JPH0310727B2 - - Google Patents
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- JPH0310727B2 JPH0310727B2 JP63218690A JP21869088A JPH0310727B2 JP H0310727 B2 JPH0310727 B2 JP H0310727B2 JP 63218690 A JP63218690 A JP 63218690A JP 21869088 A JP21869088 A JP 21869088A JP H0310727 B2 JPH0310727 B2 JP H0310727B2
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- fiber
- rotor
- spinning
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- D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
- D04H1/74—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being orientated, e.g. in parallel (anisotropic fleeces)
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- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
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- D01D5/18—Formation of filaments, threads, or the like by means of rotating spinnerets
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- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
- D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
- D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
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- D01F9/145—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues
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Description
【発明の詳細な説明】
ピツチから繊維を遠心紡糸することは当業界で
は知られている。種々の方法、装置の型及び使用
することができるピツチの種類について参照する
ことができる。或る例では、先行技術の実施は、
大きい直径の繊維又は比較的貧弱な機械的性質を
持つた繊維を生じるであろう。他の先行技術は、
低い生産率又は認められる微細構造を持たない繊
維をもたらすであろう。
は知られている。種々の方法、装置の型及び使用
することができるピツチの種類について参照する
ことができる。或る例では、先行技術の実施は、
大きい直径の繊維又は比較的貧弱な機械的性質を
持つた繊維を生じるであろう。他の先行技術は、
低い生産率又は認められる微細構造を持たない繊
維をもたらすであろう。
本発明の目的は、ポリマーマトリツクス複合体
の強化剤として特に有用で、熱伝導率及び電気伝
導率を高めるためのはつきりした微細構造のサブ
デニールの(Sub−denier)ピツチ炭素繊維を高
い生産速度で製造することである。
の強化剤として特に有用で、熱伝導率及び電気伝
導率を高めるためのはつきりした微細構造のサブ
デニールの(Sub−denier)ピツチ炭素繊維を高
い生産速度で製造することである。
本発明は、ランダムに配列された炭素繊維のバ
ツトであつて、該繊維は、主として、断面で約12
ミクロン以下の幅と、等斜関係に配列されそして
繊維断面の軸線にほぼ平行な方向に配列されたラ
メラからなるラメラ状微細構造を示す破断面を有
し、このラメラは前記繊維断面の周囲にまで延び
ていることを特徴とするバツトを提供する。バツ
トを構成する繊維は相互に結合する(bond)こ
とができる。本発明は更に、このような繊維及び
バツトを製造する方法及びこのような繊維及びバ
ツト又はその断片で強化された複合体を意図す
る。
ツトであつて、該繊維は、主として、断面で約12
ミクロン以下の幅と、等斜関係に配列されそして
繊維断面の軸線にほぼ平行な方向に配列されたラ
メラからなるラメラ状微細構造を示す破断面を有
し、このラメラは前記繊維断面の周囲にまで延び
ていることを特徴とするバツトを提供する。バツ
トを構成する繊維は相互に結合する(bond)こ
とができる。本発明は更に、このような繊維及び
バツトを製造する方法及びこのような繊維及びバ
ツト又はその断片で強化された複合体を意図す
る。
本発明に従えば、遠心紡糸されたメソ相
(mesophase)ピツチからユニークなラメラ状微
細構造(lamellar microstructure)を持つた細
いデニールの炭素繊維が経済的に得られる。一般
に、この繊維は、約12ミクロン以下の、普通は約
2乃至12ミクロンの断面幅を持つている。かかる
繊維の実際のデニールは、高度にグラフアイトの
構造(密度>2.0g/c.c.)において、数の上で1.0
デニール/フイラメント(dpf)を越えてもよい
特定の繊維の密度及び寸法に依存するであろう。
繊維幅は可変でありそして既知の倍率のSEMで
測定することができる。繊維長も又可変でありそ
して好ましくは長さが約10mmを越える。この繊維
は、“ヘツド”、即ち、繊維の残余(remainder)
又は“平均”より大きい直径又は幅を持つた端部
