(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファンにより酸化性気体を循環せしめる循環系を有する酸化処理炉において、該ファンの排出側に、ファンの吸引風量の１３〜１００％の風量を排出可能であり開閉機構を備えた排気口を有し、その下流側に開閉機構を備えた給気口を有し、かつ該排気口と該給気口との間の循環ダクトの連通を遮断可能とする切替弁を設けてなる炭素繊維製造用酸化処理炉。
【請求項２】
請求項１記載の酸化処理炉の運転開始前にファンの吸引風量の一部を排気口より排気せしめて後、前駆体糸条を該酸化処理炉で酸化処理せしめ、ついで炭化処理する、炭素繊維の製造方法。
【請求項３】
ファンの吸引風量の１３〜１００％の風量を排気口より排気する、請求項２記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項４】
ファンの吸引風量の一部を排気口より排気せしめることにより、酸化処理炉内の粉塵量を１０個／ｃｍ3以下とする、請求項２または３記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項５】
ファンにより酸化性気体を循環せしめる循環系を有し、かつ循環系に排気口を設けてなる炭素繊維製造用酸化処理炉の運転開始前に、酸化性気体に振動を付与しつつ、ファンの吸引風量の一部を排気口より排気せしめて後、前駆体糸条を該酸化処理炉で酸化処理せしめ、ついで炭化処理する炭素繊維の製造方法。
【請求項６】
低周波音波により酸化性気体に振動を付与する、請求項５記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項７】
気体を噴射して酸化性気体に振動を付与する、請求項５記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項８】
ファンの回転数を変動させて酸化性気体に振動を付与する、請求項５記載の炭素繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度の炭素繊維の製造に適した酸化処理炉およびその炉を用いた炭素繊維の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維はその優れた機械的特性を有しているため、航空宇宙用途、レジャー用途、一般産業用途などに広く使用されている。これらの分野において比強度、比弾性率が高いことは重要である。特に、かかる特性を安定して得ることができる技術を確立することは極めて重要である。
【０００３】
炭素繊維の弾性率は主に炭化工程または黒鉛化工程の温度やかかる工程での糸条の延伸比を変えること等により、所望の特性を得るよう制御することができる。
【０００４】
一方、炭素繊維の引張強度は、前駆体繊維に付与する油剤や単繊維径等、前駆体繊維としての特性や、酸化処理や炭化処理などの焼成工程での温度等が影響する。又、炭素繊維のような脆性物質の引張強度は欠陥に支配されやすいので、焼成工程で発生または持ち込まれる粉塵やガスの滞留をなくすことが重要であり、特に、空気などの大量の活性雰囲気と接触する酸化処理工程ではその雰囲気の清浄度は極めて重要である。
【０００５】
通常、炭素繊維の酸化処理炉では、熱エネルギーの損失を小さくするために、加熱機などにより加熱した空気などの活性気体をファンにより酸化処理炉内に送気し、それを炉から抜き出して加熱機に送るという、いわゆる循環系を有している。このような炉では、長期に運転を続けると、例えば前駆体繊維に付与されることの多いシリコーン系油剤に起因したシリカ等や、前駆体繊維や空気が炉外から持ち込む粉塵のため、循環熱風中の粉塵量が増加していき、やがて得られる炭素繊維の引張強度が低下するようになる。粉塵のなかで特に炭素繊維の引張強度に対し有害であるのは鉄、アルミニウム、クロム、マグネシウム等の金属元素であるが、かかる金属元素は単体で存在するよりもむしろ前記シリカなどと何らかの結合を伴って存在するものと推定される。したがって、一定期間運転を続けた炉は、一旦停機して、系内の粉塵を取り除いた後、さらに運転を再開せしめるという手順を踏む必要がある。
【０００６】
しかし、一旦停機後、系内の粉塵を除去したつもりでも、運転を再開すると、運転再開当初に、得られる炭素繊維の引張強度が大きく低下する現象が起こる。
【０００７】
さらに系内の粉塵の除去を強化するため、多くの要員、時間をかけることも考えられるが、コストの高騰につながるばかりか、大量生産用の大型の設備の場合には、かかる設備からサブミクロンレベルの粉塵を効果的に除去せしめることはきわめて困難であった。
