JPS58214525A - 炭素繊維の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な耐炎化繊維もしくは炭素繊維の製造法に
係り、さらに詳しくは前駆体繊維（以下、プレカーサと
いう）を高速短時間で生産性よく耐炎化することができ
、しかも力学的性質にすぐれた炭素繊維に転換すること
ができる耐炎化繊維及びそれからの炭素繊維の製造方法
に関する。

従来、炭素繊維はその卓越した力学的、熱的および電気
的性質２、耐薬品性などにより航空機ロケットなどの航
空・宇宙用構造材料から釣竿テニスラケット、ゴルフシ
ャフトなどのスポーツ用品などの広範囲の用途に用いら
れ、さらに自動車、船舶など多くの他の用途においても
構　　　　゛造月料として広く使用されようとしている
。

このような炭素繊維の製造法としては一般に２００〜４
００℃の温度に保たれた酸化性雰囲気中で各種のプレカ
ーサ、たとえばアクリル系繊維、タール・ピッチ又は石
油ピッチ系繊維、レーヨン、ポリビニルアルコール系繊
維などを加熱して耐炎性繊維に転換したのち、少くとも
８００℃の不活性ガス雰囲気中で加熱して炭素化せしめ
る方法が工業的に広く採用されている。しかしながら、
このような炭素繊維の製造法は、その生産性を大きくす
るためにプレカーサを酸化性雰囲気中で高温もしくは急
昇温加熱などを行うと、多量のピッチやタール状物が生
成したり、単、糸間融着が生じて耐炎化糸の品質が低下
し力学的性質の良好な炭素繊維が得らノ１なくなるし、
また、プレカーサの発熱及びその糸条への蓄熱に伴って
１．いわゆる暴走反応が起妙、プレカーサが切断したり
、燃焼する危険性がある。

そこで、この耐炎化時間の短縮のためにプレカーサ素材
はもちろん耐炎化装置および条件について多くの検討が
なされてきたが、耐炎化時間の短縮あるいは急昇温加熱
とそれによって得られる炭素繊維の性能および品質との
矛盾を解消する方法は見出されていないのが現状である
たとえば、特公昭５１−９４１０号公報には加熱炉内を
プレカーサの加熱帯域とプレカーサを連続的に移動させ
るためのローラ奮収納する帯域と金隔離し、ローラ収納
帯域を該加熱帯域よりも低温に保ちプレカーサを焼成す
るこちによって、プレカーサがローラに接触するときの
融着防止および加熱帯域で発生するタールのローラの付
着防止を図り、加えて熱効率の向上を図ることができる
旨記載されている。

しかしながら、この方法は従来のいわゆる炉外ローラ又
は炉内ローラ方式の加熱炉を用いた焼成方法に比べれば
有効かも知れないが、プレカーサの実質的な酸化反応が
前記加熱帯域で起ることには変りはなく、炭素繊維の物
性に大きな影響を及ぼす該酸化性雰囲気温度の制御には
従来の炉外又は炉内ロール方式加熱炉と変るところにな
いと云える。

また、特公昭５３−２１３９６号公報にはプレカーサを
酸化性雰囲気より高温に加熱された加熱体に間欠的に接
触させて酸化繊維に転換することにより大巾な酸化時間
の短縮が可能になることが記載されている。しかしなが
ら、この方法は確かに耐炎化時間の短縮には極めて有効
であるが、大量のプレカーサの耐炎化には限界がある。

また、耐炎化反応の進行がほとんど加熱ローラ表面上で
起るために、ローラ温度を高く設定せざるを得す、必然
的に耐炎化糸の品質を劣化させ、良好な力学的性質を有
する炭素繊維を得ることが難しくなる。

本発明は前述したプレカーサの高速耐炎化における問題
点並びに上記公知の各種耐炎化の限界を打破する新規な
炭素繊維の製造法を提供するものである。

すなわち、本発明の目的はプレカーサの高速短時間的Ｊ
炎化を可能にすることにあり、他の目的は酸化性雰囲気
温度並びに該雰囲気中で加熱されるプレカーサの温度制
御が容易で、エネルギー効率が高く、高性能、高品質の
炭素繊維に転換しうる酸化繊維糸条の製造法を提供する
にある。

