WO2020100714A1

WO2020100714A1 - 耐炎化繊維束および炭素繊維束の製造方法ならびに耐炎化炉

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Publication number: WO2020100714A1
Application number: PCT/JP2019/043693
Authority: WO
Inventors: 高松幸平; 久慈祐介; 細谷直人; 山本拓; 権藤和之
Original assignee: 東レ株式会社
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-05-22
Also published as: TW202024414A; KR20210088550A; US20220251736A1; EP3882382A4; JPWO2020100714A1; EP3882382A1; JP6729819B1

Abstract

引き揃えたアクリル繊維束２を、熱処理室３外側の両端に配置された折り返しローラー５上を走行させながら、熱風を循環させた熱処理室３内で熱処理する耐炎化繊維束の製造方法において、第１の熱風を、繊維束２の走行方向に対して略平行方向に供給し、第２の熱風を、繊維束２の上方から、第１の熱風の風向に対して２０～１６０°の角度で供給し、走行する繊維束２の長手方向の少なくとも一部を通過させる耐炎化繊維束の製造方法。　耐炎化繊維束の生産性および品質の向上が可能な耐炎化繊維束および炭素繊維束の製造方法ならびに耐炎化炉を提供する。

Description

耐炎化繊維束および炭素繊維束の製造方法ならびに耐炎化炉

　本発明は、アクリル系繊維束に連続して熱処理を施す耐炎化繊維束および炭素繊維束の製造方法ならびに耐炎化炉に関するものである。更に詳しくは、耐炎化繊維束の生産性および品質の向上が可能な耐炎化繊維束および炭素繊維束の製造方法ならびに耐炎化炉に関する。

　炭素繊維は比強度、比弾性率、耐熱性、および耐薬品性に優れていることから、各種素材の強化材として有用であり、航空宇宙用途、レジャー用途、一般産業用途等の幅広い分野で使用されている。

　一般に、アクリル系繊維束から炭素繊維束を製造する方法として、アクリル系重合体の単繊維を数千から数万本束ねた繊維束を耐炎化炉に送入し、２００～３００℃に熱せられた空気等の酸化性雰囲気の熱風に晒すことにより熱処理（以下、耐炎化処理）した後、得られた耐炎化繊維束を前炭素化炉に送入し、３００～１０００℃の不活性ガス雰囲気中で熱処理（以下、前炭素化処理）した後に、さらに１０００℃以上の不活性ガス雰囲気で満たされた炭素化炉で熱処理（以下、炭素化処理）する方法が知られている。また、中間材料である耐炎化繊維束は、その燃え難い性能を活かして、難燃性織布向けの素材としても広く用いられている。

　炭素繊維束の製造工程において、熱処理時間が最も長く、消費されるエネルギー量が最も多くなるのは耐炎化工程である。したがって、炭素繊維束の生産性向上には、耐炎化工程での生産性向上が最も重要である。

　耐炎化工程は、熱処理室外側の両端に配置される折り返しローラー上に、シート状に引き揃えられた繊維束を多段に往復走行させて、熱風を循環させた熱処理室内で熱処理する多段横型熱処理炉（以下、耐炎化炉）を用いて耐炎化処理するのが一般的である。

　耐炎化工程での生産性向上には、同時に多数の繊維束を搬送することで熱処理室内の繊維束の密度を上げることと、繊維束の走行速度を上げることが有効である。

　しかしながら、熱処理室内の繊維束の密度を上げる程、隣接する繊維束との間隔が狭くなり、繊維束の揺れ・振動によって隣接する繊維束同士の接触頻度が増す。また、繊維束の走行速度を上げて、耐炎化処理に必要な熱処理を施すためには、耐炎化炉の折り返しローラー間の水平方向距離を大きくするか、折り返しローラーの段数を増やし、熱処理室内で滞留時間を稼ぐ必要がある。ここで、折り返しローラーの段数を増やすことは、建屋階層の複数分割、建屋床面の耐荷重性アップ等の大規模な構造物を追加することになり、大幅な設備費増大に繋がる。したがって、設備費を抑えつつ、繊維束の走行速度を上げるためには、折り返しローラー間の水平方向距離を大きくすることが好ましい。ただし、折り返しローラー間の水平方向距離を大きくする程、走行する繊維束の懸垂量が大きくなり、上記同様に、繊維束の揺れ・振動によって隣接する繊維束同士の接触頻度が増す。これらによって、繊維束同士の混繊や、繊維束切れ等が頻発し、耐炎化繊維束の品質低下、操業上のトラブルを招く。

　そこで、熱処理室内の繊維束と熱風の衝突を抑えて、繊維束の揺れ・振動を低減させるため、繊維束の走行方向と平行な方向に熱風を供給する耐炎化炉が広く用いられている。

　しかしながら、繊維束の走行方向と平行な方向に熱風を供給する耐炎化炉は、引き揃えられたシート状繊維束の表面においては十分な熱伝達が行われるが、隣接する繊維束間においては熱伝達が行われにくく、耐炎化処理における繊維束自体の発熱によって繊維束が過昇温となり、耐炎化繊維束の品質低下を招く。折り返しローラー間の水平方向距離を大きくした場合、循環熱風の下流側は、上流側の熱が輸送されて高温となるため、繊維束の過昇温が顕著に現れる。また、隣接する繊維束間の熱伝達を向上させようと、熱風の風速を大きくすると、繊維束と熱風の衝突が増加して、上記同様に、繊維束の揺れ・振動によって隣接する繊維束同士の接触頻度が増し、耐炎化繊維束の品質低下、操業上のトラブルを招く。

