JPS6385117A - ピツチ系炭素繊維の溶融紡糸機 - 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） この発明は炭素繊維の製造の技術分野で利用され、特に
ピッチ系炭素繊維の溶融紡糸機に関するものである。

（従来技術） 炭素繊維は原料を押出機またはギヤポンプの押出圧によ
って、ノズルより押し出して紡糸し、その後不融化処理
、焼成炭化をして製品とする。

しかしながらメソフェーズを含有するピッチ系炭素繊維
原料を供給して、押出機の内部で加熱し溶融し、この溶
融された原料を紡糸口より吐出させ紡糸するようにした
場合は、その混練特性とあわせて後述するセルフクリー
ニング性を重視しないと、良品を得ることが出来ない。

ここで用いる「メソフェーズ」なる用語は、周知のよう
に一般に液晶と同ｌｌ１ｉであり、結晶固体と無定形液
体との中間であるものの状態をいう。

そしてメソフェーズ部分は、流動中剪断を受けると配向
して光学的異方性を示すが、配向の度合によって流動性
も変化すると解釈される。押出機を通過中にこのような
配向度合の異るものが不均質に混じり合った状態で吐出
されると以降の紡糸ノズルのすべてにわたって均一な流
動状態とならず、流動性の劣る部分からノズルの目ずま
りが生じる。ノズルに目ずまりが生じたならば紡糸不能
におちいることは周知の事実である。

またこのような材料は、高温で長時間加熱されると、ピ
ッチの分子量が大きくなりすぎて、流動性が阻害され、
ノズルの目すまりが生じやすくなる。しかし従来の押出
機にあっては、挿入された原料がすべて均一に配向され
かつ加熱されるのではなく、局部的に長時間押出機内に
滞留する部分があるため、この長時間滞留する部分を少
なくすることが必要となる。この不均一性を表現するの
に、セルフクリーニング性なる用語がある。すなわち押
出機に供給された材料がすべて均一の状態、言いかえれ
ば平均滞留時間経過後に吐出されるとき最高のセルフク
リーニング性を有することとなる。そこで多量成分とし
て一般に無着色の材料を用い、押出機の供給口に局部的
に着色された材料を小量成分として投入する場合につい
て考えれば、第４図に示すように、縦軸に押出機先端か
ら吐出される前記小量成分材料の全量に対する％、すな
わち濃度を、また横軸に時間の経過をとると、セルフク
リーニング性が良好な押出機では同図のＰｌのように小
量成分の濃度のピークがシャープでかつ１ｉ１度の数値
が大、そこに至る迄の時間ｔ１が小、さらに濃度が零と
なる時間ｔ２が小となり、材料の大部分は必要最小時間
加熱され、長時間加熱される材料の割合は僅少となる。

一方セルフクリーニング性が悪い押出機では同図のＰ２
のようにピークがシャープでなり、濃度の最大値の数値
小、４度が零となる時間大となり、材料の配向、加熱を
受ける時間、のばらつきが大きくなる。

従ってメソフェーズを含有するピッチ系炭素繊維原料が
供給される押出機は、セルフクリーニング性が良好でな
ければならない必然性がある。しかしながら従来の押出
機のセルフクリーニング性では、メソフェーズを含有す
るピッチ系炭素繊維原料を処理するに充分満足しうる程
度にセルフクリーニング性が良好なものではなかった。

（発明が解決しようとする問題点） この発明においては、メソフェーズを含有するピッチ系
炭素繊維原料を加熱処理してピッチ系炭素繊維を製造す
る従来の紡糸機では、セルフクリーニング性が充分に良
好ではなく、原料の滞留時間が不均一であるために、高
温度下に過度の時間滞留した部分の分子量が過大となり
、また異方性のものが不均質に混ざり合った状態となり
、紡糸口をつまらせ、良好な紡糸が出来ないという問題
点を解決しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） この発明の溶融紡糸機は、メソフェーズを含有するピッ
チ系炭素繊維原料の供給をフィード機構２を介して受け
ると共に脱気部３ｂが設けられた押出ａ３と、押出Ｉａ
３の下流側に接続される紡糸口４とを少なくとも具備し
、押出機３のスクリュー５は、第１ステージＳｌおよび
第２ステージＳ２の２ステージの２軸に構成され、かつ
そのフライ）５ａが互に噛み合う噛合型に構成されてお
り、さらに２軸のスクリュー５は互に異方向に回転させ
るように（歯車装置６が）構成されていることを特徴と
するものである。

