本発明のノズルの流入部は、このように定義した最短壁
平均距離がｄの１〜２５倍であるのが望ましい。

また、本発明の流入部の深さは５ｄ〜２００ｄの範囲が
望ましい。５ｄ未満ではノズル底板の強度が低くなり、
２００ｃｌを越えるとピッチ流が整流化される。

本発明のノズルの流入部の態様は、例えば、第１図に示
すように直方体状の流入部１の底部中央に縦にノズル孔
２を４個設けたもの又は第２図のように断面が下向きの
くさび形の流入部があり、そのくさび形の下部の底線の
位置にノズル孔が４個設けであるもの又は第２図の形状
を細長くして円弧溝状もしくは真円溝状にして多数のノ
ズル孔を設けたもの（第３図）又は第４図のように六角
形もしくは正多角形にしたもの第５図のように垂直の側
壁がなく単に波型もしくは円弧型の断面の溝の中心線に
ノズル孔を設けたものが好適に使用できる。

また各流入部の底のノズル孔の配置は、例えば、第６図
に示すような一列型、基盤の口型、十字型、千鳥型、円
周型、六角型等種々の配置を選択できる。

特に、入り口が円形の流入部に同心円周状にノズル孔を
設けたもの及び正多角形状の流入部に同心的に同多角状
にノズル孔を設けた場合は、ピッチ流入角及びノズル孔
周辺の壁の状況が完全に同一になるので紡糸条件を各ノ
ズル孔について統一できる点で望ましい。

本発明のノズルは上記のようなノズル孔を底面に設けた
流入部を１個又は複数個有する連続一体的構造のノズル
底板からなる。このようなノズル板としては、例えば、
第３図に示すような中央に一列にノズル孔を有する真円
溝状流入部及び円弧溝状流入部を有するノズル板及び第
７図のように前記直方体状又は六角型の流入部を多数並
べた構造を一体的に製作したもの等が使用できる６本発
明のノズルの各流入部の底に設けられたノズル孔の長さ
は前記のようにＯ，ＯＳ〜５肩肩であり、流入部の底の
最短厚みをこれに一致させるのが望ましい。

本発明の多数の流入部を一体的に有するノズルにおいで
は、流入部の側壁はノズル板にかかるピッチ内圧を支え
るリプとして役に立っている。

本発明のノズルのピッチ流入部に所望により金網、針金
等の充填物を使用してピッチ流の整流化をさらに妨げる
こともできる。

本発明のノズルによる溶融紡糸が適用で塾るピッチとし
てはどのようなものにでも使用でき、例えば、石油系ピ
ッチ、石炭系ピッチ、化学系ピッチ等に適用できる。

石油系ピッチとしては、石油精製工程における種々の留
分の残さ、例えば、常圧蒸留残さ、減圧蒸留残さ、流動
接触分解抽残さなどからのピッチなどに適用できる。

石炭系ピッチとしては、石炭乾留の際に留出するコール
タールピッチであり、α−ビチューメン、β−ビチェー
メン、γ−ビチューメン及び化成り−ルのいずれにも適
用できる。

化学系ピッチとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプ
ロピレンなどのポリオレフィン、ポリ塩化ビニルなどの
高分子物質を熱分解したときに生成する残さピッチ等に
適用できる。

本発明のノズルにより溶融紡糸されるピッチは、上記原
料ピッチを熱処理等の工程にかけメソフェーズ含量の多
いピッチとしたものが望ましい。

本発明のノズルによる溶融紡糸は常法の条件により実施
できる０例えば、温度２８０〜３８０℃において、紡糸
圧１〜２０　ｋｇ／ｃ■”Ｇによりピッチを溶融紡糸で
きる。

本発明のノズルにより、溶融紡糸した繊維状ピッチを通
常の焼成工程により炭化した場合、クラックの発生は全
く見られず、得られた炭素繊維の断面が楕円状のラメラ
構造を２個示すものが得られることが多い。

このように、本発明においては、当初の目的のオニオン
タイプのラメラ断面図のものが得られなかった場合でも
炭化工程又は黒鉛化工程でクラックの発生はなく、軸方
向の配向性がよく、炭素繊維製品の強度及び弾性率等の
物性も満足できるものである。

［実施例Ｊ 本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例１ キノリンネ溶分ＱＩ＝　２８％、軟化点３２５℃、数平
均分子量１０８５のメソ７エーズピツチを、１０個のノ
ズル孔を有するＮｔＪ１図のような直方体形状のノズル
口金であって、ノズル孔径０−３ｘｘ、／ズル長１．２
ｘｍ、流入部の入り口寸法３×４０ｘｍ、深さｆｉｚｚ
、流入角α９０度、最短型平均距離１　、５ｘｚのノズ
ルを用い、口金温度を３３８℃に設定し、紡糸圧３１２
７ｃｍ２、紡糸速度２５０ｚ／ａ＋ｉｎで平均径１３μ
のピッチ繊維を得た。

これを常法に従い２００〜３６０℃で３０分間、１５０
０℃でＮ２雰囲気下で５分間焼成した。

その結果、得られた炭素繊維の強度は３２０ｋｇ７ｘｍ
”、弾性率２９トン７ｘ＊２であった。

実施例２ キノリンネ溶分ＱＩ＝２３％、軟化点３１８℃のメソ７
エーズピツチを第８図のような流入口を同心円状溝とし
て、これに合計５００ホール配置したノズル口金をスク
リュー押出機に設置した。該同心円状溝の断面は第２図
すの形に形成されている。

このノズルは、ノズル孔径０．２ｘｚ、ノズル長０．４
ａｍ、流入部の溝幅３　ａｍ、深さ１２１１．最小流入
角度αｍ１ｎ７５度、最大流入角度αｍａｘ９０度、最
短型平均距離１．２１であった。

溶融ピッチを流量１３００ｇ／ｈｒで押し出し、平均糸
径１２．８μ、糸径のバラツキ標準偏差７．２％のピッ
チ繊維を得た。

実施例１と同様に不融化焼成したところ、得られた炭素
繊維の強度は２８０ｋｇ７ａｘ２であり、弾性率は２６
トン／　ｘ　ｘ　２であった。

［発明の効果１ 本発明の炭素繊維用ピッチの溶融紡糸ノズルを用いれば
、炭素繊維製品のクラックの発生を防ぎ、高強度、高弾
性率の炭素繊維を製造することができ、しかもノズル自
体の構造が簡単なため製作が容易な上、清掃等の溶融紡
糸装置のメインテナンスの手間がかからない点で有利で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のノズルの斜視図であり、第２
図は他の実施例のノズルの斜視図及び断面図であり、第
３図及び第４図は゛それぞれ本発明の実施例のノズルの
上平面図であり、第５図は側壁がない場合の本発明の実
施例のノズル底板の斜視図であり、第６図は実施例のノ
ズル孔の配置例を示す図であり、第７図は多数の流入部
を有する本発明の実施例のノズルの上平面図であり、第
８図は他の実施例のノズルの斜視図であり、図中の符号
は１；流入部、２：ノズル孔、３；流入部側壁、４；流
入部底面である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　底面にノズル孔を設けたピッチ流入部を有するノズ
   ルであって、該ピッチ流入部１個当りに２個以上の該ノ
   ズル孔が設けてあり、かつ、該ノズル孔の長さが０．０
   ５〜５ｍｍであることを特徴とする炭素繊維用ピッチの
   溶融紡糸ノズル。