【０００８】
本発明者らは、かかる問題点に鑑み、鋭意検討の結果、酸化処理炉内に存在する粉塵を効率的に除去するのに適した方法を見いだし、本発明を完成するに至ったのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記問題点を解決すること、すなわち一旦停機後、酸化処理炉に存在する粉塵を容易に除去でき、それにより高強度の炭素繊維を安定的に製造し得る装置および方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の酸化処理炉は、上記課題を達成するため次の構成を有する。すなわち、ファンにより酸化性気体を循環せしめる循環系を有する酸化処理炉において、該ファンの排出側に、ファンの吸引風量の１３〜１００％の風量を排出可能であり開閉機構を備えた排気口を有し、その下流側に開閉機構を備えた給気口を有し、かつ該排気口と該給気口との間の循環ダクトの連通を遮断可能とする切替弁を設けてなる炭素繊維製造用酸化処理炉である。また、本発明の炭素繊維の製造方法は、上記課題を達成するため次の構成を有する。すなわち、上記酸化処理炉の運転開始前にファンの吸引風量の一部を排気口より排気せしめて後、前駆体糸条を該酸化処理炉で酸化処理せしめ、ついで炭化処理することを特徴とする炭素繊維の製造方法である。さらに、本発明の炭素繊維の製造方法は、上記課題を達成するため次の構成を有する。すなわち、ファンにより酸化性気体を循環せしめる循環系を有し、かつ循環系に排気口を設けてなる炭素繊維製造用酸化処理炉の運転開始前に、酸化性気体に振動を付与しつつ、ファンの吸引風量の一部を排気口より排気せしめて後、前駆体糸条を該酸化処理炉で酸化処理せしめ、ついで炭化処理する炭素繊維の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１２】
酸化処理炉を一旦停機後、運転を再開すると、運転再開当初に、得られる炭素繊維の引張強度が低下するのは、炉内の辺境部に堆積した粉塵が、ファンの運転開始時の強い突発的な循環風により再浮遊して炉内の粉塵量が増加するためと考えられる。したがって、ファンの運転開始後に再浮遊した粉塵を除去することが必要である。
【００１３】
本発明の酸化処理炉の一例を図２に示す。炭素繊維の前駆体繊維を酸化処理するのに必要な酸化性気体を循環せしめるためのファン４を有する循環式の酸化処理炉であって、その循環系ダクト１０の一部に排気口６を有する。これにより酸化処理炉の運転開始前にファンの風圧を用いて粉塵を排出できる。通常の運転中は、酸化性気体を効率よく循環させることができるように、排気口を閉じておけるような開閉機構を有していることが好ましい。通常運転時の循環用のファンを粉塵排出用のファンとして利用するためには、図１のように、該ファンの排出側の循環系ダクトに排気口を設けるのが好ましい。
【００１４】
また、図２および図３に示すように、排気口６だけでなく給気口７を併せて設けておくと、後述するように切り替え弁８、８’を用いて循環と排気を繰り返して行えるのでより好ましい。
【００１５】
排気口の開口面積は、循環系と排気系の圧力損失などを考慮して決定することができ、それによりファンの吸引風量の１３〜１００％を排気可能とすることが好ましい。ファンの吸引風量は、ファンの吸引側での風速を風速計で測定しそれに循環系ダクトの断面積を乗じて求める。排気風量は排気口での風量を風速計で測定し排気口開口面積を乗じて求める。なお、後述する実施例では、風速計として日本カノマックス製アネモマスターモデル６１６１を用いた。
【００１６】
次に、かかる酸化処理炉を用いた炭素繊維の製造方法について説明する。
【００１７】
先ず、一旦停機している酸化処理炉の循環用ファンを駆動し、排気口から空気などの気体を排気するとともに粉塵を排出する。かかる排気は、酸化処理のための酸化性気体を昇温する前に行うことが、熱エネルギー損失を小さくするために好ましい。
【００１８】
排気口から排気するときの排気風量は、ファンの吸引風量の１３〜１００％とすることにより効率的に粉塵を排出することができる。
【００１９】
また、酸化処理炉の運転開始前の排気に加えて、あらかじめ先の運転終了時の炉体が冷却する前にも排気を行っておくと、ガス化しているタール等も排出できるため炭素繊維の引張強度を安定的に得る上でより効果的である。
【００２０】
さらに、排気に際しては、炉内壁面から粉塵の剥離を促進し粉塵の排出をより効率的に行うために、酸化性気体へ振動を付与することが好ましい。
【００２１】
