KR102251788B1

KR102251788B1 - 탄소 섬유 제조 장치 및 탄소 섬유 제조 방법

Info

Publication number: KR102251788B1
Application number: KR1020167024198A
Authority: KR
Inventors: 히로아키 즈시; 다카야 스즈키; 준이치 스기야마
Original assignee: 고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠; 데이진 가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2021-05-13
Also published as: US20170327974A1; KR20160137526A; EP3128051A4; JPWO2015152019A1; CN106460243A; JP6528181B2; CN106460243B; EP3128051B1; EP3128051A1; US10260173B2; WO2015152019A1

Abstract

본 발명의 과제는, 마이크로파를 조사함으로써 피탄소화 섬유를 가열하는 탄소 섬유 제조 장치로서, 전자파 흡수제 등의 첨가나 외부 가열에 의한 예비 탄소화를 필요로 하지 않고, 또한 상압에서 탄소화할 수 있는 소형의 탄소 섬유 제조 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 탄소 섬유 제조 장치 (200) 는, 일단이 폐색된 원통 도파관으로 이루어지는 통상 노체 (27) 로서, 상기 원통 도파관의 상기 일단에 섬유 도출구 (27b) 가 형성됨과 함께 상기 원통 도파관의 타단에 섬유 도입구 (27a) 가 형성되어 이루어지는 통상 노체 (27) 와, 상기 통상 노체 (27) 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 발진기 (21) 와, 일단이 상기 마이크로파 발진기 (21) 측에 접속되고, 타단이 상기 통상 노체 (27) 의 일단에 접속되는 접속 도파관 (22) 을 포함하여 이루어진다.

Description

탄소 섬유 제조 장치 및 탄소 섬유 제조 방법{CARBON FIBER MANUFACTURING DEVICE AND CARBON FIBER MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 마이크로파를 조사하여 피탄소화 섬유를 탄소화하는 탄소 섬유 제조 장치 및 그 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유의 제조 방법에 관한 것이다.

탄소 섬유는, 다른 섬유와 비교하여 우수한 비강도 및 비탄성률을 갖고 있고, 그 경량성 및 우수한 기계적 특성을 이용하여, 수지와 복합화하는 보강 섬유 등으로서 넓게 공업적으로 이용되고 있다.

종래, 탄소 섬유는 다음과 같이 제조되고 있다. 먼저, 전구체 섬유를 가열 공기 중 230 ∼ 260 ℃ 에서 30 ∼ 100 분간 가열함으로써 내염화 (耐炎化) 처리된다. 이 내염화 처리에 의해, 아크릴계 섬유의 고리화 반응을 발생시키고, 산소 결합량을 증가시켜 내염화 섬유를 얻는다. 이 내염화 섬유는, 예를 들어, 질소 분위기하, 300 ∼ 800 ℃ 의 소성로를 사용하여 온도 구배를 가하면서 탄소화된다 (제 1 탄소화 처리). 이어서, 질소 분위기하에서 800 ∼ 2100 ℃ 의 소성로를 사용하여 온도 구배를 가하면서 추가로 탄소화된다 (제 2 탄소화 처리). 이와 같이, 탄소 섬유는 가열된 소성로 내에서, 내염화 섬유를 그 외부로부터 가열함으로써 제조되고 있다.

상기와 같이 제조하는 경우, 피탄소화 섬유 내부의 탄소화가 불충분해지는 것을 피하기 위해, 시간을 들여 서서히 승온시켜야 한다. 또, 외부로부터 가열을 실시하는 소성로는, 노체 (爐體) 나 소성 분위기와 같은 피탄소화 섬유 이외의 것도 가열되기 때문에, 열효율이 낮다.

최근, 마이크로파를 조사함으로써 피탄소화 섬유를 가열하여 탄소 섬유를 제조하는 것이 시도되고 있다. 마이크로파에 의한 물질의 가열은, 그 내부로부터 가열된다. 그 때문에, 마이크로파를 사용하여 피탄소화 섬유를 가열하는 경우, 섬유 내부 및 섬유 외부에 있어서의 탄소화를 균일하게 실시하는 것이 가능하고, 탄소 섬유의 제조 시간의 단축이 기대된다. 또, 마이크로파를 사용하는 경우, 가열 대상은 피탄소화 섬유에 한정되기 때문에, 열효율이 높아지는 것이 기대된다.

종래, 마이크로파를 사용하여 탄소 섬유를 제조하는 방법으로는, 특허문헌 1 내지 4 가 알려져 있다. 이들 방법은, 마이크로파 어시스트 플라즈마를 위한 감압 장치를 형성하거나, 피탄소화 섬유에 전자파 흡수제 등을 첨가하거나, 마이크로파의 가열에 앞서 예비 탄소화를 실시하거나, 보조 가열을 필요로 하거나, 다수의 마그네트론을 필요로 하거나 하는 제약이 있어, 공업적인 생산에 적합하지 않다.

또, 탄소 섬유는 섬유 표면의 복사 계수가 크기 때문에, 마이크로파를 조사하여 피탄소화 섬유를 탄소화할 때의 소성 온도를 충분히 상승시키는 것이 곤란하다. 그 때문에, 종래, 마이크로파의 조사만에 의해 탄소 섬유를 제조하는 경우, 탄소 함유율이 높은 탄소 섬유를 얻을 수 없다.

일본 공표특허공보 2009-533562호 일본 공개특허공보 2013-231244호 일본 공개특허공보 2009-1468호 일본 공개특허공보 2011-162898호

본 발명의 과제는, 마이크로파를 조사함으로써 피탄소화 섬유를 가열하는 탄소 섬유 제조 장치로서, 전자파 흡수제 등의 첨가나 외부 가열에 의한 예비 탄소화를 필요로 하지 않고, 또한 상압에서 탄소화할 수 있는 소형의 탄소 섬유 제조 장치를 제공하는 것이다. 또, 본 발명의 다른 과제는, 그 탄소 섬유 제조 장치를 사용하여 피탄소화 섬유를 고속으로 탄소화하는 탄소 섬유의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 원통 도파관 내에서 피탄소화 섬유에 마이크로파를 조사함으로써, 상압하에서 피탄소화 섬유를 충분히 탄소화할 수 있음을 알아냈다. 나아가서는, 방형 도파관으로 구성되는 예비 탄소화로와 원통 도파관으로 구성되는 탄소화로를 조합하여 사용함으로써, 피탄소화 섬유에 전자파 흡수제 등을 첨가하지 않고, 또한 외부 가열에 의한 예비 탄소화를 실시하지 않고, 상압하에서 피탄소화 섬유를 충분히 탄소화할 수 있음을 알아냈다.

또, 탄소 섬유의 제조에 있어서는, 피탄소화 섬유가 유기 섬유 (유전체) 에서 무기 섬유 (도전체) 로 연속적으로 변화한다. 즉, 가열 대상물의 마이크로파 흡수 특성이 점차 변화한다. 본 발명의 탄소 섬유 제조 장치는, 가열 대상물의 마이크로파 흡수 특성이 변화해도, 효율적으로 탄소 섬유를 제조할 수 있음을 알아냈다.

또, 본 발명자들은, 통상 (筒狀) 의 탄소화로 내에 마이크로파를 투과시키는 통상의 단열 슬리브를 배치 형성하고, 이 안에 피탄소화 섬유를 주행시켜 마이크로파를 조사하는 것에 상도하였다. 나아가서는, 이 단열 슬리브의 종단측에 가열 히터를 형성함으로써, 탄소 섬유의 탄소 함유량을 보다 높일 수 있음을 알아냈다.

이 단열 슬리브는 마이크로파를 투과시키기 때문에, 내부를 주행하는 피탄소화 섬유를 직접 가열할 수 있다. 또, 그 가열에 의해 발생하는 복사열을 차단하여 방열을 억제함으로써 단열 슬리브 내가 고온으로 유지되기 때문에, 피탄소화 섬유의 탄소화 속도를 비약적으로 향상시킬 수 있음을 알아냈다.

