JPH0681223A

JPH0681223A - 炭素繊維の製造方法

Info

Publication number: JPH0681223A
Application number: JP23101592A
Authority: JP
Inventors: Isao Narita; 勲成田; Makoto Endo; 真遠藤; Takao Sano; 高男佐野
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1992-08-31
Filing date: 1992-08-31
Publication date: 1994-03-22

Abstract

(57)【要約】【構成】ポリアクリロニトリル系前駆体繊維糸条を耐炎
化した後、炭化する炭素繊維の製造方法において、糸条
占有率を０．１〜２０％の範囲とした開繊状態で加熱処
理して耐炎化することを特徴とする炭素繊維の製造方
法。【効果】除熱速度を大幅に向上することができる。とく
に、多段温度制御型熱風循環炉を用いる場合には、暴走
温度に近い温度で処理ができ、耐炎化時間を大幅に短縮
して生産性を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は炭素繊維の製造方法に関
するものである。さらに詳しくは、性能を損なうことな
く耐炎化工程を短時間になしうる、生産性の優れた炭素
繊維の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維の焼成工程は耐炎化工程と炭化
工程からなり、炭素繊維が高価である基本的要因は、と
りわけ，前駆体繊維の耐炎化処理が非効率である点が挙
げられる。生産性を向上させるには、短時間で耐炎化処
理を行うことが必要となる。また、そのときの糸条数は
多いものがよい。

【０００３】前駆体繊維の耐炎化処理における反応は酸
化・還化が同時に進行する発熱反応であり、高温熱処理
を行えば反応がより速くなり、短時間処理が可能にな
る。その一方、急速な耐炎化処理を進行させると、酸化
反応に伴う反応熱が前駆体繊維内に蓄熱し易くなり、繊
維内温度が急上昇し、糸切れや、ついには発火を引き起
こすといった暴走反応が誘発されるという二面性を持
つ。したがって、耐炎化処理糸条数が多い場合、前駆体
繊維内の発熱反応熱を効率よく除去しなければ、高温、
短時間で目的の耐炎化糸を得ることができない。

【０００４】このような目的を持つ従来の短時間焼成方
法としては、例えば、特公昭５３−２１３９６号公報で
は、２００〜４００℃に加熱したドラムに間欠的に前駆
体繊維を接触させて移送しながら耐炎化処理することに
より、耐炎化時間を２０〜３０分に短縮することが報じ
られている。また、特開平１−１０４８３５号公報で
は、前駆体繊維を流動層中で２００〜５００℃に加熱処
理し、ローラによって移送しながら連続的に耐炎化処理
することにより、耐炎化時間を２０分以内にすることが
できると報じられている。

【０００５】ところが、これらの公知の耐炎化方法にお
いては、糸条表面からの伝熱を向上させる特性を持つも
ので、糸条内部からの除熱効果に限界があるために、処
理時間を大幅に短縮することが困難であるという問題が
ある。また、前駆体繊維数が多くなるほど表面伝熱では
反応熱を糸条外へ取り除くことが困難になり、したがっ
て、暴走反応温度を低下していく、すなわち、比較的低
い温度においても暴走反応が起きやすいという問題があ
り、処理温度を高温にすることは困難であり、短時間焼
成可能な技術とは言い難かった。

【０００６】この欠点を克服するために、例えば、特開
平２−６６２５号公報では、糸条をローラに間欠的に接
触させ、接する糸条にローラ面から２００〜３００℃に
加熱した酸化性気体を吹き出し、または吸い込んで、糸
条を移送しながら耐炎化処理することにより、耐炎化処
理時間を５〜２０分にすることができると報じられてい
る。この糸条内部に酸化性気体を貫通させる方法は、糸
条数の大小に関わりなく、糸条内部にある前駆体繊維の
反応熱を外部へ逃がす効果が大きく、高温度における処
理を可能にでき、短時間の耐炎化処理に有効である。し
かし、その一方で、熱風を吹き出し、または吸い込む際
に、酸化性気体の吹き出し口または吸い込み口に接触す
る糸条が、熱風の貫通を妨げる抵抗体となり、前駆体繊
維数が多くなるほど熱風を吹き出しまたは吸い込む際に
必要とされる力も大きなものとなる。その結果、装置コ
ストが大きくなるという問題点を持っている。そのため
に、糸条内部の反応熱の蓄積を回避する革新的な解決策
を有する短時間焼成可能な技術ではあるものの、生産性
の優れる製造方法とは言い難いものであった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
技術の上記した問題点を解決すること、具体的には、耐
炎化繊維の品質および炭素繊維の力学的性質を損なうこ
となく、短時間に多糸条の前駆体繊維を耐炎化する方
法、ひいては、炭素繊維の生産性を上げ得る方法を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために次の構成を有する。すなわち、ポリアクリ
ロニトリル系前駆体繊維糸条を耐炎化した後、炭化する
炭素繊維の製造方法において、糸条占有率を０．１〜２
０％の範囲とした開繊状態で加熱処理して耐炎化するこ
とを特徴とする炭素繊維の製造方法である。

