JP6528181B2 - 炭素繊維製造装置及び炭素繊維製造方法 - Google Patents
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Description
また、炭素繊維の製造においては、被炭素化繊維が有機繊維(誘電体)から無機繊維(導電体)に連続的に変化する。即ち、加熱対象物のマイクロ波吸収特性が漸次変化する。本発明の炭素繊維製造装置は、加熱対象物のマイクロ波吸収特性が変化しても、効率良く炭素繊維を製造できることを見出した。
この断熱スリーブはマイクロ波を透過させるため、内部を走行する被炭素化繊維を直接加熱することができる。また、該加熱によって生じる輻射熱を遮断して放熱を抑制することにより断熱スリーブ内が高温に保持されるため、被炭素化繊維の炭素化速度を飛躍的に向上させることができることを見出した。
これらの知見に基づき、本発明を完成するに至った。
前記筒状炉体内にマイクロ波を導入するマイクロ波発振器と、
一端が前記マイクロ波発振器側に接続され、他端が前記筒状炉体の一端に接続される接続導波管と、
を含んで成ることを特徴とする炭素繊維製造装置。
炭素含有率が66〜72質量%の中間炭素化繊維を前記繊維導入口から前記円筒状炉体内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記円筒状炉体内を走行する前記中間炭素化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記炭素繊維を前記繊維導出口から連続的に取り出す炭素繊維取り出し工程と、
を有することを特徴とする炭素繊維製造方法。
前記筒状炉体内にマイクロ波を導入するマイクロ波発振器と、
前記筒状炉体の軸心と平行軸心上に配設され、繊維がその一端から導入されるとともに他端から導出されるマイクロ波透過性の断熱スリーブと、
を含んで成ることを特徴とする炭素繊維製造装置。
炭素含有率が66〜72質量%の中間炭素化繊維を前記断熱スリーブ内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記断熱スリーブ内を走行する前記中間炭素化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記炭素繊維を前記断熱スリーブ内から連続的に取り出す炭素繊維取り出し工程と、
を有することを特徴とする炭素繊維製造方法。
(1) 一端が閉塞した方形導波管から成る炉体であって、前記方形導波管の前記一端に繊維導出口が形成されるとともに前記方形導波管の他端に繊維導入口が形成されて成る角筒状炉体と、
前記角筒状炉体内にマイクロ波を導入するマイクロ波発振器と、
一端が前記マイクロ波発振器側に接続され、他端が前記角筒状炉体の一端に接続される接続導波管と、
からなる第1炭素化装置と;
(2) 〔1〕に記載の炭素繊維製造装置からなる第2炭素化装置と;
を有することを特徴とする炭素繊維製造装置。
(1) 一端が閉塞した方形導波管から成る炉体であって、前記方形導波管の前記一端に繊維導出口が形成されるとともに前記方形導波管の他端に繊維導入口が形成されて成る角筒状炉体と、
前記角筒状炉体内にマイクロ波を導入するマイクロ波発振器と、
一端が前記マイクロ波発振器側に接続され、他端が前記角筒状炉体の一端に接続される接続導波管と、
からなる第1炭素化装置と;
(2) 〔6〕に記載の炭素繊維製造装置からなる第2炭素化装置と;
を有することを特徴とする炭素繊維製造装置。
前記仕切板が所定間隔で形成されたスリットを有する〔12〕又は〔13〕に記載の炭素繊維製造装置。
(1)耐炎化繊維を第1炭素化炉の前記繊維導入口から前記角筒状炉体内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記角筒状炉体内を走行する前記耐炎化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素含有率が66〜72質量%の中間炭素化繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記中間炭素化繊維を第1炭素化炉の前記繊維導出口から連続的に取り出す中間炭素化繊維取り出し工程と;