이들 지견에 기초하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

상기 과제를 해결하는 본 발명은 이하에 기재하는 바와 같다. 이하의 [1] ∼ [5] 는 제 1 실시형태에 관한 것이다.

[1] 일단이 폐색된 원통 도파관으로 이루어지는 통상 노체로서, 상기 원통 도파관의 상기 일단에 섬유 도출구가 형성됨과 함께 상기 원통 도파관의 타단에 섬유 도입구가 형성되어 이루어지는 통상 노체와,

상기 통상 노체 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 발진기와,

일단이 상기 마이크로파 발진기측에 접속되고, 타단이 상기 통상 노체의 일단에 접속되는 접속 도파관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 장치.

상기 [1] 의 탄소 섬유 제조 장치는, 원통 도파관을 노체로 하고, 그 내부를 주행하는 피탄소화 섬유에 상압하에서 마이크로파를 조사하는 탄소화로를 포함하여 구성되는 탄소 섬유 제조 장치이다.

[2] 상기 원통상 노체 내의 전자계 분포가 TM 모드인 청구항 1 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치.

[3] 상기 원통 도파관에 접속되는 상기 접속 도파관 내의 전자계 분포가 TE 모드이고, 또한 섬유 주행 방향과 평행하게 전계 성분을 갖는 청구항 2 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치.

상기 [3] 의 탄소 섬유 제조 장치는, 원통상 노체 내의 전자계 분포가 TM 모드이고, 관축과 평행 방향으로 전계 성분을 갖는다. 또한, 접속 도파관 내의 전자계 분포가 TE 모드이고, 관축과 수직 방향으로 전계 성분을 갖는다. 이 접속 도파관은, 그 관축을 원통상 노체의 관축과 수직으로 하여 배치 형성된다. 그 때문에, 원통상 노체 내 및 접속 도파관 내의 어느 쪽도, 섬유 주행 방향과 평행하게 전계 성분을 갖는다.

상기 [1] ∼ [3] 의 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유의 제조 방법으로는, 이하의 [4] 및 [5] 를 들 수 있다.

[4] 섬유 주행 방향과 평행하게 전계 성분을 갖는 마이크로파 가열에 의해 탄소화를 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 방법.

상기 [4] 의 탄소 섬유의 제조 방법은, 피탄소화 섬유의 주행 방향과 평행하게 전계 성분이 형성되는 마이크로파 가열에 의해, 피탄소화 섬유의 탄소화를 실시하는 탄소 섬유의 제조 방법이다.

[5] [1] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유 제조 방법으로서,

탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 상기 섬유 도입구로부터 상기 원통상 노체 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,

상기 원통상 노체 내를 주행하는 상기 중간 탄소화 섬유에 불활성 분위기하에서 마이크로파를 조사하여 탄소 섬유를 얻는 마이크로파 조사 공정과,

상기 탄소 섬유를 상기 섬유 도출구로부터 연속적으로 취출하는 탄소 섬유 취출 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 방법.

상기 [5] 의 탄소 섬유의 제조 방법은, 탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 피탄소화 섬유로 하고, 전자계 분포가 TM 모드인 원통 도파관 중에서 탄소화하는 탄소 섬유의 제조 방법이다.

이하의 [6] ∼ [11] 은 제 2 실시형태에 관한 것이다.

[6] 적어도 일단이 폐색된 통상 노체와,

상기 통상 노체의 축심과 평행 축심 상에 배치 형성되고, 섬유가 그 일단으로부터 도입됨과 함께 타단으로부터 도출되는 마이크로파 투과성의 단열 슬리브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 장치.

[7] 상기 단열 슬리브의 마이크로파 투과율이, 상온에서 90 ％ 이상인 [6] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치.

[8] 상기 통상 노체와 상기 마이크로파 발진기가, 일단이 상기 마이크로파 발진기측에 접속되고 타단이 상기 통상 노체에 접속되는 접속 도파관을 개재하여 접속되어 있는 [6] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치.

상기 [6] ∼ [8] 의 탄소 섬유 제조 장치는, 상기 통상 노체 내에 삽입된 마이크로파 투과성의 단열 슬리브를 갖는 것을 특징으로 한다. 이 단열 슬리브는, 마이크로파를 투과시켜 내부를 주행하는 피탄소화 섬유를 가열함과 함께, 그 가열에서 기인하는 복사열을 차단하여 방열을 억제함으로써 단열 슬리브 내를 고온으로 유지하고, 피탄소화 섬유의 탄소화를 촉진시킨다.

[9] 상기 통상 노체가, 원통 도파관인 [6] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치.

[10] 상기 단열 슬리브의 상기 타단측에 가열 히터가 추가로 배치 형성되어 이루어지는 [6] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치.

상기 [10] 의 탄소 섬유 제조 장치는, 상기 단열 슬리브의 섬유가 도출되는 측에 가열 히터가 배치 형성되어 있다. 이 가열 히터는, 마이크로파의 조사에 의해 탄소화된 피탄소화 섬유를 상기 단열 슬리브 내에서 추가로 가열한다.

[11] [6] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유 제조 방법으로서,

탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 상기 단열 슬리브 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,

상기 단열 슬리브 내를 주행하는 상기 중간 탄소화 섬유에 불활성 분위기하에서 마이크로파를 조사하여 탄소 섬유를 얻는 마이크로파 조사 공정과,

상기 탄소 섬유를 상기 단열 슬리브 내로부터 연속적으로 취출하는 탄소 섬유 취출 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 방법.

상기 [11] 의 탄소 섬유의 제조 방법은, 탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 피탄소화 섬유로 하고, 이것을 상기 단열 슬리브 내에서 연속적으로 탄소화하는 탄소 섬유의 제조 방법이다.

이하의 [12] ∼ [18] 은 제 3 실시형태에 관한 것이다. 이 실시형태는, 상기 [1] 또는 [6] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치에, 방형 도파관을 사용하여 구성하는 예비 탄소화로를 추가로 포함하는 탄소 섬유 제조 장치이다.

[12]

(1) 일단이 폐색된 방형 도파관으로 이루어지는 노체로서, 상기 방형 도파관의 상기 일단에 섬유 도출구가 형성됨과 함께 상기 방형 도파관의 타단에 섬유 도입구가 형성되어 이루어지는 각통상 노체와,

상기 각통상 노체 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 발진기와,

일단이 상기 마이크로파 발진기측에 접속되고, 타단이 상기 각통상 노체의 일단에 접속되는 접속 도파관으로 이루어지는 제 1 탄소화 장치와 ;

(2) [1] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치로 이루어지는 제 2 탄소화 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 장치.

상기 [12] 의 탄소 섬유 제조 장치는, 상기 [1] ∼ [3] 의 탄소 섬유 제조 장치를 제 2 탄소화로로서 사용하는 탄소 섬유 제조 장치이다. 제 2 탄소화로의 전단 (前段) 에는 제 1 탄소화로가 배치 형성되어 있다. 제 1 탄소화로는, 전자계 분포가 섬유 주행 방향과 직교하는 방향으로 전계 성분을 갖는 TE 모드인 방형 도파관을 노체로 하고, 그 내부를 주행하는 피탄소화 섬유에 상압하에서 마이크로파를 조사하는 탄소화로이다.

[13]

(2) [6] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치로 이루어지는 제 2 탄소화 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 장치.

상기 [13] 의 탄소 섬유 제조 장치는, 상기 [6] ∼ [10] 의 탄소 섬유 제조 장치를 제 2 탄소화로로서 사용하는 탄소 섬유 제조 장치이다. 제 2 탄소화로의 전단에는, 제 1 탄소화로가 배치 형성되어 있다.

[14] 상기 각통상 노체가, 상기 각통상 노체의 내부를 그 축심을 따라 마이크로파 도입부와 섬유 주행부로 분할하는 칸막이판이 배치 형성된 각통상 노체임과 함께,

상기 칸막이판이 소정 간격으로 형성된 슬릿을 갖는 [12] 또는 [13] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치.