セグメントを持つている。これらのヘツドは大抵
の最終用途に価値を付加しないので、これらの
“ヘツド”は最少にすることが好ましい。“ヘツ
ド”は繊維の寸法、特に幅を測定する際には無視
されるべきである。“ヘツド”の寸法及び形状は、
紡糸の際の力のレベル、紡糸温度、ピツチの性
質、紡糸装置により影響されそして急冷条件によ
つても影響されうる。
(mesophase)ピツチからユニークなラメラ状微
細構造(lamellar microstructure)を持つた細
いデニールの炭素繊維が経済的に得られる。一般
に、この繊維は、約12ミクロン以下の、普通は約
2乃至12ミクロンの断面幅を持つている。かかる
繊維の実際のデニールは、高度にグラフアイトの
構造(密度>2.0g/c.c.)において、数の上で1.0
デニール/フイラメント(dpf)を越えてもよい
特定の繊維の密度及び寸法に依存するであろう。
繊維幅は可変でありそして既知の倍率のSEMで
測定することができる。繊維長も又可変でありそ
して好ましくは長さが約10mmを越える。この繊維
は、“ヘツド”、即ち、繊維の残余(remainder)
又は“平均”より大きい直径又は幅を持つた端部
セグメントを持つている。これらのヘツドは大抵
の最終用途に価値を付加しないので、これらの
“ヘツド”は最少にすることが好ましい。“ヘツ
ド”は繊維の寸法、特に幅を測定する際には無視
されるべきである。“ヘツド”の寸法及び形状は、
紡糸の際の力のレベル、紡糸温度、ピツチの性
質、紡糸装置により影響されそして急冷条件によ
つても影響されうる。
“メソ相ピツチ”とは、石油由来のものであれ
コールタール由来のものであれ、偏光顕微鏡検査
法を使用して光学的に決定して、少なくとも約40
%のメソ相含有率を持つた炭素質ピツチを意味す
る。メソ相ピツチは当業界で周知されておりそし
て米国特許第4005183号(シンガー)及び米国特
許第4208267号(デイーフエンドルフ及びリツグ
ス)に述べられている。遠心紡糸された等方性ピ
ツチから製造された繊維は一般に認めうる微細構
造を示さず、安定化するのに骨が折れそしてしば
しば比較的貧弱な機械的性質を示す。対照的に、
本発明の繊維は、明確なラメラ状微細構造又は層
状微細構造を持つた破断面(fracture surfaces)
を示し、この微細構造は、このような破断面を、
特に繊維が約2000℃以上の温度にさらさられた
後、5000倍又はそれより高い倍率で見た場合に容
易に観察される。ラメラは、断面の軸(普通は主
軸)にほぼ平行な方向に配置されておりそしてそ
の周まで延びている。この微細構造は非常に高度
の構造的秩序及び完全性の証拠であると考えら
れ、そして更に、このような高度に秩序だつた構
造は、このような繊維の高められた熱伝導度及び
電気伝導度を説明すると考えられる。
コールタール由来のものであれ、偏光顕微鏡検査
法を使用して光学的に決定して、少なくとも約40
%のメソ相含有率を持つた炭素質ピツチを意味す
る。メソ相ピツチは当業界で周知されておりそし
て米国特許第4005183号(シンガー)及び米国特
許第4208267号(デイーフエンドルフ及びリツグ
ス)に述べられている。遠心紡糸された等方性ピ
ツチから製造された繊維は一般に認めうる微細構
造を示さず、安定化するのに骨が折れそしてしば
しば比較的貧弱な機械的性質を示す。対照的に、
本発明の繊維は、明確なラメラ状微細構造又は層
状微細構造を持つた破断面(fracture surfaces)
を示し、この微細構造は、このような破断面を、
特に繊維が約2000℃以上の温度にさらさられた
後、5000倍又はそれより高い倍率で見た場合に容
易に観察される。ラメラは、断面の軸(普通は主
軸)にほぼ平行な方向に配置されておりそしてそ
の周まで延びている。この微細構造は非常に高度
の構造的秩序及び完全性の証拠であると考えら
れ、そして更に、このような高度に秩序だつた構
造は、このような繊維の高められた熱伝導度及び
電気伝導度を説明すると考えられる。
本発明の製品を製造するのに使用される方法
は、メソ相ピツチを、重力の200倍以上の遠心力
(即ち、“200g”以上の)で高められた温度で、
リツプを介して遠心紡糸することから本質的に成
る。紡糸したままの繊維は、通常は、15乃至600
グラム/m2の面積密度を持つたバツトの形態に集
められ、繊維はバツトの面内にランダムに配置さ
れている。その後の酸化安定化工程中、“ホツト
スポツト”を回避するために、600グラム/m2の
面積密度を越えないことが望ましい。メソ相ピツ
チの使用は重要であると考えられる。溶融したピ
ツチの平面状剪断配向したフイルムの伸張性フロ
ー(extensional flow)を許容するために、環境
的束縛なしに、例えばリツプを介して紡糸するこ
とも重要であると考えられる。制限(confining)
オリフイス又は成形オリフイス
(shapingorifices)、例えば孔を通しての慣用の
遠心紡糸は、一般に生産率を制限し、大きな繊維
を与え、そして高度にメソ相のピツチでは、紡糸
連続性がしばしば詰まりにより制限されることが
ある。このような紡糸も又、ラメラ状の繊維微細
構造を生じさせないであろう。例えば、慣用の遠
心紡糸におけるメソ相ピツチの使用(英国特許第
2095222A号)は“ランダムなモザイクの”
(random mosaic)微細構造をもたらす。
は、メソ相ピツチを、重力の200倍以上の遠心力
(即ち、“200g”以上の)で高められた温度で、
リツプを介して遠心紡糸することから本質的に成
る。紡糸したままの繊維は、通常は、15乃至600
グラム/m2の面積密度を持つたバツトの形態に集
められ、繊維はバツトの面内にランダムに配置さ
れている。その後の酸化安定化工程中、“ホツト
スポツト”を回避するために、600グラム/m2の
面積密度を越えないことが望ましい。メソ相ピツ
チの使用は重要であると考えられる。溶融したピ
ツチの平面状剪断配向したフイルムの伸張性フロ
ー(extensional flow)を許容するために、環境
的束縛なしに、例えばリツプを介して紡糸するこ
とも重要であると考えられる。制限(confining)
