JPH02139422A - 炭素繊維製造用紡糸口金 - 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） 本発明は石油系又は石炭系ピッチを原料として製造され
る炭素繊維の原糸を紡糸する口金に関するもので、特に
高強度、高弾性ををしクサビ状割れなどの欠陥のない均
質性に優れた炭素繊維製造用紡糸口金（以下単に紡糸口
金という）に関するものである。

（従来の技術とその技術的課題） 炭素繊維が複合素材として実用化され、航空、宇宙から
スポーツ、レジャー分野まで幅広く採用されてきている
が、その主体は、ポリアクリロニトリル繊維を焼成して
製造されるパン系の炭素繊維である。

一方、石炭や石油工業の副産物であるピッチを原料とす
るピッチ系炭素繊維も研究開発が進み、特性の優れた炭
素繊維が実用化され始めている。

パン系の炭素繊維は、その製造過程から、高強度品は作
り易く、現在すでに引張り強さ７００ｋｇｆ／−を超え
る製品が製造されるに至っている。そしてこのような高
強度品は、性能を最優先とする軍用機やスポーツ、レジ
ャー用に対して使われているが、人工衛星向けの太陽電
池パネルの支柱やパラボラアンテナに使用される炭素繊
維複合材料の設計では引張り強さよりも引張り弾性率を
重視する。これは、微小重力下に置かれる機材の軽量化
を図るため、部品を薄肉化して、なおかつ高弾性率品に
よって剛性を高める必要があるからである。

ところがパン系炭素繊維は、高弾性率化することに限界
があり、要求通りの特性が得難い状況にある。

一方、ピッチ系炭素繊維は、高弾性率化［、易い特徴を
もっている。それは、ピッチの中の構成元素である炭素
が、縮合多環芳香族化合物の混合物であり、これが同一
平面上につながって、黒鉛化し易い構造になっているこ
とによる。

ところが、引張り弾性率はすでに８０ｔｆ／ｎｍを超え
ているものができているが、引張り強度が低く、３００
ｋｇｆ　／ｒｒｒｄが限界で引張り破断伸び率が０．５
以上に上げ難いという背景がある。

ピッチ系炭素繊維で繊維の物性を支配している構造のパ
ラメータは、繊維軸に沿った炭素層面の優越配向性の度
合、繊維表面構造、クローズドポアーの形状と大きさ、
炭素六角網平面の層面間隔と平行積層の厚さ及び夫々の
層面の長ざ、層面の形状、表面と内部構造の不均一性、
化学的組成、不純物の介在の有無或いはその痕跡などが
、微視的構造に関係したものとしてとり上げられる。

方、巨視的な繊維構造も繊維物性と深い関係がある。例
えば、繊維横断面の形状とそこでの炭素層面の巨視的配
列が巨視的構造因子であり、ことに、ピッチ系高強度品
では、比較的幅の広い層面になるので、その配列の仕方
が、機械的物性に大きく影響している。そして、紡糸し
たピッチ繊維の分子配向はその後の不融化、炭素化処理
しても熱処理温度の上昇と共に発達はするが、基本的に
はあまり変化しないことが判っている。このような配列
を支配する要因は、原料ピッチの種類や紡糸時の温度、
特に軟化点によることや紡糸に使われる紡糸口金の構造
に依存する。炭素層面配列に与える影響が顕著に表れる
のは、紡糸条件で、その時のピッチ温度と溶融ピッチの
紡糸口金までの移行状態、紡糸口金の構造によるピッチ
の流れ状況と紡糸口金通過後の周囲環境で変化すること
が知られている。

一般に紡糸時のピッチを構成する分子の配列は、紡糸口
金壁面に対して垂直、力ス等の自由界面に対しては表面
張力により平行配列することが知られている。

そこで−船釣な紡糸口金は、円形又は異形断面を持つ孔
から吐出される為、紡糸口金壁面に垂直なラジアル構造
になり易い。このことは温度が低いと顕著に表れる。こ
のラジアル構造はその後の不融化、焼成処理により、ク
ラックが発生し易いなど機械的強度を上げるには問題が
多い。そこでピッチの゛もう一つの特性である紡出直前
の配列を多少記憶しており、紡糸口金内のピッチの流れ
を工夫することによって紡糸されるピッチ繊維の分子の
配向が変わることが判っており、一般には、障害物など
を導入孔に配置して、例えばフィルタを通過させるとか
の工夫がなされ効果を上げている。

しかしこれらの紡糸口金で紡糸した繊維でも焼成温度で
弾性率は容易に上げられるが、破断、引張り伸びは０．
５％以下で引張強度が上がらない。

（発明の目的） 本発明は上記技術的課題を解決すべくなされたものでピ
ッチ繊維の分子配列が紡糸口金内のピッチの流れ経路に
よって種々変化することに着目し、大径の導入部の中心
部より離れた位置に設けられた小径の導入孔より流入し
たピッチが、該小径の導入孔に連なるように設けたラセ
ン状の溝を通って吐出孔を中心に円を描くように流入し
て吐出されることによってオニオン配列又は外周オニオ
ンで内部ランダムあるいは外周オニオン配列で内部ラジ
アル配列でかつ、微細組織を持つピッチ繊維を紡糸でき
る紡糸口金を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するだめの手段） 前記課題を解決するための本発明の紡糸口金は、大径の
導入孔の中心部から離れた位置に設置された小径の導入
孔を設け、該小径の導入孔に連なって溝が吐出孔を中心
にラセン状に設置された構造から成るものである。