(2)前記中間炭素化繊維を第2炭素化炉の前記繊維導入口から前記円筒状炉体内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記円筒状炉体内を走行する前記中間炭素化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記炭素繊維を第2炭素化炉の前記繊維導出口から連続的に取り出す炭素繊維取り出し工程と;
を有することを特徴とする炭素繊維製造方法。
(1)耐炎化繊維を第1炭素化炉の前記繊維導入口から前記角筒状炉体内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記角筒状炉体内を走行する前記耐炎化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素含有率が66〜72質量%の中間炭素化繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記中間炭素化繊維を第1炭素化炉の前記繊維導出口から連続的に取り出す中間炭素化繊維取り出し工程と;
(2)前記中間炭素化繊維を前記断熱スリーブ内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記断熱スリーブ内を走行する前記中間炭素化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記炭素繊維を前記断熱スリーブ内から連続的に取り出す炭素繊維取り出し工程と;
を有することを特徴とする炭素繊維製造方法。
図1は、本発明の第1実施形態の炭素繊維製造装置の一構成例を示す説明図である。図1中、200は炭素繊維製造装置であり、21はマイクロ波発振器である。マイクロ波発振器21には、接続導波管22の一端が接続されており、接続導波管22の他端は炭素化炉27の一端に接続されている。この接続導波管22には、マイクロ波発振器21側から順にサーキュレータ23及び整合器25が介装されている。
図3は、本発明の第2実施形態の炭素繊維製造装置の一構成例を示す説明図である。図3中、400は炭素繊維製造装置である。図1と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。47は炭素化炉である。炭素化炉47は一端が閉塞し、他端が接続導波管22と結合した円筒管である。この炭素化炉47内には、炭素化炉47の管軸と平行軸心を有する断熱スリーブ26が配設されている。断熱スリーブ26の一端には、被炭素化繊維を炭素化炉内に導入する繊維導入口47aが形成されており、他端には、炭素化処理された繊維を取り出す繊維導出口47bが形成されている。炭素化炉47の繊維導出口47b側の内端部には短絡板47cが配設されている。
本発明の第3の実施形態は、上記第1実施形態又は第2実施形態の炭素繊維製造装置の前段に、マイクロ波を用いる予備炭素化炉がさらに配設されている炭素繊維製造装置である。図6は、第1実施形態の炭素繊維製造装置の前段に、マイクロ波を用いる予備炭素化炉がさらに配設されている炭素繊維製造装置の一構成例を示す説明図である。図1と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。図6中、300は炭素繊維製造装置であり、100は第1炭素化装置である。200は第2炭素化装置であり、上記第1実施形態の炭素繊維製造装置200と同一である(第3実施形態においては、200を「第2炭素化装置」ともいう)。11はマイクロ波発振器である。マイクロ波発振器11には、接続導波管12の一端が接続されており、接続導波管12の他端は炭素化炉17の一端に接続されている。この接続導波管12には、マイクロ波発振器11側から順にサーキュレータ13及び整合器15が介装されている。
第1実施形態の炭素繊維製造装置(マイクロ波発振器周波数:2.45GHz、出力:1200W、)を構成した。炭素化炉としては、内径98mm、外径105mm、長さ260mmの円筒導波管を用いた。窒素ガス雰囲気下の炭素化炉内にマイクロ波を導入してTMモードの電磁界分布を形成させた。この炭素化炉内に中間炭素化繊維を0.2m/min.で走行させながら炭素化して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の炭素含有率は90質量%であり、繊維の切断は見られなかった。
