TW202012295A - 丙烯酸系紗線卷裝 - Google Patents

Abstract

為了提供一種在將總纖度大的丙烯酸系紗線捲取至芯筒時，搬運時不會發生卷崩塌的丙烯酸系紗線卷裝，而實現一種丙烯酸系紗線卷裝，其為將總纖度為8000 dtex以上的丙烯酸系紗線捲繞至筒管而成的卷裝，卷裝上的丙烯酸系紗線的紗寬為0.22 mm/1000 dtex以上，並且所述丙烯酸系紗線卷裝的硬度為60以上。

Description

丙烯酸系紗線卷裝

本發明是有關於一種丙烯酸系紗線的卷裝，並且是有關於一種卷形狀良好且搬運時或舒解時故障（trouble）少的丙烯酸系紗線卷裝。特別是本發明適宜作為碳纖維製造中使用的丙烯酸系前驅體紗線卷裝。

聚丙烯腈系長纖維不僅被用於衣料，近年來亦被用作碳纖維的前驅物（precursor），所以為了獲得性能優異的碳纖維或提高其生產性而揭示了大量的改善技術。

碳纖維是藉由將所述前驅物即丙烯腈系纖維紗線在對其進行紡紗的製紗步驟中暫且捲取後送至煆燒步驟，經過在200℃～300℃的空氣環境中對該纖維進行加熱煆燒而將其轉換為氧化纖維的耐火化步驟、在氮及/或氬及/或氦等惰性氣體中進一步加熱至300℃～3000℃而進行碳化的碳化步驟而獲得，作為複合材料的強化纖維而廣泛地用於航空宇宙用途或運動用途、一般產業用途等。

碳纖維一般而言是以包括單紗數為1000根以上的長絲的複絲為一個紗線單元，但因與作為後步驟的煆燒步驟的生產紗線速度之差，作為原料的丙烯酸系紗線一般是暫且在製紗步驟中捲取後被送至煆燒步驟。為了提高煆燒步驟中的生產性，有效的是增加每一次中可處理的丙烯酸系紗線的量，但丙烯酸系紗線通常被捲取至芯筒（core bobbin），因此若在一個筒管（bobbin）上捲取大量的紗線，則存在向煆燒步驟搬運時筒管沿垂直方向下垂或端面的鼓起變大而發生如在煆燒步驟中成為舒解不良般的卷崩塌的情況。

在碳纖維前驅體用的丙烯酸系紗線卷裝中，為了在捲取時獲得良好的卷形狀，而對錐角或捲取張力等捲取條件進行規定的技術在專利文獻1中有所記載，但關於輸送時的卷崩塌無記載。而且，針對33000 dtex以上的粗大丙烯酸紗線，藉由採用特定的紗寬、紗線位移比例（yarn shift ratio）而獲得良好的卷形狀的技術在專利文獻2中有所記載，但只要不在捲取前對紗線賦予水分而提升集束性，便不能完全防止卷形狀的惡化或舒解時的故障，在輸送時亦存在發生卷崩塌的問題，並且由於由水分賦予引起的運行成本（running cost）的增加或、質量的增加，不適合於長距離的移動成為課題。

進而，為了防止輸送時的卷崩塌，而在總纖度為數十～數百dtex左右的纖維中對卷裝的硬度進行規定的技術在專利文獻3或專利文獻4中有所記載，但並不能直接應用於超過1000 dtex般的總纖度大的碳纖維前驅體用的丙烯酸系紗線卷裝。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平11-263534號公報 [專利文獻2]日本專利特開2002-3081號公報 [專利文獻3]日本專利特開昭51-23322號公報 [專利文獻4]日本專利特開2005-273106號公報

[發明所欲解決之課題] 本發明解決此種以往技術的問題點，並且課題在於提供一種在將總纖度大的丙烯酸系紗線捲取至芯筒時，搬運時不會發生卷崩塌的丙烯酸系紗線卷裝。

[解決課題之手段] 本發明為了解決所述課題而採用如下手段。即，本發明的丙烯酸系紗線卷裝為將總纖度為8000 dtex以上的丙烯酸系紗線捲繞至筒管而成的卷裝，卷裝上的丙烯酸系紗線的紗寬為0.22 mm/1000 dtex以上，並且所述丙烯酸系紗線卷裝的硬度為60以上。

