(57)【要約】【解決課題】より短時間で、前処理後の前駆体繊維糸条、ひいては耐炎化繊維糸条の単繊維間融着を防止しつつより強度に優れた炭素繊維を得ることができる炭素繊維の製造方法を提供する。【解決手段】前駆体繊維糸条を、ロール外装式酸化性ガス雰囲気炉を用い、かつ、ロール温度を１５０℃以下に維持しながら水分率が４％以上になるように前処理した後、ロール内装式酸化性ガス雰囲気炉に導いて耐炎化処理し、得られた耐炎化繊維糸条を不活性ガス雰囲気炉に導いて炭素化処理する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
前駆体繊維糸条を、ロール外装式酸化性ガス雰囲気炉を用い、かつ、ロール温度を１５０℃以下に維持しながら水分率が４％以上になるように前処理した後、ロール内装式酸化性ガス雰囲気炉に導いて耐炎化処理し、得られた耐炎化繊維糸条を不活性ガス雰囲気炉に導いて炭素化処理することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
【請求項２】
耐炎化処理温度を２００〜３００℃の範囲内とする、請求項１に記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項３】
炭素化処理温度を９００〜３，０００℃の範囲内とする、請求項２または３に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、炭素繊維の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は、一般に、ポリアクリロニトリル繊維糸条等の前駆体繊維糸条を酸化性ガス雰囲気炉に導いて耐炎化処理し、得られた耐炎化繊維を不活性ガス雰囲気炉に導いて炭素化処理することによって製造する。
【０００３】
さて、耐炎化反応は、よく知られているように発熱反応であり、反応熱が前駆体繊維糸条の内部に蓄積されると、いわゆる暴走が起こり、前駆体繊維糸条が燃焼したり単繊維切れを起こしたりする。そのため、耐炎化処理は、前駆体繊維糸条を２００〜３００℃程度の比較的低温で数時間かけて行っている。
【０００４】
ところで、耐炎化処理には、上述したように酸化性ガス雰囲気炉を用いるが、前駆体繊維糸条をそのまま酸化性ガス雰囲気炉に通したのでは熱効率が悪く、処理に時間がかかるので、炉内の、たとえば上下方向に、雰囲気温度よりも高温度の加熱ロールを多段に配置し、それら加熱ロールに前駆体繊維糸条を順次掛け回して処理するようにしている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
ところが、この従来の方法は、処理時間の短縮には有効であるが、前駆体繊維糸条に耐熱性が不足している場合、耐炎化繊維糸条に単繊維間融着が起こったり、後の炭素化処理により得られる炭素繊維の強度が低下したりするという問題がある。
【０００６】
かかる問題を解決しようとして、上述の耐炎化処理に先立って、前駆体繊維糸条を酸化性ガス雰囲気下に水分率が２％以上になるまで加熱する前処理を施すことも提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００７】
この方法によれば、単繊維間融着がなく、また、強度に優れた炭素繊維が得られるとされている。
【０００８】
【特許文献１】
特公昭５３−２１３９６号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開昭５９−３０９１４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した、耐炎化処理に先立って前駆体繊維糸条を酸化性ガス雰囲気下に前処理する方法を改善するもので、その目的とするところは、より短時間で、前処理後の前駆体繊維糸条、ひいては耐炎化繊維糸条の単繊維間融着を防止しつつ強度により優れた炭素繊維を得ることができる炭素繊維の製造方法を提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、前駆体繊維糸条を、ロール外装式酸化性ガス雰囲気炉を用い、かつ、ロール温度を１５０℃以下に維持しながら水分率が４％以上になるように前処理した後、ロール内装式酸化性ガス雰囲気炉に導いて耐炎化処理し、得られた耐炎化繊維糸条を不活性ガス雰囲気炉に導いて炭素化処理することを特徴とする炭素繊維の製造方法を提供する。通常、耐炎化処理温度は２００〜３００℃、炭素化処理温度は９００〜３，０００℃の範囲内とする。なお、本発明にいう炭素化処理とは、炭化処理か、炭化処理と黒鉛化処理をいう。換言すれば、本発明にいう炭素繊維とは、炭素繊維のみならず、黒鉛化繊維をも含むものである。