상기 [14] 의 탄소 섬유 제조 장치는, 방형 도파관 내가 칸막이판에 의해 마이크로파 도입부와 섬유 주행부로 이분되어 있다. 마이크로파 도입부 내를 공명하는 마이크로파는, 칸막이판에 형성된 슬릿을 통하여 섬유 주행부를 주행하는 피탄소화 섬유에 조사된다. 섬유 주행부에는, 칸막이판의 슬릿을 통하여 마이크로파 도입부로부터 섬유 주행부에 누출되는 마이크로파에 의한 전자계 분포가 형성된다. 또한, 칸막이판의 슬릿을 통하여 섬유 주행부에 누출되는 마이크로파의 누출량은, 피탄소화 섬유의 탄소 함유량의 상승에 수반하여 증가한다.

[15] 제 1 탄소화 장치의 노체 내의 전자계 분포가 TE 모드이고, 제 2 탄소화 장치의 노체 내의 전자계 분포가 TM 모드인 [12] 또는 [13] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치.

상기 [15] 의 탄소 섬유 제조 장치는, 전자계 분포가 섬유 주행 방향에 직교하는 방향으로 전계 성분을 갖는 TE 모드인 방형 도파관을 노체로 하는 제 1 탄소화로와, 전자계 분포가 TM 모드인 원통 도파관을 노체로 하는 제 2 탄소화로를 조합하여 구성되는 탄소 섬유 제조 장치이다.

[16] 상기 접속 도파관 내의 전자계 분포가 TE 모드이고, 섬유 주행 방향과 평행하게 전계 성분을 갖는 [12] 또는 [13] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치.

상기 [16] 의 탄소 섬유 제조 장치는, 원통 도파관에 접속되는 접속 도파관 내의 전자계 분포가 TE 모드이고, 섬유 주행 방향과 평행하게 전계 성분을 갖는 탄소 섬유 제조 장치이다. 이 접속 도파관은, 그 관축을 원통상 노체의 관축과 수직으로 하여 배치 형성된다. 그 때문에, 원통상 노체 내 및 접속 도파관 내의 어느 쪽도, 섬유 주행 방향과 평행하게 전계 성분을 갖는다.

[17] [12] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유 제조 방법으로서,

(1) 내염화 섬유를 제 1 탄소화로의 상기 섬유 도입구로부터 상기 각통상 노체 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,

상기 각통상 노체 내를 주행하는 상기 내염화 섬유에 불활성 분위기하에서 마이크로파를 조사하여 탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 얻는 마이크로파 조사 공정과,

상기 중간 탄소화 섬유를 제 1 탄소화로의 상기 섬유 도출구로부터 연속적으로 취출하는 중간 탄소화 섬유 취출 공정과 ;

(2) 상기 중간 탄소화 섬유를 제 2 탄소화로의 상기 섬유 도입구로부터 상기 원통상 노체 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,

상기 탄소 섬유를 제 2 탄소화로의 상기 섬유 도출구로부터 연속적으로 취출하는 탄소 섬유 취출 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 방법.

상기 [17] 의 탄소 섬유의 제조 방법은, 내염화 섬유를 피탄소화 섬유로 하고, 전자계 분포가 섬유 주행 방향과 직교하는 방향으로 전계 성분을 갖는 TE 모드인 방형 도파관 중에서 탄소화하여 탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 얻고, 이 중간 탄소화 섬유를 전자계 분포가 TM 모드인 원통 도파관 중에서 추가로 탄소화하는 탄소 섬유의 제조 방법이다.

[18] [13] 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유 제조 방법으로서,

(2) 상기 중간 탄소화 섬유를 상기 단열 슬리브 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,

상기 [18] 의 탄소 섬유의 제조 방법은, 내염화 섬유를 피탄소화 섬유로 하고, 전자계 분포가 섬유 주행 방향과 직교하는 방향으로 전계 성분을 갖는 TE 모드인 방형 도파관 중에서 탄소화하여 탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 얻고, 이 중간 탄소화 섬유를 단열 슬리브 내에서 추가로 탄소화하는 탄소 섬유의 제조 방법이다.

제 1 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치는, 전자계 분포가 TM 모드인 원통 도파관으로 이루어지는 탄소화로를 구비하고 있다. 이 탄소화로는, 피탄소화 섬유의 탄소 함유율이 높은 (구체적으로는 탄소 함유율이 66 질량％ 이상) 영역에 있어서, 피탄소화 섬유의 탄소화를 신속하게 진행시킬 수 있다.

제 2 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치는, 노체 내에 단열 슬리브를 형성하여 이루어진다. 그 때문에, 마이크로파의 조사에 의해 피탄소화 섬유가 가열되어 발생하는 복사열을 단열 슬리브 내에 유지할 수 있다. 그 결과, 피탄소화 섬유의 탄소화가 촉진된다. 단열 슬리브의 종단부에 가열 히터를 형성하여 이루어지는 경우, 마이크로파의 조사에 의해 탄소화된 탄소 섬유를 추가로 가열할 수 있다. 이로써, 탄소 섬유의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다. 또, 노체로서, 전자계 분포가 TM 모드인 원통 도파관을 사용하는 경우, 피탄소화 섬유의 탄소 함유율이 높은 (구체적으로는 탄소 함유율이 66 질량％ 이상) 영역에 있어서, 피탄소화 섬유의 탄소화를 더욱 신속하게 진행시킬 수 있다.

제 3 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치는, 전자계 분포가 TE 모드인 방형 도파관으로 이루어지는 예비 탄소화로를 구비하고 있다. 이 탄소 섬유 제조 장치는, 피탄소화 섬유의 탄소 함유율이 낮은 (구체적으로는 탄소 함유율이 66 질량％ 미만) 영역에 있어서의 탄소화를 신속하게 진행시킬 수 있다. 방형 도파관으로 이루어지는 탄소화로와 원통 도파관으로 이루어지는 탄소화로를 조합하여 사용함으로써, 피탄소화 섬유에 전자파 흡수제 등을 첨가하거나 외부 가열을 하거나 하지 않고, 내염화 섬유의 탄소화 공정을 마이크로파의 조사만에 의해 실시할 수 있다. 또, 제 1 ∼ 3 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치는, 상압에서 탄소화할 수 있기 때문에, 노체에 피탄소화 섬유의 도입구 및 도출구를 형성하여 연속적으로 통사 (通絲) 시켜 탄소화하는 것이 가능하다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 일 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 2 는 도 1 의 선분 G-H 를 따른 단면에 있어서의 전계 분포를 나타내는 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 제 2 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 일 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 4 는 도 1 의 선분 G-H 를 따른 단면에 있어서의 전계 분포를 나타내는 설명도이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 또 다른 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 제 3 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 일 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 7 은 도 6 의 선분 C-D 를 따른 단면에 있어서의 전계 분포를 나타내는 설명도이다.
도 8 은 본 발명의 제 3 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 다른 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 9 는 제 1 탄소화 장치의 탄소화로 (17) 의 다른 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 10 은 칸막이판 (18) 의 구조를 나타내는 설명도이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 탄소 섬유 제조 장치 및 그 장치를 사용하는 탄소 섬유의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.

(1) 제 1 실시형태

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 일 구성예를 나타내는 설명도이다. 도 1 중, 200 은 탄소 섬유 제조 장치이고, 21 은 마이크로파 발진기이다. 마이크로파 발진기 (21) 에는, 접속 도파관 (22) 의 일단이 접속되어 있고, 접속 도파관 (22) 의 타단은 탄소화로 (27) 의 일단에 접속되어 있다. 이 접속 도파관 (22) 에는, 마이크로파 발진기 (21) 측에서부터 순서대로 서큘레이터 (23) 및 정합기 (25) 가 개재 장착되어 있다.

탄소화로 (27) 는, 일단이 폐색되고, 타단이 접속 도파관 (22) 과 결합되어 있다. 탄소화로 (27) 는, 선분 E-F 를 따른 단면이 원형의 중공 형상을 갖는 원통 도파관으로 이루어진다. 탄소화로 (27) 의 일단에는, 피탄소화 섬유를 탄소화로 내에 도입하는 섬유 도입구 (27a) 가 형성되어 있고, 타단에는, 탄소화 처리된 섬유를 취출하는 섬유 도출구 (27b) 가 형성되어 있다. 탄소화로 (27) 의 섬유 도출구 (27b) 측의 내단부에는 단락판 (27c) 이 배치 형성되어 있다. 서큘레이터 (23) 에는, 접속 도파관 (24) 의 일단이 접속되어 있고, 접속 도파관 (24) 의 타단에는 더미 로드 (29) 가 접속되어 있다.

