JP4412656B2 - 炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、分割することのできるアクリル繊維トウ（以下、単にトウという場合もある。）を用いた炭素繊維の製造方法、特に、品位、物性に優れた炭素繊維を得るために前駆体であるアクリル繊維トウを非捲縮糸とした場合に収納容器からの引き出し性に優れ、安定に炭素繊維製造工程にトウを供給する方法に関する。更に詳しくは、製造コストが低く、生産性に優れ、糸切れ、毛羽の発生が少ない、分割することのできるアクリル繊維トウを用いた炭素繊維の製造方法であって、耐炎化工程で均一、かつ、安定に耐炎化処理を行うことが可能な炭素繊維の製造方法に関する。

炭素繊維は、通常フィラメント数１，０００〜３０，０００本の少数のフィラメントからなり、その前駆体であるアクリル繊維トウの梱包形態は一般にボビン巻きである。そこで炭素繊維製造工程においては、ボビンに巻き取られた前駆体をボビンから巻き戻した後、フィラメント密度を１００〜５，０００デニール／ｍｍに櫛ガイドまたは溝ローラーで規制して耐炎化工程に供給する方法が採用されている。炭素繊維の製造コスト化を下げるためには、一般にフィラメント数が４０，０００本以上のいわゆるラージトウを使用すれば生産能力が上がり効果的であるが、ラージトウをボビン巻きすることが困難なため、収納容器に振り込んで梱包するのが一般的である。

従来、収納容器からトウを引き上げる技術は、衣料用繊維トウで用いられる整トウ技術が一般的であるが、その際の要求事項は、トウを均一、かつ、シート状に拡げる必要がなく、また、小トウへ分割する必要もなく、トウを長手方向に沿ってほぼ平行に重ねてカット工程へ供給することができればよかった。一方、炭素繊維前駆体としてのトウを収納容器から引き上げる際に、この方法で整トウし、焼成する場合に、トウの厚みむら、捩れ（撚り）が発生すると耐炎化工程において反応熱が蓄積し、蓄熱により糸切れが発生したり、部分的に多くの毛羽が発生し、ローラーに巻き付きが生じる等の問題がある。

従来の技術として収納容器からトウを、所定の引き上げ高さに整トウガイドを配置する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）が、引き上げ高さ分のトウの自重によって整トウガイドにフィードされる前に捩れ（撚り）を解除する必要があり、特にトウが非捲縮糸である場合、安定して捩れを解除することができなかった。

特開平１１−２２９２４１号公報

本発明は、炭素繊維製造工程において、収納容器から垂直に引き上げられるトウに、さらに張力を付与し、収納容器に振り込まれたトウの最上層面からトラバースしながら引き上げられるトウに、折れ曲がりや、捩れ（撚り）、厚みむらを生じさせることなく引き上げ、焼成工程における糸切れや、毛羽発生による巻き付きを防止し、アクリル繊維トウから炭素繊維を生産性よく製造しようとするものである。

本発明は、収納容器にトラバースしながら収納されたアクリル繊維トウを、垂直方向に引き上げ焼成工程に送って炭素繊維を製造する方法であって、トラバース幅Ｘと引き上げ高さＹとの関係を２Ｘ≦Ｙ≦１０Ｘ垂直方向に引き上げて整トウガイドに接触させて整トウするに当り、前記収納容器の直上で垂直に引き上げたトウに、自重の０．８倍または次式で算出される張力のうち何れか大きい方の数値の張力以上の張力を更に付与することを特徴とする炭素繊維の製造方法にある。
ｆ≧４．５×１０^-4×Ｆ
（ここにｆは収納容器の直上で自重にさらに付与する張力（ｇ）、Ｆは総繊度（デニール）を示す。）

本発明によれば、炭素繊維製造工程において、収納容器から垂直に引き上げられるトウに、さらに張力を付与し、収納容器に振り込まれたトウの最上層面からトラバースしながら引き上げられるトウに、折れ曲がりや捩れ（撚り）を生じさせることなく整トウガイドに供給することが出来、焼成工程における糸切れを防止し、炭素繊維の生産性を向上することができる。