　さらに、熱処理室内に繊維束を送入出させるために、熱風の吹出しノズルおよび吸込みノズルは互いに鉛直方向に離間して配置されるが、ノズル間の隙間には熱風の流れがなく、繊維束自体の発熱の影響を受けた高温な熱風が滞留するため、上記同様に、繊維束が過昇温となり、耐炎化繊維束の品質低下を招く。

　これらの問題に対し、特許文献１では、繊維束の揺れ・振動を抑えつつ、隣接する繊維束間の熱伝達を向上させるために、引き揃えられたシート状繊維束の走行方向に対して、０°および９０°以外の角度、好ましくは０．８°～３°の角度で横切るように熱風の風向角度を規定した耐炎化炉が提案されている。

　また、特許文献２では、ノズル間の繊維束の熱伝達を向上させるために、吹出しノズルの上下面に開口部を設け、ノズル間に熱風を供給する耐炎化炉が提案されている。
特表２０１３－５４２３３１号公報特表２０１８－５０２２２７号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の耐炎化炉では、隣接する繊維束間の熱伝達の向上は考慮されているが、ノズル間の繊維束の熱伝達については言及されておらず、ノズル間での繊維束の過昇温を回避することができない。また、繊維束の揺れ・振動を考慮した熱風の風向角度は提示されているが、熱処理室全長にわたり熱風が隣接する繊維束間を横切るため、繊維束と熱風の衝突が増加して繊維束の揺れ・振動を低減させるには至らず、耐炎化工程の生産性向上は不十分であった。

　また、特許文献２に記載の耐炎化炉では、ノズル間の繊維束の熱伝達は考慮されているが、繊維束の揺れ・振動については言及されておらず、上記同様に、耐炎化工程の生産性向上は不十分であった。

　本発明は、繊維束の走行方向と平行な方向に熱風を供給する耐炎化炉を用いた耐炎化繊維束の製造方法および耐炎化炉において、繊維束の熱伝達を向上させつつ、繊維束の揺れ・振動を低減させて、耐炎化繊維束の生産性および品質を向上させることを課題とする。

　上記課題を解決するために、本発明の耐炎化繊維束の製造方法は、次の構成を有する。すなわち、
引き揃えたアクリル繊維束を、熱処理室外側の両端に配置された折り返しローラー上を走行させながら、熱風を循環させた熱処理室内で熱処理する耐炎化繊維束の製造方法において、第１の熱風を、繊維束の走行方向に対して略平行方向に供給し、第２の熱風を、繊維束の上方から、第１の熱風の風向に対して２０～１６０°の角度で供給し、走行する繊維束の長手方向の少なくとも一部を通過させる耐炎化繊維束の製造方法、である。

　ここで、本発明における「繊維束の走行方向に対して略平行方向」とは、熱処理室外側の両端に配置された対向する一組の折り返しローラーの頂点間の水平線を基準として±０．７°の範囲内の方向を指す。

　また、本発明の炭素繊維束の製造方法は、次の構成を有する。すなわち、
上記の耐炎化繊維束の製造方法で得られた耐炎化繊維束を、不活性雰囲気中最高温度３００～１０００℃で前炭素化処理して前炭素化繊維束とし、前記前炭素化繊維束を不活性雰囲気中最高温度１０００～２０００℃で炭素化処理する炭素繊維束の製造方法、である。

　さらに、本発明の耐炎化炉は、次の構成を有する。すなわち、
アクリル系繊維束を熱処理するための耐炎化炉であって、
（ｉ）引き揃えられた繊維束が出入できるスリットを有する熱処理室と、
（ｉｉ）前記熱処理室内に、互いに鉛直方向に離間して配置され、繊維束の走行方向に対して略平行方向に第１の熱風を供給する複数の吹出しノズルと、
（ｉｉｉ）前記熱処理室内に、互いに鉛直方向に離間して配置され、前記吹出しノズルから供給された熱風を吸引する複数の吸込みノズルと、
（ｉｖ）前記吹出しノズルと前記吸込みノズルを通じて熱風を循環させる少なくともの１つの送風装置と、
（ｖ）循環熱風の流路上に配置された少なくとも１つの加熱装置と、
（ｖｉ）熱処理室外側に配置され、隣接する前記吹出しノズル間、隣接する前記吸込みノズル間を通って、繊維束を熱処理室内で複数回往復走行させる折り返しローラーと、を有する耐炎化炉であって、
（ｖｉｉ）前記吹出しノズル下面に、吹出しノズル間の繊維束の上方から、第１の熱風の風向に対して２０～１６０°の角度で、第２の熱風を供給し、走行する繊維束の長手方向の少なくとも一部を通過させる開口部、を有することを特徴とする耐炎化炉、である。

　本発明の耐炎化繊維束の製造方法は、繊維束を通過する第２の熱風のうち下向きの風速が、繊維束の周囲を流れる第１の熱風の風速の１／３～５／６であることが好ましい。

　本発明の耐炎化繊維束の製造方法は、供給時の第２の熱風のうち下向きの風量が、供給時の第１の熱風の風量の１／６～１／２であることが好ましい。

　本発明の耐炎化繊維束の製造方法は、熱処理室外側の両端に配置された折り返しローラー間の水平方向距離が１５ｍ以上であることが好ましい。

　本発明の耐炎化繊維束の製造方法は、前記第２の熱風が、熱処理室外側の一方の端部に位置する折り返しローラーから他方の端部に位置する折り返しローラーまでの距離の４０～６０％の位置で繊維束を通過することが好ましい。