다음으로, 이 탄소 섬유 제조 장치 (200) 의 동작에 대해 설명한다. 도 1 중, 31b 는 피탄소화 섬유이고, 도시가 생략된 섬유 반송 수단에 의해, 접속 도파관 (22) 에 형성된 도입구 (22a) 를 통과하여 섬유 도입구 (27a) 로부터 탄소화로 (27) 내에 반입된다. 마이크로파 발진기 (21) 가 발진하는 마이크로파는, 접속 도파관 (22) 내를 통과하여 탄소화로 (27) 내에 도입된다. 탄소화로 (27) 내에 도달한 마이크로파는, 단락판 (27c) 에서 반사되어 정합기 (25) 를 경유하여 서큘레이터 (23) 에 도달한다. 반사된 마이크로파 (이하,「반사파」라고도 한다) 는, 서큘레이터 (23) 에서 방향이 변환되고, 접속 도파관 (24) 을 통과하여 더미 로드 (29) 에서 흡수된다. 이 때, 정합기 (25) 를 사용하여 정합기 (25) 와 단락판 (27c) 사이에서 정합이 취해져, 탄소화로 (27) 내에 정재파가 발생한다. 이 정재파에 의해 피탄소화 섬유 (31b) 는 탄소화되어, 탄소 섬유 (31c) 가 된다. 또한, 이 때, 탄소화로 (27) 내는 상압이고, 또한 도시가 생략된 불활성 가스 공급 수단에 의해 불활성 분위기로 되어 있다. 탄소 섬유 (31c) 는, 도시가 생략된 섬유 반송 수단에 의해, 섬유 도출구 (27b) 를 통과하여 탄소화로 (27) 밖으로 도출된다. 피탄소화 섬유를 섬유 도입구 (27a) 로부터 탄소화로 (27) 내에 연속적으로 도입하고, 탄소화로 (27) 내에서 피탄소화 섬유에 마이크로파를 조사하여 탄소화하고, 섬유 도출구 (27b) 로부터 연속적으로 도출함으로써, 연속적으로 탄소 섬유를 제조할 수 있다. 섬유 도출구 (27b) 로부터 도출된 탄소 섬유는, 필요에 따라 표면 처리나 사이즈 처리가 실시된다. 표면 처리나 사이즈 처리의 방법은, 공지된 방법에 따르면 된다.

탄소화로 (27) 는, 원통 도파관으로 구성되어 있다. 상기 마이크로파가 도입됨으로써, 탄소화로 (27) 내에는, TM (Transverse Magnetic) 모드의 전자계 분포가 형성된다. TM 모드란, 도파관 (탄소화로 (27)) 의 관축 방향에 평행한 전계 성분을 갖고, 그 전계에 직교하는 자계 성분을 갖는 전송 모드를 말한다. 도 2 는 선분 G-H 를 따른 단면에 있어서의 전계 분포를 나타내는 설명도이다. 이 탄소 섬유 제조 장치는, 피탄소화 섬유 (31b) 의 주행 방향과 평행한 전계 성분 (28) 이 형성되고, 이로써 피탄소화 섬유 (31b) 는 탄소화된다. 일반적으로, 후술하는 TE 모드와 비교하여 TM 모드 쪽이 피탄소화 섬유를 강력하게 가열할 수 있다.

마이크로파의 주파수는, 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로 915 ㎒ 나 2.45 ㎓ 가 사용된다. 마이크로파 발진기의 출력은, 특별히 한정되지 않지만, 300 ∼ 2400 W 가 적당하고, 500 ∼ 2000 W 가 보다 적당하다.

탄소화로로서 사용하는 원통 도파관의 형상은, 원통 도파관 내에 TM 모드의 전자계 분포를 형성할 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 일반적으로는, 원통 도파관의 길이는 260 ∼ 1040 ㎜ 가 바람직하고, 마이크로파의 공진 파장의 배수인 것이 보다 바람직하다. 또, 원통 도파관의 내경은 90 ∼ 110 ㎜ 가 바람직하고, 95 ∼ 105 ㎜ 가 바람직하다. 원통 도파관의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로 스테인리스, 철, 구리 등의 금속제이다.

TM 모드로 피탄소화 섬유를 가열하여 탄소화하기 위해서는, 피탄소화 섬유의 탄소 함유량이 66 ∼ 72 질량％ 인 것이 바람직하고, 67 ∼ 71 질량％ 인 것이 보다 바람직하다. 66 질량％ 미만인 경우, 피탄소화 섬유의 도전성이 지나치게 낮아, TM 모드로 가열하면 섬유가 절단되기 쉽다. 72 질량％ 를 초과하는 경우, 탄소화로 (27) 의 입구 부근에 존재하는 도전성을 가진 피탄소화 섬유가 마이크로파를 흡수 혹은 반사한다. 그 때문에, 접속 도파관 (22) 으로부터 탄소화로 (27) 내로의 마이크로파의 도입이 방해되기 쉽다. 그 결과, 접속 도파관 (22) 내에서의 탄소화가 촉진되기 때문에, 탄소화로 (27) 내에서의 탄소화의 진행 정도가 감소하고, 전체적으로 피탄소화 섬유의 탄소화가 불충분해지기 쉽다.

탄소화로 내에 있어서의 피탄소화 섬유의 반송 속도는 0.05 ∼ 10 m/min. 이 바람직하고, 0.1 ∼ 5.0 m/min. 이 보다 바람직하고, 0.3 ∼ 2.0 m/min. 이 특히 바람직하다.

이와 같이 하여 얻어지는 탄소 섬유는, 탄소 함유율이 90 질량％ 이상인 것이 바람직하고, 91 질량％ 이상인 것이 보다 바람직하다.

(2) 제 2 실시형태

도 3 은 본 발명의 제 2 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 일 구성예를 나타내는 설명도이다. 도 3 중, 400 은 탄소 섬유 제조 장치이다. 도 1 과 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 47 은 탄소화로이다. 탄소화로 (47) 는 일단이 폐색되고, 타단이 접속 도파관 (22) 과 결합된 원통관이다. 이 탄소화로 (47) 내에는, 탄소화로 (47) 의 관축과 평행 축심을 갖는 단열 슬리브 (26) 가 배치 형성되어 있다. 단열 슬리브 (26) 의 일단에는, 피탄소화 섬유를 탄소화로 내에 도입하는 섬유 도입구 (47a) 가 형성되어 있고, 타단에는, 탄소화 처리된 섬유를 취출하는 섬유 도출구 (47b) 가 형성되어 있다. 탄소화로 (47) 의 섬유 도출구 (47b) 측의 내단부에는 단락판 (47c) 이 배치 형성되어 있다.

다음으로, 이 탄소 섬유 제조 장치 (400) 의 동작에 대해 설명한다. 도 3 중, 31b 는 피탄소화 섬유이며, 도시가 생략된 섬유 반송 수단에 의해, 접속 도파관 (22) 에 형성된 도입구 (22a) 를 통과하여 섬유 도입구 (47a) 로부터 탄소화로 (47) 내의 단열 슬리브 (26) 내에 반입된다. 제 1 실시형태와 동일하게 피탄소화 섬유 (31b) 는 탄소화로 (47) 내에서 탄소화되어, 탄소 섬유 (31c) 가 된다.

피탄소화 섬유 (31b) 는 마이크로파의 조사에 의해 가열된다. 이 때, 피탄소화 섬유 (31b) 의 가열에서 기인하여 발생하는 복사열을 단열 슬리브 (26) 가 차단하여 방열을 억제함으로써, 단열 슬리브 (26) 내는 고온으로 유지된다. 단열 슬리브 (26) 내는 상압이고, 또한 도시가 생략된 불활성 가스 공급 수단에 의해 불활성 분위기로 되어 있다.