【００１２】
本発明においてロール外装式酸化性ガス雰囲気炉とは、図１に示すように、酸化性ガス雰囲気炉１外に多数の加熱ロール２を上下方向に多段に配置し、それら加熱ロール２に前駆体繊維糸条３を順次掛け回して前処理するようにした炉である。一方、ロール内装式酸化性ガス雰囲気炉とは、図２に示すように、酸化性ガス雰囲気炉１内に多数の加熱ロール２を上下方向に多段に配置し、それら加熱ロール２に前処理後の前駆体繊維糸条４を順次掛け回して耐炎化処理するようにした炉である。もっとも、これらのガス雰囲気炉は、加熱ロールを、上下方向ではなく、左右方向に多段に配置したものであってもよい。
【００１３】
また、水分率とは、前処理後の前駆体繊維糸条を、固相共存の硫酸アンモニウム水溶液を収容したデシケータ（２５℃の室温で８１％恒湿）に入れ、１６時間放置した後の吸着水分率である。なお、水分率が高いほど、耐炎化処理による酸化が進んでいるということである。
【００１４】
前駆体繊維糸条としては、ポリアクリロニトリル系、ポリビニルアルコール系、セルロース系、ピッチ系等の炭素化可能な繊維糸条を用いるが、なかでも、強度、弾性率等の特性においてより優れた炭素繊維を得ることができるポリアクリロニトリル系、それも、ポリアクリロニトリルを少なくとも９０モル％含み、共重合成分としてアクリル酸類、メタクリル酸類、イタコン酸類等を含むポリアクリロニトリル系繊維糸条を用いるのが好ましい。また、これらの前駆体繊維糸条は、扱いやすさ、処理の容易さ等から、単繊維繊度が０．５〜２ｄｔｅｘ程度、単繊維数が５００〜３０，０００本程度の範囲にあるものを用いるのが好ましい。
【００１５】
酸化性ガスとしては、通常、空気を用いる。また、不活性ガスとしては、通常、窒素ガスやアルゴンガスを用いる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、まず、前駆体繊維糸条を、図１に示したロール外装式酸化性ガス雰囲気炉を用い、加熱ロール２の温度を１５０℃以下に維持しながら水分率が４％以上になるように加熱処理（前処理）する。このとき、酸化性ガス雰囲気は２００〜２７０℃程度の範囲内の温度に維持するのがよい。
【００１７】
上述したように、加熱ロールの温度は、処理中、１５０℃以下に維持する。加熱ロールの温度が１５０℃を超えると、耐熱性の不足により、図３に単繊維数１８，０００本あたりの個数として示すように、前処理後の前駆体繊維糸条、ひいては耐炎化繊維糸条に単繊維間融着が多発するようになる。単繊維間融着が起こると、得られる炭素繊維の強度も低下するようになる。なお、単繊維間融着の個数は、前処理後の前駆体繊維糸条や耐炎化繊維糸条を水に分散させ、顕微鏡を用いて融着の個数を数えることによって求める。
【００１８】
また、この前処理は、水分率が４％以上になるまで行う。この水分率が４％に満たない場合には、次の耐炎化処理で高温のロールに接触したときに、やはり前駆体繊維糸条に単繊維間融着が多発するようになる。
【００１９】
本発明においては、次に、前処理後の前駆体繊維糸条を、図２に示したロール内装式酸化性ガス雰囲気炉に導き、耐炎化処理する。この耐炎化処理は、酸化性ガス雰囲気の温度を、２００〜３００℃、好ましくは２００〜２５０℃の範囲内に保ちながら行う。
【００２０】
かくして耐炎化繊維糸条が得られるが、本発明においては、この耐炎化繊維糸条を不活性ガス雰囲気炉に導き、９００〜３，０００℃程度の範囲内の温度に加熱して炭素化処理する、すなわち、炭化処理するか、炭化処理および黒鉛化処理し、炭素繊維とする。
【００２１】
【実施例および比較例】
実施例１：