　本発明の耐炎化炉は、前記開口部は多孔板で構成されており、多孔板の孔径が１０～３０ｍｍであることが好ましい。

　本発明の耐炎化炉は、前記多孔板の開口率が２０～６０％であることが好ましい。

　本発明の耐炎化炉は、前記吹出しノズルを熱処理室中央に、前記吸込みノズルを熱処理室両端に配置されることが好ましい。

　本発明の耐炎化繊維束および炭素繊維束の製造方法により、第２の熱風により繊維束の熱伝達を向上させて、かつ、繊維束の懸垂方向と同方向である鉛直下方向に繊維束を押さえつけるダウンフォースが働き、繊維束が定点で固定されるのと同様の効果をもたらし、繊維束の揺れ・振動を低減化することが可能となり、結果として、耐炎化繊維束および炭素繊維束の生産性および品質を向上させることができる。

　また、本発明の耐炎化炉を用いることにより、第２の熱風により最も繊維束が過昇温となりやすいノズル間での繊維束の熱伝達を向上させて、かつ、繊維束の懸垂方向と同方向である鉛直下方向に繊維束を押さえつけるダウンフォースが働き、繊維束が定点で固定されるのと同様の効果をもたらし、繊維束の揺れ・振動を低減化することが可能となり、結果として、耐炎化繊維束の生産性および品質の向上が可能となる。

耐炎化繊維束を製造するための耐炎化炉の概略側面図である。図１の耐炎化炉のＡ－Ａ’断面図である。隣接繊維束間の接触率Ｐを説明するイメージ図である。図１の耐炎化炉の概略側面拡大図である。図１の耐炎化炉の別の形態の概略側面拡大図である。図４の吹出しノズルの下面の概略図である。図１の耐炎化炉の別の形態の概略側面図である。

　本発明は、繊維束を酸化性雰囲気中で耐炎化処理する方法であって、図１に示す熱処理室の一方の端部から他方の端部へ熱風を循環させるＥＴＥ（Ｅｎｄ　Ｔｏ　Ｅｎｄ）方式の耐炎化炉１を用いて説明する。

　耐炎化炉１は、多段の走行域を折り返しながら走行する繊維束２に熱風を吹きつけて耐炎化処理を施す熱処理室３を備えている。繊維束２は、耐炎化炉１の熱処理室３の側壁に設けたスリット４から熱処理室３内に送入され、熱処理室３内を直線的に走行した後、対向する側壁のスリット４から熱処理室３外へ一旦送出される。その後、熱処理室３外側の両端に配置された折り返しローラー５によって、折り返し走行し、再び熱処理室３内に送入される。このようにして、繊維束２は複数の折り返しローラー５によって、熱処理室３への送入送出を複数回繰り返して、熱処理室３を多段で、全体として図１の上から下に向けて移動する。なお、繊維束２の移動方向、折り返しローラー５の段数は上記に限定されない。

　繊維束２は、図２に示すように紙面に対して垂直な方向に複数本並行するように引き揃えられた幅広のシート状の形態を有している。繊維束は、折り返しながら熱処理室３内を走行している間に、熱処理室３内の２００～３５０℃程度の熱風によって耐炎化処理されて、耐炎化繊維束となる。

　熱処理室３内の熱風は、空気等の酸化性気体であり、熱処理室の一方の端部に配置された吹出しノズル６によって熱処理室３に供給され、繊維束２の走行方向に沿いながら、熱処理室の他方の端部に配置された吸込みノズル７に向かって流れる。次いで、熱風吸込みノズルから熱処理室３外へ排出され、熱風循環流路８に導かれ、熱風循環流路８上に配置された加熱装置９で加温され、さらに送風装置１０によって風速を制御された後に、再び吹出しノズル６から熱処理室３へ供給される。供給された熱風は、熱処理室３内を繊維束２の走行方向に沿いながら流れた後、再び吸込みノズル７から排出されることで、耐炎化炉１の熱風循環は繰り返されている。このような熱風循環方式の耐炎化炉１は、繊維束２に酸素と熱を適度に与えることができ、かつ高温に熱した酸化性気体を繰り返し循環するため、熱効率が良い。

　吹出しノズル６および吸込みノズル７は、繊維束２の上下位置に複数個設けられ、熱処理室３内に互いに鉛直方向に離間して配置される。ノズル間の隙間には、繊維束２が通過することが可能である。また、対向する一対の吹出しノズル６と吸込みノズル７は、繊維束２の走行方向に対して平行方向に配置される。ここで、繊維束の走行方向とは、上記の定義と同様に、熱処理室外側の両端に配置された対向する一組の折り返しローラーのうち一方の折り返しローラーから繊維束が離れる位置と、他方の折り返しローラーと繊維束が接する位置との２点間を結ぶ直線方向のことを指す。

　吹出しノズル６は、その吹出し面に多孔板等の抵抗体およびハニカム等の整流部材を設けて圧力損失を持たせ、熱処理室３に供給する熱風の整流を行うことが好ましい。

　吸込みノズル７は、吹出しノズル６と同様に、その吸込み面に多孔板等の抵抗体を設けて圧力損失を持たせてもよい。また、必要に応じて、循環熱風中のタール等の異物を濾し取るための異物除去手段を設けてもよい。異物除去手段は、特に限定されないが、例えば金網やパンチングプレート等の多孔板が挙げられる。

