(57)【要約】【課題】  炭素繊維の表面処理時に発生する有害ガスを作業環境中に実質的に排出させない炭素繊維ストランドの表面処理装置を提供する。【解決手段】  炭素繊維ストランドの表面処理装置を構成する電解槽を筐体内に収容し、当該筐体には炭素繊維ストランド導入口と炭素繊維ストランド導出口とを設けるとともに、筐体の内部であって前記電解槽の上端よりも低い位置に排気口を設けて、この排気口から筐体内を排風機を用いて排気し、有害ガスを回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）内槽内を下方から上方に向って電解液を流通させ、上端から電解液をオーバーフローさせると共に前記内槽内の下部側に挿入された電極を有する複数の内槽と、前記内槽からオーバーフローされた電解液を受け入れる外槽と、からなる電解槽と、
前記外槽から電解液を前記内槽に送液する循環ポンプと、
を有する炭素繊維ストランド電解酸化装置と、
（２）前記電解槽を内部に収容する筐体とを有し、
当該筐体は炭素繊維ストランドを筐体外部から筐体内部の電解槽に導入する炭素繊維ストランド導入口と、筐体内部の電解槽により電解処理された炭素繊維ストランドを筐体外部に導出する炭素繊維ストランド導出口とを有し、
（３）前記電解槽の上端よりも高さが低い位置で筐体壁面又は筐体内に設けられた排気口と、
前記排気口を通して筐体内の有害ガスを排気する排風機と、
を有することを特徴とする炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【請求項２】
排気口が筐体下壁に設けられている請求項１に記載の炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【請求項３】
排気口が筐体側壁面に設けられている請求項１に記載の炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【請求項４】
２以上の排気口が筐体側壁面で互いに対向して設けられている請求項１に記載の炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【請求項５】
電解液が硝酸を含む請求項１に記載の炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維ストランドを、電極を備えた電解槽の電解液に浸漬することにより、炭素繊維表面を電解酸化処理する炭素繊維ストランド用表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を炭素繊維で補強した炭素繊維複合材料は、引張強度や引張弾性率が高く、耐熱性、疲労特性に優れるなどの特長を有しており、スポーツ・レジャー、航空・宇宙等の分野で幅広く用いられている。
【０００３】
炭素繊維は、アクリル繊維等の原料繊維を空気中で２００〜３００℃に加熱することにより耐炎繊維とした後、不活性ガス雰囲気中１０００℃以上で焼成することにより製造される。
【０００４】
炭素繊維複合材料の強度や弾性率等の機械的特性は、炭素繊維とマトリックス樹脂との親和性や接着性により大きな影響を受ける。そのため、耐炎化工程、炭素化工程を経た後、マトリックス樹脂との親和性を高めることを目的として、炭素繊維の表面に含酸素官能基を導入する酸化処理が一般に行われる。
【０００５】
炭素繊維表面の酸化処理としては、液相における薬液酸化・電解酸化、気相酸化などの方法が知られている。これら表面処理のうち、生産性が高く、処理が均一に行える等の理由により、液相における電解酸化処理が広く採用されている。液相における電解酸化処理は、電解質水溶液中で二つの電極間に電圧を印加することにより、電解質水溶液中を走行する炭素繊維を電解酸化する処理方法である。
【０００６】
炭素繊維は、その製造工程において単繊維を１０００〜８００００本程度集束してストランド状にして製造される。炭素繊維の表面処理を行う電解槽としては、従来様々な構造のものが開発されている。
【０００７】
特許文献１には、電解槽中の電極によって電圧が印加されている電解液を、電解槽の上端からオーバーフローさせ、液面が電解槽の側壁より僅かに高くなっているオーバーフロー部分に炭素繊維を通過させて電解することにより炭素繊維の表面処理を行う、オーバーフロー型の炭素繊維ストランド表面処理装置が開示されている。
【０００８】