第2実施形態の炭素繊維製造装置(第1炭素化装置のマイクロ波発振器周波数:2.45GHz、出力:500W、第2炭素化装置のマイクロ波発振器周波数:2.45GHz、出力:1200W、)を構成した。第1炭素化炉としては、断面が長辺110mm、短辺55mmの矩形の中空構造を有する長さ1000mmの方形導波管を用いた。方形導波管内は、スリットの中心点間距離74mmでスリットが形成された仕切板を配設して内部が二分されている。第2炭素化炉としては、内径98mm、外径105mm、長さ260mmの円筒導波管を用いた。窒素ガス雰囲気下の炭素化炉内にマイクロ波を導入して第1炭素化炉にはTEモード、第2炭素化炉にはTMモードの電磁界分布を形成させた。耐炎化繊維を0.2m/min.で第1炭素化炉、第2炭素化炉の順で走行させながら炭素化して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の炭素含有率は93質量%であり、繊維の切断は見られなかった。
炭素化炉として、断面が長辺110mm、短辺55mmの矩形の中空構造を有する長さ1000mmの方形導波管を用いた他は、実施例1と同様に炭素化した。得られた繊維は炭素含有率が91質量%であったが、繊維の一部に切断が見られた。
炭素化炉内を走行させる被炭素化繊維を耐炎化繊維に変更した他は、実施例1と同様に炭素化したところ、繊維が切断した。
炭素化炉として、断面が長辺110mm、短辺55mmの矩形の中空構造を有する長さ1000mmの方形導波管を用い、且つ炭素化炉内を走行させる被炭素化繊維を耐炎化繊維に変更した他は、実施例1と同様に炭素化した。得られた繊維は炭素化が不十分であった。
炭素化炉として、断面が長辺110mm、短辺55mmの矩形の中空構造を有する長さ1000mmであり且つ、スリットの中心点間距離74mmでスリットが形成された仕切板を配設して内部が二分されている方形導波管を用いた他は、実施例1と同様に炭素化した。第2炭素化装置に供するにふさわしい中間炭素化繊維が得られた。
炭素化炉として、電気炉(マイクロ波を用いない加熱炉)を用い、公知の方法に従って耐炎化繊維を炭素化して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の炭素含有率は95質量%であり、繊維の切断は見られなかった。
炭素化炉として、繊維走行方向に直交する断面の開口部が長辺110mm、短辺55mmである矩形の中空構造を有する炉長260mmの電気炉(マイクロ波を用いない加熱炉)を用い、中間炭素化繊維を0.1m/min.で走行させながら炭素化して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の炭素含有率は95質量%であり、繊維の切断は見られなかった。
図3に記載の炭素繊維製造装置(マイクロ波発振器周波数:2.45GHz)を構成した。炭素化炉としては、内径98mm、外径105mm、長さ260mmの円筒導波管を用いた。断熱スリーブとしては、内径35mm、外径38mm、長さ250mmの円筒形状の白磁管(マイクロ波の透過率=94%)を用いた。窒素ガス雰囲気下の炭素化炉内にマイクロ波を導入してTMモードの電磁界分布を形成させた。マイクロ波発振器の出力は「低」とした。この炭素化炉内に中間炭素化繊維を0.3m/min.で走行させながら炭素化して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の炭素含有率は91質量%であり、繊維の切断は見られなかった。評価結果を表2に示した。
マイクロ波発振器の出力を表2に記載のとおり変更した他は、実施例3と同様に処理して炭素繊維を得た。結果は表2に示した。
繊維導出口から外部に10cm延長した断熱スリーブの外周部に加熱ヒーターを配設した他は、実施例3と同様に処理して炭素繊維を得た。結果は表2に示した。
図3に記載の炭素繊維製造装置(マイクロ波発振器周波数:2.45GHz)を構成した。炭素化炉としては、方形導波管を用いた。方形導波管は、長さ1000mmであり、管軸と直交する断面の開口部が110×55mmであった。断熱スリーブとしては、内径35mm、外径38mm、長さ250mmの円筒形状の白磁管を用いた。窒素ガス雰囲気下の炭素化炉内にマイクロ波を導入してTEモードの電磁界分布を形成させた。マイクロ波発振器の出力は「高」とした。この炭素化炉内に中間炭素化繊維を0.1m/min.で走行させながら炭素化して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の炭素含有率は93質量%であり、繊維の切断は見られなかった。評価結果を表2に示した。