　熱風循環流路８は、必要に応じて、循環熱風中のタール等の異物を濾し取るための異物除去手段を設けてもよい。異物除去手段は、特に限定されないが、例えば金網やパンチングプレート等の多孔板が挙げられる。また、循環熱風中の一部を排気する排気ライン（図示せず）もしくは清浄な熱風を供給する供給ライン（図示せず）を設けて、熱処理室３内の循環熱風の交換を促進させてもよい。

　加熱装置９は、熱風を所望の温度に加熱できる性能を有していれば、特に限定されないが、例えば電気ヒーター等が用いられる。

　送風装置１０は、所望の性能を有していれば、特に限定されないが、例えば、軸流ファン等が用いられる。

　図１に示す耐炎化炉１において、耐炎化繊維束の生産性および品質向上には、上述の通り、繊維束２の熱伝達を向上させつつ、繊維束２の揺れ・振動を低減させることが必要である。

　ここで、繊維束２の揺れ・振動を定量化するために、「隣接繊維束間の接触率Ｐ」を指標として用いる。「隣接繊維束間の接触率Ｐ」とは複数の繊維束を隣接するよう並列して走行させたときに、繊維束の幅方向の振動により、隣接する繊維束間の隙間がゼロになる確率を指す。上記繊維束の幅方向の振動は、繊維束の振幅平均を０、標準偏差をσとしたとき、隣接繊維束間の接触率Ｐは下記式で定義される。

　Ｐ＝［１－ｐ（ｘ）｛－ｔ＜ｘ＜ｔ｝］×１００
　ここで、Ｐは隣接繊維束間の接触率（％）、ｔは隣接する繊維束間の隙間（ｍｍ）、ｐ（ｘ）は正規分布Ｎ（０、σ^２）の確率密度関数、σは振幅の標準偏差、ｘは振幅の中央をゼロとする確率変数を表す。

[規則91に基づく訂正 10.12.2019]　
　図３は隣接繊維束間の接触率Ｐのイメージ図であり、上段が走行する複数の繊維束、下段が上段中央の繊維束の右端部を中心とした存在位置の確率分布を示している。繊維束は振動し、それに応じて隣接する繊維束間の隙間の距離ｔ、および振幅の標準偏差σは常に変化する。隣接する繊維束間の隙間の距離ｔは下記式で表すことができる。

[規則91に基づく訂正 10.12.2019]　
　ｔ＝（Ｗｐ－Ｗｙ）／２
　ここで、Ｗｐは折り返しローラー等で物理的に規制されるピッチ間隔（ｍｍ）、Ｗｙは走行する繊維束の幅（ｍｍ）である。

　図３は左からそれぞれ、ｔ＜１σ、ｔ＝１σ、t＞１σのイメージ図である。Ｐは図３下段の斜線部分に相当し、繊維束の振幅を正規分布と仮定し、隣接する繊維束の走行端位置（基準とする繊維束の位置をゼロとしたときのｔの範囲）以下／以上となる累積確率がＰであり、Ｗｙとσを実測すれば統計的に算出できる。

[規則91に基づく訂正 10.12.2019]　
　隣接繊維束間の接触率Ｐは２％以上１８％以下であることが好ましく、５～１６％であることがさらに好ましい。隣接繊維束間の接触率Ｐが、上記好ましい範囲であると、糸条密度が低くなりすぎることなく、生産効率の低下を防ぐことができ、一方、隣接する繊維束間の混繊が増大せず、毛羽立ち等の耐炎化繊維束の品質低下や糸切れ等の操業トラブルを抑制できる。

　なお、繊維束の振幅や走行する繊維束の幅は、例えば走行する繊維束の上方あるいは下方から高精度二次元変位センサー等にて測定することが可能である。

　本発明の耐炎化繊維束の製造方法では、第１の熱風を繊維束２の走行方向と略平行方向に供給すると同時に、第２の熱風を繊維束２の上方から、第１の熱風に対して２０～１６０°の角度で供給し、走行する繊維束２の長手方向の少なくとも一部を通過させる。なお、第２の熱風は、繊維束２を通過した後、第１の熱風と合流する。局所的に第２の熱風を繊維束２の上方から供給することにより、繊維束２の懸垂方向と同方向である鉛直下方向に繊維束２を押さえつけるダウンフォースが働き、走行する繊維束２の一部を定点で固定することと同様の効果をもたらし、繊維束２の揺れ・振動を低減化し、かつ、繊維束２長手方向に伝搬しにくくする。さらに、隣接する繊維束２間に熱風が通過させるため、熱風が通過する部分での繊維束２の熱伝達が向上する。

　本発明の耐炎化炉１は、図４に示すように、吹出しノズル６、吸込みノズル７の隙間、または、図４に示すように熱処理室３内に、繊維束２の上方から第２の熱風を供給するための熱風供給装置１１を備える。

　または、図５に示すように、吹出しノズル６の下面に、第２の熱風を供給するための開口部１２を有する。吹出しノズル下面の開口部１２から、第２の熱風を供給することにより、繊維束２の熱伝達が最も小さいノズル間での熱伝達が向上し、繊維束２の過昇温のリスクが大幅に低減する。さらに、熱処理室３に対して正圧である吹出しノズル６では、開口部１２を設けるだけで、熱処理室３内に余分な構造物を設ける必要なく、第２の熱風を供給できるため、設備費用の削減にも繋がる。なお、図４、図５に示したのは、あくまで一例であり、繊維束２の上方から第２の熱風を供給する構成はこの限りではない。

　第２の熱風は、供給点が多い程、繊維束２の熱伝達を向上させることになるが、供給点が過多となると、繊維束２と第２の熱風の衝突が過大となり、繊維束２の揺れ・振動は増大する。繊維束２の揺れ・振動は、折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌや、熱処理室３を循環する熱風の風速、走行する繊維束２の張力の影響を受けるが、繊維束２の揺れ・振動を低減化するには、第２の熱風の供給点は、１～５点が好ましく、１～３点がより好ましい。

