JPS6223083B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、石炭系又は石油系ピツチを原料とし
て炭素繊維を製造する際に必要な不融化及び炭化
処理を効率よく行うための熱処理方法及びそれに
使用する装置に関するものである。 炭素繊維は、断熱性、耐熱性、耐薬品性、剛
性、導電性が優れているという特性を利用して、
断熱材、シール材、電気部品や機械部品の材料、
構造部材、スポーツ用具の材料などとして広く使
用されている。 従来、この炭素繊維のうち良質のものは、主と
してアクリロニトリルやセルロースなどの繊維を
焼成することにより製造されていたが、これらの
原料はコスト高になる上に、炭化収率が低いため
に工業用材料として大量に供給するには、適当な
方法とはいいがたい。このため、安価で入手容易
な各種ピツチ類を原料として高強度、高弾性の炭
素繊維を製造する技術に関する研究、開発が盛ん
に行われた結果、近年に至りかなり実現性のある
方法が多数提案されている。 ところで、ピツチ系原料から炭素繊維を製造す
るには、一般にピツチ系原料を溶融紡糸したの
ち、酸化性雰囲気中で加熱することにより不融化
し、さらに不活性雰囲気中で焼成することにより
炭化する方法がとられている。そして、この不融
化工程と炭化工程は、通常紡糸したピツチ系原料
繊維を、ローラーに巻き取る間に、酸化雰囲気又
は不活性雰囲気にした加熱炉の中を走行させるこ
とによつて行われるが、ピツチ系原料繊維は、強
度及び伸度が小さくもろいため、巻取速度を速く
することができない上に、使用する折返しローラ
ーの曲率にも制限があり、また糸切れ時の修復な
どに手間がかかるなどの改良すべき多くの問題点
が存在するし、設備の面でも大規模になる傾向が
あり工業的に実施する場合不便になるのを免れな
い。 このような問題点を解決するための改良方法と
して、これまで溶融紡糸した原料繊維をコンベア
上に載置し、コンベアとともに移行させながら、
加熱帯を通して不融化する方法（特開昭57−
175664号公報）、溶融紡糸した原料繊維を、トレ
イに配設した横棒に懸垂し、トレイごと不融化室
に導入し不融化する方法（特開昭55−6547号公
報）などが提案されている。しかしながら、これ
らの方法は、溶融紡糸の際にボビンに巻き取つた
原料繊維を巻き戻してコンベアが横棒に移した
り、あるいはボビンに巻き取ることなく特殊な装
置を用いてコンベア上に載置又は横棒に懸垂する
必要があるため操作や設備が複雑化するという欠
点がある。また、溶融紡糸の際に原料繊維をボビ
ンに巻き取りそのまま不融化、炭化処理すること
も検討された。しかし不融化工程はともかく、炭
化工程においてはかなりの量のタール状分解生成
物を発生し、これが繊維表面の汚染や繊維同士の
付着の原因となるため、これを不活性ガスのパー
ジなどにより除去することが必要となるが、ボビ
ン上の繊維間の空隙が小さく、実際上その除去は
非常に困難であつた。 このような事情のもとで、本発明者らは、ピツ
チ系原料繊維をボビンに巻き取つた状態で能率よ
く不融化、炭化のような熱処理を行い得る方法及
び装置を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、多孔
質胴部を有する中空ドラムを用い、この胴部を介
してガスを通しながら、この上に巻き取つた原料
繊維を熱処理することによりその目的を達成しう
ることを見出し、この知見に基づいて本発明をな
すに至つた。 すなわち、本発明は、ピツチ系原料繊維を両側
面を気密的に封止した多孔質胴部を有する中空ド
ラムに巻き取り、該多孔質胴部の細孔を介して原
料繊維間に所要のガスを強制的に通しながら加熱
することを特徴とするピツチ系原料繊維の熱処理
方法及びこの方法に使用するための、調温手段を
有するガス予熱器と調温手段を有し適所にガス抜
孔を設けた加熱炉から構成され、かつ両端を閉塞
した連通孔を有する多孔質材料で形成された中空