オリフイス又は成形オリフイス
(shapingorifices)、例えば孔を通しての慣用の
遠心紡糸は、一般に生産率を制限し、大きな繊維
を与え、そして高度にメソ相のピツチでは、紡糸
連続性がしばしば詰まりにより制限されることが
ある。このような紡糸も又、ラメラ状の繊維微細
構造を生じさせないであろう。例えば、慣用の遠
心紡糸におけるメソ相ピツチの使用(英国特許第
2095222A号)は“ランダムなモザイクの”
(random mosaic)微細構造をもたらす。
上記で使用した“リツプ”という用語は、拘束
又は制限しないエツジ又は開口、又は溶融したピ
ツチが紡糸装置を去るにつれて溶融したピツチを
賦形するエツジ又は開口を言う。リツプを介して
のメソ相ピツチの遠心紡糸は、細いデニールの繊
維を製造するために、比較的高い紡糸温度及び遠
心力を必要とする。
又は制限しないエツジ又は開口、又は溶融したピ
ツチが紡糸装置を去るにつれて溶融したピツチを
賦形するエツジ又は開口を言う。リツプを介して
のメソ相ピツチの遠心紡糸は、細いデニールの繊
維を製造するために、比較的高い紡糸温度及び遠
心力を必要とする。
少なくとも200g、好ましくは1000gの遠心力
及び15000gという高い遠心力が有用であること
が見出だされた。紡糸中の遠心力又は温度が余り
にも低ければ、繊維よりもむしろ粒子のみが生成
する。ピツチの性質及び紡糸装置の特定の構成は
最適紡糸条件を決定するであろう。ピツチの融点
以上の少なくとも100℃のロータ温度を紡糸に使
用すべきである。少なくとも375℃、好ましくは
450℃乃至525℃の範囲内の温度が紡糸に有用であ
ることが見出だされた。過度に高い温度は、コー
クス形成に導くので回避されるべきである。約
100%のメソ相ピツチ含有率を持つたピツチは、
普通は、より低いメソ相含有率のピツチより高い
紡糸温度を必要とする。ピツチの溶融粘度は普通
は、紡糸温度がピツチの融点を越える程度により
決定される。
及び15000gという高い遠心力が有用であること
が見出だされた。紡糸中の遠心力又は温度が余り
にも低ければ、繊維よりもむしろ粒子のみが生成
する。ピツチの性質及び紡糸装置の特定の構成は
最適紡糸条件を決定するであろう。ピツチの融点
以上の少なくとも100℃のロータ温度を紡糸に使
用すべきである。少なくとも375℃、好ましくは
450℃乃至525℃の範囲内の温度が紡糸に有用であ
ることが見出だされた。過度に高い温度は、コー
クス形成に導くので回避されるべきである。約
100%のメソ相ピツチ含有率を持つたピツチは、
普通は、より低いメソ相含有率のピツチより高い
紡糸温度を必要とする。ピツチの溶融粘度は普通
は、紡糸温度がピツチの融点を越える程度により
決定される。
本発明の繊維はバツトの形態で製造されるのが
有利である。バツトは、本発明で意図する強化最
終用途には15乃至600グラム/m2であるべき面積
密度の範囲内で製造することができる。バツトを
製造するために、ピツチ繊維を遠心紡糸して収集
ゾーンへと入れ、次いで有利には可動多孔性ベル
トに向ける。繊維は普通はバツトの面内にランダ
ムに配列されており、即ち、特定のパターンは示
されない。バツトの面積密度又は秤量は、ベルト
上のピツチ堆積の速度(ピツチ生産速度)により
又は好ましくは可動ベルト又は他の収集手段の速
度の調節により変えることができる。
有利である。バツトは、本発明で意図する強化最
終用途には15乃至600グラム/m2であるべき面積
密度の範囲内で製造することができる。バツトを
製造するために、ピツチ繊維を遠心紡糸して収集
ゾーンへと入れ、次いで有利には可動多孔性ベル
トに向ける。繊維は普通はバツトの面内にランダ
ムに配列されており、即ち、特定のパターンは示
されない。バツトの面積密度又は秤量は、ベルト
上のピツチ堆積の速度(ピツチ生産速度)により
又は好ましくは可動ベルト又は他の収集手段の速
度の調節により変えることができる。
繊維をバツトの形態に紡糸しそして集めた後、
紡糸したままの繊維のバツトは安定化に付され
る。驚くべきことに、この工程は、従来紡糸され
たピツチ炭素繊維について普通に予想されるより
もはるかに速い速度で進行する。本発明は、より
低い安定温度及びより短い期間の安定化の使用を
可能とする。所望により、安定化の条件、例えば
より高い温度を使用して、バツトの紡糸したまま
の繊維の、それらの接点又は交差点における自己
結合(self−bonding)を達成することができる。
安定化は、通常は、溶融しないで後の予備炭素化
を可能とするのに十分な時間250℃乃至380℃の温
度で空気中で加熱することにより行なわれる。安
定化温度に依存して、バツト内の繊維は相互に自
由でありそして後に分離させることができる。よ
り高い安定化温度では自己結合が起こる。自己結
合は側部拘束(lateral restraint)を使用するこ
と、例えば収縮力を相殺するために最少の圧縮で
スクリーン間にバツトを置くことにより助長する
ことができる。炭素化の後に含浸のために好適な
構造を生じる繊維の三次元の一体的網目が自己結
合から得られる。自己結合したバツトは、繊維断
片(ストレート繊維とX″、Y″等の成形された結
合した断片の混合物)に切る(break)ことがで
き、そして強化材として使用することができる。
適正に安定化されたバツトは、後の加工が容易に
なるように組み合わせることができる。例えば、
バツトをレイアツプしそしてニードリングして
(needle)剥離を防止し、然る後普通に加工する
ことができる。
紡糸したままの繊維のバツトは安定化に付され
る。驚くべきことに、この工程は、従来紡糸され
たピツチ炭素繊維について普通に予想されるより
もはるかに速い速度で進行する。本発明は、より
低い安定温度及びより短い期間の安定化の使用を
可能とする。所望により、安定化の条件、例えば
より高い温度を使用して、バツトの紡糸したまま
の繊維の、それらの接点又は交差点における自己
結合(self−bonding)を達成することができる。
安定化は、通常は、溶融しないで後の予備炭素化
を可能とするのに十分な時間250℃乃至380℃の温