（作用） このように構成された本発明の紡糸口金によれば、大径
の導入孔より流入したピッチはその導入孔中心より離れ
た位置に設けられた小径の導入孔を通じて下部に設置さ
れたラセン状溝に入り、そのラセン溝を通過し、吐出孔
を中心に円弧を描きながら流れ、吐出孔内に流入、紡糸
されて繊維化する。このとき紡糸された繊維はオニオン
配列をもつか、又は外周オニオン、内部ランダム及び外
周オニオンで内部ラジアルの配列ができ、低温でも安定
した微細な組織が得られる。

（実施例） 本発明による紡糸口金の一実施例を図によって説明する
と、第１図及び第２図に示す如く大径の導入孔１とそれ
に連なる小径の導入孔２、本例では１個所を大径の導入
孔１の外周部に近い位置に設け、さらにその下に設置し
たラセン状流入溝３を第２図に示す如く吐出孔４を中心
にしてラセンを描く如く配置し、吐出孔４の片側よりピ
ッチが流入する様に設けたものから成っている。

斯かる構造の本発明による紡糸口金５によれば、ピッチ
は大径の導入孔１を通って、該導入孔１の外周部に近い
位置に設けられた小径の導入孔２を通り、その下部に設
置したラセン状流入溝３に人り、該ラセン状流入溝３を
通って、中心部の吐出孔４の片側から回転しながら流入
し、吐出孔４が紡糸され微細化される。従ってピッチは
吐出孔４の周辺の影響を受ける間もなく紡出されること
によって紡糸された繊維はオニオン配列をもつか又は外
周部オニオンで内部ランダム及び外周部オニオンで内部
ラジアルの配列ができ、低温でも安定な微細組織をもっ
た繊維を得ることができる。

然して、本発明の紡糸口金５を用いてピッチを紡糸した
具体的な実施例と従来例について説明する。

先ず従来例について説明する。第３図に示す如く口金外
径３０ｍｍ、上部を５＋ｎｍ、下部に６０°のテーパを
持つ導入孔７とそれに連なる垂直な孔径０．３ｍｍ、長
さ　１．Ｏｍｍの円形の吐出孔８を有する紡糸口金９を
用い、コールタールピッチを原料として、水素化処理、
高温短時間処理して得た軟化点２９１℃の全面異方相に
したピッチを、内径２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円筒状
紡糸器に入れ、外部より所定の温度になるように加熱し
、少なくとも３０分以上保持した。紡糸可能な低温度か
らｌＯ℃単位で温度を変え、紡糸した繊維を３２０℃不
融化処理した後に、１０００℃で炭素化処理をした。さ
らに炭素層面配列を調べる為にタンマン炉２５００℃で
黒鉛化処理した。

その結果、繊維の機械的強度は、引張り強さが２１５ｋ
ｇ／１ＴＩＴ１１引張り弾性率が５０ｔｆ／ｎｎｆ、破
断伸び率が０．４３％であった。尚、断面組織は、各紡
糸温度でもラジアル構造であり、収縮によるクラックの
発生がδ忍められた。

次に本発明の具体的な実施例について説明する。

第１図に示す如〈従来例と同一外径の紡糸口金６に大径
の導入孔１に連なる直径２ｍの小径の導入孔２を設け、
さらにその下部にラセン状流入溝３、幅２ｍｍＸ深さ２
順を吐出孔４を中心にうず巻状に配置、その先端は吐出
孔入口の側部にくるように配置しその先に吐出孔が設置
された紡糸口金５を用い、前記従来例と同じピッチを同
じ条件で紡糸し、次いで黒鉛化処理まで行った結果、得
られた炭素繊維の機械的強度は引張り強さ３５１ｋｇ／
−１引張弾性率６０ｔｆ／＋ｍｆ、破断伸び率０．５９
％を超えた。

断面組織は均一なランダム状配列で非常に緻密な構造に
なっていることが観察され、クサビ状のクラックやボイ
ド等の内部欠陥のない組織であった。

尚、本発明の紡糸口金５に於ける小径の吐出孔２は、前
記実施例のものに限るものではなく、横断面異型形状を
もったものであっても良い。

さらに本発明の紡糸口金５に於けるピッチ吐出孔４の吐
出面側にテーバを付して拡開すると紡糸性が一層改善さ
れるものである。

（発明の効果） 以上の説明で判るように本発明の紡糸口金を用いてピッ
チを紡糸すると吐出孔内でラセン状流入溝からのピッチ
が流入し、ピッチの流れが乱され、そのまま吐出孔から
紡出されるため繊維化された組織はランダム状配列で断
面の緻密な欠陥のない組織が得られ、高強度、高弾性で
かつ伸びのある炭素微細を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の紡糸口金を示す断面図、第２図は第１
図のＡ−Ａ線矢視図、第３図は従来の紡糸口金を示す断
面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、石油系又は石炭系ピッチを原料として炭素繊維を製
   造する過程で使用する紡糸口金において、大径の導入孔
   の中心部から離れた位置に設置された小径の導入孔を設
   け、該小径の導入孔に連なるように設けた溝が吐出孔を
   中心としてラセン状に設置したことを特徴とする炭素繊
   維製造用紡糸口金。