탄소 섬유 (31c) 는, 도시가 생략된 섬유 반송 수단에 의해, 섬유 도출구 (47b) 를 통과하여 탄소화로 (47) 밖으로 도출된다. 피탄소화 섬유를 섬유 도입구 (47a) 로부터 단열 슬리브 (26) 내에 연속적으로 도입하고, 단열 슬리브 (26) 내에서 피탄소화 섬유에 마이크로파를 조사하여 탄소화하고, 섬유 도출구 (47b) 로부터 연속적으로 도출함으로써, 연속적으로 탄소 섬유를 제조할 수 있다.

마이크로파의 주파수는, 제 1 실시형태와 동일하다.

단열 슬리브 (26) 는 원통상인 것이 바람직하다. 원통상의 단열 슬리브 (26) 의 내경은 15 ∼ 55 ㎜ 가 바람직하고, 25 ∼ 45 ㎜ 가 보다 바람직하다. 단열 슬리브 (26) 의 외경은 20 ∼ 60 ㎜ 가 바람직하고, 30 ∼ 50 ㎜ 가 보다 바람직하다. 단열 슬리브 (26) 의 길이는, 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로는 100 ∼ 2500 ㎜ 이다. 또, 단열 슬리브 (26) 의 재질은, 마이크로파를 투과시키는 재료인 것이 필요하다. 마이크로파의 투과율은 상온 (25 ℃) 에서 90 ∼ 100 ％ 인 것이 바람직하고, 95 ∼ 100 ％ 인 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 재료로는, 알루미나, 실리카, 마그네시아 등의 혼합물이 예시된다. 단열 슬리브 (26) 의 양단에는, 마이크로파의 누설을 방지하기 위해 마이크로파를 흡수하는 재료가 배치되어 있어도 된다.

탄소화로 (27) 의 노체 내부 또는 노체 외부로서 섬유 도출구측의 단열 슬리브 (26) 의 외주부에는, 가열 히터가 배치 형성되어 있는 것이 바람직하다. 도 5 는 가열 히터를 형성한 탄소 섬유 제조 장치의 일 구성예를 나타내는 설명도이다. 도 5 중, 401 은 탄소 섬유 제조 장치이고, 30 은 가열 히터이다. 가열 히터 (30) 는 단열 슬리브 (26) 의 섬유 도출구 (47b) 측의 외주부로서, 탄소화로 (47) 의 외부에 배치 형성되어 있다. 그 밖의 구성은 도 3 과 동일하다.

탄소화로 (47) 는 원통상인 것이 바람직하다. 원통상의 탄소화로 (47) 의 내경은 90 ∼ 110 ㎜ 가 바람직하고, 95 ∼ 105 ㎜ 가 보다 바람직하다. 탄소화로 (47) 의 길이는 260 ∼ 2080 ㎜ 가 바람직하다. 탄소화로 (47) 의 재질은, 제 1 실시형태와 동일하다.

탄소화로 (47) 로는, 도파관을 사용하는 것이 바람직하고, 탄소화로 (47) 내에 TM 모드의 전자계 분포를 형성할 수 있는 원통 도파관을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 상기 마이크로파가 도입됨으로써, 탄소화로 (47) 내에는, TM (Transverse Magnetic) 모드의 전자계 분포가 형성된다. 도 4 는 선분 G-H 를 따른 단면에 있어서의 전계 분포를 나타내는 설명도이다. 이 탄소 섬유 제조 장치는, 피탄소화 섬유 (31b) 의 주행 방향과 평행한 전계 성분 (38) 이 형성되고, 이로써 피탄소화 섬유 (31b) 는 가열된다.

탄소화로 내에 있어서의 피탄소화 섬유의 반송 속도는, 제 1 실시형태와 동일하다.

(3) 제 3 실시형태

본 발명의 제 3 실시형태는, 상기 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 전단에, 마이크로파를 사용하는 예비 탄소화로가 추가로 배치 형성되어 있는 탄소 섬유 제조 장치이다. 도 6 은 제 1 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 전단에, 마이크로파를 사용하는 예비 탄소화로가 추가로 배치 형성되어 있는 탄소 섬유 제조 장치의 일 구성예를 나타내는 설명도이다. 도 1 과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 도 6 중, 300 은 탄소 섬유 제조 장치이고, 100 은 제 1 탄소화 장치이다. 200 은 제 2 탄소화 장치이며, 상기 제 1 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치 (200) 와 동일하다 (제 3 실시형태에 있어서는, 200 을「제 2 탄소화 장치」라고도 한다). 11 은 마이크로파 발진기이다. 마이크로파 발진기 (11) 에는, 접속 도파관 (12) 의 일단이 접속되어 있고, 접속 도파관 (12) 의 타단은 탄소화로 (17) 의 일단에 접속되어 있다. 이 접속 도파관 (12) 에는, 마이크로파 발진기 (11) 측에서부터 순서대로 서큘레이터 (13) 및 정합기 (15) 가 개재 장착되어 있다.

탄소화로 (17) 는, 양단이 폐색되고, 선분 A-B 를 따른 단면이 사각형의 중공 형상을 갖는 방형 도파관으로 이루어진다. 탄소화로 (17) 의 일단에는, 피탄소화 섬유를 탄소화로 내에 도입하는 섬유 도입구 (17a) 가 형성되어 있고, 타단에는, 탄화 처리된 섬유를 취출하는 섬유 도출구 (17b) 가 형성되어 있다. 탄소화로 (17) 의 섬유 도출구 (17b) 측의 내단부에는 단락판 (17c) 이 배치 형성되어 있다. 서큘레이터 (13) 에는, 접속 도파관 (14) 의 일단이 접속되어 있고, 접속 도파관 (14) 의 타단에는 더미 로드 (19) 가 접속되어 있다.

다음으로, 이 탄소 섬유 제조 장치 (300) 의 동작에 대해 설명한다. 도 6 중, 31a 는 내염화 섬유이며, 도시가 생략된 섬유 반송 수단에 의해 접속 도파관 (12) 에 형성된 도입구 (12a) 를 통과하여 섬유 도입구 (17a) 로부터 탄소화로 (17) 내에 반입된다. 마이크로파 발진기 (11) 가 발진하는 마이크로파는, 접속 도파관 (12) 내를 통과하여 탄소화로 (17) 내에 도입된다. 탄소화로 (17) 내에 도달한 마이크로파는, 단락판 (17c) 에서 반사되어 정합기 (15) 를 경유하여 서큘레이터 (13) 에 도달한다. 반사파는, 서큘레이터 (13) 에 의해 방향이 변환되고, 접속 도파관 (14) 을 통과하여 더미 로드 (19) 에서 흡수된다. 이 때, 정합기 (15) 를 사용하여 정합기 (15) 와 단락판 (17c) 사이에서 정합이 취해져, 탄소화로 (17) 내에는 정재파가 발생한다. 이 정재파에 의해 내염화 섬유 (31a) 는 탄소화되어, 중간 탄소화 섬유 (31b) 가 된다. 또한, 이 때, 탄소화로 (17) 내는 상압이고, 도시가 생략된 불활성 가스 공급 수단에 의해 불활성 분위기로 되어 있다. 중간 탄소화 섬유 (31b) 는, 도시가 생략된 섬유 반송 수단에 의해, 섬유 도출구 (17b) 를 통과하여 탄소화로 (17) 밖으로 도출된다. 그 후, 중간 탄소화 섬유 (31b) 는, 제 1 실시형태에서 설명한 탄소 섬유 제조 장치 (제 2 탄소화 장치) (200) 에 이송되어 탄소 섬유 (31c) 가 제조된다.