　第２の熱風の風向は、第１の熱風の風向に対して、２０～１６０°であることが好ましく、４５～１３５°であることがより好ましい。上記範囲内の風向であると、生産性向上のために、熱処理室３内の繊維束２の密度を上げている場合であっても、第２の熱風が隣接する繊維束２間を通過することが可能となり、繊維束２の熱伝達が向上する。また、風速を大きくしなくても、第２の熱風が隣接する繊維束２間を通過するため、繊維束２と第２の熱風との衝突を抑えつつ、効果的に繊維束２の揺れ・振動を低減することが可能となる。

　第２の熱風のうち、繊維束２を通過する下向きの風速は、繊維束２の周囲を流れる第１の熱風の風速の１／３～５／６であることが好ましく、１／２～２／３であることがより好ましい。上記範囲内の風速であると、繊維束２と第２の熱風の衝突を抑えつつ、鉛直下方向に繊維束２を押さえつけるダウンフォースの効果が十分に得られるため、効果的に繊維束２の揺れ・振動を低減することが可能となる。

[規則91に基づく訂正 10.12.2019]　
　供給時の第２の熱風のうち下向きの風量は、供給時の第１の熱風の風量の１／６～１／２であることが好ましく、１／４～１／３であることがより好ましい。ここで、供給時の第１の熱風の風量とは、１箇所の吹出しノズル６から供給される第１の熱風の風量のことを指し、供給時の第２の熱風の風量とは、１箇所の熱風供給装置１１、または、吹出しノズル下面の開口部１２から供給される第２の熱風の風量のことを指す。供給時の第２の熱風のうち下向きの風量が上記範囲内の風量であると、第１の熱風の流れを乱すことなく、上記の風速範囲を満たした第２の熱風を供給することが可能となる。また、第２の熱風と繊維束２との接触面積が小さくなり、繊維束２と第２の熱風との衝突を抑えつつ、鉛直下方向に繊維束２を押さえつけるダウンフォースの効果が得られるため、効果的に繊維束２の揺れ・振動を低減することが可能となる。

　本発明の耐炎化炉１は、折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌが１５ｍ以上であることが好ましい。折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌが１５ｍ以上であると、繊維束２の走行速度を従来対比半分以下に下げることなく、折り返しローラーを２０段以下で、熱処理室３内での滞留時間を稼ぐことが可能となる。したがって、製品としての耐炎化繊維束および炭素繊維束の単位時間あたりの生産量を保ちつつ、耐炎化炉１の設備費も低下させることができるため、結果として耐炎化繊維束および炭素繊維束の生産性を向上させることが可能となる。折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌを大きくした場合、循環熱風の下流側は、上流側の熱が輸送されて高温となるため、下流側に第２の熱風を供給し、繊維束２の熱伝達を向上させると、繊維束２の過昇温を回避し、品質を低下させずに、折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌを１５ｍ以上とすることができる。

[規則91に基づく訂正 10.12.2019]　
　第２の熱風は、熱処理室３外側の一方の端部に位置する折り返しローラー５から、他方の端部に位置する折り返しローラー５までの距離の４０～６０％の位置で、繊維束２を通過することが好ましい。第２の熱風によって、繊維束２の揺れ・振動の振幅が最大となる折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌの中央付近で、繊維束２を定点で固定する効果を上げることにより、繊維束２の揺れ・振動を効率よく低減させることができる。

　本発明の耐炎化炉１は、図６に示すように、吹出しノズル６下面の開口部１２として、多孔板１３を設けることが好ましい。多孔板１３によって、適度に圧力損失を与えて、均一に整流された第２の熱風を供給することできる。多孔板１３の孔径や開口率は、必要に応じて適宜決定される。

　ここで、多孔板１３の孔径は、１０～３０ｍｍであることが好ましい。上記範囲内の孔径であると、循環熱風中に含まれるタール等の異物が多孔板１３に閉塞するリスクが低下し、長期連続運転が可能となる。また、適度な圧力損失を与えることができるため、第２の熱風の整流が十分になされ、耐炎化炉１幅方向に均一な第２の熱風が供給されて耐炎化繊維束の品質向上に繋がる。

　また、多孔板１３の開口率は、上記孔径の範囲内で、２０～６０％であることが好ましい。上記範囲内の開口率であると、風量を大きくしなくても、繊維束２に第２の熱風を供給できるため、繊維束２と第２の熱風の衝突を抑えつつ、効果的に繊維束２の揺れ・振動を低減することが可能となる。また、第２の熱風の整流が十分になされ、耐炎化炉１幅方向に均一な第２の熱風が供給されることで耐炎化繊維束の品質向上に繋がる。

　本発明は、図７に示す熱処理室３の中央から両端へ熱風を循環させるＣＴＥ（Ｃｅｎｔｅｒ　Ｔｏ　Ｅｎｄ）方式の構成の耐炎化炉においても適用できる。ＣＴＥ方式の耐炎化炉は、吹出しノズル６を熱処理室３の中央に、吸込みノズル７を熱処理室３の両端に配置する構成である。上述の通り、吹出しノズル６が配置される熱処理室３中央は、すなわち折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌの中央付近であり、繊維束２の懸垂が最大となるため、吹出しノズル６下面から第２の熱風を供給することで、繊維束の揺れ・振動を効率的に低減化できる。また、第１の熱風が熱処理室３を２分割して供給されるため、図１に示すＥＴＥ方式の耐炎化炉１よりも、循環熱風の下流側での繊維束２の過昇温が現れにくく、折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌを大きくすることができる。