以下、本発明について、実施の態様を詳細に説明する。
本発明において、炭素繊維の前駆体であるアクリル繊維トウは、シート状でトラバースされて、前後、左右に振られながら、収納容器に振り込まれる。トウが収納された収納容器は、前駆体製造工程から耐炎化工程を経る炭素繊維製造工程へ移送され、例えば直置き、又は、台車やパレット等に積み替えられて静置された後、トウが収納容器から垂直に引き上げられ整トウされる。

トラバースされて収納容器に収納されたアクリル繊維トウを、垂直方向に引き上げ焼成する炭素繊維の製造方法において、トラバース幅Ｘと引き上げ高さＹとの関係を２Ｘ≦Ｙ≦１０Ｘ垂直方向に引き上げて、整トウガイドに接触させて整トウする。ここで、引き上げ高さとは、収納容器中のトウの最上層面から整トウガイドまでの距離をいう。トウの引き上げの際に本発明においては、整トウガイドへトウの捩れや撚りがフィードされるのを防ぐため、整トウガイドと収納容器の直上との間にトウに下方に張力を付与する手段を設ける。

引き上げつつあるトウに張力を付与する手段としては、少なくとも３本の固定したバーまたはロールに接触することによる方法や、トウをスリット間を通過させ、その際の接触摩擦により張力を得る方法、下向きに流れるエア流内を通過することによって得られる空気流との摩擦抵抗により張力を得る方法などが採用できる。
この張力付与手段として最も簡易な設備としては、少なくとも３本の固定したバーまたはロールに接触する方法が挙げられる。この方法においては、トウのトラバースに伴う巻き付き角など接触状態の変化があるため、隣接して水平方向に配置された２本のガイドバーの間を単に通すのみでは連続して張力を付与し続けることが困難であり、また、トウが通過する間隔すなわちクリアランスを小さくして通過させようとする場合は、トウの厚みに極めて近い間隔の間を通すこととなり、調整が難しいのみでなく、撚れが供給された場合に引っかかりが生じる。さらに、Ｓ字状にトウを通過させるか、少なくとも２本のバーまたはロールが垂直方向に並んでいる方法が考えられるが、箱内でのトウのトラバースされた配置状態によって、トラバースに伴う接触状態の変化により摩擦によって付加される張力の変動が大きく、好ましいものとは言い難い。

アクリル繊維トウから炭素繊維を製造するための焼成工程は、通常耐炎化工程とそれに引き続く炭素化工程とからなる。用いるアクリル繊維トウは、１本のトウ形態を保ちながら、２本以上の複数の小トウに分割することのできるアクリル繊維トウや、主に耐炎化工程通過後に得られる耐炎繊維として供されるトウである。詳しくは、所定数の複数の糸条群が並行してなるトウに各糸条群の側端部（耳部）で互いに弱く交絡し合い、シート状に保持させた形態であることが好ましい。

炭素繊維の前駆体であるアクリル繊維トウは、アクリロニトリル単位９０〜９９．９質量％に対し、他の共重合可能なモノマー単位を０．１〜１０質量％の割合で共重合させたアクリロニトリル共重合体を紡糸して得られるアクリル繊維トウである。アクリロニトリルと共重合可能な他のモノマーとしては、例えばアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸等の不飽和カルボン酸又はその塩、メチルアクリレート、エチルアクリレート、メチルメタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド、２−ヒドロキシエチルアクリロニトリル、クロロアクリルニトリル等である。