[發明的效果] 在本發明中，可提供一種在將總纖度高的丙烯酸系紗線捲取至芯筒時，向下一步驟搬運時亦不會崩塌的、卷形狀良好的丙烯酸系紗線卷裝。

本發明對所述課題、即在將總纖度高的丙烯酸系紗線捲取至芯筒時，搬運時亦不會崩塌的卷形狀良好的碳纖維前驅體丙烯酸系粗大紗線卷裝進行了積極研究，查明了藉由將卷裝的紗寬及硬度設為一定以上來解決所述課題。

本發明中所使用的碳纖維前驅體丙烯酸系紗線包括將所謂丙烯酸系聚合物例如較佳為丙烯腈90質量%以上、不足10質量%的共聚單體（comonomer）聚合而成的聚合物。作為所述共聚單體，可使用選自丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸或該些的甲酯、乙酯、丙酯、丁酯、鹼金屬鹽、銨鹽、或者烯丙基磺酸、甲基烯丙基磺酸、或該些的鹼金屬鹽等中的至少一種。

所述丙烯酸系聚合物是使用公知的聚合方法例如乳化聚合、懸浮聚合、溶液聚合等聚合法而獲得，進而在由該些聚合物來製造丙烯酸系纖維時，例如將包含選自二甲基乙醯胺、二甲基亞碸（以下，稱為DMSO）、二甲基甲醯胺、硝酸、氯化鋅、硫氰化鈉（Sodium rhodanide）水溶液中的溶媒的聚合物溶液作為紡紗原紗，藉由濕式紡紗法或乾式紡紗法來進行紡紗。

經紡紗的紗線其後被供於浴中延伸，但浴中延伸可對紡出的紗直接進行，亦可在對紡出的紗進行一次水洗，去除溶媒後進行。所述浴中延伸較佳為在50℃～98℃的延伸浴中延伸至約2倍～6倍，延伸後，較佳為賦予油劑，利用加熱輥等進行乾燥緻密化後，供於蒸汽（steam）延伸，之後捲取至芯筒而成為卷裝。

在捲取至所述卷裝時，可將多個紗線併線幾根後捲取，為了提升碳纖維的生產性，有效果的是對多長絲紗線進行一次煆燒，所以本發明中捲取的紗線的總纖度為8000 dtex以上。而且，為了避免輸送時的質量增加，紗線的水分率較佳為3%以下。關於自卷裝整體的質量減去筒管質量及水分量後的丙烯酸系紗線的總量，為了減少煆燒步驟中的丙烯酸系紗線架設次數提高作業效率，以大為佳，以使其較佳為成為120 kg以上，進而佳為成為200 kg以上的方式捲取。

為了消除搬運時的卷崩塌，重要的是將藉由硬度計（durometer）測定出的筒管端部的硬度設為60以上。若硬度不足60，則卷裝容易鬆弛，而容易發生搬運時的卷崩塌或舒解時的繞紗掉落。為了將硬度設為60以上，可藉由將捲取時的紗線的張力設為恰當的值來達成。在大量紗線的捲取中，一般是自大的張力逐漸地降低張力來捲繞，但其數值可根據紗線的纖度或長絲數而採用恰當的值。

而且，在本發明的丙烯酸系紗線卷裝中，需要將卷裝上的丙烯酸系紗線的紗寬設為0.22 mm/1000 dtex以上來捲取。若紗寬小於0.22 mm/1000 dtex，則紗的厚度變大，在與相鄰的紗線之間出現紗線偏移的間隙，搬運時容易出現卷崩塌。而且，若紗寬大於0.54 mm/1000 dtex，則紗線的收斂性變差，有時在煆燒步驟中舒解時發生繞紗掉落或單紗的纏繞等故障，因此卷裝上的丙烯酸系紗線的紗寬較佳為設為0.22 mm/1000 dtex～0.54 mm/1000 dtex的範圍。將卷裝上的紗寬設為所述範圍的方法並無特別限定，在利用捲取機來捲取紗線時，適宜使用在使集束用的自由輥群通過一定以上後捲取的方法。