탄소화로 (17) 는, 방형 도파관으로 구성되어 있다. 상기 마이크로파가 전파됨으로써, 탄소화로 (17) 내에는, TE (Transverse Electric) 모드의 전자계 분포가 형성된다. TE 모드란, 도파관 (탄소화로 (17)) 의 관축 방향에 직교하는 전계 성분을 갖고, 그 전계에 직교하는 자계 성분을 갖는 전송 모드를 말한다. 도 7 은 선분 C-D 를 따른 단면에 있어서의 전계 분포를 나타내는 설명도이다. 이 탄소 섬유 제조 장치는, 탄소화로 (17) 내를 주행하는 피탄소화 섬유 (31a) 에 수직인 전계 성분 (32) 이 형성되고, 이로써 피탄소화 섬유 (31a) 는 탄소화된다.

탄소화로로서 사용하는 방형 도파관의 형상은, 방형 도파관 내에 TE 모드의 전자계 분포를 형성할 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 일반적으로는, 방형 도파관의 길이는 500 ∼ 1500 ㎜ 가 바람직하다. 또, 방형 도파관의 관축에 직교하는 단면의 개구부는, 장변이 105 ∼ 115 ㎜ 인 것이 바람직하고, 단변은 50 ∼ 60 ㎜ 인 것이 바람직하다. 방형 도파관의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로 스테인리스, 철, 구리 등의 금속제이다.

마이크로파의 주파수는, 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같다. 제 1 탄소화 장치 (100) 의 마이크로파 발진기의 출력은, 특별히 한정되지 않지만, 300 ∼ 2400 W 가 적당하고, 500 ∼ 2000 W 가 보다 적당하다.

TE 모드로 내염화 섬유를 가열하여 얻어지는 중간 탄소화 섬유의 탄소 함유량은, 66 ∼ 72 질량％ 인 것이 바람직하다. 66 질량％ 미만인 경우, 피탄소화 섬유의 도전성이 지나치게 낮아, 제 2 탄소화 장치 (200) 의 TM 모드로 가열할 때에 섬유가 절단되기 쉽다. 72 질량％ 를 초과하여 TE 모드로 가열하는 경우, 국소적인 이상 가열이 발생하여 섬유가 절단되기 쉽다. 또, 제 2 탄소화 장치 (200) 의 탄소화로 (27) 의 입구 부근에 존재하는 도전성을 갖는 피탄소화 섬유가 마이크로파를 흡수 혹은 반사하여, 접속 도파관 (22) 으로부터 탄소화로 (27) 내로의 마이크로파의 도입이 방해되기 쉽다. 접속 도파관 (22) 내에서의 탄소화가 촉진되기 때문에, 탄소화로 (27) 내에서의 탄소화의 진행 정도가 감소하고, 전체적으로 피탄소화 섬유의 탄소화가 불충분해지기 쉽다.

제 1 탄소화 장치에 있어서의 피탄소화 섬유의 반송 속도는 0.05 ∼ 10 m/min. 이 바람직하고, 0.1 ∼ 5.0 m/min. 이 보다 바람직하고, 0.3 ∼ 2.0 m/min. 이 특히 바람직하다. 제 2 탄소화 장치에 있어서의 피탄소화 섬유의 반송 속도는, 제 1 실시형태에 있어서 설명한 바와 같다.

도 8 은 제 2 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치의 전단에, 마이크로파를 사용하는 제 1 탄소화 장치가 추가로 배치 형성되어 있는 탄소 섬유 제조 장치의 일 구성예를 나타내는 설명도이다. 도 3, 6 과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 도 8 중, 500 은 탄소 섬유 제조 장치이고, 100 은 제 1 탄소화 장치, 400 은 상기 탄소 섬유 제조 장치 (400) 이다. 이 탄소 섬유 제조 장치의 동작은, 탄소 섬유 제조 장치 (300) 와 동일하다.

본 발명의 탄소 섬유 제조 장치 (300 및 500) 의 제 1 탄소화 장치 (100) 는, 제 1 탄소화로 (17) 내에, 그 내부를 그 중심축을 따라 마이크로파 도입부와 섬유 주행부로 분할하는 칸막이판이 배치 형성되어 있는 것이 바람직하다.

도 9 는 제 1 탄소화 장치의 탄소화로 (17) 의 다른 구성예를 나타내는 설명도이다. 탄소화로 (17) 내에는, 그 내부를 그 중심축을 따라 마이크로파 정재부 (16a) 와 섬유 주행부 (16b) 로 분할하는 칸막이판 (18) 이 배치 형성되어 있다. 도 10 은 칸막이판 (18) 의 구조를 나타내는 설명도이다. 칸막이판 (18) 에는, 관통공인 슬릿 (18a) 이 소정 간격으로 복수 형성되어 있다. 슬릿 (18a) 은, 마이크로파 도입부 (16a) 로부터 섬유 주행부 (16b) 에 마이크로파를 누출시키는 역할을 갖는다. 접속 도파관 (12) 은 마이크로파 도입부 (16a) 측에 접속되어 있고, 이 안의 정재파가 칸막이판 (18) 에 형성된 슬릿 (18a) 을 통하여 섬유 주행부 (16b) 측으로 누출된다. 그 누출량은, 섬유 주행부 (16b) 를 주행하는 섬유의 유전율에 따라 변화한다. 즉, 탄소화의 진행에 수반하여 섬유의 마이크로파의 흡수량은 점증한다. 따라서, 내염화 섬유 (31a) 의 탄소화의 초기 단계에 있어서는 유전 가열에 의해 탄소화가 진행되고, 내염화 섬유 (31a) 의 탄소화가 진행된 단계에 있어서는 저항 가열에 의해 탄소화가 진행된다. 그 때문에, 피탄소화 섬유의 탄소화의 정도에 따라 마이크로파의 조사 상태를 자동적으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 피탄소화 섬유의 탄소화를 보다 효율적으로 실시할 수 있다.

슬릿의 중심점간 거리 (18b) 는 74 ∼ 148 ㎜ 가 바람직하고, 마이크로파의 공진 파장의 1/2 의 배수인 것이 바람직하다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이하의 실시예에 있어서, 내염화 섬유란, 탄소 함유율 60 질량％ 의 PAN 계 내염화 섬유를 말하며, 중간 탄소화 섬유란, 탄소 함유율 66 질량％ 의 PAN 계 중간 탄소 섬유를 말한다. 또,「탄소화 판정」의 평가는, 탄소화 후의 섬유의 탄소 함유율이 90 질량％ 이상인 경우를 ○ 로 하고, 90 질량％ 미만인 경우를 × 로 하였다. 「공정 안정성」의 평가는, 탄소화 중에 섬유가 절단되지 않은 경우를 ○ 로 하고, 절단된 경우를 × 로 하였다. 마이크로파의「출력」은,「높음」이 1500 W,「중간」이 1250 W,「낮음」이 1000 W 이다. 「피탄소화 섬유의 반송 속도비」란, 종래법의 반송 속도를 1 배로 하여, 그 배율을 기재하였다. 「단섬유 인장 강도」의 평가는 단섬유 인장 시험에 의해 실시하고, 평가 기준은 인장 강도 3 ㎬ 이상을 ○ 로 하고, 3 ㎬ 미만을 × 로 하였다.

(실시예 1)

제 1 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치 (마이크로파 발진기 주파수 : 2.45 ㎓, 출력 : 1200 W) 를 구성하였다. 탄소화로로는, 내경 98 ㎜, 외경 105 ㎜, 길이 260 ㎜ 의 원통 도파관을 사용하였다. 질소 가스 분위기하의 탄소화로 내에 마이크로파를 도입하여 TM 모드의 전자계 분포를 형성시켰다. 이 탄소화로 내에 중간 탄소화 섬유를 0.2 m/min. 으로 주행시키면서 탄소화하여 탄소 섬유를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유의 탄소 함유율은 90 질량％ 이며, 섬유의 절단은 보여지지 않았다.