次に、添付の図面に基づいて説明する。トウ３の引き上げ高さとは、図１に示した様に収納容器１内のトウの最上層面から整トウガイド２までの距離Ｙ（ｍ）をいう。このときトウ３の引き上げ高さは、図２に示すように収納容器１内におけるトウのトラバース幅Ｘ（ｍ）との関係が２Ｘ≦Ｙ≦１０Ｘになるように設定する必要がある。
整トウガイド２は、少なくとも２本、通常３本以上のガイドバーから構成される。かかるガイドバーは平ガイドバーであっても、湾曲ガイドバーであってもよい。トウ３は、図３に１例として示した様にガイドバーに互い違いに接触させつつ通し次の工程に送られる。
図３には、ガイドバーＡ〜Ｅの配置の１例を示す。ガイドバーＡ〜Ｅは平ガイド（直線状ガイド）と、湾曲ガイド（長手方向にある曲率で湾曲したガイド）から構成される。この場合、Ａ〜Ｃを平ガイド、Ｄ〜Ｅを湾曲ガイドとする組合せや、Ａ、Ｃ、Ｅを平ガイド、Ｂ、Ｄを湾曲ガイドとする組合せなどが用いられる。図３には５本のガイドバーによって構成される整トウガイドの例を示しているが、必ずしも５本に限定されるわけではなく、トウの走行状態などから適宜その構成本数を決定すればよい。

本発明においてトウの上記引き上げ高さＹが１０Ｘより大きい場合は、整トウガイド２の設置高さが高く糸掛け等の作業性が悪く、また、クリール設備を大きくする必要があり製造コストが上昇し好ましくない。一方、２Ｘより小さい場合は、整トウガイド２を構成するガイドバーＡ〜Ｃ上で糸揺れが発生しやすく、湾曲ガイドＤ〜Ｅ上で走行糸条の片寄りや、トウ側端部の折れ曲がりや、捩れ（撚り）が発生しやすくなる。また、糸揺れが増加するため、隣接する収納容器から引き上げられたトウが互いに接触しないように隣接する収納容器との間隔を確保する必要が生じ、クリール設備面積が大となり製造コストが上昇するという問題がある。

次に、図４に垂直方向に並んだ３本のバーによる実施の態様を示す。図４は収納容器１や、その上部に設けられる整トウガイド２との向きの関係示す。収納容器の直上に取り付けられるガイドバー４には平ガイドバーが用いられる。なお、ガイドバー４の材質はいずれであってもよいが、耐久性及びコストを考慮すれば鉄、ステンレス等の金属、またはセラミックが好ましい。ガイドバー４の直径も特に制約を受けるものではないが、収納容器１に直接取り付ける場合が多いことなどを考慮すると、直径１５ｍｍ〜５０ｍｍ程度のものが好適である。また、複数の平ガイドバーの取り付け間隔も特に制約を受けるものではなく、与えたい張力を増やしたい場合は取り付け間隔を狭めるなどして巻き付き角を大きくするなど適宜調整すればよい。

また、図５においてはスリット５間を通過させる場合の実施の態様を示す。図５にはスリット５の方向と収納容器１や、上部に設けられる整トウガイド２との向きの関係示す。スリット部の材質はいずれを問わないが、耐久性、コストを考慮するとステンレス等の金属板によるものが好ましい。スリット５のクリアランスは２〜８ｍｍ、スリットの長さは２０〜１００ｍｍが好適であるが、さらにスリット長さとスリットクリアランスは、糸通し性や、付与しようとする張力などを考慮してそのクリアランスを調整できるようにしておくか、または、あらかじめ確認を行って適宜調整すればよい。

さらに、図６に下向きエア流内を通過させる場合の実施の態様を示す。
エア流（矢印で示す）は、エアカーテン流が好ましく、トウに張力を効率的に付与するためには、１５°〜４５°の角度でエア流がトウに当たるように設置するのが好ましい。図６はエアカーテン流の方向と容器１や、上部に設けられる整トウガイド２との向きの関係も示している。

本発明で用いるアクリル繊維トウの形態は、５０，０００デニール以上２５０，０００デニール以下の小トウへ分割することが出来、かつ、繊度が１５０，０００〜１，５００，０００デニールのトウを用いることが好ましい。さらに、本発明は、総繊度１５０，０００〜９，０００，０００デニールの小トウへの分割することが出来ない炭素繊維製造工程の耐炎化工程通過後に得られ、耐炎繊維として供されるアクリル繊維を用いることも可能である。