このオーバーフロー型の炭素繊維ストランド表面処理装置は、炭素繊維を電解液に浸漬したり電解液から炭素繊維を引き上げたりするためのガイドローラーを使用する必要がない。そのため、炭素繊維に毛羽を生じにくく、品位の高い製品が得られる利点を有している。 
【０００９】
また、この装置は、内槽内部に多孔の整流板を設置しているため、内槽の機幅方向における全ての測定点におけるオーバーフロー高さを均一とすることが出来る。
【００１０】
しかし、この装置は電解液として硝酸等を使用するため、人体に有害なガス（ＮＯｘ等）（以下、単に「有害ガス」ともいう。）を作業環境中に排出させる。そのため、この有害ガスの作業環境中への排出を防止する必要がある。
【００１１】
特許文献２や特許文献３には、電解処理時に発生するガスを回収するため、排気フードを設けることや吸引ダクトを設けることが記載されている。これら何れの方法も、炭素繊維ストランド表面処理装置の使用時において、作業環境中に排出される有害ガス量を抑制するには不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−２４８４１１号公報
【特許文献２】特公平３−５５５４１号公報
【特許文献３】特開平６−３０６５５５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、炭素繊維の表面処理時に発生する有害ガスを、作業環境中に実質的に排出させない炭素繊維ストランド表面処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上記課題を解決するため検討を重ねているうちに、炭素繊維表面処理装置の有害ガスの発生源である電解槽の周囲を、炭素繊維ストランドの出入口部を除いて囲い、その囲われた内部の気体を排気することに想到した。そして、排気に用いる排気口は、電解槽の上端よりも低い位置に設けると、作業環境中に排出される有害ガスを実質的に無くすことが出来ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
上記課題を解決する本発明は以下に記載するものである。
【００１６】
〔１〕
（１）内槽内を下方から上方に向って電解液を流通させ、上端から電解液をオーバーフローさせると共に前記内槽内の下部側に挿入された電極を有する複数の内槽と、前記内槽からオーバーフローされた電解液を受け入れる外槽と、からなる電解槽と、
前記外槽から電解液を前記内槽に送液する循環ポンプと、
を有する炭素繊維ストランド電解酸化装置と、
（２）前記電解槽を内部に収容する筐体とを有し、
当該筐体は炭素繊維ストランドを筐体外部から筐体内部の電解槽に導入する炭素繊維ストランド導入口と、筐体内部の電解槽により電解処理された炭素繊維ストランドを筐体外部に導出する炭素繊維ストランド導出口とを有し、
（３）前記電解槽の上端よりも高さが低い位置で筐体壁面又は筐体内に設けられた排気口と、
前記排気口を通して筐体内の有害ガスを排気する排風機と、
を有することを特徴とする炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【００１７】
上記〔１〕に記載の発明は、以下の〔２〕〜〔５〕に記載する発明も含む。
【００１８】
〔２〕
排気口が筐体下壁に設けられている〔１〕に記載の炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【００１９】
〔３〕
排気口が筐体側壁面に設けられている〔１〕に記載の炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【００２０】
〔４〕
２以上の排気口が筐体側壁面で互いに対向して設けられている〔１〕に記載の炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【００２１】
〔５〕
電解液が硝酸を含む〔１〕に記載の炭素繊維ストランド用表面処理装置。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の炭素繊維ストランド表面処理装置は、炭素繊維の表面処理に用いる電解液に起因して生じる有害ガスを作業環境中に漏洩させにくい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の炭素繊維ストランド表面処理装置の一構成例を示す側面説明図である。