在本發明的丙烯酸系紗線卷裝中，若丙烯酸系紗線的靜摩擦係數不足0.13，則即便將紗寬或硬度控制為特定的條件來防止卷崩塌，亦存在在捲取時發生端面鼓起的情況，因此較佳為藉由賦予適當的種類、量的油劑，將靜摩擦係數設為0.13以上。

而且，在本發明的丙烯酸系紗線卷裝中，較佳為將紗線位移比例設為15%～59%，將卷裝上的錐角（taper angle）設為6°～14°的範圍。紗線位移比例是在卷裝上在最接近的地方平行地通過的兩根紗線中，紗線位移量（yarn shift length）S相對於紗寬T的比例。即，此紗線位移比例是利用圖1中所示的（S/T）×100求出。若使用圖1對其進行概念性的說明，則丙烯酸系紗線4是相對於丙烯酸系紗線3而言，在丙烯酸系紗線卷裝1上在最接近的地方平行地通過的紗線，此丙烯酸系紗線3與丙烯酸系紗線4的紗線位移量S相對於紗寬T的比例。另外，紗寬T及紗線位移量S是分別藉由後述的方法進行測定的值。

而且，錐角如圖1所示，是與芯筒2的軸垂直的直線（與芯筒軸向垂直的線α）跟纏繞的丙烯酸系紗線4的方向所成的角度（θ）。

紗線位移比例及錐角通常可藉由將每1次紗線橫動中的捲取機主軸（spindle）轉速、所謂捲繞比（Wind ratio）設為恰當的值來進行控制。若捲繞比為整數，則在1次橫動的前後通過完全相同的紗道，因此藉由將捲繞比的小數部分設為恰當的值，使1次橫動前後的紗道錯開，可控制紗線位移比例。而且，藉由將亦包含整數部分的捲繞比整體的大小設為恰當的值，可控制錐角。關於紗線位移比例，若小於15%，則成為起伏大的卷裝，即便加大捲取張力亦存在硬度下降的情況，而在搬運時容易出現卷崩塌。而且，若紗線位移比例大於59%，則內層紗與外層紗相接的面變小，所以因捲取時的外層紗的按壓，內層紗滑動而被擠出至外部，端面鼓起。因此，藉由使紗線位移比例成為15%～59%的範圍，可將硬度與端面形狀這兩者設為良好的數值，較佳。

而且，若錐角小於6°，則容易發生舒解時的繞紗掉落，而若錐角大於14°，則端面鼓起變大，因此錐角較佳為設為6°～14°的範圍內。若固定捲繞比來進行捲繞，則隨著捲繞至芯筒的卷裝的直徑變大，錐角呈線性減少，所以藉由根據紗線捲取量在捲取中改變捲繞比，可將錐角保持為一定的範圍內來捲取。例如，藉由實現如使主軸驅動與橫動驅動獨立，偵測主軸轉速後，以成為設定捲繞比的方式運算後，控制橫動驅動轉速般的機構，可在捲取的過程中根據捲取量自由地設定捲繞比。實施例

以下，示出實施例及比較例對本發明進行詳細的說明。接下來說明實施例及比較例中使用的測定方法。

＜總纖度＞ 自作為測定對象的卷裝採集樣本紗線20 m，利用依據JIS L1013：2010的方法求出總纖度。

＜靜摩擦係數＞ 自作為測定對象的卷裝採集樣本紗線1.5 m，纏繞至採取後的卷裝。此時，沿著卷裝的圓周面纏繞至卷裝的中央。以與卷裝的接觸角成為540°的方式纏繞樣本紗線後，在樣本紗線的兩端分別安裝150 g的紡錘。其後，不斷增加該紗的一端側的紡錘的質量，測定該紗開始在分離輥（separate roller）上打滑時的質量，利用下式求出。 靜摩擦係數（μs）=3/π×Ln(T1/150) π：圓周率 T1：開始打滑時的紡錘的質量（g）。