【０００９】以下、本発明について詳細に説明する。本
発明においてはポリアクリロニトリル系前駆体繊維糸条
を耐炎化した後、炭化するものである。ポリアクリロニ
トリル系前駆体繊維以外の前駆体繊維を耐炎化した後、
炭化しても高性能の炭素繊維を得ることができない。ポ
リアクリロニトリル系前駆体繊維とは、アクリロニトリ
ルを９０モル％以上含有し、必要に応じて他の不飽和単
量体を１０モル％以下共重合したポリマーからなる繊維
をいう。他の不飽和単量体の例としては、耐炎化反応を
促進しうるなどの理由から、イタコン酸、アクリル酸メ
チル、メタクリル酸メチル、アクリルアミドおよびその
誘導体、アリルスルホン酸およびその塩類などが好まし
く用いられる。また、ポリアクリロニトリル系前駆体繊
維の単繊維繊度は強度を向上させやすいなどの理由か
ら、３デニール以下、さらには１デニール以下とするの
が好ましい。

【００１０】本発明において糸条占有率とは、ポリアク
リロニトリル系前駆体繊維糸条の開繊程度を示す尺度と
なるものであって、糸条の垂直断面方向における単位面
積当りの単繊維が占有する断面積の総和の割合をいう。

【００１１】本発明においては加熱処理して耐炎化する
際の前駆体繊維糸条の糸条占有率を０．１〜２０％、好
ましくは０．５〜８％の範囲とするものである。糸条占
有率を０．１％未満とした場合には、開繊時の分布面積
が大きくなり、単繊維同士がからみつくなど糸の取り扱
い性が難しくなり、ローラへの単繊維巻き付きなどのト
ラブルが発生しやすく、また、耐炎化処理効果が著しく
劣るものとなる。一方、糸条占有率が２０％を越える場
合には、単繊維間が接近し、熱風の貫通を妨げるために
除熱が困難となる。

【００１２】糸条占有率を０．１〜２０％の範囲とする
には、種々の開繊手段を採用でき、糸条に対し外力を与
えることで単繊維間の間隙を開ける手段が確実に開繊可
能である観点から好ましい。

【００１３】外力を与え前駆体繊維糸条を開繊させなが
ら糸条内に熱風を供給する手段として、前駆体繊維糸条
に振動を与える方法が特に好ましく用いられる。即ち、
振動させることにより糸条の開繊状態を高めて少数の単
繊維群毎に分散させることにより、前駆体繊維糸条内に
熱風が貫通し易くなる場が確保でき、そのため、酸化性
雰囲気が単繊維同士の間隙に貫通していくことができ、
糸条からの熱の移動を考えたとき、熱移動量が大きいた
めに耐炎化反応を進行させながら糸条内の蓄熱を抑制、
排除する効果を容易に得ることができる。

【００１４】糸条に振動を与える具体的手段としては、
振動ガイドによる方法がある。ここで、振動ガイドは、
それ自体が振動し、糸条に接触することにより振動を伝
達するものである。そのためガイドの表面は糸条を傷つ
けないために、凹凸や角の無い平滑なものが好ましく、
ガイド断面形状は円形のものが良い。

【００１５】ガイドの長さは糸条がガイドに触れる時、
糸条幅方向へ若干広がるために糸条幅よりも長いものが
好ましく、ガイドの断面積は振動ガイドの長さや材質、
糸条の幅、厚み等の条件によっても異なるが、常法の強
度計算によって糸を振動させるにあたり、振動ガイド自
身が変形し、振動の妨げにならないものであればよい。

【００１６】図１に示すように、この振動ガイド３を前
駆体繊維１の糸条幅方向に渡し、糸条の進行方向に対し
垂直かつ上下方向に振動を与えることにより前駆体繊維
１を所定の糸条占有率となるように開繊させるものであ
る。ガイドが糸条と接触する側は糸条の上面、下面のい
ずれでもよいが、ガイドの設置のし易さから、振動ガイ
ド３は図１に示すように、前駆体繊維１の下面に接する
よう配置するのが好ましい。また、振動ガイド３はロー
ラー等、糸条に触れるものの付近では振動の効果が薄れ
るため、ガイドの数にもよるが、図１に示すように、フ
リーローラー２等、糸条に接触する位置の間の糸条中央
部に配置するのが好ましい。