筒状の原料繊維巻取ドラムが加熱炉内部に配置さ
れるとともに、その一方の端部適所に設けられた
ガス導入孔に、前記ガス予熱器からのガス導管が
連結されていることを特徴とする熱処理装置を提
供するものである。 次に添附図面に従つて本発明をさらに詳細に説
明する。 第１図は本発明の装置の一例を示す一部断面説
明図であり、石炭系ピツチ、石油系ピツチ又はそ
れらの混合物を溶融紡糸して得た原料繊維１は、
両側面を側板３，３で閉じた多孔質胴部２から成
る中空ドラム上に巻き取られている。この多孔質
胴部２は多数の連通孔を有する素材で作られてお
り、各側板３，３は、ガスを透過しないち密な素
材で作られている。 この中空ドラムは、温度調節器５により所定の
温度に維持された加熱炉４例えば電気炉、赤外線
加熱装置中に置かれ、加熱処理される。この間、
ガス予熱器６で予熱されたガスがガス導管８を経
て中空ドラムの側板の一方に設けられたガス導入
孔９に送られ、多孔質胴部２の連通孔から、その
上に巻かれた原料繊維層１に通されたのち、加熱
炉の上部に設けられたガス抜孔から外部に排出さ
れる。前記のガス予熱器６は、温度調節器７によ
り所定の温度に制御されている。この際に供給さ
れるガスとしては、不融化工程の場合、酸化する
必要があるので、酸素や空気のような酸化性ガス
を、また炭化工程の場合、炭化時の酸化による特
性低下を防ぐため窒素、ヘリウム、アルゴンのよ
うな不活性ガスが用いられる。 中空ドラム上に巻き取られる原料繊維１は、通
常溶融紡糸により得られた単繊維を30本程度まと
めた、いわゆるトウ又はヤーンである。この原料
繊維１の巻き取り時のあや角は０〜30゜の範囲で
任意に選ぶことができるが、通気性及び巻き戻し
時の解じよ性を考慮して、1.0゜以上にするのが
望ましい。 また、原料繊維層の厚みは、反応の容易性から
は薄い方が、生産効率からは厚い方が好ましい
が、通常は約20mm程度又はそれよりやや厚いよう
にする。 この原料繊維層１は、第１図のように、中空ド
ラム胴部２の外側に設けてもよいが、また第２図
に示すように中空ドラム胴部２の内側に設けても
よい。 この原料繊維層１を設ける胴部２の材料として
は、不融化又は炭化の際の温度及び雰囲気に耐え
ることができ、この上に設けられた原料繊維層１
にガスを均一に分散させ得るように適度の流れ抵
抗を与えるものが用いられる。このような材料の
例としては、金属、セラミツクスなどの焼結体、
炭素の焼結体、金属製網状体及びその積層体、金
属製多孔板、あるいはこれらの複合体などを挙げ
ることができる。また、この胴部２の流れ抵抗と
しては、原料繊維層１の流れ抵抗の値の少なくと
も50％以上が望ましい。必要ならば、前記の多孔
質材料に柔軟なフエルト状材料を積層させ、ガス
の均一分散をより確実にすることもできる。 本発明方法における処理温度は、不融化工程の
場合、200〜400℃であり、導入するガスの予熱温
度としては100〜400℃が好適である。他方、炭化
工程の場合の処理温度は400〜1000℃であり、ガ
スの予熱温度は300〜1000℃が好ましい。これら
の処理温度は１℃／分以上の昇温速度で加熱する
ことによつてもたらされる。 ガスの供給速度は、不融化工程では酸化反応の
反応物質の供給、反応副生物の除去及び反応熱の
除去等の必要性から決定され、炭化工程では反応
副生物を完全に除去し、繊維間の融着防止を確実
にする必要性から決定され中空ドラム胴部２の表
面積を基準とした線速度で不融化工程、炭化工程
いずれの場合でも５cm／秒以上にするのが有利で
ある。 本発明方法によれば、原料繊維を先ず酸化性ガ
スを導入しながら、不融化条件下で加熱処理した
のち、引き続いて導入ガスを不活性ガスに変え、
炭化条件下で加熱することにより、同一装置を用
いて不融化工程と炭化工程を連続的に行うことが
できる。 本発明方法は、工業的に実施する場合以下のよ
うな利点がある。 (1) 溶融紡糸した原料繊維をボビンに巻いたまま
不融化及び炭化しうる。 (2) 熱処理時の設備効率及び熱効率がきわめて高