＜紗寬＞ 針對卷裝上的丙烯酸系紗線的紗寬，使用遊標卡尺測定距卷裝兩端2 cm內側的部位（以下稱為兩端部）、中央、兩端部與中央之間共計5處，將除以總纖度而得的值作為紗寬。

＜紗線位移比例＞ 針對在卷裝上在最接近的地方平行地通過的兩條紗線，針對圖1中所示的紗線位移量（S），使用遊標卡尺測定卷裝的兩端部、中央、兩端部與中央之間共計5處，將其平均值除以紗寬而得的值作為紗線位移比例。

＜錐角範圍＞ 一面舒解捲繞完成的卷裝，一面每隔10 kg在卷裝中央測定與圖1中所示的芯筒2的軸向垂直的直線（α）跟纏繞的紗線4的方向所成的角度（θ）直至完全不再存在紗線，將測定值的範圍作為錐角範圍。

＜硬度＞ 使用高分子計量器（股）公司製造的硬度試驗機（HARDNESS TESTER）「Type C」（多孔塑膠與紗線卷裝（Cellular Rubber & Yarn Package）用），測定距卷裝的兩端部2 cm內側的2處，將其平均值作為紗線卷裝的硬度。

＜輸送時卷崩塌＞ 使丙烯酸系紗線卷裝通過帶有主軸的台車，對1個丙烯酸系紗線卷裝實施1次依據JIS Z0232：2004的輸送振動試驗，利用以下的2水準來判定卷崩塌的有無。 ○：端面鼓起未增加5.0 mm以上或、翹曲未增加10 mm以上。 ×：端面鼓起增加5.0 mm以上或、翹曲增加10 mm以上。

另外，測定圖2所示的、自連結卷裝上部的兩端的直線5至經過卷裝上部的曲線6上的最遠的地點的距離（U），作為翹曲U。

＜端面鼓起＞ 自卷裝的兩側面分別測定圖1所示的、相對於卷裝最表面的紗線橫動寬度（Traverse width）（L）而言卷裝的側面最向外鼓起的地點的高度即端面鼓起量（k1、k2），將其平均值作為端面鼓起。

＜舒解時故障＞ 將在將卷裝架設於筒子架並全部舒解時未發生繞紗掉落或單紗的纏繞者設為○，將發生者設為×。

（實施例1） 將包含丙烯腈99.6質量%、衣康酸0.4質量%的固有黏度[η]為1.80的丙烯酸系聚合物的19%DMSO溶液作為紡紗原液，使用孔數6000的模口，在包含DMSO30%、水70%的8℃的凝固浴中進行乾濕式紡紗，獲得凝固紗。將該凝固紗一面水洗一面在熱水中延伸至2.8倍，進而進行水洗直至殘存的DMSO在紗中成為0.01%以下，之後賦予矽酮系的油劑，在150℃～160℃下進行乾燥緻密化。繼而在加壓蒸氣中施加4.3倍延伸後再次進行乾燥。將6000長絲紗線併線2根，而將12000長絲、總纖度13300 dtex的紗線利用捲取機在表1中所示的紗寬、紗線位移比例、錐角範圍下，以自卷裝整體的質量減去筒管質量及水分量後的丙烯酸系紗線的總量成為120 kg的方式捲取至外徑為145 mm的纖維強化塑膠（fiber reinforced plastics，FRP）製芯筒上。另外，水分量是藉由將要捲取的紗線預先採集約12 m，利用依據JIS L1013：2010的方法測定水分率，並乘以所捲取的紗線量而求出。

