JPS6328916A - ピツチ系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〕 本発明は石炭系ピッチ、石油系ピッチ、高分子焼成ピッ
チ等のピッチ類から炭素繊維を製造する方法に関するも
のであり、詳しくは繊維の取扱いを容易にすると同時に
安定的に高品質の炭素繊維を得る方法に関するものであ
る。

〔従来技術〕

ピッチ系炭素繊維は、通常、原料ピッチを溶融紡糸し、
得られたピッチ繊維を不融化処理及び炭化処理を行なう
ことによって製造される。

ピッチ系炭素繊維はポリアクリルニトリル系等の炭素繊
維に比較して高収率で工業的有利に製造できる利点があ
る反面、ピッチ繊維が極めて脆弱であり、その取扱いは
ピッチ系炭素繊維の製造工程において重要なポイントで
あシ、かかる脆弱繊維であるピッチ繊維に繊維強度以上
の外力が加わると毛羽立ち糸切れ、乱れ、からみ等が生
じ易く、高特性のピッチ系炭素繊維を安定的に得ること
ができなくなるので細心の注意が必要であった。ところ
でピッチ系炭素繊維を補強繊維とした複合材料の用途の
１つとしてｉｏｏ〜／Ｑ００本の単繊維を集束剤の存在
下集束して一本の繊維トウとし、かかるトウをｌＯ〜／
　０００本程度合糸して一束の繊維トウとし、更に必要
に７じて加熱した太径の繊維束が用いられる。通常、か
かる太径の繊維束は単繊維の糸径にもよるが単繊維が２
０００−！；０万本種本程度合糸たものであるが、前記
したようにピッチ繊維は極めて脆弱であるため、繊維ト
ウの合糸操作においては、ピッチ繊維の状態で行なうよ
シもピッチ繊維を更に炭化処理し、充分な機械的強度が
付与された炭化繊維の段階で行なわれていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来のように炭化繊維の段階で合糸操作
を行なうと炭化繊維の前駆繊維である不融化繊維、ひい
てはピッチ繊維からなる繊維等の段階で合糸操作を行な
うことが望まれていた。

しかしながら、ピッチ繊維を合糸する場合には引取速度
、張力等を小さく押え、ローラやガイドとの機械的接触
の影響を小さくする必要がある等の製造工種上の問題が
あり、また気相中において合糸操作を行なう場合、ケバ
立ち、糸切れ等の問題を細心の注意によシ回避出来たと
しても、炭化処理後の炭素繊維束を解繊すると合糸操作
前の各繊維トウ毎に分かれてしまい合糸された繊維トウ
の一束性に問題を有していた。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明者等はかかる問題点を解決するために鋭
意検討した結果、集束された繊維トウを実質的に層流状
態を形成するように展開された液体中において各繊維ト
ウを構成する単繊維を引き揃えることにより上記の問題
点が解決されることを見い出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明の目的は繊維トウを構成する各単繊維
の引き揃えを行ない、繊維トウの取扱いを容易とし、ひ
いては複数本の繊維トウを一束の繊維トウに形成する合
糸操作が簡便され、高特性のピッチ系炭素繊維を安定的
に製造する方法を提供するものである。

そしてその目的は、原料ピッチを気相中に溶融紡糸して
得られたピッチ繊維を集束剤の存在下集束し、次いで不
融化処理、炭化処理、さらに必要に応じて黒鉛化処理を
行うことによりピッチ系炭素繊維を製造する方法に於い
て、集束された繊維トウを実質的に層流状態を形成する
ように展開された液体中に導入し、→吻→→−次いで該
液体中から引出すことにより達成される。

以下本発明の詳細な説明するに、本発明に用いられる原
料ピッチとしては、コールタールピッチ、石炭液化物等
の石炭系ピッチ、゛原油の常圧蒸留残油、減圧蒸留残油
、またはその熱処理物、ナフサの熱分解副生タールの熱
処理物等の石油系ピッチ及び合成樹脂や天然樹脂を乾留
することによって得られる高分子焼成ピッチ等が挙げら
れる。