酸化性気体へ振動を付与するには、排気口の開閉を繰り返して行うと循環風が乱すのが良い。かかる観点から、図２および図３に示すように、排気口６だけでなく給気口７を併せて設けておくと、切り替え弁８、８’を用いて循環と排気を繰り返して行え、循環風を乱して、粉塵の排出効率を良好とすることができるのでさらに好ましい。
【００２２】
すでに存在している酸化処理炉に上記の切り換え弁を設けることは設備が大型であればあるほど改造にかかる時間、要員、費用がかかるため、かかる場合などには、酸化性気体へ振動を付与する比較的簡便な方法として、低周波音波発生装置や気体噴射装置などを用いることもできる。また、ファンの回転数をプログラミングコントローラーによるインバーター等を用いて変動させ乱流効果により振動させることもできる
このようにして酸化処理炉の運転開始前に排気した酸化処理炉内の粉塵量を１０個／ｃｍ３  以下とすることが好ましい。これにより製造開始当初の炭素繊維の引張強度を良好なものとすることができる。
【００２３】
ここで、酸化処理炉内の粉塵量とは、循環風が安定して流れている酸化処理炉内の場所で、光散乱式自動粒子計数器で測定したときの０．５〜５ミクロンの粒子数をいう。なお、本発明の実施例中では、光散乱式自動粒子計数器として、リオン（株）製パーティクルカウンターＫＣ−０３を用いた。
【００２４】
このようにして酸化処理炉の運転開始前に排気した酸化処理炉に、酸化性気体を循環せしめ、アクリル系繊維やピッチ系繊維などの前駆体繊維を通過せしめて酸化処理を行い、次いで、例えば１１００〜２０００℃の、窒素などの不活性雰囲気中で炭化処理を行う。炭化処理につづいて、例えば２０００〜３０００℃の、不活性雰囲気中で黒鉛化処理を行っても良い。
【００２５】
これにより、製造開始直後から得られる炭素繊維の引張強度を良好なものとすることができるだけでなく、製造開始から炭素繊維の引張強度が安定するまでの時間を短縮することができる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明をさらに具体的に実施例に基づいて説明する。
【００２７】
なお、本実施例中、炭素繊維の物性（強度）は、ＪＩＳ  Ｒ−７６０１に準じて測定したエポキシ樹脂含浸ストランドでの物性であり、測定回数ｎ＝１０の平均から求めたものである。
【００２８】
（比較例１）長期運転で粉塵が堆積した図１に示す酸化処理炉において、運転開始前、気体加熱機５で空気を加熱する前に、循環用ファン４による風力で炉内の粉塵を排出した。このときファンの吸引風量の１５％を排気口から排出した。排気口を閉じ、空気を加熱循環させてから酸化処理炉内の粉塵量を測定したところ、１０個／ｃｍ3であった。
【００２９】
この後、シリコーン系油剤を付与させた１２０００フィラメントからなるアクリル系繊維を前駆体繊維として該酸化処理炉を用いて酸化処理し、次いで炭化処理して炭素繊維を製造した。製造開始直後の炭素繊維の引張強度は４７０ｋｇｆ／ｍｍ２  であり、１２時間運転後に５００ｋｇｆ／ｍｍ２  になった。
【００３０】
（実施例１）長期運転で粉塵が堆積した図２に示す酸化処理炉において、運転開始前、気体加熱機５で空気を加熱する前に、酸化処理炉の循環系ダクトの一部を切り替え弁８で遮断し、かつ排気口および給気口の切り替え弁８を開いて、循環用ファン４による風力で炉内の粉塵を排出した。このときファンの吸引風量のほぼ１００％の風量を排気し、ほぼ同量の新鮮な空気を取り入れた。さらにこのとき、図２の状態からと図３の状態を、切り換え弁を３回繰り返し切り換えて粉塵を排出した。排気口および給気口の切り替え弁を閉じ、循環系ダクトの切り替え弁８を開いて、空気を加熱循環させてから酸化処理炉内の粉塵数を測定したところ、４個／ｃｍ3であった。
【００３１】
この後、比較例１と同様のアクリル系繊維を前駆体繊維として該酸化処理炉を用いて酸化処理し、次いで炭化処理して炭素繊維を製造した。製造開始直後の炭素繊維の引張強度は４９０kgf/mm2であり、６時間運転後に５１０kgf/mm2となった。
【００３２】
（実施例２）切り換え弁を３０回繰り返して行う以外、実施例１と全く同様にしたところ、製造開始直後の炭素繊維の引張強度は５００kgf/mm2であり、６時間後に５３０kgf/mm2となった。
【００３３】
（比較例２）長期運転で粉塵が堆積した図４に示す酸化処理炉において、運転開始前、気体加熱機５で空気を加熱する前に、循環用ファン４による風力で炉内の粉塵を排出した。このときファンの吸引風量の３％を排気口から排出した。排気口を閉じ、空気を加熱循環させてから酸化処理炉内の粉塵数を測定したところ、１００個／ｃｍ3であった。
【００３４】