断熱スリーブを設けない他は実施例3と同じ炭素繊維製造装置を用いた。マイクロ波発振器の出力を表2に記載のとおり変更した他は、実施例3と同様に処理して炭素繊維を得た。結果は表2に示した。
断熱スリーブを設けない他は実施例3と同じ炭素繊維製造装置を用いた。中間炭素化繊維の搬送速度を0.1m/min.とした他は、実施例3と同様に処理して炭素繊維を得た。結果は表2に示した。
断熱スリーブを設けない他は実施例7と同じ炭素繊維製造装置を用いて、実施例7と同様に処理して炭素繊維を得た。結果は表2に示した。
200、400・・・炭素繊維製造装置(第2炭素化装置)
300、500・・・炭素繊維製造装置
11、21・・・マイクロ波発振器
12、14、22、24・・・接続導波管
12a、22a・・・導入口
13、23・・・サーキュレータ
15、25・・・整合器
16a・・・マイクロ波導入部
16b・・・繊維走行部
17、27、47・・・炭素化炉
17a・・・繊維導入口
17b・・・繊維導出口
17c・・・短絡板
18・・・仕切板
18a・・・スリット
18b・・・スリットの中心点間距離
26・・・断熱スリーブ
27a、47a・・・繊維導入口
27b、47b・・・繊維導出口
27c、47c・・・短絡板
28・・・円筒導波管内の電界
19、29・・・ダミーロード
30・・・加熱ヒーター
31a・・・耐炎化繊維
31b・・・中間炭素化繊維
31c・・・炭素繊維
32・・・方形導波管内の電界
36・・・方形導波管内の電界
38・・・円筒導波管内の電界
Claims (18)
- 一端が閉塞した円筒導波管から成る筒状炉体であって、前記円筒導波管の前記一端に繊維導出口が形成されるとともに前記円筒導波管の他端に繊維導入口が形成されて成る筒状炉体と、
前記筒状炉体内にマイクロ波を導入するマイクロ波発振器と、
一端が前記マイクロ波発振器側に接続され、他端が前記筒状炉体の一端に接続される接続導波管と、
を含んで成ることを特徴とする炭素繊維製造装置。 - 前記円筒状炉体内の電磁界分布がTMモードである請求項1に記載の炭素繊維製造装置。
- 前記円筒導波管に接続される前記接続導波管内の電磁界分布がTEモードであり、且つ繊維走行方向と平行に電界成分を有する請求項2に記載の炭素繊維製造装置。
- 繊維走行方向と平行に電界成分を有するマイクロ波加熱により炭素化を行うことを特徴とする炭素繊維製造方法。
- 請求項1に記載の炭素繊維製造装置を用いる炭素繊維製造方法であって、
炭素含有率が66〜72質量%の中間炭素化繊維を前記繊維導入口から前記円筒状炉体内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記円筒状炉体内を走行する前記中間炭素化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記炭素繊維を前記繊維導出口から連続的に取り出す炭素繊維取り出し工程と、
を有することを特徴とする炭素繊維製造方法。 - 少なくとも一端が閉塞した導波管から成る筒状炉体と、
前記筒状炉体内にマイクロ波を導入するマイクロ波発振器と、
前記筒状炉体の軸心と平行軸心上に配設され、繊維がその一端から導入されるとともに他端から導出されるマイクロ波透過性の断熱スリーブと、
を含んで成り、
前記断熱スリーブ内部を走行する被炭素化繊維にマイクロ波を照射するように構成して成ることを特徴とする炭素繊維製造装置。 - 前記断熱スリーブのマイクロ波透過率が、常温で90%以上である請求項6に記載の炭素繊維製造装置。
- 前記筒状炉体と前記マイクロ波発振器とが、一端が前記マイクロ波発振器側に接続され他端が前記筒状炉体に接続される接続導波管を介して接続されている請求項6に記載の炭素繊維製造装置。
- 前記筒状炉体が、円筒導波管である請求項6に記載の炭素繊維製造装置。
- 前記断熱スリーブの前記他端側に加熱ヒーターがさらに配設されて成る請求項6に記載の炭素繊維製造装置。
- 請求項6に記載の炭素繊維製造装置を用いる炭素繊維製造方法であって、
炭素含有率が66〜72質量%の中間炭素化繊維を前記断熱スリーブ内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記断熱スリーブ内を走行する前記中間炭素化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記炭素繊維を前記断熱スリーブ内から連続的に取り出す炭素繊維取り出し工程と、