度で空気中で加熱することにより行なわれる。安
定化温度に依存して、バツト内の繊維は相互に自
由でありそして後に分離させることができる。よ
り高い安定化温度では自己結合が起こる。自己結
合は側部拘束(lateral restraint)を使用するこ
と、例えば収縮力を相殺するために最少の圧縮で
スクリーン間にバツトを置くことにより助長する
ことができる。炭素化の後に含浸のために好適な
構造を生じる繊維の三次元の一体的網目が自己結
合から得られる。自己結合したバツトは、繊維断
片(ストレート繊維とX″、Y″等の成形された結
合した断片の混合物)に切る(break)ことがで
き、そして強化材として使用することができる。
適正に安定化されたバツトは、後の加工が容易に
なるように組み合わせることができる。例えば、
バツトをレイアツプしそしてニードリングして
(needle)剥離を防止し、然る後普通に加工する
ことができる。
安定化の後、繊維又はバツトは、不活性ガス雰
囲気(窒素、アルゴン等)で、800℃乃至1500℃、
好ましくは800℃乃至1000℃の温度で不揮発化さ
れる(devolatilized)か又は“予備炭素化される
(precarbonized)”。この工程は安定化において
吸収された酸素を繊維から制御された方法で取り
除く。不揮発化したバツトはマイクロ波放射によ
り炭素化することができる。通常は、繊維及びバ
ツトは、当業界で認めらた方法に従つて、例え
ば、不活性雰囲気で約1600℃乃至3000℃の温度で
少なくとも1分の時間、炭素化され又は炭素化及
びブラフアイト化される。先に述べたラ構造を示
すのは炭素化された繊維又は炭素化及びグラフア
イト化された繊維である。バツトは公知の方法に
より表面処理して、複合体最終用途において繊維
とマトリツクスとの接着を高めることができる。
バツト内の繊維は接着剤の使用によつて相互に結
合させることができ、そしてこのような結合した
バツトはレイアツプしそして追加的に相互に結合
させることができる。所望により、この繊維又は
バツトは、他の繊維(例えば、ガラス、アラミド
等)又はそのバツトと組み合わせて“ハイブリツ
ド”バツト、混成積層体等を得ることができる。
囲気(窒素、アルゴン等)で、800℃乃至1500℃、
好ましくは800℃乃至1000℃の温度で不揮発化さ
れる(devolatilized)か又は“予備炭素化される
(precarbonized)”。この工程は安定化において
吸収された酸素を繊維から制御された方法で取り
除く。不揮発化したバツトはマイクロ波放射によ
り炭素化することができる。通常は、繊維及びバ
ツトは、当業界で認めらた方法に従つて、例え
ば、不活性雰囲気で約1600℃乃至3000℃の温度で
少なくとも1分の時間、炭素化され又は炭素化及
びブラフアイト化される。先に述べたラ構造を示
すのは炭素化された繊維又は炭素化及びグラフア
イト化された繊維である。バツトは公知の方法に
より表面処理して、複合体最終用途において繊維
とマトリツクスとの接着を高めることができる。
バツト内の繊維は接着剤の使用によつて相互に結
合させることができ、そしてこのような結合した
バツトはレイアツプしそして追加的に相互に結合
させることができる。所望により、この繊維又は
バツトは、他の繊維(例えば、ガラス、アラミド
等)又はそのバツトと組み合わせて“ハイブリツ
ド”バツト、混成積層体等を得ることができる。
第1図を参照すると、示された態様においては
スクリユーフイーダである供給手段2によつて固
体ピツチが紡糸ロータ1に導入(計量)される。
紡糸ロータ1は駆動シヤフト3に取り付けられて
おり、駆動シヤフト3は駆動手段4によつて高い
回転速度で駆動される。紡糸ロータ1は加熱手段
5によつて取り囲まれており、加熱手段5は、こ
の態様においては電気誘導コイルとして示されて
いる。ピツチは加熱手段5によつてロータ1で溶
融されそして遠心紡糸されて繊維となり、そして
矢印6により示されたその軌道に従つて収集室7
に至る。この収集手段7は、頂点がロータの鉛直
方向下にある前記ロータ1の回りに設置された円
錐形容器である。頂点は出口チヤンネルに接続さ
れている。円錐形容器の最大直径はロータの直径
よりも少なくとも5倍乃至12倍大きくするべきで
ある。容器は、加熱されていてもいなくてもよい
ガス例えば空気又は窒素を、頂部において円周で
及びロータの上にあつてロータを取り囲んでいる
開口を通して導入することを許容するために開口
以外は覆われている(カバーは示されていない)。
収集手段であるエンドレススクリーンコンベヤベ
ルト8が真空源9に接続されている出口チヤンネ
ルの経路に配置されている。繊維はランダムなバ
ツト10の形態でベルト上に集められる間、バツ
ト10を通過するガスは繊維付着を制御する。
スクリユーフイーダである供給手段2によつて固
体ピツチが紡糸ロータ1に導入(計量)される。
紡糸ロータ1は駆動シヤフト3に取り付けられて
おり、駆動シヤフト3は駆動手段4によつて高い
回転速度で駆動される。紡糸ロータ1は加熱手段
5によつて取り囲まれており、加熱手段5は、こ
の態様においては電気誘導コイルとして示されて
いる。ピツチは加熱手段5によつてロータ1で溶
融されそして遠心紡糸されて繊維となり、そして
矢印6により示されたその軌道に従つて収集室7
に至る。この収集手段7は、頂点がロータの鉛直
方向下にある前記ロータ1の回りに設置された円
錐形容器である。頂点は出口チヤンネルに接続さ
れている。円錐形容器の最大直径はロータの直径
よりも少なくとも5倍乃至12倍大きくするべきで
ある。容器は、加熱されていてもいなくてもよい
ガス例えば空気又は窒素を、頂部において円周で
及びロータの上にあつてロータを取り囲んでいる
開口を通して導入することを許容するために開口
以外は覆われている(カバーは示されていない)。
収集手段であるエンドレススクリーンコンベヤベ
ルト8が真空源9に接続されている出口チヤンネ
ルの経路に配置されている。繊維はランダムなバ
ツト10の形態でベルト上に集められる間、バツ
ト10を通過するガスは繊維付着を制御する。
バツト内に横たわつている繊維は比較的短い長