【図２】本発明の炭素繊維ストランド表面処理装置の他の構成例を示す側面説明図である。
【図３】本発明の炭素繊維ストランド表面処理装置の更に他の構成例を示す側面説明図である。
【図４】図１の炭素繊維ストランド表面処理装置の斜視図である。
【図５】本発明の実施例及び比較例におけるＮＯｘ濃度測定位置を示す平面説明図である。
【図６】比較例１に用いた炭素繊維ストランド表面処理装置の構成を示す側面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の炭素繊維ストランド表面処理装置（以下、単に「本装置」ともいう。）の３つの実施形態を以下に説明する。
【００２５】
（第１の形態）
図１は、本装置の一構成例を示す説明図であり、図４はその斜視図である。図１中、１００は炭素繊維ストランド表面処理装置である。炭素繊維ストランド表面処理装置１００において、筐体３０以外の部分が炭素繊維ストランド電解酸化装置である。筐体３０の内部には、炭素繊維ストランド９９に表面処理を施す電解槽１０１が収容されている。筐体３０の内部に収容される電解槽１０１の構成は以下の通りである。
【００２６】
電解槽１０１は、箱形の外槽１４と、外槽１４内に収容される複数（図１においては２台）の箱形の内槽１０とから構成されている。複数の内槽１０は、炭素繊維ストランド９９の進行方向Ｘに沿って直列に連設されている。内槽１０及び外槽１４の上面は開放され、下面は閉塞されている。内槽１０の上端は、外槽１４の上端よりも高く形成されている。内槽１０の下壁部には電解液供給口１２が形成されている。外槽１４の下部には電解液流出口１５が形成されており、外槽１４の槽外部で電解液流出管２３の一端と接続されている。電解液流出管２３の他端は循環ポンプ２５の吸引側と接続されており、循環ポンプ２５の吐出側は電解液供給管２７の一端と接続されている。電解液供給管２７の他端は、内槽１０の数に応じて分岐されて、内槽１０の数に応じた数のバルブ２９にそれぞれ接続されている。各バルブ２９には電解液供給管２１の一端が接続され、電解液供給管２１の他端は、内槽１０に形成された電解液供給口１２に接続されている。内槽１０内には、その下部側にＬ字状の平板状で形成された電極１６が挿入されている。電極１６は、電極面を下壁と平行に配置され、その一端側が内槽１０の側壁に沿って折り曲げられ、電解槽１０１の外部で保持部材（図示せず）により支持されると共に、外部電源に接続されている。内槽１０内に挿入された電極１６には、隣り合う内槽間で交互に陽極と陰極として作用するよう電圧が印加される。
【００２７】
筐体３０の側面には、炭素繊維ストランド９９を筐体内部に導入する炭素繊維ストランド導入口３２と、筐体内の電解槽１０１によって表面処理が施された炭素繊維ストランドを筐体外部に導出する炭素繊維ストランド導出口３４とが形成されている。筐体３０の下壁３０ａには、筐体３０内で発生する有害ガスを筐体外部に排気する排気口３６が形成されている。排気口３６には筐体外側で排気管４１の一端が接続され、排気管４１の他端は排風機４３の吸気側に接続されている。排風機４３の排気側には排気管４５の一端が接続され、排気管４５の他端は不図示のガス処理装置に接続されている。電解酸化処理の際に発生する有害ガスは、通常空気よりも重い。その結果、電解槽１０１の上部に発生する有害ガスは筐体３０の底部側に移動し、ここに滞留しやすい。従って、排気口３６は電解槽１０１の上端１０ａよりも高さが低い筐体壁に形成する必要がある。
【００２８】
筐体３０は、炭素繊維ストランド導入口３２と導出口３４、排気口３６以外の部分は閉塞されている。
【００２９】
本装置による炭素繊維ストランドの表面処理は以下の通り行われる。
【００３０】
炭素繊維ストランド９９は、炭素繊維ストランド導入口３２から、本装置１００の筐体３０内に導入される。筐体３０内部に収容される電解槽１０１により表面処理が施された炭素繊維ストランド９９は、炭素繊維ストランド導出口３４から筐体３０の外部に導出される。電解槽１０１による炭素繊維ストランドの表面処理は次の通りである。
【００３１】
炭素繊維ストランド９９の表面処理に用いる電解液は、外槽１４内と内槽１０内とに貯留されている。この電解液は、循環ポンプ２５が送液運転されることによって、電解液供給管２７、バルブ２９、電解液供給管２１、電解液供給口１２を経由して内槽１０内に連続的に供給される。内槽１０の上端からオーバーフローする電解液は、外槽１４に受入れられる。内槽１０内には電極１６が配置されており、電解液に電圧を印加する。