結果，如表1所示，為無輸送時的卷崩塌的良好的卷裝。

（實施例2～實施例5、比較例1～比較例4） 除了將自卷裝整體的質量減去筒管質量及水分量後的丙烯酸系紗線的總量設為240 kg以外，以與實施例1同樣的方式，變更捲取時的紗寬、捲取機的捲繞比或張力，在表1中所示的紗寬、紗線位移比例、錐角範圍下捲取。

結果，如表1所示，關於實施例2～實施例5，為無輸送時的卷崩塌的良好的卷裝，關於實施例4，捲取時的紗線位移比例大至60%以上，內層紗與外層紗相接的面變小，所以捲取時外層紗按壓內層紗而內層紗滑動而被擠出至外部，藉此成為端面鼓起大的卷裝。而且，關於實施例5，紗寬大至0.55 mm/1000 dtex以上，紗線的收斂性差，所以在煆燒步驟中在舒解時發生了繞紗掉落或單紗的纏繞。關於比較例1～比較例3，對比實施例2，硬度不足60，在輸送時發生了的卷崩塌。關於比較例4，對比實施例2，紗寬不足0.22 mm/1000 dtex，在輸送時發生了的卷崩塌。

（實施例6、實施例7） 除了調整油劑的附著量而變更了紗線的靜摩擦係數以外，以與實施例2同樣的方式，在表1中所示的紗寬、紗線位移比例下捲取。結果如表1所示，為無輸送時的卷崩塌的良好的卷裝。關於實施例6，靜摩擦係數低至不足0.13，捲取時發生了紗的橫滑，成為端面鼓起大的卷裝。

（實施例8） 除了將6000長絲紗線併線4根以外，以與實施例2同樣的方式，將24000長絲、總纖度26600 dtex的紗線在表1中所示的紗寬、紗線位移比例下捲取。

結果，如表1所示，為無輸送時的卷崩塌的良好的卷裝。

（實施例9） 除了將加壓蒸氣中的延伸倍率設為3.9倍以外，以與實施例8同樣的方式，將24000長絲、總纖度29100 dtex的紗線在表1中所示的紗寬、紗線位移比例下捲取。

結果，如表1所示，為無輸送時的卷崩塌的良好的卷裝。

（實施例10） 除了將單紗纖度0.74 dtex的6000長絲紗線併線6根以外，以與實施例2同樣的方式，將36000長絲、總纖度26600 dtex的紗線在表1中所示的紗寬、紗線位移比例下捲取。

結果，如表1所示，為無輸送時的卷崩塌的良好的卷裝。

[表1]

1:丙烯酸系紗線卷裝 2:芯筒 3:丙烯酸系紗線 4:丙烯酸系紗線 5:連結卷裝上部的兩端的直線 6:經過卷裝上部的曲線 L:紗線橫動寬度 k1、k2:端面鼓起量 S:紗線位移量 T:紗寬 U:翹曲 θ:錐角 α:與芯筒軸向垂直的線

圖1是表示丙烯酸系紗線卷裝的示意圖。 圖2是表示在中央發生了翹曲的丙烯酸系紗線卷裝的示意圖。

1:丙烯酸系紗線卷裝

2:芯筒

3:丙烯酸系紗線

4:丙烯酸系紗線

L:紗線橫動寬度

k1、k2:端面鼓起量

S:紗線位移量

T:紗寬

θ:錐角

α:與芯筒軸向垂直的線

Claims (4)

1. 一種丙烯酸系紗線卷裝，其為將總纖度為8000 dtex以上的丙烯酸系紗線捲繞至筒管而成的卷裝，卷裝上的丙烯酸系紗線的紗寬為0.22 mm/1000 dtex以上，並且所述丙烯酸系紗線卷裝的硬度為60以上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的丙烯酸系紗線卷裝，其中丙烯酸系紗線的總量為120 kg以上。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的丙烯酸系紗線卷裝，其中丙烯酸系紗線的靜摩擦係數為0.13以上。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的丙烯酸系紗線卷裝，其中卷裝上的丙烯酸系紗線的紗寬為0.22 mm/1000 dtex～0.54 mm/1000 dtex，紗線位移比例為15%～59%，錐角為6°～14°。

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