(57)【要約】      （修正有）【課題】スピン中のヘッドの外部穴への前躯体材料の流れを少なくとも部分的に制御する内部機構を含む炭素繊維遠心紡糸ヘッドを提供する。【解決手段】ヘッド１０は、底面壁１２、概して円筒形の外側シェル１４及びシェル１４の上面縁部から内向きかつ上向きに延在するテーパーの付いた円錐台形区分１６を含む外側ハウジングを有する。円錐台形区分１６は上面開口部１８で終結している。上面開口部１８は、ヘッド１０の内部容積２０に対するアクセスを提供している。外側シェル１４は、外側シェル１４の周りで無作為に配置されているかまたは均一に配置されているか、あるいはその組合せであってよい複数のアパーチャ１５を含んでいる。このまたは他の実施形態において、アパーチャ１５は、外側シェル１４の周囲で円周方向に離隔されていてよい。アパーチャ１５は、心合せされていてもオフセットされていてもよい１つ以上の垂直方向に離隔された円周方向の横列の形に位置づけされていてよい。【選択図】図２
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
繊維を生産するための遠心紡糸ヘッドであって、
内部容積を形成し、複数の外部アパーチャを伴う外側シェルを有する外側ハウジングと、
前記内部容積の内部に位置づけされ外側シェルから離隔されて間にギャップを形成し、複数の内部アパーチャを含む内側スクリーンと、を含み、
繊維前躯体材料が前記内部容積内に収容され、ヘッドのスピン時点で、内部アパーチャを通ってギャップ内に流れ、その後外部アパーチャを通って流れることを特徴とする遠心紡糸ヘッド。
【請求項２】
前記内部容積内に位置づけされた加熱要素をさらに含む請求項１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項３】
前記外側シェル円筒形状である請求項１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項４】
前記内側スクリーンが前記内部容積の全周囲にわたり延在している請求項１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項５】
複数の内部アパーチャの総面積を複数の外部アパーチャの総面積で除した比率が約０．１〜約１００である請求項１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項６】
複数の内部アパーチャの総面積を複数の外部アパーチャの総面積で除した比率が約０．５〜約１０である請求項１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項７】
複数の外部アパーチャが約０．５〜約５ミリメートルの直径を有する請求項１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項８】
複数の外部アパーチャが約１〜約２ミリメートルの直径を有する請求項７に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項９】
複数の内部アパーチャが約０．５〜約５ミリメートルの直径を有する請求項１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項１０】
複数の内部アパーチャが約１〜約２ミリメートルの直径を有する請求項７に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項１１】
前記ギャップが約０．０２５ｍｍ〜約２ｍｍである請求項１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項１２】
前記ギャップが約０．０７５ｍｍ〜約０．５ｍｍである請求項１１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【請求項１３】
前記内部アパーチャの実質的に全てが、前記外部アパーチャの実質的に全てと心合せされていない請求項１に記載の遠心紡糸ヘッド。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、繊維を生産するための遠心紡糸ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、１９５８年に最初に開発された。その時以来、炭素繊維は、例えば強化複合材料、高温ガスの濾過、およびグラファイト電極中への添加剤を含めた多様な利用分野において使用されてきた。炭素繊維に対しては継続して需要があることから、当該技術分野では、改良型の繊維生産方法に対するニーズが存在している。
【考案の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一実施形態によると、繊維を生産するための遠心紡糸ヘッドが提供されており、これには、内部容積を形成する外側ハウジングが含まれる。外側ハウジングは、複数の外部アパーチャを伴う外側シェルを有する。内側スクリーンが内部容積の内部に位置づけされ外側シェルから離隔されて間にギャップを形成する。内側スクリーンは、複数の内部アパーチャを含む。内部容積内に繊維前駆体材料が収容され、ヘッドのスピン時点で内部アパーチャを通ってギャップ内に流れ、その後外部アパーチャを通って流れる。