【００３２】
電解液が内槽１０からオーバーフローする際に、内槽１０の上端部を流れる電解液の液面は、内槽１０の上端１０ａよりも僅かに高くなる。この電解液の液面が僅かに高くなっている部分に、炭素繊維ストランド９９を通過させて電解液に浸漬させることにより、炭素繊維ストランド９９の表面が電解酸化処理される。外槽１４に受入れられた電解液は、外槽１４に設けられた電解液流出口１５から排出されて、電解液流出管２３を経由して循環ポンプ２５へと戻る。この電解液は、循環ポンプ２５によって再び内槽１０へと供給され、このサイクルが繰り返される。
【００３３】
表面処理が施された炭素繊維ストランド９９は、水洗、サイズ剤付与、乾燥等の後工程に送られる。
【００３４】
炭素繊維ストランド９９の進行方向に沿って連設されている複数の内槽１０の電極１６には、隣り合う内槽１０毎に、交互に陽極又は陰極として作用するように電圧が印加される。炭素繊維ストランドは導電性が高いので、電圧が電極１６に印加されることにより、電解液中で炭素繊維表面の電解酸化が繰り返し行われる。その結果、カルボキシル基、カルボニル基等の含酸素官能基が炭素繊維表面に導入される。
【００３５】
電解液を用いて炭素繊維を表面処理する多くの場合、電解液が揮発することにより有害ガスが発生する。本装置は、その有害ガスを作業環境中に放出させないようにするため、電解槽１０１を筐体３０内に収容している。筐体３０内で発生した有害ガスは、排風機４３によって排気される。筐体３０内の有害ガスを含む気体は、排気口３６、排気管４１、排風機４３、排気管４５を経て不図示のガス処理装置に送られる。
【００３６】
筐体３０は、炭素繊維ストランド導入口３２と導出口３４、排気口３６以外の部分は閉塞されている。そのため、排風機４３の運転中は、炭素繊維ストランド導入口３２や導出口３４からは筐体３０内の有害ガスは漏洩しない。
【００３７】
筐体３０は、金属や樹脂からなる薄板やビニルシート等の通気性を有しない材料で形成される。
【００３８】
図１中、ポンプ２５は筐体３０の外部に設置されているが、筐体３０の内部に設置されていても構わない。同様に、バルブ２９や電解液供給管２１、２７は図１中、筐体３０の内部に設置されているが、筐体３０の外部に設置されていても構わない。
【００３９】
また、筐体３０の上壁や側壁には、トラブル処置等のための点検口（図示せず）を有していることが好ましい。
【００４０】
排気口３６は、筐体３０の下壁３０ａに２箇所以上存在することが好ましい。
【００４１】
炭素繊維の電解酸化処理に用いる電解液としては、硫酸、硝酸、塩酸等の無機酸や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの無機水酸化物、硫酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等の無機塩類などの電解質水溶液を挙げることができる。
【００４２】
本発明で電解酸化処理する炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系炭素繊維以外に、石油・石炭ピッチ系、レーヨン系、リグニン系など、何れの炭素繊維も使用することができる。
【００４３】
炭素繊維ストランド９９は、通常、直径４〜１２μｍのフィラメントが１０００〜８００００本程度集合した束形状に製造される。本発明の炭素繊維ストランド表面処理装置では、上記繊維径、フィラメント数に限定されず、いかなる繊維径、フィラメント数のものでも処理することが可能である。
【００４４】
（第２の形態）
図２は、本発明の炭素繊維ストランド表面処理装置の第２の実施形態を示す説明図である。図２中、２００は炭素繊維ストランド表面処理装置である。この装置２００の電解槽等の構成は前述の第１の実施形態と同一である。従って、同一の構成には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
本装置２００において、電解槽１０１が収容されている筐体５０には、炭素繊維ストランド導入口５２と炭素繊維ストランド導出口５４とが第１の実施形態と同様に形成されている。筐体５０の側壁５０ｂには、排気口５６が形成されている。排気口５６の形成されている位置は、電解槽１０１の上端、即ち内槽１０の上端１０ａよりも低い。排気口５６は筐体５０の側壁５０ｂに、複数の排気口が略対向して設けられていることが好ましい。