さである。供給速度又は生産速度を減少させる
と、長さの増加した繊維を生じることが見出ださ
れた。ピツチの温度は外部加熱手段(例えば誘導
コイル)によつて調節することができ、それによ
りその粘度を変えることができる。
さである。供給速度又は生産速度を減少させる
と、長さの増加した繊維を生じることが見出ださ
れた。ピツチの温度は外部加熱手段(例えば誘導
コイル)によつて調節することができ、それによ
りその粘度を変えることができる。
約3インチの直径を持つたロータを首尾良く使
用することができる。所望により、ロータを去る
ときの溶融したピツチの固化を促進又は遅延させ
るための急冷ガス(quenching gases)を紡糸装
置内に入れることができる。
用することができる。所望により、ロータを去る
ときの溶融したピツチの固化を促進又は遅延させ
るための急冷ガス(quenching gases)を紡糸装
置内に入れることができる。
第2図を参照すると、ロータ1は駆動シヤフト
3に取り付けられている。取り付けシヤフト12
は邪魔板13を支持しており邪魔板13は急冷媒
体の逆流によるピツチの冷却を防止する。ロータ
1はウエブ17によつて下部室16から分離され
ている上部室15を有しており、ウエブ17は円
周に規則的に間隔を置いて配置されたピツチ供給
孔18を含む。下部室の内壁19は鉛直方向から
(即ち、駆動シヤフト3の軸線から)僅かな角度、
典型的には10゜の角度をなして配置されて、孔1
8から壁19に沿つて紡糸リツプ14に至る溶融
ピツチの均一な流れを確実にする。操作に際して
は、固体ピツチは上部室15に供給され、そこで
それは溶融しそして孔18を通つて下部室16に
流れそして壁19に沿つて紡糸リツプ14に流
れ、そこで溶融したピツチは遠心力によつてリツ
プ14から繊維の形態で第1図に示された収集室
7へと紡糸される。繊維は収集室7に入るガスに
より急冷されて第1図のスクリーンベルト8に向
けられる。リツプ14における溶融ピツチに対す
る遠心力はロータ1の直径及びロータの回転速度
の関数である。
3に取り付けられている。取り付けシヤフト12
は邪魔板13を支持しており邪魔板13は急冷媒
体の逆流によるピツチの冷却を防止する。ロータ
1はウエブ17によつて下部室16から分離され
ている上部室15を有しており、ウエブ17は円
周に規則的に間隔を置いて配置されたピツチ供給
孔18を含む。下部室の内壁19は鉛直方向から
(即ち、駆動シヤフト3の軸線から)僅かな角度、
典型的には10゜の角度をなして配置されて、孔1
8から壁19に沿つて紡糸リツプ14に至る溶融
ピツチの均一な流れを確実にする。操作に際して
は、固体ピツチは上部室15に供給され、そこで
それは溶融しそして孔18を通つて下部室16に
流れそして壁19に沿つて紡糸リツプ14に流
れ、そこで溶融したピツチは遠心力によつてリツ
プ14から繊維の形態で第1図に示された収集室
7へと紡糸される。繊維は収集室7に入るガスに
より急冷されて第1図のスクリーンベルト8に向
けられる。リツプ14における溶融ピツチに対す
る遠心力はロータ1の直径及びロータの回転速度
の関数である。
第3図を参照すると、邪魔板13及びロータ1
の弧状(arcuate)紡糸リツプ30の拡大図が示
されている。この弧状の特徴は、リツプの付近で
のピツチの蓄積及びその後のピツチの劣化を抑制
すると考えられる。これらは抑制されなければ紡
糸連続性に対して不利な作用を及ぼすであろう。
の弧状(arcuate)紡糸リツプ30の拡大図が示
されている。この弧状の特徴は、リツプの付近で
のピツチの蓄積及びその後のピツチの劣化を抑制
すると考えられる。これらは抑制されなければ紡
糸連続性に対して不利な作用を及ぼすであろう。
第4図は、上述の説明に従つてリツプから遠心
紡糸されたピツチ繊維の破断面を断面図で示す。
繊維は、かみそり刃で切断され(破断され)、微
細構造の特徴を良く示すように傾斜させられ、次
いで5000倍の倍率でSEM写真に撮られた。
紡糸されたピツチ繊維の破断面を断面図で示す。
繊維は、かみそり刃で切断され(破断され)、微
細構造の特徴を良く示すように傾斜させられ、次
いで5000倍の倍率でSEM写真に撮られた。
ラメラ(lamellar)構造が容易に明らかであ
る。全体として、繊維断面は楕円形であり、ラメ
ラはこの楕円の主軸にほぼ平行でありそして繊維
の周まで延びている。ラメラ間の横方向間隔は規
則的であるようには見えないが、ラメラの群は通
常は等斜(isoclinic)(即ち輪郭追従性の)関係
において、互いに“平行”な傾向にある。第4図
に示された繊維は実施例1において2215℃の温度
で製造された。
る。全体として、繊維断面は楕円形であり、ラメ
ラはこの楕円の主軸にほぼ平行でありそして繊維
の周まで延びている。ラメラ間の横方向間隔は規
則的であるようには見えないが、ラメラの群は通
常は等斜(isoclinic)(即ち輪郭追従性の)関係
において、互いに“平行”な傾向にある。第4図
に示された繊維は実施例1において2215℃の温度
で製造された。
第5図を参照すると、実施例1の自己結合した
バツト(self−bonded batt)が顕微鏡写真で示
されている(SEM、5000倍)。繊維交差部及び側
部接点(lateral contact)での円滑な結合を示
す構造が観察される。
バツト(self−bonded batt)が顕微鏡写真で示
されている(SEM、5000倍)。繊維交差部及び側
部接点(lateral contact)での円滑な結合を示
す構造が観察される。
第6a図乃至第6c図を参照すると、下記の倍
率で撮影された本発明の繊維の断面破断面の追加
の顕微鏡写真が示されている。第6a図は7000倍
であり、6bは9000倍であり、6cは10000倍で
ある。繊維試料は後の実施例3から得られた。第
6a−6c図は第4図に関連して詳細に説明した
ラメラ微細構造を示す。微細構造の特徴は第4図
の場合と同じく規則的ではないということも明ら
かである。このような逸脱は紡糸中の溶融ピツチ
の平面剪断流れの一時的乱れによるかもしれない