【００１７】糸条を振動し糸条を開繊する別の具体的手
段として、糸条に向けてノズルから気体を吹き付ける方
法がある。ここで、ノズルより吹き付けられた気体が糸
条に当たることにより振動を伝達するものである。この
とき、吹き付ける気体は耐炎化に要する酸化性雰囲気が
好ましく、１．０ m／s 以上６．０ m／s 以下の流速と
するのが好ましい。図２に示すように、ノズル５は前駆
体繊維１を挟むようにして、前駆体繊維１の進行方向
（紙面の向う側）に対し垂直かつ上下方向に振動を与え
るよう気体を吹き付けるのが好ましく、ローラ等、糸条
に接触する位置の間の糸条中央部へ設置するのが好まし
い。図３はこの様子を別の方向から見た側面図であっ
て、前駆体繊維１はノズル５の左から右に走行してい
る。

【００１８】ノズル幅は糸条幅方向に対し振動する糸条
が糸条幅方向へ若干広がるために、糸条幅よりも若干大
きくとるのが好ましい。

【００１９】上記のような手段により前駆体繊維糸条を
振動させつつ、熱風循環炉内の各温度コントロールゾー
ンにそれぞれ配置し、耐炎化処理中に作動させることに
より、耐炎化反応を進行させながら糸条内の蓄熱を抑制
または排除でき、その結果、可能な限り耐炎化処理温度
を高い温度に設定でき、短時間の耐炎化処理を可能とす
る。しかも、熱風循環炉として温度コントロール可能な
ゾーンをもったものを用いることおよび糸条占有率を
０．１〜２０％とすることの両手段を組み合わせること
により、互いの効果を促進しあい、単独の手段によるよ
りも短時間の耐炎化処理を可能とする。

【００２０】前駆体繊維は熱風循環炉の酸化性雰囲気内
に供給されて酸化処理を施されるが、このとき、前駆体
繊維の発熱反応の蓄積により繊維構造の破壊、すなわち
暴走反応が起こらないようにするために、熱風の温度は
暴走反応の発生温度よりも低い温度で処理しなければな
らない。暴走反応の発生温度は耐炎化時間の経過と共に
上昇していく傾向を持つ。

【００２１】そこで、耐炎化処理効率を上げるために、
同一設定温度としたゾーンの温度はその前のゾーンより
も順次高くしていき、ゾーン数を増すことが好ましく、
糸条の耐熱性が上昇するにつれて糸条をより高温のゾー
ンへ供給していくことで耐炎化時間を短縮できる。ま
た、ゾーン数を増すほど、暴走反応の発生温度に近いけ
れども暴走反応に至らない条件で効率的にかつ安全に耐
炎化できる。しかし、ゾーン数を増すと、伴う装置コス
トも増加するために、生産性の向上の効果は小さくなっ
ていく。そのため、生産性向上の効果を害することな
く、細かな温度制御を可能とする観点から、ゾーン数は
３〜８とするのが好ましく、３〜５とするのがさらに好
ましい。

【００２２】熱風による糸条内部の蓄熱の抑制、排除の
効果を十分なものとし、一方、糸条が揺れすぎて糸条内
の単繊維が擦れ合い糸条が傷ついて、性能、品質に悪影
響を及ぼすことを防ぐ観点から、循環する熱風の風速は
０．１ m／s 以上５．０ m／s 以下、さらには０．４ m
／s 以上３．０ m／s 以下、特に１．０ m／s 以上２．
０ m／s 以下が好ましい。

【００２３】また、熱風の方向は、糸条内への容易な通
気、排気を行う点からも、糸条の進行方向に対して平行
に流すよりも垂直に流す方が好ましい。

【００２４】

【実施例】以下、実施例によりさらに詳細に本発明を説
明する。（実施例１）単繊維繊度１ｄ、フィラメント数１００万
本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維を図１に示すよ
うに、振動ガイド上に接触させ、糸条占有率が２％程度
の開繊状態になるよう振動を与えて、前駆体糸条に直角
な方向に風速２ m／s の熱風が流れる熱風循環方式耐炎
化処理装置中で、３段階に処理温度を変化させて耐炎化
処理を行なった。その際の糸条の進行速度は３．０ m／
min 、操業温度の上限は１炉では２５３℃、２炉では２
６２℃、３炉では２７２℃であり、耐炎化終了には２５
分間の処理を必要とした。得られた耐炎化繊維を窒素雰
囲気中１４００℃で炭化したところ、糸条は毛羽、糸切
れのトラブルもなく、安定に工程を通過し、引張強度３
５０ Kgf／mm²、引張弾性率２３×１０³ Kgf／mm²の
炭素繊維が得られた。