この後、比較例１と同様のアクリル系繊維を前駆体繊維として該酸化処理炉を用いて酸化処理し、次いで炭化処理して炭素繊維を製造した。製造開始直後の炭素繊維の引張強度は４２０kgf/mm2であり、４８時間運転後４７０kgf/mm2になった。
【００３５】
（実施例３）長期運転で粉塵が堆積した図４に示す酸化処理炉において、運転開始前、気体加熱機５で空気を加熱する前に、低周波音波発生装置（インフラソニック社製インフラホン）により、約２０Ｈｚの低周波音波により酸化性気体を振動させて後、循環用ファン４による風力で炉内の粉塵を排出した。このときファンの吸引風量の１５％を排気口から排出した。
【００３６】
この後、シリコーン系油剤を付与させた１２０００フィラメントからなるアクリル系繊維を前駆体繊維として該酸化処理炉を用いて酸化処理し、次いで炭化処理して炭素繊維を製造した。製造開始直後の炭素繊維の引張強度は５２０ｋｇｆ／ｍｍ２  であり、６時間運転後に５６０ｋｇｆ／ｍｍ２  になった。
【００３７】
（実施例４）長期運転で粉塵が堆積した図４に示す酸化処理炉において、運転開始前、気体加熱機５で空気を加熱する前に、気体噴射装置（ガデリウス社製ダイヤモンドスートブロー）により、８ｍ3／時間の加圧気体を連続的に噴射して、酸化性気体を振動させて後、循環用ファン４による風力で炉内の粉塵を排出した。このときファンの吸引風量の１５％を排気口から排出した。
【００３８】
この後、シリコーン系油剤を付与させた１２０００フィラメントからなるアクリル系繊維を前駆体繊維として該酸化処理炉を用いて酸化処理し、次いで炭化処理して炭素繊維を製造した。製造開始直後の炭素繊維の引張強度は４９０ｋｇｆ／ｍｍ２  であり、６時間運転後に５１０ｋｇｆ／ｍｍ２  になった。
【００３９】
（実施例５）長期運転で粉塵が堆積した図４に示す酸化処理炉において、運転開始前、気体加熱機５で空気を加熱する前に、ファンの回転数をプログラミングコントローラを用いて断続的に変動させ、酸化性気体を振動させて後、循環用ファン４による風力で炉内の粉塵を排出した。このときファンの吸引風量の１５％を排気口から排出した。
【００４０】
この後、シリコーン系油剤を付与させた１２０００フィラメントからなるアクリル系繊維を前駆体繊維として該酸化処理炉を用いて酸化処理し、次いで炭化処理して炭素繊維を製造した。製造開始直後の炭素繊維の引張強度は４９０ｋｇｆ／ｍｍ２  であり、６時間運転後に５３０ｋｇｆ／ｍｍ２  になった。
【００４１】
（比較例３）長期運転で粉塵が堆積した図７に示す酸化処理炉において、運転開始前一切の空気を排出しないで、空気を加熱循環させてから酸化処理炉内の粉塵数を測定したところ、４００個／ｃｍ3であった。
【００４２】
この後、比較例１と同様のアクリル系繊維を前駆体繊維として該酸化処理炉を用いて酸化処理し、次いで炭化処理して炭素繊維を製造した。製造開始直後の炭素繊維の引張強度は４００kgf/mm2であり、９６時間運転後に４６０kgf/mm2になった。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の酸化処理炉は、炉内の粉塵を効率的に排気除去して清浄化することができ、かかる酸化処理炉を用いて炭素繊維を製造することにより、製造開始直後から得られる炭素繊維の引張強度を良好なものとすることができるだけでなく、得られる炭素繊維の引張強度が安定した水準に達するまでの時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の酸化処理炉を示す概略側面図である。
【図２】排気状態にある、本発明の一実施態様の酸化処理炉を示す概略側面図である。
【図３】循環状態にある、本発明の一実施態様の酸化処理炉を示す概略側面図である。
【図４】従来の酸化処理炉を示す概略側面図である。
【図５】実施例７で用いるファン回転数制御装置のシステム構成概念図である。
【図６】実施例７で用いるプログラミングコントローラの制御パターンである。
【図７】従来の酸化処理炉を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１：酸化処理炉
２：ローラー
３：糸条
４：循環用ファン
５：気体加熱機
６：排気口
７：給気口
８：排気口、給気口の切り替え弁
８’：循環系ダクトの切り替え弁
９：気体の流れ
１０：循環系ダクト
１１：ファン用モーター
１２：インバーター
１３：プログラミングコントローラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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