単繊維繊度が０．８ｄｔｅｘ、単繊維数が１２，０００本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維糸条を、図１に示したロール外装式酸化性ガス雰囲気炉に通して前処理し、さらに図２に示したロール内装式酸化性ガス雰囲気炉に通して耐炎化処理した後、不活性ガス雰囲気炉に通して炭化処理と黒鉛化処理を行い、炭素繊維糸条を得た。前処理、耐炎化処理および炭化／黒鉛化処理における条件を表１に示す。なお、前処理および耐炎化処理は空気中で、炭化／黒鉛化処理は窒素ガス中でそれぞれ行った。
【００２２】
得られた前処理後の前駆体繊維糸条の水分率を調べた。また、前処理後の前駆体繊維糸条および耐炎化繊維糸条について単繊維間融着の個数を調べた。さらに、得られた炭素繊維について引張強度と引張弾性率を調べた。結果を表１に示す。
実施例２：
実施例１において、前駆体繊維糸条を、単繊維繊度が０．８ｄｔｅｘ、単繊維数が６，０００本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維糸条に変えた。この実施例２における前処理、耐炎化処理および炭化／黒鉛化処理における条件を表１に示す。また、得られた前処理後の前駆体繊維糸条の水分率、前処理後の前駆体繊維糸条および耐炎化繊維糸条の単繊維間融着の個数、得られた炭素繊維の引張強度と引張弾性率を表１に示す。
実施例３：
実施例２において、前処理における加熱ロールの温度を変えた。この実施例２における前処理、耐炎化処理および炭化／黒鉛化処理における条件を表１に示す。また、得られた前処理後の前駆体繊維糸条の水分率、前処理後の前駆体繊維糸条および耐炎化繊維糸条の単繊維間融着の個数、得られた炭素繊維の引張強度と引張弾性率を表１に示す。
比較例１：
実施例１において、前処理、耐炎化処理および炭化／黒鉛化処理における条件を表１に示すように変えた。この比較例１において得られた前処理後の前駆体繊維糸条の水分率、前処理後の前駆体繊維糸条および耐炎化繊維糸条の単繊維間融着の個数、得られた炭素繊維の引張強度と引張弾性率を表１に示す。
比較例２：
実施例２において、前処理における加熱ロールの温度を変えた。この比較例２における前処理、耐炎化処理および炭化／黒鉛化処理における条件を表１に示す。また、得られた前処理後の前駆体繊維糸条の水分率、前処理後の前駆体繊維糸条および耐炎化繊維糸条の単繊維間融着の個数、得られた炭素繊維の引張強度と引張弾性率を表１に示す。
比較例３：
実施例２において、前処理における加熱ロールの温度を変えた。この比較例３における前処理、耐炎化処理および炭化／黒鉛化処理における条件を表１に示す。また、得られた前処理後の前駆体繊維糸条の水分率、前処理後の前駆体繊維糸条および耐炎化繊維糸条の単繊維間融着の個数、得られた炭素繊維の引張強度と引張弾性率を表１に示す。
【００２３】
【表１】
2004232134.tif 000002
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、前駆体繊維糸条を、ロール外装式酸化性ガス雰囲気炉を用い、かつ、ロール温度を１５０℃以下に維持しながら水分率が４％以上になるように前処理した後、ロール内装式酸化性ガス雰囲気炉に導いて耐炎化処理し、得られた耐炎化繊維糸条を不活性ガス雰囲気炉に導いて炭素化処理するので、実施例と比較例との対比からも明らかなように、より短時間で、前処理後の前駆体繊維糸条、ひいては耐炎化繊維糸条の単繊維間融着を防止しつつ、強度に優れ、また弾性率に優れた炭素繊維を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いるロール外装式酸化性ガス雰囲気炉の一例を示す概略正面図である。
【図２】本発明で用いるロール内装式酸化性ガス雰囲気炉の一例を示す概略正面図である。
【図３】前処理後の前駆体繊維糸条におけるロール温度と単繊維間融着の個数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：酸化性ガス雰囲気炉
２：加熱ロール
３：前駆体繊維糸条
４：前処理後の前駆体繊維糸条
【図１】
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【図２】
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【図３】
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