原料ピッチの溶融紡糸は通常の合成繊維の乾式性溶融紡
糸と同様に行々うことができ、特に制限はなく、溶融し
た紡糸ピッチを下向きの紡糸口金から気相中に押し出し
冷却固化させる方法を採用する。紡糸口金としては吐出
孔の孔径が０．／−０，！；−程度のものを用いる。紡
糸口金の温度は原料ピッチの種類に依存し紡糸に適当な
溶融粘度を考慮して決められるが、通常は２５０〜３５
０℃の範囲が適当である。紡糸口金の下には保温筒を設
けておくと紡糸状態の安定化に有効である。

ピッチ繊維の集束剤としては１例えばシリコーン系油剤
、高級アルコール系油剤、高級脂肪酸系油剤、またはこ
れらの混合物及びこれらをエマルジョン化したもの、更
には固体微粒子を添加したものが用いられる。具体的に
はシリコーン油として、ジメチルポリシロキサン、フェ
ニルメチルホリシロキサン、エポキシポリシロキサン、
アミノポリシロキサン、７に級アルコールトシテ、ステ
アリルアルコール、オレイルアルコール、インベソタコ
サニルアル＝ｒ−／ｌ／、高級脂肪酸としてステアリン
酸グリセライド、ポリエチレングリコールステアレート
、ポリエチレングリコールオレート、固体微粒子として
黒鉛、カーボンブラック、シリカ酸化チタン等が挙げら
れる。

エマルジョン化する時に配合される乳化剤としてはポリ
オキシエチレンラウリン駿などの非イオン系乳化剤、ア
ルキル硫酸エステルなどのアニオン系乳化剤、塩化アル
キルピリジウムなどのカチオン系乳化剤が用いられる。

エマルジョン化する際に集束剤を希釈するための希釈剤
としては、後記する層流状態に展開される液体として挙
げられるものを用いるのがよい。

また集束剤には必要に応じ帯電防止剤が配合され例えば
、アルキル硫酸エステルなどのアニオン系、第四アンモ
ニウムなどのカチオン系、あるいはベメインなどの両性
の帯電防止剤を用いるのがよい。

これらの集束剤をピッチ繊維ｉｏｏ重量部に対し希釈剤
を除いた集束剤成分としてＱ、Ｉ〜ｉｏｏ重量部、好ま
しくは／−／　３重量部付着させる。

本発明においては、かかる集束剤の存在下で集束された
繊維トウを実質的に層流状態を形成するよう忙展開され
た液体中に導入し、該液体中において繊維トウを構造す
る単線維の引き揃え処理することが重要であり、層流状
態に展開される液体としては集束剤として水エマルジョ
ンを用いた場合には、通常水が用いられるが繊維トウを
溶解しないものであればよくたとえばメタノール、エタ
ノール、プロパツール、ブタノール、インプロパツール
、エチレングリコール、セロソルブなどの炭素数７〜グ
の脂肪族アルコール類、シクロペンタノール、シクロヘ
キサノールなどの炭素数３〜乙の脂環式アルコール類、
アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケト
ン、シクロヘキサノンなどの炭素数３〜６のケトン類、
水などの単一物あるいはそれらを任意の割合で混合した
溶液、更には集束処理に用いた集束剤、または水と界面
活性剤の混合物等が用いられ、界面活性剤として前述し
たエマルジョン化に配合される乳化剤等を用いるとよい
。

層流状態に展開された液体中に繊維トウを導入するに際
しては、液体を繊維トウの移動方向に沿って向流又は並
流に、好ましくは向流に移動させる。この際、繊維トウ
の引き取り速度は層流状に展開された液体が乱流となら
ないように、液体の粘性に応じて／−／　００　ｍ　７
分の範囲から適宜選定される。