このような本発明の目的に前記特許請求の範囲に記載し
た発明により達成することができる。

本発明に用いるプレカーサとしては特に限定されるもの
ではなく、各種有機重合体繊維、ピッチ系繊維、セルロ
ース系繊維などがあるが、高強伸度、高　性基の炭素繊
維の製造用であるアクリル系繊維が好ましい。

本発明は、高温酸化性雰囲気中でプレカーサを加熱して
酸化繊維に転換する点では従来の方法と変りはないが、
該酸化性雰囲気中で加熱されるプレカーサの温度を制御
し、耐炎化時間の短縮と同時に高品質高性能炭素繊維の
製造に有利な酸化繊維に転換する点に特長がある。

この本発明の特長である酸化性雰囲気での焼成に際して
プレカーサの温ｍｌをコントロールする冷却用ロールと
しては当該酸化性雰囲気温度に耐える耐熱性を有し、ロ
ーラ表面を冷却する機構を有するものであればよく、特
に限定されないか、１例を第１図に示す。

すなわち、第１図は本発明の酸化性雰囲気加熱炉中に設
ける冷却用ローラの１態様を示す側断面図であり、図に
おいて、（１）はローラ表面、Ｑ）ハロータリー・ジヨ
イント、（３）はローラ回転軸、（４）は熱媒、（５）
は熱媒導入口、（６）は熱媒排出口、（７）は熱媒部お
よび（８）は熱媒循環モータを示す。

図に示すように、ローラの表面温度はローラ内の熱媒（
４）によってフントロールされ、該熱媒（４）は±２℃
の温度に熱媒温度をコントロールすることができる熱媒
部（７）から循環モータ（８）によって耐熱性のロータ
リー・ジヨイント（２）を通してローラ内を循環せしめ
られる。この場合に、ローラの長軸方向における温度分
布は±３℃以下になるように制御するのがよい。この制
御はたとえばローラ内の熱媒の流量を制御することによ
って行うことができる。

前記冷却用ローラはプレカーサの炉内移動用ローラとし
て兼用してもよいし、これらのプレカーサの移動用ロー
ラは従来公知炉外又は炉内ローラとし、該冷却ローラは
独立して加熱炉に設けてもよいが好ましくは前者が装置
的に有利である。

本発明において、前記冷却用ローラを備えた加熱炉内を
走行するプレカーサは炉内の酸化性雰囲気により加熱さ
れ、この加熱によってプレカーサの温度が上昇し、発熱
反応である酸化反応が行われるが、炉内の冷却用ローラ
に間欠的に接触することにより昇温したプリカーサは瞬
間的に冷却され、該プリカーサが酸化雰囲気温度を越え
る温度に昇温するのを防止することができる。

そして、該グリカーサの温度を冷却用ローラとの間欠的
接触により約５〜３０℃以下に低下せしめるときは、プ
レカーサへの蓄熱防止効果が大きくなるために、プレカ
ーサの単糸内融着や不均一酸化反応などを抑制すること
ができ、炭素繊維の物性、性能および品質の向上に有利
に作用する。そしてこのようなプレカーサの糸条温度を
コントロールし、その融着、蓄熱を有効に防止すること
ができるために、酸化性雰囲気温度をより高温に設、定
することが可能となり、炭素繊維製造工程におけるプレ
カーサの耐炎化進行速度を大きくし、生産性を著しく向
上させることが可能になるのである。

しかしながら、該プレカーサの冷却用ローラへの接触時
間はプレカーサの太さく厚さ）、大きさく中）およびロ
ーラ径にもよるが通常接触１回当り約０．１〜３秒の範
囲内にするのがよく、約３秒よりも大きくなると糸条の
昇温効率が低下して、熱効率が低くなるし、約ｏ、　ｉ
秒よりも小さくなると冷却効果の上で不十分となるので
好ましくない。

しかしながら、該プレカーサの焼成によって発生するタ
ール状物が冷却用ローラに付着、堆積するのをより少な
くするためには、該プレカーサとしてタール分生成量が
５％以下の予備熱処理を施したプレカーサを用いるのが
よい。