（作用） 押出機３内に供給されたメソフェーズを含有するピッチ
系炭素繊維原料は、押出機３内を下流に向けて移動しな
がら加熱され溶融される。そして押出機３は２軸スクリ
ユーでありかつ脱気部３ｂにより途中より脱気されるた
め、単軸押出機に比し、シリンダ脱気部での材料の浴出
を防止しうる一 のみならず、紡糸口より吐出される繊維溶融物の中に揮
発分よりなる泡を包含することがなく、従って糸切れを
減少させることができる。

また抽出機３は２ステージ、２軸かつそのフライ）５ａ
が噛合型であり、さらに２軸が異方向回転であることに
より、そのセルフクリーニング性が良好となり、良好な
紡糸が得られる。

（実施例） 以下この発明の実施例を詳述する。なお第１図および第
２図において、上流側とは図において右側をまた下流側
とはその反対側を意味するものと理解されたい。

ホンパー１の下端はフィード機構２の上流側に連通して
いる。フィード機構２は通常の１軸のスクリューコンベ
アとして構成されている。そしてフィード機構２の下流
端は押出４Ｉ１３の上流端と投入継手７によって連設さ
れており、投入された原料は押出ａ３の２軸の同径のス
クリュー５に対して供給される。これらスクリュー５は
歯車装置６によって互に異方向に同期的に駆動される。

スクリュー５は１条ねじとし、第２図図示のように、第
１ステージＳ１および第２ステージＳｔが配設されてお
り、さらに第１ステージｓ１は、供給部Ｓ３、圧縮部Ｓ
４および計量部Ｓｓで構成されている。さらに第２ステ
ージＳ８も逆圧縮部Ｓ、および計量部Ｓ、で構成され、
脱気部３ｂがこの逆圧縮部Ｓ為の部分に開口されている
。フライト５ａの形状（スクリュー５の軸を含む平面で
スクリュ−５の山を切断したときの断面部の形状）を、
台形とするとき、１条ねじの軸方向の噛合間隙Ｘは、２
軸が異方向に回転する場合は、Ｘ−ξ＋（（Ｚ−ｒ＞　
＋　（Ｒｐ）　）　ｔａｎ　ｅｘ２π また同方向回転の場合は、 Ｘ−ξ＋（（Ｚ−ｙ）　＋　（Ｒ−ｐ＞口ａｎ　ａここ
で第６図（スクリュー５の横断面図）および第７図（ス
クリュー５の縦断面図）を参照して、今Ｐ点を両スクリ
エ−５のかみ合っている個所の任意の点とした場合、 ゛　　（スクリュー５の山の峯の幅Ｔよ）Ｔ−スクリュ
ー５の谷の半径 Ｒ＝ニスクリユーの山の半径 ρ＝一方のスクリュー５の中心ＡとＰ点との距離 ２−他方のスクリュー５の中心ＢとＰ点との距離 α−フライト５ａの斜面の角度 Ｌ−スクリュー５のピッチ ψ””−＜ＢＡＰ　　　φ−ＺＡ　Ｂ　Ｐさらにフライ
ト面に直角方向の噛合隙間ｘ７（フライト隙間）は、 ｘ１１隼Ｘ　ｃｏｓβＣＯ３α１・−・・・・・・・−
・・・・・・−・（３）ここでβ寥フライト５ａのへリ
ソクス角αゎ、−フライト５ａを斜面に直角な平面で切
断したときの、斜面の角度 フライト５ａの形状は矩形もしくは、僅かにチー　バー
のついた台形とすることが好ましいので台形についての
算式を示した。ここで矩形ねじに対してはα−０とすれ
ばよい。

以上でのべたフライト間隙Ｘｌｌとスクリュー５の外径
りとの比すなわちＸ、／Ｄは上記した算式より計算され
たＸｌの最小値に対して少なくとも１１５望ましくはｌ
／１０以下とするとセルフクリ−ニング性をより良好に
することができる。