【００２５】（比較例１）振動ガイドを用いない以外
は、実施例１と同様に耐炎化処理を行なった。このとき
の糸条占有率は５０％であった。このときの操業温度
は、暴走反応による糸切れのため、１炉では２３８℃、
２炉では２４７℃、３炉では２５７℃としなければなら
ず、炭化処理に耐え得る耐炎化繊維を得るには、５４分
間の処理を必要とした。得られた耐炎化繊維を窒素雰囲
気中１４００℃で炭化したところ、毛羽、糸切れのため
良好な炭素繊維を得ることはできなかった。

【００２６】（比較例２）振動ガイドを用い、糸条占有
率を０．０５％とした以外は、実施例１と同様に耐炎化
処理を行なったところ、糸条は開繊時の分布面積が大き
くなり、互いに絡まり合い、糸切れ等のトラブルのた
め、安定に耐炎化処理を行なうことはできなかった。

【００２７】（実施例２）単繊維繊度１ｄ、フィラメン
ト数１０万本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維を、
図１に示す振動ガイド３を図２に示すエアー吹き出しノ
ズル５にかえ、糸条占有率が２％程度の開繊状態になる
よう振動を与えたほかは、実施例１と同様に耐炎化処理
を行なった。

【００２８】ただし、操業温度の上限は１炉では２６１
℃、２炉では２７４℃、３炉では２８０℃であり、耐炎
化終了には１０分の処理を必要とした。若干の糸切れは
あったが、ほぼ安定に耐炎化を行なうことができた。得
られた耐炎化繊維を窒素雰囲気中１４００℃で炭化した
ところ、引張強度３００ Kgf／mm²、引張弾性率２２×
１０³ Kgf／mm²の炭素繊維が得られた。

【００２９】（比較例３）エアー吹き出しノズルを用い
ない以外は、実施例２と同様に耐炎化処理を行なった。
このときの糸条占有率は５０％であった。このときの操
業温度は、暴走反応による糸切れのため、１炉では２５
０℃、２炉では２５９℃、３炉では２６５℃としなけれ
ばならず、炭化処理に耐え得る耐炎化繊維を得るには、
２１分間の処理を必要とした。得られた耐炎化繊維を窒
素雰囲気中１４００℃で炭化したところ、毛羽、糸切れ
のため良好な炭素繊維を得ることはできなかった。

【００３０】（比較例４）エアー吹き出しノズルを用い
て糸条占有率を０．０５％とした以外は実施例２と同様
に耐炎化処理を行なったところ、糸条は開繊時の分布面
積が大きくなり、互いに絡まり合い、糸切れ等のトラブ
ルのため、安定に耐炎化処理を行なうことはできなかっ
た。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、除熱速度を大幅に向上
することができる。とくに、多段温度制御型熱風循環炉
を用いる場合には、暴走温度に近い温度で処理ができ、
耐炎化時間を大幅に短縮して生産性を向上することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法の一実施態様であって、振動ガイ
ドを設けた耐炎化装置を用いる例を示すモデル的側面図
である。

【図２】本発明の方法の別の実施態様であって、エアー
吹き出しノズルを用いる例を示す側面図である。

【図３】本発明の方法の別の実施態様であって、エアー
吹き出しノズルを用いる例を示す別方向から見た側面図
である。

【符号の説明】

１：前駆体繊維２：フリーローラー３：振動ガイド４，４′，４″：耐炎化処理ゾーン５：ノズル６：エア吹き出し口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポリアクリロニトリル系前駆体繊維糸条を
耐炎化した後、炭化する炭素繊維の製造方法において、
糸条占有率を０．１〜２０％の範囲とした開繊状態で加
熱処理して耐炎化することを特徴とする炭素繊維の製造
方法。
【請求項２】ポリアクリロニトリル系前駆体繊維糸条に
振動を与えることにより、開繊しつつ加熱処理すること
を特徴とする請求項１記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項３】振動ガイドによりポリアクリロニトリル系
前駆体繊維糸条に振動を与えることを特徴とする請求項
２記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項４】加熱処理を熱風循環により行うことを特徴
とする請求項１または請求項２記載の炭素繊維の製造方
法。