い。 (3) 処理条件の制御が容易なため、安定した品質
の製品が得られる。 (4) 炭化時の原料繊維間の融着を防止しうる。 次に実施例により本発明をさらに詳細に説明す
る。 実施例 １ エチレンボトムオイルの残留分として得られた
ピツチを常法に従つて溶融紡糸し、径100mm、長
さ300mmのセラミツクス焼結体製中空ドラム（胴
部の開口率40％、平均孔径５μｍ、材料の厚み５
mm）から成る多孔質ボビンに層厚20mmになるよう
に巻き取つた。 次いで、これを電気炉に入れ、ボビン側面のガ
ス導入孔から300℃に予熱された空気を通気しな
がら、300℃で１時間加熱し、原料繊維の不融化
を行つた。この際の条件には、ガスの供給速度と
してボビン円筒面の表面積を基準とする線速度30
cm／秒、昇温速度として１℃／分をそれぞれ用い
た。 このようにして、得た不融化繊維を次にボビン
から外し繊維層の各層からサンプルを取り単糸状
にほぐした状態で赤外線加熱装置中で窒素ガスを
通しながら、10℃／分の昇温速度で1000℃まで昇
温し、この温度に30分間保持して炭化させた。 この結果、繊維層の表面、中間層及びボビン表
面に接する層のいずれにおいても繊維間の互着は
認められなかつた。このようにして得た炭素繊維
の物性を表に示す。 比較例 １ 実施例１と同じ原料繊維を、実施例１と同様の
条件で多孔質ボビンに巻取り、不融化に際しては
ボビンから外すことなく通気を行なわずに他の条
件は実施例１と同様に行い、得られた不融化糸を
実施例１と同様にボビンから外して赤外線加熱装
置中で炭化処理したところ、繊維層の中間層及び
ボビン表面に接する層において繊維が完全に融解
して板状になり、目的とする炭素繊維を得ること
ができなかつた。 比較例 ２ 実施例１で得た不融化繊維をボビンから外すこ
となく、窒素雰囲気中、10℃／分の昇温速度で
1000℃まで昇温し、この温度に30分間保持して炭
化した。 このようにして得た繊維は各層で互着がみら
れ、物性も低かつた。この物性を表に示す。 実施例 ２ 実施例１で得た不融化糸をボビンから外すこと
なく、窒素雰囲気中におき、ボビン表面積を基準
として50cm／秒の速度で、雰囲気と同じ温度に予
熱された窒素ガスをボビン内部から通しながら、
10℃／分の昇温速度で1000℃まで昇温し、この温
度に30分間保持して炭化した。この際繊維の互着
は全く認められなかつた。 このようにして得た加熱処理条件及び炭素繊維
の物性を表に示す。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の一例の部分断面説明
図、第２図は第１図とは異なつた態様の原料繊維
巻取ドラムを示す断面図である。 図中符号１は原料繊維層、２は中空ドラムの多
孔質胴部、３は側板、４は加熱炉、６はガス予熱
器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ピツチ系原料繊維を両側面を気密的に封止し
   た多孔質胴部を有する中空ドラムに巻き取り、該
   多孔質胴部の細孔を介して原料繊維間に所要のガ
   スを強制的に通しながら加熱することを特徴とす
   るピツチ系原料繊維の熱処理方法。 ２ 原料繊維が中空ドラムの外側に巻き取られる
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 原料繊維が中空ドラムの内側に巻き取られる
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 調温手段を有するガス予熱器と調温手段を有
   し適所にガス抜孔を設けた加熱炉から構成され、
   かつ両端を閉塞した、連通孔を有する多孔質材料
   で形成された中空筒状の原料繊維巻取ドラムが加
   熱炉内部に配置されるとともに、その一方の端部
   適所に設けられたガス導入孔に、前記ガス予熱器
   からのガス導管が連結されていることを特徴とす
   るピツチ系原料繊維の熱処理装置。