(실시예 2)

제 2 실시형태의 탄소 섬유 제조 장치 (제 1 탄소화 장치의 마이크로파 발진기 주파수 : 2.45 ㎓, 출력 : 500 W, 제 2 탄소화 장치의 마이크로파 발진기 주파수 : 2.45 ㎓, 출력 : 1200 W) 를 구성하였다. 제 1 탄소화로로는, 단면이 장변 110 ㎜, 단변 55 ㎜ 의 사각형의 중공 구조를 갖는 길이 1000 ㎜ 의 방형 도파관을 사용하였다. 방형 도파관 내는, 슬릿의 중심점간 거리 74 ㎜ 로 슬릿이 형성된 칸막이판을 배치 형성하여 내부가 이분되어 있다. 제 2 탄소화로로는, 내경 98 ㎜, 외경 105 ㎜, 길이 260 ㎜ 의 원통 도파관을 사용하였다. 질소 가스 분위기하의 탄소화로 내에 마이크로파를 도입하여 제 1 탄소화로에는 TE 모드, 제 2 탄소화로에는 TM 모드의 전자계 분포를 형성시켰다. 내염화 섬유를 0.2 m/min. 으로 제 1 탄소화로, 제 2 탄소화로의 순서로 주행시키면서 탄소화하여 탄소 섬유를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유의 탄소 함유율은 93 질량％ 이며, 섬유의 절단은 보여지지 않았다.

(비교예 1)

탄소화로로서, 단면이 장변 110 ㎜, 단변 55 ㎜ 의 사각형의 중공 구조를 갖는 길이 1000 ㎜ 의 방형 도파관을 사용한 것 외에는, 실시예 1 과 동일하게 탄소화하였다. 얻어진 섬유는 탄소 함유율이 91 질량％ 였지만, 섬유의 일부에 절단이 보여졌다.

(비교예 2)

탄소화로 내를 주행시키는 피탄소화 섬유를 내염화 섬유로 변경한 것 외에는, 실시예 1 과 동일하게 탄소화한 결과, 섬유가 절단되었다.

(비교예 3)

탄소화로로서, 단면이 장변 110 ㎜, 단변 55 ㎜ 의 사각형의 중공 구조를 갖는 길이 1000 ㎜ 의 방형 도파관을 사용하고, 또한 탄소화로 내를 주행시키는 피탄소화 섬유를 내염화 섬유로 변경한 것 외에는, 실시예 1 과 동일하게 탄소화하였다. 얻어진 섬유는 탄소화가 불충분하였다.

(비교예 4)

탄소화로로서, 단면이 장변 110 ㎜, 단변 55 ㎜ 의 사각형의 중공 구조를 갖는 길이 1000 ㎜ 이고, 또한 슬릿의 중심점간 거리 74 ㎜ 로 슬릿이 형성된 칸막이판을 배치 형성하여 내부가 이분되어 있는 방형 도파관을 사용한 것 외에는, 실시예 1 과 동일하게 탄소화하였다. 제 2 탄소화 장치에 제공하기에 적합한 중간 탄소화 섬유가 얻어졌다.

(참고예 1)

탄소화로로서, 전기로 (마이크로파를 사용하지 않는 가열로) 를 사용하여, 공지된 방법에 따라 내염화 섬유를 탄소화하여 탄소 섬유를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유의 탄소 함유율은 95 질량％ 이며, 섬유의 절단은 보여지지 않았다.

이상의 결과를 표 1 에 기재하였다. 본 발명의 탄소 섬유 제조 장치를 사용하면, 종래의 외열 방식과 동일한 정도의 탄소 함유율의 탄소 섬유를 제조할 수 있다. 또, 탄소 섬유의 제조 스피드는 3 배 이상으로 빨라진다.

(참고예 2)

탄소화로로서, 섬유 주행 방향에 직교하는 단면의 개구부가 장변 110 ㎜, 단변 55 ㎜ 인 사각형의 중공 구조를 갖는 노 길이 260 ㎜ 의 전기로 (마이크로파를 사용하지 않는 가열로) 를 사용하여, 중간 탄소화 섬유를 0.1 m/min. 으로 주행시키면서 탄소화하여 탄소 섬유를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유의 탄소 함유율은 95 질량％ 이며, 섬유의 절단은 보여지지 않았다.

(실시예 3)

도 3 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치 (마이크로파 발진기 주파수 : 2.45 ㎓) 를 구성하였다. 탄소화로로는, 내경 98 ㎜, 외경 105 ㎜, 길이 260 ㎜ 의 원통 도파관을 사용하였다. 단열 슬리브로는, 내경 35 ㎜, 외경 38 ㎜, 길이 250 ㎜ 의 원통 형상의 백자관 (마이크로파의 투과율 ＝ 94 ％) 을 사용하였다. 질소 가스 분위기하의 탄소화로 내에 마이크로파를 도입하여 TM 모드의 전자계 분포를 형성시켰다. 마이크로파 발진기의 출력은「낮음」으로 하였다. 이 탄소화로 내에 중간 탄소화 섬유를 0.3 m/min. 으로 주행시키면서 탄소화하여 탄소 섬유를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유의 탄소 함유율은 91 질량％ 이며, 섬유의 절단은 보여지지 않았다. 평가 결과를 표 2 에 나타냈다.

(실시예 4 ∼ 5)

마이크로파 발진기의 출력을 표 2 에 기재된 바와 같이 변경한 것 외에는, 실시예 3 과 동일하게 처리하여 탄소 섬유를 얻었다. 결과는 표 2 에 나타냈다.

(실시예 6)

섬유 도출구로부터 외부로 10 ㎝ 연장된 단열 슬리브의 외주부에 가열 히터를 배치 형성한 것 외에는, 실시예 3 과 동일하게 처리하여 탄소 섬유를 얻었다. 결과는 표 2 에 나타냈다.

(실시예 7)

도 3 에 기재된 탄소 섬유 제조 장치 (마이크로파 발진기 주파수 : 2.45 ㎓) 를 구성하였다. 탄소화로로는, 방형 도파관을 사용하였다. 방형 도파관은, 길이 1000 ㎜ 이고, 관축과 직교하는 단면의 개구부가 110 × 55 ㎜ 였다. 단열 슬리브로는, 내경 35 ㎜, 외경 38 ㎜, 길이 250 ㎜ 의 원통 형상의 백자관을 사용하였다. 질소 가스 분위기하의 탄소화로 내에 마이크로파를 도입하여 TE 모드의 전자계 분포를 형성시켰다. 마이크로파 발진기의 출력은「높음」으로 하였다. 이 탄소화로 내에 중간 탄소화 섬유를 0.1 m/min. 으로 주행시키면서 탄소화하여 탄소 섬유를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유의 탄소 함유율은 93 질량％ 이며, 섬유의 절단은 보여지지 않았다. 평가 결과를 표 2 에 나타냈다.

(비교예 5 ∼ 7)

단열 슬리브를 형성하지 않은 것 외에는 실시예 3 과 동일한 탄소 섬유 제조 장치를 사용하였다. 마이크로파 발진기의 출력을 표 2 에 기재된 바와 같이 변경한 것 외에는, 실시예 3 과 동일하게 처리하여 탄소 섬유를 얻었다. 결과는 표 2 에 나타냈다.

(비교예 8)

단열 슬리브를 형성하지 않은 것 외에는 실시예 3 과 동일한 탄소 섬유 제조 장치를 사용하였다. 중간 탄소화 섬유의 반송 속도를 0.1 m/min. 으로 한 것 외에는, 실시예 3 과 동일하게 처리하여 탄소 섬유를 얻었다. 결과는 표 2 에 나타냈다.

(비교예 9)

단열 슬리브를 형성하지 않은 것 외에는 실시예 7 과 동일한 탄소 섬유 제조 장치를 사용하여, 실시예 7 과 동일하게 처리하여 탄소 섬유를 얻었다. 결과는 표 2 에 나타냈다.

단열 슬리브를 형성한 본 발명의 탄소 섬유 제조 장치는, 단열 슬리브를 형성하지 않은 탄소 섬유 제조 장치와 비교하여 피탄소화 섬유의 탄소 함유량을 높일 수 있다. 그 때문에, 탄소 섬유의 반송 속도를 높여 생산 효율을 높일 수 있다.