と考えられる。更に、第6a図に示された“扇
状”(fanlike)構造は、本発明の製品の最も代表
的なものであると考えられる。破断点(例えば引
張試験の後)で撮られた顕微鏡写真は、代表的で
はないようであり、破断はしばしばボイド、粒状
物又は他の不規則な不均衡(disparities)により
引き起こされていることに留意されたい。刃のマ
ークは破断面を乱すことがたまにはある。
率で撮影された本発明の繊維の断面破断面の追加
の顕微鏡写真が示されている。第6a図は7000倍
であり、6bは9000倍であり、6cは10000倍で
ある。繊維試料は後の実施例3から得られた。第
6a−6c図は第4図に関連して詳細に説明した
ラメラ微細構造を示す。微細構造の特徴は第4図
の場合と同じく規則的ではないということも明ら
かである。このような逸脱は紡糸中の溶融ピツチ
の平面剪断流れの一時的乱れによるかもしれない
と考えられる。更に、第6a図に示された“扇
状”(fanlike)構造は、本発明の製品の最も代表
的なものであると考えられる。破断点(例えば引
張試験の後)で撮られた顕微鏡写真は、代表的で
はないようであり、破断はしばしばボイド、粒状
物又は他の不規則な不均衡(disparities)により
引き起こされていることに留意されたい。刃のマ
ークは破断面を乱すことがたまにはある。
下記の実施例は例示的なものである。
実施例 1
ガスオイルの熱分解からの重油残渣である、
“レイク・チヤールス・サーマルタール”(Lake
Charles thermal tar)[コノコ・インコーポレ
ーテツド(Conoco、Inc.)から、熱ソーキング
及び窒素スパージングによつてピツチを製造し
て、軟化点279℃及び融点300℃の85%メソ相ピツ
チ(mesophase pitch)を得た。このピツチを、
475℃の誘導加熱ロータ壁温度で第2図に示され
たロータから遠心紡糸した。使用したロータは
3.25インチの直径、10゜のテーパーを持ちそして
10000rpmで回転せしめられて4600gの遠心力を
生じた。粉未状ピツチのロータへの流速は0.3ポ
ンド/時間であつた。ウエブ17は、各々直径が
1/4インチである12の供給孔を有する。繊維は空
気により周囲の温度に冷却され、空気の流れはワ
イヤスクリーン上に繊維を運んで二次元的にラン
ダムなバツトを形成し、その面積密度は80グラ
ム/m2であつた。
“レイク・チヤールス・サーマルタール”(Lake
Charles thermal tar)[コノコ・インコーポレ
ーテツド(Conoco、Inc.)から、熱ソーキング
及び窒素スパージングによつてピツチを製造し
て、軟化点279℃及び融点300℃の85%メソ相ピツ
チ(mesophase pitch)を得た。このピツチを、
475℃の誘導加熱ロータ壁温度で第2図に示され
たロータから遠心紡糸した。使用したロータは
3.25インチの直径、10゜のテーパーを持ちそして
10000rpmで回転せしめられて4600gの遠心力を
生じた。粉未状ピツチのロータへの流速は0.3ポ
ンド/時間であつた。ウエブ17は、各々直径が
1/4インチである12の供給孔を有する。繊維は空
気により周囲の温度に冷却され、空気の流れはワ
イヤスクリーン上に繊維を運んで二次元的にラン
ダムなバツトを形成し、その面積密度は80グラ
ム/m2であつた。
別のプロセス行程において、上記バツトの2イ
ンチ×4インチ試料を切断しそして細いワイヤス
クリーン間に配置した。次いでこの組立体を、予
め加熱され次いで空気中で380℃に維持されてい
た垂直型プレスのプラテン間に配置した。プラテ
ン間隙は2分のサイクルの最初の0.5分は1イン
チにそして残りの1.5分は3/8インチに設定され、
この工程中に安定化及び自己結合が起こつた。次
いでバツトを不揮発化(devolatilization)のた
めに窒素中で850℃に加熱し、続いてアルゴン中
で2215℃でグラフアイト化した。平均して、バツ
ト内の繊維は6.1ミクロンの幅を有する。繊維を
かみそり刃で破断させて第4図に説明したように
断面破断面露出させた。
ンチ×4インチ試料を切断しそして細いワイヤス
クリーン間に配置した。次いでこの組立体を、予
め加熱され次いで空気中で380℃に維持されてい
た垂直型プレスのプラテン間に配置した。プラテ
ン間隙は2分のサイクルの最初の0.5分は1イン
チにそして残りの1.5分は3/8インチに設定され、
この工程中に安定化及び自己結合が起こつた。次
いでバツトを不揮発化(devolatilization)のた
めに窒素中で850℃に加熱し、続いてアルゴン中
で2215℃でグラフアイト化した。平均して、バツ
ト内の繊維は6.1ミクロンの幅を有する。繊維を
かみそり刃で破断させて第4図に説明したように
断面破断面露出させた。
実施例 2
他の態様においては、ガスオイルの接触分解か
らの残渣であるスラリーオイル又はクラリフアイ
ドオイルとしても知られたポンカ・シテイ・デカ
ントオイル(Ponca City decant oil)(コノ
コ・インコーポレーテツド)から、これを熱ソー
キングしそして窒素スパージングして265℃の軟
化点及び297℃の融点を持つた99%のメソフエー
ズピツチを得ることによりピツチを製造した。こ
のピツチを、実施例1の装置を使用して、486℃
のロータ温度及び15000gを生じさせるための
18000rpmの回転速度で遠心紡糸した。ピツチ流
速は5ポンド/時間であつた。ロータリツプは第
3図に示されている。繊維を可動ベルト上に集め
て80グラム/m2の面積密度を持つたピツチを形成
した。個々の繊維は僅かにテーパーの付いた形
状、11.2ミクロンの平均幅及び4cmの平均長を有
していた。
らの残渣であるスラリーオイル又はクラリフアイ
ドオイルとしても知られたポンカ・シテイ・デカ
ントオイル(Ponca City decant oil)(コノ
コ・インコーポレーテツド)から、これを熱ソー
キングしそして窒素スパージングして265℃の軟
化点及び297℃の融点を持つた99%のメソフエー
ズピツチを得ることによりピツチを製造した。こ
のピツチを、実施例1の装置を使用して、486℃