整トウ後のトウの糸条密度は２，０００〜７，５００デニール／ｍｍに規制することが好ましい。ここに糸条密度とは、糸条幅１ｍｍ当たりのフィラメント数を指し、通常フィラメント数（ＫＤ）／糸幅（ｍｍ）で算出する。炭素繊維製造工程では、クリールから耐炎化工程に送られる糸条密度を規制することで多糸条並列運転が可能となり、製造コストを下げることができるが、糸条密度が７，５００デニール／ｍｍを超えるとトウに厚みむらが生じやすくなるため、耐炎化工程において反応熱による蓄熱が起こる可能性が高く、糸切れ等の問題が生じることがある。また、糸条密度が２，０００デニール／ｍｍより小さいと、クリール設備が大幅に大きくなり、製造コストが上昇する原因となる。

本発明において整トウガイド２は、前述したように３本以上の平ガイドバーおよび２本以上の湾曲ガイドバーを用いることが好ましい。また、整トウガイド２の構成については、トウの側端部の折れ曲がり、捩れ（撚り）の抑制効果のあるようにガイドバーを配置するのがよい。
また、本発明では、必要に応じ整トウ後にピンガイドなど小トウ単位に分割する工程を設けることも可能である。

次に、本発明の実施例を挙げてより具体的に説明する。
［実施例１］
５０，０００デニールの三つの小トウに分割することのできる総繊度１５０，０００デニールのアクリル繊維トウ３を、収納容器１にトウのトラバース幅Ｘを０．７２ｍとして振り込んで収納した。
次に、図４に示す如くトウ３が収納された収納容器１の直上に直径２０ｍｍのステンレス製丸棒をセンター間の距離が５０ｍｍのピッチで３本垂直に並べて配置した箱直上ガイドバー４を取りつけた。
トウ密度を２，０００〜７，５００デニール／ｍｍに規制する整トウガイド２の構成は、図２に示すように収納容器１中でのトラバース幅Ｘ（ｍ）と、図１に示すようにトウ最上層面から最初の整トウガイド２までの高さＹ（ｍ）の比がＹ＝３．３Ｘとした。また、整トウガイド２は平ガイドバー（表面粗度：Ｒａ ３．２ａ）をＡ、Ｃ、Ｅの３本と、湾曲ガイドバー（曲率半径：６００ｍｍ、表面粗度：Ｒａ ３．２ａ）Ｂ、Ｄ２本を用いて図３に示すように構成した。
この工程を通して２５０ｍ／ｈｒの速度でトウ３を炭素繊維焼成工程へ供給した。収納容器１より引き上げられているトウ３の自重４４ｇであるのに対して、収納容器１直上の垂直ガイドバー４で付与する張力は、その接触状態で変動はあるものの、１００〜１３０ｇの範囲であり、トウの自重より大きい範囲であった。５０時間にわたって捩れ（撚り）がフィードされず安定に炭素繊維を製造することができた。
［比較例１］

実施例１において収納容器１箱直上垂直ガイドバー４を設置せず、その他は実施例１と同様にして炭素繊維の製造を実施した。本例のトウ３の張力は自重分のみである。その結果、トウの供給を開始してから４時間後に捩れ（撚り）が炭素繊維製造工程にフィードされ、耐炎化工程で糸切れが発生したため製造工程を停止した。
［比較例２］

図７に示す様に収納容器１に箱上ガイドバー７を平行に２本、間隔５０ｍｍで配置し、その他は実施例１と同様にして炭素繊維の製造を実施した。このときの収納容器１の直上に設けたガイドバー７によって付加された張力は、トウとガイドバー７との接触状態によって異なるものの、その範囲は０〜６０ｇであった。その結果、トウの供給を開始してから４時間後に捩れ（撚り）が炭素繊維製造工程にフィードされ、耐炎化工程での糸切れが発生したため製造工程を停止した。
［比較例３］