　本発明の耐炎化繊維束の製造方法によって製造された耐炎化繊維束を、不活性雰囲気中最高温度３００～１０００℃で前炭素化処理して前炭素化繊維束とし、前記前炭素化繊維束を不活性雰囲気中最高温度１０００～２０００℃で炭素化処理することによって、炭素繊維束を製造することができる。

　前炭素化処理における不活性雰囲気の最高温度は５５０～８００℃が好ましい。前炭素化炉内を満たす不活性雰囲気としては、窒素、アルゴン、ヘリウム等の公知の不活性雰囲気を用いることもできるが、経済性の面から窒素が好ましい。

　前炭素化処理によって得られた前炭素化繊維束は、次いで炭素化炉に送入されて炭素化処理される。炭素繊維束の機械的特性を向上させるためには、不活性雰囲気中最高温度１２００～２０００℃で、炭素化処理するのが好ましい。

　本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各実施例、比較例については、下記の測定方法で得た測定値を用いた。

　＜第１の熱風および第２の熱風の風速の測定方法＞
　日本カノマックス（株）製アネモマスター高温用風速計Ｍｏｄｅｌ６１６２を用いて、１秒毎の測定値３０点の平均値を風速とした。第１の熱風については、耐炎化炉１の両側の折り返しローラー５の中央位置の繊維束２の走行位置に、熱処理室３側面の測定孔（図示せず）から測定プローブを挿入し、繊維束２の走行方向に対して略平行方向に流れる第１の熱風の風速を幅方向に５箇所測定した。第２の熱風については、供給位置直下の繊維束２の走行位置に、熱処理室３側面の測定孔（図示せず）から測定プローブを挿入し、第１の熱風の風向に対して、第２の熱風の鉛直下方向に流れる風速を幅方向に５箇所測定した。上記方法により、幅方向５箇所の測定点すべてにおいて、ゼロを超える風速が観測されることは、第２の熱風が繊維束２を通過していることを意味する。また、第２の熱風の風向については、測定プローブを回転させて、各風向での上記測定を行い、最大風速となる風向を第２の熱風の風向とした。

　＜第１の熱風および第２の熱風の風量の測定方法＞
　第１の熱風については、吹出しノズル６の吹出し面に、熱処理室３側面の測定孔（図示せず）から測定プローブを挿入し、第１の熱風の風速を幅方向に５箇所測定し、その平均値と吹出しノズル６のノズル吹出し面積によって、供給時の第１の熱風の風量を算出した。第２の熱風については、熱風供給装置１１、または、吹出しノズル下面の開口部１２の直下に、熱処理室３側面の測定孔（図示せず）から測定プローブを挿入し、第２の熱風の下向き風速を幅方向に５箇所測定し、その平均値と第２の熱風の供給面積によって、供給時の第２の熱風のうち下向きの風量を算出した。

　＜走行する繊維束の糸幅および振幅の測定方法＞
　走行する繊維束の振幅が最大になる耐炎化炉１の両側の折り返しローラー５間の中央位置で測定を行った。具体的には、（株）キーエンス製レーザー変位計ＬＪ－Ｇ２００を、走行する繊維束の上方あるいは下方に設置して特定の繊維束２にレーザーを照射した。その繊維束２の幅方向の両端の距離を糸幅とし、幅方向の一端の幅方向変動量を振幅とした。それぞれ、１回／６０秒以上の頻度、０．０１ｍｍ以下の精度で５分間測定し、繊維束の幅の平均値Ｗｙおよび振幅の標準偏差σを取得して、上記の「隣接繊維束間の接触率Ｐ」を算出した。

　表１、２に、各実施例、比較例における操業性、品質、生産性の結果を定性的に示す。優、良、不可は下記の基準である。

　（操業性）
優：混繊や繊維束切れ等のトラブルが平均１回／日未満であり、極めて良好なレベル。
良：混繊や繊維束切れ等のトラブルが平均数回／日で連続運転を継続できるレベル。
不可：混繊や繊維束切れ等のトラブルが平均数十回／日で連続運転を継続できないレベル。

　（品質）
優：耐炎化工程を出た後に目視で確認できる繊維束上の１０ｍｍ以上の毛羽の数が平均数個／ｍ以下であり、毛羽品位が工程での通過性や製品としての高次加工性に全く影響しないレベル。
良：耐炎化工程を出た後に目視で確認できる繊維束上の１０ｍｍ以上の毛羽の数が平均１０個／ｍ以下であり、毛羽品位が工程での通過性や製品としての高次加工性にほとんど影響しないレベル。
不可：耐炎化工程を出た後に目視で確認できる繊維束上の１０ｍｍ以上の毛羽の数が平均数十個／ｍ以上であり、毛羽品位が工程での通過性や製品としての高次加工性に悪影響を与えるレベル。

　（生産性）
優：製造コストが従来対比８０％以下、あるいは単位時間当たりの生産量が従来対比１２０％以上のレベル。
良：製造コスト、単位時間当たりの生産量が従来レベル。
不可：製造コストが従来対比１５０％以上、あるいは単位時間当たりの生産量が従来対比６０％以下のレベル。