のロータ温度及び15000gを生じさせるための
18000rpmの回転速度で遠心紡糸した。ピツチ流
速は5ポンド/時間であつた。ロータリツプは第
3図に示されている。繊維を可動ベルト上に集め
て80グラム/m2の面積密度を持つたピツチを形成
した。個々の繊維は僅かにテーパーの付いた形
状、11.2ミクロンの平均幅及び4cmの平均長を有
していた。
別のプロセス工程において、バツト形態にある
繊維を、空気中で240℃の温度で10分間次いで300
℃で10分間反応させてそれらを安定化させた。予
備炭素化及びグラフアイト化は、アルゴン中で室
温から2600℃に加熱し、次いでその温度に3分間
保持することにより達成された。このような繊維
はエポキシ樹脂[20%アラルダイトRD−2(チ
バ・ガイギー)粘度減少剤を含有するハーキユレ
ス(Hercules)3501−6]との積層体(複合体)
を製造するのに使用した。この積層体は33容量%
の繊維を含んでいた。6インチ長さ、0.5インチ
幅の試料をこの積層体から切り出し、このものは
0.054インチの厚さであつた。これらの試料をス
パン対深さの比60で3点曲げ試験に付しそして
3.18Mpsi(百万psi)の曲げモジユラスを有するこ
とが見出だされた。
繊維を、空気中で240℃の温度で10分間次いで300
℃で10分間反応させてそれらを安定化させた。予
備炭素化及びグラフアイト化は、アルゴン中で室
温から2600℃に加熱し、次いでその温度に3分間
保持することにより達成された。このような繊維
はエポキシ樹脂[20%アラルダイトRD−2(チ
バ・ガイギー)粘度減少剤を含有するハーキユレ
ス(Hercules)3501−6]との積層体(複合体)
を製造するのに使用した。この積層体は33容量%
の繊維を含んでいた。6インチ長さ、0.5インチ
幅の試料をこの積層体から切り出し、このものは
0.054インチの厚さであつた。これらの試料をス
パン対深さの比60で3点曲げ試験に付しそして
3.18Mpsi(百万psi)の曲げモジユラスを有するこ
とが見出だされた。
実施例 3
他の態様においては、実施例2の供給デカント
オイルを窒素スパージングしながら熱ソーキング
して、293℃の軟化点及び328℃の融点を持つた
100%メソ相ピツチを得た。実施例1の装置を使
用し、ロータ温度は525℃であり、回転速度は
10000rpm(4600g)であり、ピツチ流速は0.3ポ
ンド/時間であつた。繊維を細いワイヤースクリ
ーンにより支持されたチーズクロス上に集めて、
150グラム/m2の面積密度を持つたバツトを得た。
繊維は7.4ミクロンの平均幅を持つていた。多く
の繊維は5cm以上の長さを持つていた。
オイルを窒素スパージングしながら熱ソーキング
して、293℃の軟化点及び328℃の融点を持つた
100%メソ相ピツチを得た。実施例1の装置を使
用し、ロータ温度は525℃であり、回転速度は
10000rpm(4600g)であり、ピツチ流速は0.3ポ
ンド/時間であつた。繊維を細いワイヤースクリ
ーンにより支持されたチーズクロス上に集めて、
150グラム/m2の面積密度を持つたバツトを得た。
繊維は7.4ミクロンの平均幅を持つていた。多く
の繊維は5cm以上の長さを持つていた。
別のプロセス工程において、この繊維バツト
を、常温から340℃まで4℃/分の速度で温度を
増加させるようにプログラムされたオーブン中で
空気中で反応させた。この温度に達すると、ヒー
ターを切り、オーブンを冷却させた。冷却温度は
ほぼ加熱速度と同じであつた。この処理はフイメ
ントを不融性とし、そしてその後の炭素化のため
にそれらを調整した。この繊維バツトを次ぎにマ
ツフル炉に入れそして窒素雰囲気中で850℃に加
熱して揮発性ピツチ成分を除去しそして炭素化プ
ロセスを開始した。この繊維バツトは、その後に
アルゴン雰囲気で2166℃に加熱することにより炭
素化した。フイラメントをバツトから細片として
取り出し(tease out)そして1インチゲージ長
さで引張試験をした。平均引張強度は228kpsiで
ありそして平均モジユールは33.7Mpsiであつた。
これらの性質はこの繊維を樹脂、ポリマー、金属
又はセラミツクマトリツクスの強化に有用ならし
めて、有用なプリプレグ、積層体及びたの形態の
その複合体を得る。バツトをかみそり刃で切断し
てSEMで見るための試料を製造した。大部分の
繊維は特徴的なラメラ微細構造を示し、代表的な
繊維は第6a図乃至6c図に説明した如く示され
る。
を、常温から340℃まで4℃/分の速度で温度を
増加させるようにプログラムされたオーブン中で
空気中で反応させた。この温度に達すると、ヒー
ターを切り、オーブンを冷却させた。冷却温度は
ほぼ加熱速度と同じであつた。この処理はフイメ
ントを不融性とし、そしてその後の炭素化のため
にそれらを調整した。この繊維バツトを次ぎにマ
ツフル炉に入れそして窒素雰囲気中で850℃に加
熱して揮発性ピツチ成分を除去しそして炭素化プ
ロセスを開始した。この繊維バツトは、その後に
アルゴン雰囲気で2166℃に加熱することにより炭
素化した。フイラメントをバツトから細片として
取り出し(tease out)そして1インチゲージ長
さで引張試験をした。平均引張強度は228kpsiで
ありそして平均モジユールは33.7Mpsiであつた。
これらの性質はこの繊維を樹脂、ポリマー、金属
又はセラミツクマトリツクスの強化に有用ならし
めて、有用なプリプレグ、積層体及びたの形態の
その複合体を得る。バツトをかみそり刃で切断し
てSEMで見るための試料を製造した。大部分の
繊維は特徴的なラメラ微細構造を示し、代表的な
繊維は第6a図乃至6c図に説明した如く示され
る。
本発明の主なる特徴及び態様は以下のとおりで
ある。
ある。
1 ランダムに配列された炭素繊維のバツトであ
つて、該繊維は、主として、断面で約12ミクロ
ン以下の幅と、等斜関係に配列されそして繊維
断面の軸線にほぼ平行な方向に配列されたラメ
ラからなるラメラ状微細構造を示す破断面を有
し、このラメラは前記繊維断面の周囲にまで延
びていることを特徴とするバツト。
つて、該繊維は、主として、断面で約12ミクロ