ただし空間的にフライト噛合面が互に接触することなく
、また運転中にも接触を回避できる最小のＸ、／Ｄのイ
直は（既ね１／１００である。

以上はフライト５ａ相互の間隙であるが、この他、第７
図にηで示す、山径と谷径との間の間隙（カレンダ間隙
）が存在する。

スクリュー５の第１ステージＳ５．第２ステージＳ２共
１リード（１条ねじの場合ｌピッチに同し）あたりの空
間容積は、その上流側から下流に向って減少するように
形成されている。上流側の１リード当たりの空間容積■
、と下流側の１リード当たりの空間容積■２との比、す
なわちＶ＋／■２を圧縮比と称する。例えば第、１ステ
ージＳＩにおいては圧縮比を２．５ないし４，０位にす
ることが多い。　圧縮比を構成するために、リードの長
さ、あるいは第７図におけるＴ、の値を、上流側と下流
側とで変えて、上流側で大きく、下流側で小さくする方
法と、スクリュー５の谷の径２γを上流側では小さく下
流側では大きくする方法の２通りの方法が行われる。あ
るいはこの２通りの方法を組み合わせることもある。

前記のカレンダ間隙ηの値は、第６図および第７図より
、両スクリュー５間の軸間距離をＣとして、 η＝Ｃ−Ｒ−ｒ・−一−−−−−・・・−・−（４）で
あられされる。そしてこのηの値と、Ｄ　＝　２　Ｒ−
−−−・−・〜・−・・−（５）であられされるＤの値
との比、すなわちη／Ｄも少なく共ｌ／３０望ましくは
１１５０以下とすると、セルフクリーニング性をより良
好とすることができる。但し、空間的にフライ）５ａの
外径面が、その谷面に互に接触することなく、また運転
中にも接触を回避できる最小のη／Ｄの値は、おおむね
１／１００である。

第２図に示すスクリュー５では、圧縮比を得るために、
第１ステージＳ２．第２ステージＳ２共上流側でスクリ
ュー５の谷の径を小さく、下流側では大きくする方式を
採用したものである。また一方第５図に示すスクリュー
５では圧縮比を得るために、第１ステージＳ１．第２ス
テージＳｔ共上流側より下流側に至るまで谷の径は等し
く、ただし上流側ではリードを大、下流側ではリードを
小さくしたものである。

セルフクリーニング性向上の意味からは、圧縮比を構成
するための方法として第２の方法すなわち谷の径は等し
く上流側ではリードを大きく、下流側ではリードを小さ
くするものが好ましい。

このようにすれば（４）式でのべたカレンダ間隙ηの値
を小さくすることができる。

幾何学的見地からすればどのようなゾーンについても上
記したことは当てはまるが流体の送りは連続の定理から
して、上流側から下流側に亘って単位時間当りどのゾー
ンをとっても一定量でなくてはならない。第１ステージ
Ｓ３、第２ステージＳ２の計量部Ｓ、およびＳ、では、
１リードあたりの空間の容積がそれぞれの上流側の部分
の空間容積より小さく形成されているので、この小さく
形成された部分には材ギ４が充満されて、圧力が上昇し
、下流側より上流側に対して圧力勾配が生じる。そのお
り圧力の上昇と逆方向に前記空間を仕切る噛合部を通し
ての漏洩流が生しるが、この漏洩流の生じる位置は第１
ステージＳ、および第２ステージＳｔの計量部Ｓｓ　、
Ｓ？　もしくはその上流方向の直前の位置に生じる。し
たがってセルフクリーニング性向上の観点から計量部Ｓ
ｓ　、　　Ｓ７における隙間はＸ７．η共小さく保つ必
要がある。

第２図に示すスクリュー５は第１ステージＳ。

および第２ステージＳ２の計量部Ｓｓ、Ｓ、におけるフ
ライト間隙Ｘ１およびカレンダ間隙ηをそれぞれ前述の
趣旨に沿って小さくしたものである。

これに対して第５図に示すスクリュー５は第１ステージ
Ｓ、の供給部Ｓ１．圧縮部Ｓ４およびＳ。

はもちろん第２ステージｓ２の逆圧縮部ｓ６および計量
部Ｓ、のすべてにわたって上記したフライト間隙Ｘｆｉ
およびカレンダ間隙ηを小さくしたものである。

第２図に示すような計量部Ｓｓ、Ｓ７をにおける間隙を
重点に小さくとることは最小必要条件であるが、その他
のゾーンについては、供給材料の見掛比重や粘着性ある
いは、脱気口よりの材料の浴出などを考慮してデザイン
されるべきものである。

１リード当りの空間容積に完全に原料が充満されていて
かつ噛合の隙間がゼロであれば、スクリュー５を１回転
させた時に送られる材料の搬送量は注目している部分の
空間容積■と材料の比重ρと回転スピードＮの積であら
れされるこれを理論搬送量と呼ぶ。