　（実施例１）
　単繊維繊度０．１１ｔｅｘ、単繊維２００００本からなるアクリル系繊維束を１００～２００本互いに並行するようにシート状に引き揃え、耐炎化炉１で熱処理することで、耐炎化繊維束を得た。耐炎化炉１は、熱処理室３外側の両端に配置された折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌを２０ｍとし、熱処理室３の中央に吹出しノズル６、両端に吸込みノズル７を配置したＣＴＥ方式とし、吹出しノズル６の下面に多孔板１３を用いて開口部１２を設けた。開口部１２は、熱処理室外側の一方の端部に位置する折り返しローラー５から他方の端部に位置する折り返しローラー５までの距離の４８％と５２％の位置に設け、開口部１２に用いた多孔板１３は、孔径２０ｍｍ、開口率３０％とした。第１の熱風の風向は、繊維束２の走行方向に対して略平行方向であり、第２の熱風の風向は、第１の熱風に対して、９０°であった。繊維束２を通過する第２の熱風のうち、下向きの風速を繊維束２の周囲を流れる第１の熱風の１／２とした。なお、第１および第２の熱風の温度は２４０～２８０℃とした。また、折り返しローラー５は３～１５ｍｍの範囲の所定間隔（物理的に規制すべきピッチ間隔）Ｗｐで溝を設けた溝ローラーとした。繊維束２の走行速度は、耐炎化処理時間が十分に取れるよう、耐炎化炉１の折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌに合わせて１～１５ｍ／分の範囲で調整し、工程張力は０．５～２．５ｇ／ｔｅｘの範囲で調整した。

　得られた耐炎化繊維束を、次いで前炭素化炉において最高温度７００℃で熱処理した後、炭素化炉において最高温度１４００℃で熱処理し、電解表面処理後サイジング剤を塗布して、炭素繊維束を得た。

　このとき、繊維束２の耐炎化処理中には、隣接する繊維束間の接触による混繊や繊維束切れ等は一切発生せず、極めて良好な操業性であり、得られた耐炎化繊維束および炭素繊維束を目視確認した結果、毛羽等がない、極めて良好な品質であった。また、繊維束の走行速度も十分に早く、極めて高い生産性で耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。

　（実施例２）
　第２の熱風の風向を、第１の熱風に対して、４５°とした以外は、実施例１と同様にした。

　（実施例３）
　第２の熱風の風向を、第１の熱風に対して、２０°とした以外は、実施例１と同様にした。

　このとき、繊維束２の耐炎化処理中には、隣接する繊維束間の接触による混繊や繊維束切れ等は少なく、良好な操業性であり、得られた耐炎化繊維束および炭素繊維束を目視確認した結果、毛羽等が少なく、良好な品質であった。また、繊維束の走行速度も十分に早く、極めて高い生産性で耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。

　（実施例４）
　耐炎化炉１の繊維束２を通過する第２の熱風のうち、下向きの風速を繊維束の周囲を流れる第１の熱風の１／３とし、供給時の第２の熱風のうち下向きの風量を供給時の第１の熱風の風量の１／６とした以外は、実施例１と同様にした。

　（実施例５）
　耐炎化炉１の繊維束２を通過する第２の熱風のうち、下向きの風速を繊維束の周囲を流れる第１の熱風の５／６とし、供給時の第２の熱風のうち下向きの風量を供給時の第１の熱風の風量の１／２とした以外は、実施例１と同様にした。

　（実施例６）
　耐炎化炉１の吹出しノズル６の下面の多孔板１３の開口率を８０％とし、繊維束２を通過する第２の熱風のうち、下向きの風速を繊維束の周囲を流れる第１の熱風の１／４とした以外は、実施例１と同様にした。

　（実施例７）
　耐炎化炉１の吹出しノズル６の下面の多孔板１３の孔径を８ｍｍ、開口率を３０％とし、繊維束２を通過する第２の熱風のうち、下向きの風速を繊維束の周囲を流れる第１の熱風の７／８とした以外は、実施例１と同様にした。

　（実施例８）
　耐炎化炉１の吹出しノズル６の下面の多孔板１３の孔径を８ｍｍ、開口率を３０％とし、供給時の第２の熱風のうち下向きの風量を供給時の第１の熱風の風量の１／８とした以外は、実施例１と同様にした。

　（実施例９）
　耐炎化炉１の吹出しノズル６の下面の多孔板１３の孔径を２０ｍｍ、開口率を８０％とし、供給時の第２の熱風のうち下向きの風量を供給時の第１の熱風の風量の３／５とした以外は、実施例１と同様にした。

　（実施例１０）
　耐炎化炉１の折り返しローラー５間の水平方向距離Ｌを１０ｍとした以外は、実施例１と同様にした。

　このとき、繊維束２の耐炎化処理中には、隣接する繊維束間の接触による混繊や繊維束切れ等は一切なく、極めて良好な操業性であり、得られた耐炎化繊維束および炭素繊維束を目視確認した結果、毛羽等が一切なく、極めて良好な品質であった。また、繊維束の走行速度も早く、高い生産性で耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。

　（実施例１１）
　耐炎化炉１の吹出しノズル６の下面の開口部１２の位置を、熱処理室３外側の一方の端部に位置する折り返しローラー５から他方の端部に位置する折り返しローラー５までの距離の３５％と６５％の位置に設けた以外は、実施例１と同様にした。

　（実施例１２）
　耐炎化炉１の熱処理室３の一方の端部に吹出しノズル６、他方の端部に吸込みノズル７を配置したＥＴＥ方式とし、吹出しノズル６の下面の開口部１２の位置を、熱処理室３外側の一方の端部に位置する折り返しローラー５から他方の端部に位置する折り返しローラー５までの距離の１５％の位置に設けた以外は、実施例１と同様にした。