本発明において、実質的に層流状態を形成するように液
体を展開させるとは液体中を繊維トウが移動する際、液
体が過度に流動するか、あるいは上下方向に脈動して繊
維トウの乱れ、からみ、更には単糸切れ等が生じない程
度の流速および速度分布となるように液体を流通させる
ものであって、流体の流速としては６０　ｍ　／分以下
、好ましくは０．／　＝　５０　ｍ　７分とすればよく
液深としては／−３Ｑｒｒｍ、好ましくは２〜ダ０に程
度の薄層流とすればよい。

また、かかる処理装置πガイド、ローラ、カスケード等
を設置し、各繊維トウをこれらの治具な介して引き揃え
処理を行なってもよく、その際、処理装置は繊維トウの
導入部を広くし、引き出し部は狭く設計しておくのがよ
い。尚、本発明では、繊維トウを構成する単繊維の引き
揃えを行なうことが主目的であるが、更にかかる引き揃
え処理と同時に複数本の繊維トウを一束の繊維トウに形
成する合糸処理を行なうのがより好ましい。

その際、各繊維トウのすべてが層流状の液体中で引き揃
え、かつ寄せ集められて合糸処理が完了するか、あるい
はかかる液体中から引き上げられた直後に合糸処理が完
了する。

処理装置の形状としては、特に限定されるものではなく
、例えば管状のもの、平板状のもの、あるいはこれらの
形状の処理装置において液体の流路が仕切板等で区切ら
れたものが用いられるが、好ましくは繊維トウの移動方
向に向って若干の勾配を設けるようにした装置を用いる
のがよい。

例えば、第１図で示すように、傾斜した扇形樋状の処理
装置二の上流より液体３を流下させ、処理装置二上に実
質的に層流状態を形成するように展開させる。

次いで処理装置−の下流部より複数本の繊維トウｌを液
体３中へ導入し、液体３の流れ方向に対して向流となる
ように繊維トウｌを移送し案内ローラＳを介して各繊維
トウが寄せ集められ一束の繊維トウが形成されるように
引き出される。

また、必要に応じて各繊維トウの寄せ集めに際して、加
熱機等を用いて引き出し操作を行なうことにより、加熱
された繊維トウを形成してもよい。

なお、液体３に繊維トウｌが導入される際に繊維トウｌ
は実質的に引張張力が除去または緩和されているので、
繊維トウＩを構成する単繊維に解繊され、また導入時に
は繊維トウｌに対して屈曲が与えられるので溶融紡糸時
に巻き込まれていた太径の未延伸糸等も除去されること
となり、次工程での繊維トウｌの取扱いが容易となり好
ましい。

本発明で処理される繊維トウの本数は特に限定されるも
のではないが、合糸処理を行なう場合には、所望の金糸
繊維トウとなるように適宜その本数を選択すればよい。

本発明において、用いる繊維トウはピッチ繊維あるいは
不融化繊維からなる繊維トウを用いるのがよく、好まし
くはピッチ繊維からなる繊維トウが適している。

引き揃え、更には合糸された繊維トウは周知の方法に従
って不融化処理及び炭化処理あるいは黒鉛化処理が行な
われる。例えば、不融化処理は、繊維を酸素、オゾン、
空気、窒素酸化物、ハロゲン、亜硫酸ガス等の酸化性雰
囲気下、／３０〜ａｂｏｃの温度ｙｓ分〜ｌＯ時間加熱
することによって行なわれる。また炭化処理は繊維を窒
素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、／　０００〜２
！；００℃の温度にｏ、ｓ分〜ｉｏ時間加熱することに
よって行なわれる。

さらに黒鉛化処理を行なう場合には、ユＳＯＯ〜３ｓｏ
ｏ℃の温度に１秒〜１時間加熱保持すればよい。また不
融化、炭化あるいは黒鉛化処理の際、必要であれば収縮
や変形等を防止する目的で、後処理体に若干の荷重ある
いに張力をかけておくこともできる。

さらに、不融化処理に際しては不融化炉の直前に乾燥機
を設け、あるいは不融化炉の最初の過程でピッチ繊維を
３０−１００℃に５分〜二時間保持してピッチ繊維に付
着する液体を乾燥しておくことが好ましい。