ン以下の幅と、等斜関係に配列されそして繊維
断面の軸線にほぼ平行な方向に配列されたラメ
ラからなるラメラ状微細構造を示す破断面を有
し、このラメラは前記繊維断面の周囲にまで延
びていることを特徴とするバツト。
2 繊維が相互に結合している上記1に記載のバ
ツト。
ツト。
3 上記1又は2のバツト又はその断片で強化さ
れた複合体。
れた複合体。
4 酸化により安定化されそして炭素化された、
遠心紡糸されたメソ相ピツチから形成された上
記1に記載のバツト。
遠心紡糸されたメソ相ピツチから形成された上
記1に記載のバツト。
5 ランダムに配列された炭素繊維のバツトを製
造する方法であつて、 繊維を形成するために、溶融したメソフーズ
ピツチを375℃乃至525℃の温度で200乃至15000
gの遠心力にさらされたロータ及びロータのリ
ツプを通過させて遠心紡糸し、 紡糸された繊維を収集室において急冷しそし
て該繊維を収集手段に向けて送り、ランダムに
配列されたピツチ炭素繊維のバツトを形成し、 このバツトを酸化により安定化させそしてこ
のバツトの繊維を炭素化させることを特徴とす
る方法。
造する方法であつて、 繊維を形成するために、溶融したメソフーズ
ピツチを375℃乃至525℃の温度で200乃至15000
gの遠心力にさらされたロータ及びロータのリ
ツプを通過させて遠心紡糸し、 紡糸された繊維を収集室において急冷しそし
て該繊維を収集手段に向けて送り、ランダムに
配列されたピツチ炭素繊維のバツトを形成し、 このバツトを酸化により安定化させそしてこ
のバツトの繊維を炭素化させることを特徴とす
る方法。
6 前記ピツチを少なくとも1000gの遠心力で紡
糸する上記5に記載の方法。
糸する上記5に記載の方法。
7 前記バツトの繊維を酸化による安定化中に自
己結合させる上記5に記載の方法。
己結合させる上記5に記載の方法。
8 上記5の方法により製造されたバツト。
第1図は、本発明の製品を製造するための紡糸
装置及び横置(laydown)装置の断面図である。
第2図は駆動シヤフトの軸線を含む面内で取つ
た、第1図に示された紡糸ロータの断面図であ
る。第3図は、ピツチ繊維を紡糸するロータリツ
プの他の態様の拡大図である。第4図は、本発明
の実施例1の製品の繊維断面で観察された明確な
繊維破断面の走査形電子顕微鏡写真で示された、
図面に代る繊維の形状を示す写真である。第5図
は、本発明に従つて製造された実施例1で製造し
たものと同様な自己結合したバツトの走査形電子
顕微鏡写真で示された、図面に代る繊維の形状を
示す写真である。第6a図、第6b図、第6c図
は、実施例3で得られた本発明の製品の代表的な
繊維破断面の走査形電子顕微鏡写真で示された、
図面に代る繊維の形状を示す写真である。 図において、1……紡糸ロータ、2……供給手
段、3……駆動シヤフト、4……駆動手段、5…
…加熱手段、7……収集室、8……コンベヤーベ
ルト、9……真空源、10……ランダムなバツ
ト、12……取り付けシヤフト、13……邪魔
板、14……紡糸リツプ、15……上部室、16
……下部室、17……ウエブ、18……ピツチ供
給孔、19……下部室の内壁、である。
装置及び横置(laydown)装置の断面図である。
第2図は駆動シヤフトの軸線を含む面内で取つ
た、第1図に示された紡糸ロータの断面図であ
る。第3図は、ピツチ繊維を紡糸するロータリツ
プの他の態様の拡大図である。第4図は、本発明
の実施例1の製品の繊維断面で観察された明確な
繊維破断面の走査形電子顕微鏡写真で示された、
図面に代る繊維の形状を示す写真である。第5図
は、本発明に従つて製造された実施例1で製造し
たものと同様な自己結合したバツトの走査形電子
顕微鏡写真で示された、図面に代る繊維の形状を
示す写真である。第6a図、第6b図、第6c図
は、実施例3で得られた本発明の製品の代表的な
繊維破断面の走査形電子顕微鏡写真で示された、
図面に代る繊維の形状を示す写真である。 図において、1……紡糸ロータ、2……供給手
段、3……駆動シヤフト、4……駆動手段、5…
…加熱手段、7……収集室、8……コンベヤーベ
ルト、9……真空源、10……ランダムなバツ
ト、12……取り付けシヤフト、13……邪魔
板、14……紡糸リツプ、15……上部室、16
……下部室、17……ウエブ、18……ピツチ供
給孔、19……下部室の内壁、である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 ランダムに配列された炭素繊維のバツトであ
つて、該繊維は、主として、断面で約12ミクロン
以下の幅と、等斜関係に配列されそして繊維断面
の軸線にほぼ平行な方向に配列されたラメラから
なるラメラ状微細構造を示す破断面を有し、この
ラメラは前記繊維断面の周囲にまで延びているこ
とを特徴とするバツト。 2 特許請求の範囲第1項記載のバツト又はその
断片で強化された複合体。 3 ランダムに配列された炭素繊維のバツトを製
造する方法であつて、 繊維を形成するために、溶融したメソフーズピ
ツチを375℃乃至525℃の温度で200乃至15000gの
遠心力にさらされたロータ及びロータのリツプを
通過させて遠心紡糸し、 紡糸された繊維を収集室において急冷しそして
該繊維を収集手段に向けて送り、ランダムに配列
されたピツチ炭素繊維のバツトを形成し、 このバツトを酸化により安定化させそしてこの
バツトの繊維を炭素化させることを特徴とする方
法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/092,217 US4861653A (en) | 1987-09-02 | 1987-09-02 | Pitch carbon fibers and batts |
| US092217 | 1987-09-02 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0192426A JPH0192426A (ja) | 1989-04-11 |
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