【００４６】
（第３の形態）
図３は、本発明の炭素繊維ストランド表面処理装置の第３の実施形態を示す説明図である。図３中、３００は炭素繊維ストランド表面処理装置である。この装置３００の電解槽等の構成は前述の第１の実施形態と同一である。従って、同一の構成には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００４７】
本装置３００において、電解槽１０１が収容されている筐体７０には、炭素繊維ストランド導入口７２と炭素繊維ストランド導出口７４とが第１の実施形態と同様に形成されている。筐体７０の上壁７０ｃには、排気管接続口７６が形成されている。排気管接続口７６には、筐体７０の内側から排気管４７の一端が接続され、排気管４７の他端は筐体７０内部に内設されている。この排気管４７の他端は排気口として機能する。排気管４７の他端が内設されている位置は、電解槽１０１の上端、即ち内槽１０の上端１０ａよりも低い。筐体７０内に内設される排気管４７は、２以上設けられていることが好ましい。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。
【００４９】
（実施例１）
図１に示す炭素繊維ストランド表面処理装置を用いた。２槽の内槽の容量は各０．００６ｍ３であり、循環ポンプは１台である。筐体は高さ６０ｃｍ、幅３００ｃｍ、長さ５０ｃｍで、筐体の上端から３０ｃｍ下方に高さ２ｃｍ、幅２５０ｃｍのストランド導入口と導出口とを形成した。この処理装置を用いて、電解液として１０容量％硝酸水溶液を用い、循環ポンプの流量を０．６ｍ３／ｍｉｎとして、炭素繊維ストランドの表面処理を施した。
【００５０】
炭素繊維ストランドの表面処理中に、筐体上端から１０ｃｍ下方の筐体側壁に設けた点検口から筐体内のＮＯｘ（ＮＯ２及びＮＯ３）濃度を測定し、結果を表１に示した。表１中、内槽Ｎｏ．１は炭素繊維ストランドが導入される側の内槽であり、内槽Ｎｏ．２は炭素繊維ストランドが導出される側の内槽である。測定箇所は各内槽につき３箇所、合計６箇所とした。測定位置は図５に示した。図５は内槽１０を上面から見た平面図である。炭素繊維ストランドの進行方向は矢印Ｘで示している。各内槽の炭素繊維ストランド進行方向における内槽両端の中央部であって、炭素繊維ストランド進行方向と直交する方向における内槽両端を各２００ｍｍ空けた、内槽上端から２００ｍｍの高さ位置を測定点Ａ及びＣとし、測定点ＡとＣとの中間点を測定点Ｂとした。測定点Ａ〜Ｃはそれぞれ１０００ｍｍ離間されている。
【００５１】
（実施例２）
図２に示す炭素繊維処理装置を用いた以外は、実施例１と同じ条件で炭素繊維ストランドを処理した。実施例１と同様にＮＯｘ濃度を測定し、結果を表１に示した。
【００５２】
（比較例１）
図６に示す炭素繊維処理装置を用いた以外は、実施例１と同じ条件で炭素繊維ストランドを処理した。実施例１と同様にＮＯｘ濃度を測定し、結果を表１に示した。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
実施例１、２においては、筐体内のＮＯｘは速やかに排気されている。そのため、作業環境中にＮＯｘを漏洩させにくい。一方、比較例１においては、何れの測定点においてもＮＯｘ濃度が高く、作業環境中にＮＯｘを漏洩させやすい。
【符号の説明】
【００５５】
１００、２００、３００、５００・・・炭素繊維ストランド表面処理装置
１０１・・・電解槽
１０・・・内槽
１０ａ・・・内槽の上端
１２・・・電解液供給口
１４・・・外槽
１５・・・電解液排出口
１６・・・電極
２１、２７・・・電解液供給管
２３・・・電解液排出管
２５・・・循環ポンプ
２９・・・バルブ
３０、５０、７０、９０・・・筐体
３０ａ、５０ａ、７０ａ、９０ａ・・・筐体の下壁
３０ｂ、５０ｂ、７０ｂ、９０ｂ・・・筐体の側壁
３０ｃ、５０ｃ、７０ｃ、９０ｃ・・・筐体の上壁
３２、５２、７２、９２・・・炭素繊維ストランド導入口
３４、５４、７４、９４・・・炭素繊維ストランド導出口
３６、５６、９６・・・排気口
７６・・・排気管接続口    
４１、４５、４７・・・排気管
４３・・・排風機
９９・・・炭素繊維ストランド
【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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