こ＼で、予備熱処理としては、プレカーサを巻取る前に
１５０〜２４０℃の加熱ローラ表面に２秒〜２分間接触
させる方法が有利である。しかし、タール分生成量が５
％以下になる前処理方法であれば、これに限定されるこ
となく適用することができる。

なお、タール分生成量はプレカーサを２５０℃の酸化性
雰囲気中て５分間加熱し、その加熱前後の重量差から求
められる百分率（重量％）により表示される値である。

以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。

実施例１ ６０００Ｄ−６００，０フイラメントのアクリル系繊維
糸条を第１図に示す直径２００ｍｍｇの冷却用ローラ対
を該糸条の炉内移動用カイトローラとして設け、炉内温
度を２６０℃に保った熱風循環式加熱炉中で１８分間焼
成した。冷却用ローラの表面温度は２５０℃に設定し、
糸条が冷却用ローラに接触する時間を１回の接触当り１
．９秒接触回数合計１３０回に制御した。また、プレカ
ーサの炉内移動速度は１０　′ｔ／ｆ＋に設定した。

得られた耐炎化糸の引張強伸度、平衡水分率、毛羽発生
状況およσ単糸間融着の程度を第′１表に示す。

次に、この耐炎化糸’１１２５０℃の窒素雰囲気中で加
熱して炭化し、炭素繊維を作成した。

得られた炭素繊維の物性を第１表に示す。

実施例２ 実施例１において、プレカーサの炉内移動速度を変更し
、プレカーサの冷却用ローラへの接触時間を第２表に示
す通り変更し、他は実施例１と同様にして耐炎化および
炭化した。得られた耐炎化糸および炭素繊維の物性を第
２表に示した。

実施例３ 実施例１において、プレカーサを５０時間に亘つ熱風循
環式加熱炉で連続的に加熱、焼成したところ、冷却用ロ
ーラ表面にタール状物の（＝ｊ着が認められ、耐炎化糸
の汚染や毛羽の発生が認められた。

そこで、−１旦焼成を中止し、冷却用ローラ、炉内を清
掃した後、プレカーサとして予かしめ２４０℃の表面温
度を有する熱処理ローラに２係の収縮を与えながら２分
間接触させることにより、タール分生成量が３．１％で
ある繊維糸条を作成し、この糸条を同様にして連続耐炎
化を行った結果、３０日間の連続運転を行うことができ
た。また、３０日間焼成した後の耐炎化糸および炭素繊
維の物性も第３表に示す通りであった。

比較例１ 実施例１において、冷却用ローラを冷却しないで隔壁で
仕切り、この仕切られた帯域には２５０℃の空気を送入
、循環１させてこの帯域でプレカーサを冷却しなから耐
炎化したところ、冷却用ローラの表面温度が蓄熱のため
に、加熱開始後約１５分で２６５℃に達した。そこで、
ローラ表面温度が２６０℃以下に保たれるように、冷却
空気の温度をコントロールして仕切られた帯域の温度を
２４５℃にした結果約１８分間の熱処理では十分にプレ
カーサを耐炎化することができず、５５分間加熱するこ
とによって、はじめてマツチの炎に曝しても燃えること
がない耐炎化糸を得ることができた。しかも、この耐炎
化糸およびそれから得られた炭素繊維の物性は第４表に
示す通り不十分なものであった。

第４表

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱風循環式加熱炉に用いる冷却用ロー
ラの１例を示す側断面図である。 特許出願人　　東　し　株　式　会　社茶ｌ　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　連続繊維糸条を２４０〜４００℃の酸化性雰
   囲気中で加熱して酸化繊維糸条に転換するに際して、該
   酸化性雰囲気内に酸化性雰囲気温度に耐える連続繊維糸
   条の冷却用ロールを設けて、該ロールに連続繊維糸条を
   間欠的に接触させながら加熱することを特徴とする炭素
   繊維の製造法。 （２、特許請求の範囲第１項において、該冷却用ロール
   による連続繊維糸条の糸条温度の低下が約５〜３０℃の
   範囲内である炭素繊維の製造法。 （３）特許請求の範囲第１〜２項において、連続繊維糸
   条がタール分生成量約５％以下の予備熱処理繊維糸条で
   ある炭素繊維の製造法。