このような２ステーシスクリニーでは第１ステージＳ１
の計量部における実際の搬送量がその押出機３の運転状
況を表す１つの指標となるものである。この値は、スク
リュー噛合の隙間による漏洩流のため減殺されるが、す
でにのべたようになるべく理論搬送量に近い大きな値で
運転することがセルフクリーニング性向上の意味から好
ましい。

フィード機構２付の２軸スクリユー押出８！１３では（
オ料の長期的な搬送量はフィード機構２の供給量によっ
て決ってくるが、この供給量を上記した第１ステージＳ
１の計量部Ｓ、における理論搬送量の３５％以上好まし
くは４０〜６０％とする。

紡糸口４は、第３図図示のように、その入口通路４ａに
連通して拡散部４ｂが構成され、その周辺部において連
通孔４Ｃが設けれ、さらにグイプレート４ｄの円周上に
分布されたノズル４ｅに至り、このノズル４ｅから材料
がギヤポンプ８によって圧送され、細い糸となって押し
出され、紡糸されるものである。

さてセルフクリーニング性は、フライト５ａの条数が少
ない程良好となる。ここにいう条数とは、スクリューフ
ライトのを角が３６０°になったときの軸方向の該長さ
を１リードとするとき該リードごとにフライトが１凹環
れるとき１条とし、２゜３・・・・回現れるとき、２条
、３条・・・、と称する。

ピッチをほぼ同しくして条数を増加させたときには、リ
ード長が長くなるので軸方向への材料の流れの拡散速度
が速くなり、混合・混練は促進されるが、セルフクリー
ニング性が悪化する。すなわち１条ねじを用いればセル
フクリーニング性が向上し、良好な紡糸を行うことがで
きる。

さらに噛合型の２軸スクリユ一押出機では２本のスクリ
ュー５のスクリューフライト５ａの噛合部相互の隙間が
極めて小さい場合、シリンダ３ａ内面とスクリュー溝で
形成される空間（以下単に空間と称する。）はフライト
５ａの噛合部で完全に仕切られた部屋を形成し、押出機
３の下流に向って生じる圧力上昇に対して逆方向に（上
流に向って）流れる漏洩流が起り難い。前記した漏洩流
を多量に生じさせれば、混合・混練は促進されるが、セ
ルフクリーニング性が悪化する。物質収支のバランスか
ら考えるとフライト／ａ深さの浅いところすなわち第１
ステージＳ、および第２ステージＳ２の計量部において
漏洩流が起りやすいので、少くとも核部におけるフライ
ト５ａ相互の噛合部の隙間を小さくすると、セルフクリ
ーニング性が向上し良好な状態で紡糸し得る。

スクリューフライト５ａの噛合部での相互の隙間を小さ
くするには同方向回転スクリューよりも異方向回転スク
リューの方が空間配置上好ましい。

第８図には同方向回転スクリュー押出機３のスクリュー
横断面を示す、同図の［Ｘ−ＩＸ断面をとったものを第
９図に示す、この図かられかるように同方向回転のスク
リュー５では第８図で向って右側に位置するスクリュー
５ｂと向って左側に位置するスクリュー５Ｃは噛合部で
の傾角が互に逆方向になるので、噛合部上下位置におけ
る隙間はＰ。

Ｑ、Ｐ、Ｑ・・・・のように広いものと狭いものが交互
に連なる形となる。このうちＰ間隙は広いものであって
、瓢箪螺旋状に違ったものとなる。すなわち隙間を噛合
部のすべての位置で小さくすることは幾何学的に不可能
であって漏洩流を阻止することができない。

これに対して第１０図には異方向回転スクリュー押出機
のスクリュー横断面を示す、この図かられかるように異
方向回転のスクリュー５ではスクリュー５ｂとスクリュ
ー５Ｃは噛合部での傾角が互に同方向になるので、噛合
部上下位置における隙間Ｐ、Ｑ、Ｐ、Ｑ・・・・は互に
均一間隙に近い状態で連なる形となる。すなわち隙間を
噛合部のすべての位置で均等にかつ小さくすることが幾
何学的に可能であって漏洩流を阻止することができる。

したがって異方向回転スクリューはセルフクリーニング
性良好のスクリューである。

２軸押出機の押出量は長期的な観点からすればフィード
機構２の輸送能力で決定される。

押出スクリュー５の回転スピードを上昇させるとフィー
ド機構２より供給された材料は急速に押出機３先端に達
するが、吐出量はフィード機構２供給能力を上回ること
はできない。