【０００４】
別の実施形態によると、炭素繊維を生産する方法には、内部容積を形成し複数の外部アパーチャを含む外側ハウジングを有するヘッドを提供するステップが含まれる。ヘッドにはさらに、内部容積と共に位置づけされたスクリーンが含まれている。外側ハウジングとスクリーンの間にギャップが形成される。繊維前駆体材料は内部容積内に添加される。ヘッドはスピンさせられ、繊維前駆体材料は、その軟化点より高い温度まで加熱される。外部アパーチャから外への繊維前駆体材料の流れは、ギャップのサイズを制御することによって制御される。繊維は外部アパーチャから駆出された後に捕捉される。繊維はその後安定化され炭化される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】紡糸ヘッドの側方立面図である。
【図２】図１のラインＡ−Ａに沿って切断した断面図である。
【図３】図１のラインＢ−Ｂに沿って切断した断面図である。
【図４】遠心紡糸装置の部分的概略図である。
【考案を実施するための形態】
【０００６】
ここで図１〜３を参照とすると、遠心紡糸ヘッドが示され、全体として１０という番号で示されている。ヘッド１０は、底面壁１２、概して円筒形の外側シェル１４およびシェル１４の上面縁部から内向きかつ上向きに延在するテーパーの付いた円錐台形区分１６を含む外側ハウジングを有する。円錐台形区分１６は上面開口部１８で終結している。上面開口部１８は、ヘッド１０の内部容積２０に対するアクセスを提供している。
【０００７】
外側シェル１４は、外側シェル１４のまわりで無作為に配置されているかまたは均一に配置されているか、あるいはその組合せであってよい複数のアパーチャ１５を含んでいる。このまたは他の実施形態において、アパーチャ１５は、外側シェル１４の周囲で円周方向に離隔されていてよい。アパーチャ１５は、心合せされていてもオフセットされていてもよい１つ以上の垂直方向に離隔された円周方向の横列の形に位置づけされていてよい。有利には、アパーチャ１５は約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの直径を有していてよい。より有利には、アパーチャ１５は約１ｍｍ〜約２ｍｍの直径を有していてよい。
【０００８】
内部容積２０の内部で外側シェル１４から半径方向内向きに、内部スクリーン２２が位置づけされている。任意には、加熱要素２４が内部容積２０の内側で、内部スクリーン２２から内向きに位置づけされていてよい。内部スクリーン２２は、ヘッド１０の内部全体２０のまわりで円周方向に延在し、外部スクリーン２２のまわりで無作為にまたは均一に配置されるか、または円周方向に離隔されていてよい複数のアパーチャ２３を含む。このまたは他の実施形態において、アパーチャ２３は、心合せされていてもオフセットされていてもよい１つ以上の垂直方向に離隔された円周方向の横列の形に位置づけされていてよい。有利には、アパーチャ２３は約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの直径を有していてよい。より有利には、アパーチャ２３は約１ｍｍ〜約２ｍｍの直径を有していてよい。好ましい実施形態において、実質的に全てのアパーチャ２３はアパーチャ１５と心合せされていない。特に好ましい実施形態において、アパーチャ２３のいずれもアパーチャ１５と心合せされていない。
【０００９】
内部アパーチャの総面積は、本明細書中において、内部アパーチャの平均面積に内部アパーチャの数を乗じたものとして定義される。同様に、外部アパーチャの総面積は、本明細書中において、外部アパーチャの平均面積に外部アパーチャの数を乗じたものとして定義される。内部アパーチャの総面積を外部アパーチャの総面積で除した比率（「内部面積対外部面積比」）は、ヘッド１０から外への前躯体材料の流量に影響を及ぼす可能性がある。内部面積対外部面積比は、約０．１〜約１００であってよい。内部面積対外部面積比はさらに、有利には約０．５〜約１０であってよい。内部面積対外部面積比はさらに、有利には０．５〜約５であってよい。
【００１０】
外側シェル１４と２２の間にはギャップ２６が形成される。ギャップのサイズは、詳細には、ヘッド１０のスピン中におけるアパーチャ２３から外への前躯体の流量に影響を及ぼす。ギャップ２６は約０．０２５ｍｍ〜約２ｍｍであってよい。有利には、ギャップ２６は、約０．０７５ｍｍ〜約０．５ｍｍである。ギャップ２６は、内部スクリーンと外部シェルの間に位置づけされた複数のスペーサ（図示せず）によって維持されてよい。
【００１１】
使用中、繊維前駆体材料は、開口部１８を通してヘッド１０の内部容積２０内に投入される。一実施形態において、前駆体材料は、ヘッド１０内への挿入に先立ち予熱されていてよい。このまたは他の実施形態において、加熱要素２４は、ヘッド１０の内部容積２０内にある間に前駆体材料を加熱し得る。