図２に示す収納容器１中でのトラバース幅Ｘ（ｍ）と、トウの最上層面から最初の整トウガイドまでの高さＹ（ｍ）の比がＹ＝１．５Ｘとした外は実施例１と同様にして炭素繊維の製造を実施した。収納容器直上に設けられたガイドバー４によって付与される張力は実施例１と同様１００〜１３０ｇであった。このようにしてトウ３をフィードしたところ、トウの供給を開始してから１５分後に収納容器直上のガイドを通過した捩れ（撚り）が充分に解除されずそのまま整トウガイド２を通過し炭素繊維製造工程にフィードされ、耐炎化工程において糸切れが発生したので製造工程を停止した。
［実施例２］

実施例１において収納容器１の直上にガイドバー４を取り付ける代わりに、図５に示すようにスリットクリアランス３ｍｍ、スリット長さ１００ｍｍとしたステンレス製のスリット５を設置したほかは実施例１と同様にして炭素繊維を製造した。スリットとの接触によって付与される張力は１２０〜１４０ｇであった。その結果、実施例１と同様に５０時間にわたって捩れ（撚り）がフィードされず安定に炭素繊維を製造することが可能であった。
［実施例３］

実施例１において収納容器１の直上にガイドバー４を取り付ける代わりに、図６に示すようにエアカーテン流（矢印）をトウ３に吹き付けて炭素繊維を製造した。エアカーテン流の発生装置は、竹綱製作所製（株）製のエアブロウノズル（ＭＯＤＥＬ４０Ｓ−８００−１．０）６を２個用い、引き上げられているトウへのエアの噴出角度は３０°、噴出風速は２０ｍ／ｍｉｎ、２個のエアブロウノズル６間のトウが通過するクリアランスは３０ｍｍとした。このときエア流の抵抗によってトウに付与される張力は、７５〜９５ｇであった。その結果、実施例１と同様に５０時間にわたって捩れがフィードされず安定に炭素繊維を製造することができた。
以上の実施例１、２、３および比較例１、２、３の結果を表１にまとめた。

収納容器と引き上げたトウの整トウガイドまでの高さを示す概念図である。 収納容器に納められているトウのトラバース幅を示す。 整トウガイドバーをトウが通過する概念図である。 垂直方向に並んだ３本のガイドバーによる引き上げたトウへの張力付与を示す。 スリットによる引き上げたトウへの張力付与を示す。 下向きエアノズルの吹出しによる引き上げたトウへの張力付与を示す。 平行ガイドバーによる引き上げたトウへの張力付与を示す。

符号の説明

１ 収納容器
２ 整トウガイド
３ トウ
４ 垂直ガイドバー
５ スリット
６ エアブロウノズル
７ 箱上ガイドバー
Ａ〜Ｅ 整トウガイドバー

Claims (6)

1. 収納容器にトラバースしながら収納されたアクリル繊維トウを、垂直方向に引き上げ焼成工程に送って炭素繊維を製造する方法であって、トラバース幅Ｘと引き上げ高さＹとの関係を２Ｘ≦Ｙ≦１０Ｘ垂直方向に引き上げて整トウガイドに接触させて整トウするに当り、前記収納容器の直上で垂直に引き上げたトウに、自重の０．８倍または次式で算出される張力のうち何れか大きい方の数値の張力以上の張力を更に付与することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
   ｆ≧４．５×１０^-4×Ｆ
   （ここにｆは収納容器の直上で自重にさらに付与する張力（ｇ）、Ｆは総繊度（デニール）を示す。）
2. アクリル繊維トウが、非捲縮糸である請求項１記載の炭素繊維の製造方法。
3. アクリル繊維トウの収納容器の直上で更に付与する張力が、少なくとも３本の固定したバーまたはロールに接触することによる請求項１または２記載の炭素繊維の製造方法。
4. 少なくとも３本のバーまたはロールが垂直方向に並んでいる請求項３記載の炭素繊維の製造方法。
5. アクリル繊維トウの収納容器の直上で更に付与する張力が、トウをスリット間を通過させる際の接触摩擦により得る請求項１または２記載の炭素繊維の製造方法。
6. アクリル繊維トウの収納容器の直上で更に付与する張力が、下向きに流れるエア流内を通過する事によって得られる張力である請求項１または２記載の炭素繊維の製造方法。
   

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