このような場合材料は押出Ｉ！１３の出口直前で強く攪
拌されてセルフクリーニング性が悪化する。

これに反してフィード機構２の回転スピードに対して押
出機スクリュー５の回転スピードを低下させると、材料
はスクリュー溝内を無理なく搬送されてセルフクリーニ
ング性が向上する。

第一ステージＳ１の終りに設けられた計量部Ｓｓの搬送
能力がその押出８！３の吐出量を制約する要因となるが
、もし噛合隙間が全（ない完全噛合であったとしたら上
記計量部Ｓｓの１リード当りの空間容積と該部位での材
料の比重とスクリュー５の回転速度の積が搬送量となる
。実際には、上記の値に対して３５％以上好ましくは４
５〜６０％のフィード機構２の供給量とするとよいが、
フィード機構２の供給量をあまり大きくし過ぎるとフィ
ード機構２直下のスクリュー溝に材料が充満して、遂に
は溢れる状態になる。フィード機構２直下のスクリュー
溝が完全に充満されない状態を飢餓状態と称するがフィ
ード機構２の輸送量の上限は飢餓状態で運転し得る範囲
で上記の値をなるべく大きくすることがセルフクリーニ
ング性向上にとって好ましい。

（発明の効果） この発明は前記のとおり、押出機のセルフクリーニング
性を従来よりさらに向上させたものであるから、材料に
メソフェーズを含有するピッチ系炭素繊維原料を使用し
て紡糸を行った場合、その流動性がそこなわれることな
く、良好な紡糸が行なわれるという効果を有するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はいずれもこの発、明の一実施例を
示し、第１図は側面図、第２図はスクリューの詳細平面
図、第３図は紡糸口の詳細側面図であり、第４図は従来
のものと比較した説明曲線図である。第５図は他の実施
例によるスクリューの詳細平面図である。第６図および
第７図はフライトの噛合部の隙間を計算する際に必要な
説明図であり、第６図は横断面図、第７図は第６図の■
−■断面図である。第８図ないし第１０図はいずれもフ
ライトの隙間を説明する説明図であり、第８図および第
１０図はいずれも横断面図、第９図は第８図の［Ｘ−［
Ｘ断面図、第１１図は第１Ｏ図のＸＩ　−ＩＮ断面図で
ある。 ２　・・・・フィード機構、　　３　・・・・押出機３
ａ・・・・シリンダ、　　　３ｂ・・・・脱気部４　・
・・・紡糸口、　　　　　５　・・・・スクリュー５ａ
・・・・フライト、　　　Ｓｌ・・・・第１ステージＳ
２・・・・第２ステージ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）メソフェーズを含有するピッチ系炭素繊維原料の
   供給をフィード機構を介して受けると共に脱気部が設け
   られた押出機と、この押出機の下流側に接続される紡糸
   口とを少なくとも具備するピッチ系炭素繊維の製造装置
   において、前記押出機のスクリューは第１ステージおよ
   び第２ステージの２ステージに形成された２軸とし、か
   つそのフライトが互に噛み合う噛合型とし、さらに前記
   ２軸のスクリューは互に異方向に回転させるようにした
   ことを特徴とする、ピッチ系炭素繊維の溶融紡糸機。
2. （２）前記押出機のシリンダ途中の、前記スクリューの
   第２ステージの逆圧縮部において前記脱気部が開口して
   設けられている特許請求の範囲第１項に記載の、ピッチ
   系炭素繊維の溶融紡糸機。
3. （３）前記スクリューは１条ねじである、特許請求の範
   囲第１項または第２項に記載の、ピッチ系炭素繊維の溶
   融紡糸機。
4. （４）前記２ステージのスクリューは、第１ステージお
   よび第２ステージの計量部共、そのフライト相互間の噛
   合隙間（フライト隙間）をその外径の１／５以下とした
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項、第２項また
   は第３項に記載の、ピッチ系炭素繊維の溶融紡糸機。
5. （５）前記２ステージのスクリューは、第１ステージお
   よび第２ステージ共その計量部が、カレンダ間隙をその
   外径の１／３０以下としたことを特徴とする、特許請求
   の範囲第１項、第２項、第３項および第４項に記載の、
   ピッチ系炭素繊維の溶融紡糸機。
6. （６）前記フィード機構は、前記スクリューの第１ステ
   ージの１リードあたりの空間容積と、この部分における
   比重およびスクリューの回転速度の積に対して、３５％
   以上の材料供給重量としたことを特徴とする、特許請求
   の範囲第１項、第２項、第３項、第４項または第５項に
   記載の、ピッチ系炭素繊維の溶融紡糸機。