【００１２】
ひとたび前駆体材料が投入されると、ヘッド１０を軸２７を中心として回転させてよい。この回転は遠心力をひき起こし、この遠心力が今度は前駆体材料を内部スクリーン２２にから半径方向外向きに引き抜かせる。
【００１３】
ヘッド１０がスピンするにつれて、前駆体材料はアパーチャ２３を介してギャップ２６内に流れ、その後外側シェル１４のアパーチャ１５から外に流れる。前駆体材料は、アパーチャ１５から外に放出されるにつれて、空気中で凝固または硬化し、繊維の形で容器に落下する。
【００１４】
繊維生成プロセスはバッチ式であってよく、その場合、ヘッド１０に材料を投入し、内部の前駆体材料が使い果たされるまでヘッドをスピンさせる。交互に、プロセスは連続的であってよい。例えば、図４を参照すると、前躯体供給源３０が内部に前駆体材料供給を担持していてよい。前躯体は、任意の加熱要素３２を通して補給され、その後、プラットホーム３４上でスピンしているヘッド１０内に補給されてよい。繊維３６はヘッド１０から連続的に駆出され、その後、追加の加工のため容器３８内に収集される。
【００１５】
１つの特定の好ましい実施形態において、前駆体材料はピッチ材料である。ピッチ材料は、コールタールピッチまたは石油ピッチであってよい。有利には、ヘッド１０は、前躯体ピッチが０〜５０重量パーセントのキノリン−不溶分値（以下ＱＩと呼ぶ）を有することを可能にする。他の実施形態において、前躯体ピッチのＱＩ値は、１重量パーセント超である。さらに他の実施形態において、前駆体ピッチのＱＩ値は、５重量パーセント超である。さらに他の実施形態において、前駆体ピッチのＱＩ値は、１０重量パーセント超である。さらに他の実施形態において、前駆体ピッチのＱＩ値は５〜２５重量パーセントである。他の実施形態において、前駆体ピッチのＱＩ値は１０〜２０重量パーセントである。
【００１６】
前駆体ピッチは、約９０℃〜約３５０℃の軟化点を有していてよい。有利には、前駆体ピッチは約１５０℃〜約３３０℃の軟化点を有する。より有利には、前駆体ピッチは約２００℃〜約３３０℃の軟化点を有する。
【００１７】
前駆体ピッチは、約３０％〜約９５％のコークス値を有していてよい。有利には、前駆体ピッチは、約７０％〜９５％のコークス値を有する。さらに一層有利には、前駆体ピッチは約８０％〜約９５％のコークス値を有する。
【００１８】
ヘッド１０を使用した形成の後、繊維は、大気雰囲気中において約３０〜約３５０度の温度で約５〜約６００分間加熱することによって安定化される。安定化の後、繊維は、不活性雰囲気中において約８００℃〜約１５００℃の温度で、約１時間〜約５時間炭化される。
【実施例】
【００１９】
（実施例１）
円筒形ヘッドは、外側シェルを通る直径１．１ｍｍのアパーチャを伴い直径３ｍｍのアパーチャを有する内部スクリーンを含んでいた。内部スクリーンと外側シェルの間にスペーサを位置づけして、間に０．１ｍｍのギャップを維持した。内部スクリーンを通って合計１５個のアパーチャを具備し、外側シェルを通って１００個のアパーチャを具備し、１．１という内側アパーチャ面積対外側アパーチャ面積比を得た。
【００２０】
２２０℃の軟化点、８０％以上の炭素収量および１１ｗｔ％のＱＩを有するコールタールピッチ前駆体材料をヘッド内に投入した。前躯体は粉末形状のものであり、これを予熱無しで、ヘッドが不動状態にある間にヘッドに添加した。ヘッドのスピンと加熱を同時に行った。ヘッドはおよそ４０００ＲＰＭでスピンし、加熱器は２８０〜３５０℃に維持された。紡糸された繊維を収容用ボウル内に収集した。
【００２１】
その後、紡糸された繊維を安定化させ炭化させた。結果として得られた炭素繊維は上質で、テクスチャが等方性のものであり、このことは、優れた絶縁性を意味していた。繊維直径の分布は１０〜２０μｍであった。
【００２２】
以上では、繊維前躯体をピッチ材料として記述しているが、上述の遠心紡糸ヘッドで他の前駆体材料を使用してもよいということを認識すべきである。例えば、リグニン、ポリマーおよびそれらの配合物などの前躯体を使用してもよい。前駆体材料が充分な粘度を有し安定化できるかぎり、前駆体材料を上述の遠心紡糸装置内で使用してもよい。
【００２３】
本明細書中に記載のさまざまな実施形態は、その任意の組合せの形で実施可能である。以上の説明は、当業者が本考案を実施することを可能にするために意図されている。明細書を読んだ上で当業者には明らかとなると考えられる変形形態および修正の全てを詳述することが意図されているわけではない。ただし、このような修正および変形形態のすべてを、以下のクレームにより定義されている本考案の範囲内に含み入れることが意図される。クレームは、文脈上相反する意味が具体的に示されているのでないかぎり、本考案のために意図された目的を果たすのに有効である任意の配置および配列にある指示された要素およびステップを網羅するように意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003197098.tif 000006