　（比較例１）
　耐炎化炉１の吹出しノズル６の上下両面に開口部１２を設けた以外は、実施例１と同様にした。

　このとき、繊維束２の耐炎化処理中に、隣接する繊維束間の接触による混繊や繊維束切れ等が多発し、操業継続は可能だが作業負荷が増加することとなり、得られた耐炎化繊維束および炭素繊維束を目視確認した結果、毛羽等が多く、劣悪な品質であった。

　（比較例２）
　耐炎化炉１の吹出しノズル６の上面に開口部１２を設けた以外は、実施例１と同様にした。

　このとき、繊維束２の耐炎化処理中に、隣接する繊維束間の接触による混繊や繊維束切れ等が多発し、操業継続が困難となり、得られた耐炎化繊維束および炭素繊維束を目視確認した結果、毛羽等が多く、劣悪な品質であった。また、繊維束２の走行速度を落とさざるを得ず、生産性は大きく低下した。

　（比較例３）
　耐炎化炉１の吹出しノズル６の上下両面に開口部１２を設けた以外は、実施例１２と同様にした。

　（比較例４）
　耐炎化炉１の吹出しノズル６の上面に開口部１２を設けた以外は、実施例１２と同様にした。

　（比較例５）
　第２の熱風の風向を、第１の熱風に対して、１０°とした以外は、実施例１と同様にした。

　本発明は、耐炎化繊維束および炭素繊維束の製造方法ならびに耐炎化炉に関するもので、航空宇宙用途、レジャー用途、一般産業用途等に応用できるが、その適用範囲はこれらに限られるものではない。

[規則91に基づく訂正 10.12.2019]　
１　耐炎化炉
２　繊維束
３　熱処理室
４　スリット
５　折り返しローラー
６　吹出しノズル
７　吸込みノズル
８　熱風循環流路
９　加熱装置
１０　送風装置
１１　熱風供給装置
１２　開口部
１３　多孔板
Ｌ　折り返しローラー間の水平方向距離
Ｗｐ　物理的に規制されるピッチ間隔
Ｗｙ　走行する繊維束の幅
ｔ　隣接する繊維束間の隙間の距離

Claims

　引き揃えたアクリル繊維束を、熱処理室外側の両端に配置された折り返しローラー上を走行させながら、熱風を循環させた熱処理室内で熱処理する耐炎化繊維束の製造方法において、第１の熱風を、繊維束の走行方向に対して略平行方向に供給し、第２の熱風を、繊維束の上方から、第１の熱風の風向に対して２０～１６０°の角度で供給し、走行する繊維束の長手方向の少なくとも一部を通過させる耐炎化繊維束の製造方法。
　繊維束を通過する第２の熱風のうち下向きの風速が、繊維束の周囲を流れる第１の熱風の風速の１／３～５／６である、請求項１に記載の耐炎化繊維束の製造方法。
　供給時の第２の熱風のうち下向きの風量が、供給時の第１の熱風の風量の１／６～１／２である、請求項１または２に記載の耐炎化繊維束の製造方法。
　熱処理室外側の両端に配置された折り返しローラー間の水平方向距離が１５ｍ以上である、請求項１～３のいずれかに記載の耐炎化繊維束の製造方法。
　前記第２の熱風が、熱処理室外側の一方の端部に位置する折り返しローラーから他方の端部に位置する折り返しローラーまでの距離の４０～６０％の位置で繊維束を通過する、請求項１～４のいずれかに記載の耐炎化繊維束の製造方法。
　請求項１～５のいずれかに記載の耐炎化繊維束の製造方法で得られた耐炎化繊維束を、不活性雰囲気中最高温度３００～１０００℃で前炭素化処理して前炭素化繊維束とし、前記前炭素化繊維束を不活性雰囲気中最高温度１０００～２０００℃で炭素化処理する炭素繊維束の製造方法。
　アクリル繊維束を熱処理するための耐炎化炉であって、
（ｉ）引き揃えられた繊維束が出入できるスリットを有する熱処理室と、
（ｉｉ）前記熱処理室内に、互いに鉛直方向に離間して配置され、繊維束の走行方向に対して略平行方向に供給される第１の熱風を含む熱風を供給する複数の吹出しノズルと、
（ｉｉｉ）前記熱処理室内に、互いに鉛直方向に離間して配置され、前記吹出しノズルから供給された熱風を吸引する複数の吸込みノズルと、
（ｉｖ）前記吹出しノズルと前記吸込みノズルを通じて熱風を循環させる少なくともの１つの送風装置と、
（ｖ）循環熱風の流路上に配置された少なくとも１つの加熱装置と、
（ｖｉ）熱処理室外側に配置され、隣接する前記吹出しノズル間、隣接する前記吸込みノズル間を通って、繊維束を熱処理室内で複数回往復走行させる折り返しローラーと、を有する耐炎化炉であって、
（ｖｉｉ）前記吹出しノズル下面に、吹出しノズル間の繊維束の上方から、第１の熱風の風向に対して２０～１６０°の角度で、第２の熱風を供給し、走行する繊維束の長手方向の少なくとも一部を通過させる開口部、を有することを特徴とする耐炎化炉。
　前記開口部は多孔板で構成されており、多孔板の孔径が１０～３０ｍｍである、請求項７に記載の耐炎化炉。
　前記多孔板の開口率が２０～６０％である、請求項８に記載の耐炎化炉。
　前記吹出しノズルを熱処理室中央に、前記吸込みノズルを熱処理室両端に配置される、請求項７～９のいずれかに記載の耐炎化炉。