を有することを特徴とする炭素繊維製造方法。 - (1) 一端が閉塞した方形導波管から成る炉体であって、前記方形導波管の前記一端に繊維導出口が形成されるとともに前記方形導波管の他端に繊維導入口が形成されて成る角筒状炉体と、
前記角筒状炉体内にマイクロ波を導入するマイクロ波発振器と、
一端が前記マイクロ波発振器側に接続され、他端が前記角筒状炉体の一端に接続される接続導波管と、
からなる第1炭素化装置と;
(2) 請求項1に記載の炭素繊維製造装置からなる第2炭素化装置と;
を有することを特徴とする炭素繊維製造装置。 - (1) 一端が閉塞した方形導波管から成る炉体であって、前記方形導波管の前記一端に繊維導出口が形成されるとともに前記方形導波管の他端に繊維導入口が形成されて成る角筒状炉体と、
前記角筒状炉体内にマイクロ波を導入するマイクロ波発振器と、
一端が前記マイクロ波発振器側に接続され、他端が前記角筒状炉体の一端に接続される接続導波管と、
からなる第1炭素化装置と;
(2) 請求項6に記載の炭素繊維製造装置からなる第2炭素化装置と;
を有することを特徴とする炭素繊維製造装置。 - 前記角筒状炉体が、前記角筒状炉体の内部をその軸心に沿ってマイクロ波導入部と繊維走行部とに分割する仕切板が配設された角筒状炉体であるとともに、
前記仕切板が所定間隔で形成されたスリットを有する請求項12又は13に記載の炭素繊維製造装置。 - 第1炭素化装置の炉体内の電磁界分布がTEモードであり、第2炭素化装置の炉体内の電磁界分布がTMモードである請求項12又は13に記載の炭素繊維製造装置。
- 前記接続導波管内の電磁界分布がTEモードであり、繊維走行方向と平行に電界成分を有する請求項12又は13に記載の炭素繊維製造装置。
- 請求項12に記載の炭素繊維製造装置を用いる炭素繊維製造方法であって、
(1)耐炎化繊維を第1炭素化炉の前記繊維導入口から前記角筒状炉体内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記角筒状炉体内を走行する前記耐炎化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素含有率が66〜72質量%の中間炭素化繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記中間炭素化繊維を第1炭素化炉の前記繊維導出口から連続的に取り出す中間炭素化繊維取り出し工程と;
(2)前記中間炭素化繊維を第2炭素化炉の前記繊維導入口から前記円筒状炉体内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記円筒状炉体内を走行する前記中間炭素化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記炭素繊維を第2炭素化炉の前記繊維導出口から連続的に取り出す炭素繊維取り出し工程と;
を有することを特徴とする炭素繊維製造方法。 - 請求項13に記載の炭素繊維製造装置を用いる炭素繊維製造方法であって、
(1)耐炎化繊維を第1炭素化炉の前記繊維導入口から前記角筒状炉体内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記角筒状炉体内を走行する前記耐炎化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素含有率が66〜72質量%の中間炭素化繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記中間炭素化繊維を第1炭素化炉の前記繊維導出口から連続的に取り出す中間炭素化繊維取り出し工程と;
(2)前記中間炭素化繊維を前記断熱スリーブ内に連続的に供給する繊維供給工程と、
前記断熱スリーブ内を走行する前記中間炭素化繊維に不活性雰囲気下でマイクロ波を照射して炭素繊維を得るマイクロ波照射工程と、
前記炭素繊維を前記断熱スリーブ内から連続的に取り出す炭素繊維取り出し工程と;
を有することを特徴とする炭素繊維製造方法。
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