100 : 제 1 탄소화 장치 (예비 탄소화 장치)
200, 400 : 탄소 섬유 제조 장치 (제 2 탄소화 장치)
300, 500 : 탄소 섬유 제조 장치
11, 21 : 마이크로파 발진기
12, 14, 22, 24 : 접속 도파관
12a, 22a : 도입구
13, 23 : 서큘레이터
15, 25 : 정합기
16a : 마이크로파 도입부
16b : 섬유 주행부
17, 27, 47 : 탄소화로
17a : 섬유 도입구
17b : 섬유 도출구
17c : 단락판
18 : 칸막이판
18a : 슬릿
18b : 슬릿의 중심점간 거리
26 : 단열 슬리브
27a, 47a : 섬유 도입구
27b, 47b : 섬유 도출구
27c, 47c : 단락판
28 : 원통 도파관 내의 전계
19, 29 : 더미 로드
30 : 가열 히터
31a : 내염화 섬유
31b : 중간 탄소화 섬유
31c : 탄소 섬유
32 : 방형 도파관 내의 전계
36 : 방형 도파관 내의 전계
38 : 원통 도파관 내의 전계

Claims

일단이 폐색된 원통 도파관으로 이루어지는 통상 노체로서, 상기 원통 도파관의 상기 일단에 섬유 도출구가 형성됨과 함께 상기 원통 도파관의 타단에 섬유 도입구가 형성되어 이루어지는 통상 노체와,
상기 통상 노체 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 발진기와,
일단이 상기 마이크로파 발진기측에 접속되고, 타단이 상기 통상 노체의 일단에 접속되는 접속 도파관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 통상 노체 내의 전자계 분포가 TM 모드인 탄소 섬유 제조 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 원통 도파관에 접속되는 상기 접속 도파관 내의 전자계 분포가 TE 모드이고, 또한 섬유 주행 방향과 평행하게 전계 성분을 갖는 탄소 섬유 제조 장치.
섬유 주행 방향과 평행하게 전계 성분을 갖는 마이크로파 가열에 의해 탄소화를 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 방법.
제 1 항에 기재된 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유 제조 방법으로서,
탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 상기 섬유 도입구로부터 상기 통상 노체 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,
상기 통상 노체 내를 주행하는 상기 중간 탄소화 섬유에 불활성 분위기하에서 마이크로파를 조사하여 탄소 섬유를 얻는 마이크로파 조사 공정과,
상기 탄소 섬유를 상기 섬유 도출구로부터 연속적으로 취출하는 탄소 섬유 취출 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 방법.
적어도 일단이 폐색된 도파관으로 이루어지는 통상 노체와,
상기 통상 노체 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 발진기와,
상기 통상 노체의 축심과 평행 축심 상에 배치 형성되고, 섬유가 그 일단으로부터 도입됨과 함께 타단으로부터 도출되는 마이크로파 투과성의 단열 슬리브를 포함하여 이루어지고,
상기 단열 슬리브 내부를 주행하는 피탄소화 섬유에 마이크로파를 조사하도록 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 단열 슬리브의 마이크로파 투과율이, 상온에서 90 ％ 이상인 탄소 섬유 제조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 통상 노체와 상기 마이크로파 발진기가, 일단이 상기 마이크로파 발진기측에 접속되고 타단이 상기 통상 노체에 접속되는 접속 도파관을 개재하여 접속되어 있는 탄소 섬유 제조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 통상 노체가, 원통 도파관인 탄소 섬유 제조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 단열 슬리브의 상기 타단측에 가열 히터가 추가로 배치 형성되어 이루어지는 탄소 섬유 제조 장치.
제 6 항에 기재된 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유 제조 방법으로서,
탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 상기 단열 슬리브 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,
상기 단열 슬리브 내를 주행하는 상기 중간 탄소화 섬유에 불활성 분위기하에서 마이크로파를 조사하여 탄소 섬유를 얻는 마이크로파 조사 공정과,
상기 탄소 섬유를 상기 단열 슬리브 내로부터 연속적으로 취출하는 탄소 섬유 취출 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 방법.
(1) 일단이 폐색된 방형 도파관으로 이루어지는 노체로서, 상기 방형 도파관의 상기 일단에 섬유 도출구가 형성됨과 함께 상기 방형 도파관의 타단에 섬유 도입구가 형성되어 이루어지는 각통상 노체와,
상기 각통상 노체 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 발진기와,
일단이 상기 마이크로파 발진기측에 접속되고, 타단이 상기 각통상 노체의 일단에 접속되는 접속 도파관으로 이루어지는 제 1 탄소화 장치와 ;
(2) 제 1 항에 기재된 탄소 섬유 제조 장치로 이루어지는 제 2 탄소화 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 장치.
(1) 일단이 폐색된 방형 도파관으로 이루어지는 노체로서, 상기 방형 도파관의 상기 일단에 섬유 도출구가 형성됨과 함께 상기 방형 도파관의 타단에 섬유 도입구가 형성되어 이루어지는 각통상 노체와,
상기 각통상 노체 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 발진기와,
일단이 상기 마이크로파 발진기측에 접속되고, 타단이 상기 각통상 노체의 일단에 접속되는 접속 도파관으로 이루어지는 제 1 탄소화 장치와 ;
(2) 제 6 항에 기재된 탄소 섬유 제조 장치로 이루어지는 제 2 탄소화 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 장치.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 각통상 노체가, 상기 각통상 노체의 내부를 그 축심을 따라 마이크로파 도입부와 섬유 주행부로 분할하는 칸막이판이 배치 형성된 각통상 노체임과 함께,
상기 칸막이판이 소정 간격으로 형성된 슬릿을 갖는 탄소 섬유 제조 장치.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
제 1 탄소화 장치의 노체 내의 전자계 분포가 TE 모드이고, 제 2 탄소화 장치의 노체 내의 전자계 분포가 TM 모드인 탄소 섬유 제조 장치.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 접속 도파관 내의 전자계 분포가 TE 모드이고, 섬유 주행 방향과 평행하게 전계 성분을 갖는 탄소 섬유 제조 장치.
제 12 항에 기재된 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유 제조 방법으로서,
(1) 내염화 섬유를 제 1 탄소화로의 상기 섬유 도입구로부터 상기 각통상 노체 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,
상기 각통상 노체 내를 주행하는 상기 내염화 섬유에 불활성 분위기하에서 마이크로파를 조사하여 탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 얻는 마이크로파 조사 공정과,
상기 중간 탄소화 섬유를 제 1 탄소화로의 상기 섬유 도출구로부터 연속적으로 취출하는 중간 탄소화 섬유 취출 공정과 ;
(2) 상기 중간 탄소화 섬유를 제 2 탄소화로의 상기 섬유 도입구로부터 상기 통상 노체 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,
상기 통상 노체 내를 주행하는 상기 중간 탄소화 섬유에 불활성 분위기하에서 마이크로파를 조사하여 탄소 섬유를 얻는 마이크로파 조사 공정과,
상기 탄소 섬유를 제 2 탄소화로의 상기 섬유 도출구로부터 연속적으로 취출하는 탄소 섬유 취출 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 방법.
제 13 항에 기재된 탄소 섬유 제조 장치를 사용하는 탄소 섬유 제조 방법으로서,
(1) 내염화 섬유를 제 1 탄소화로의 상기 섬유 도입구로부터 상기 각통상 노체 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,
상기 각통상 노체 내를 주행하는 상기 내염화 섬유에 불활성 분위기하에서 마이크로파를 조사하여 탄소 함유율이 66 ∼ 72 질량％ 인 중간 탄소화 섬유를 얻는 마이크로파 조사 공정과,
상기 중간 탄소화 섬유를 제 1 탄소화로의 상기 섬유 도출구로부터 연속적으로 취출하는 중간 탄소화 섬유 취출 공정과 ;
(2) 상기 중간 탄소화 섬유를 상기 단열 슬리브 내에 연속적으로 공급하는 섬유 공급 공정과,
상기 단열 슬리브 내를 주행하는 상기 중간 탄소화 섬유에 불활성 분위기하에서 마이크로파를 조사하여 탄소 섬유를 얻는 마이크로파 조사 공정과,
상기 탄소 섬유를 상기 단열 슬리브 내로부터 연속적으로 취출하는 탄소 섬유 취출 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조 방법.