〔効果〕

以上詳述した様に本発明では実質的に層流状態を形成す
るように展開された液体中に複数本の繊維トウを流通さ
せるという非常に簡単な操作で、俄維トウが液体中にお
いて構成する単繊維に解繊され、各単繊維に均一な張力
がかかることにより脆弱な繊維トウを小さな張力で、効
率良く引き揃え、更には合糸されるので次工程での繊維
の取扱いが良好とな９、あるいは合糸された繊維トウの
一束性も非常に良好となる。

また、ピッチ繊維の段階で金糸処理を行なった場合、後
続する不融化処理、炭化処理を合糸された繊維の状態で
一括して行うことができるため、生産性゛が向上し高特
性のピッチ系炭素繊維を連続フィラメント状で安定的に
製造することができる。

次に本発明を実施例によシ更に具体的に説明するが本発
明はその要旨をこえない限り以下の実施例に限定される
ものではない。

実施例１ 紡終口金を用い紡糸温度、３３０℃で溶融紡糸し得られ
た糸径ｉｏμのピッチ繊維にシリコーン油の水エマルジ
ョンを付着させ集束した。集束した繊維トウを第７図に
示す装置を用いて引き揃え、合糸した。具体的には、傾
斜した扇形樋状の処理装置の上端（上流部）より液体３
として水を用い、／　Ｏｍ　７分の流速で水深ｓ順とな
るように実質的に層流状態に展開し、該処理装置ユの下
流部より、各繊維トウｌを１０本導入つ し、処理装置ユ内の薄層状の水中で各繊維トｌｌを構成
する単繊維を引き揃えながら、単繊維数１００００本か
らなる一束の繊維トウに合糸処理を行なった。合糸され
た繊維トウｑは案内ローラＳ及び駆動ローラー乙を用い
てｔｍ分の速度で処理装置コより引き上げた。次にｉｇ
。

℃の空気中で３０分間保持して乾燥を行い、さらにｉｓ
ｏ℃よυ３ｏｏｃｉで一時間３０分を要して昇温した後
、その温度に３０分保持して不融化処理を行なった。そ
の後アルゴン中で室温よｐｉｔＩｏｏ℃まで２時間２０
分を要して昇温した後その温度に１時間保持して炭化処
理を行い、炭素繊維を得た。得られた炭素繊維はルーズ
や毛羽が無く糸束揃いが良好でしなやかな性状であった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の１例を示す説明図である。 ｌ：ピッチ繊維トウ　コニ処！装置 ３：液体　　ダニ合糸された繊維トウ ５二案内ローラー　　６：駆動ローラー出願人　　三菱
化成工業株式会社 代理人　　弁理士　長谷用　　− （ほか１名）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料ピッチを気相中に溶融紡糸して得られたピッ
   チ繊維を集束剤の存在下集束し、次いで不融化処理、炭
   化処理、さらに必要に応じて黒鉛化処理を行うことによ
   りピッチ系炭素繊維を製造する方法に於いて、集束され
   た繊維トウを実質的に層流状態を形成するように展開さ
   れた液体中に導入し、次いで該液体中から引出すことを
   特徴とするピッチ系炭素繊維の製造方法。
2. （２）実質的に層流状態を形成するように展開された液
   体中に集束された繊維トウを複数本同時に導入し、かつ
   該複数本の繊維トウを合糸して該液体中から引出すこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）集束された繊維トウがピッチ繊維からなる繊維ト
   ウであることを特徴とする特許請求の範囲第１項もしく
   は第２項のいずれかに記載の方法。
4. （４）実質的に層流状態を形成するように展開された液
   体が、繊維トウを実質的に溶解しない有機溶媒、水、水
   に界面活性剤を添加したもの又は、それらの混合物であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
5. （５）有機溶媒が炭素数１〜４の脂肪族アルコール類、
   炭素数３〜６の脂環式アルコール類または炭素数３〜６
   のケトン類であることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項記載の方法。