(57)【要約】【解決課題】太い前駆体繊維であっても、より短い時間で、かつ、より均一に耐炎化処理を行うことができ、耐炎化繊維、ひいては炭素繊維の製造コストを低減できる耐炎化炉を提供する。【解決手段】炭素繊維の前駆体繊維が通される熱処理室と、この熱処理室内に設けた、前駆体繊維を加熱する遠赤外線ヒータとを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維の前駆体繊維が通される熱処理室と、この熱処理室内に設けた、前駆体繊維を加熱する遠赤外線ヒータとを有することを特徴とする耐炎化炉。
【請求項２】
遠赤外線ヒータが波長２．５〜１０μｍの波長域を含む熱線を放射する遠赤外線ヒータである、請求項１に記載の耐炎化炉。
【請求項３】
熱処理室内に熱風吹出ノズルを設けた、請求項１に記載の耐炎化炉。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の耐炎化炉を用い、熱処理室内を２００〜３００℃の範囲内の酸化性雰囲気に保ちながら前駆体繊維を熱処理し、耐炎化することを特徴とする耐炎化繊維の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法によって得られた耐炎化繊維を、１，０００〜３，０００℃の範囲内の不活性雰囲気下にて熱処理して炭素化することを特徴とする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、炭素繊維の製造に用いる耐炎化繊維を製造するための耐炎化炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は、よく知られているように、ポリアクリロニトリル繊維等の前駆体繊維を酸化性雰囲気中にて２００〜３００℃の温度で熱処理して耐炎化繊維とした後、その耐炎化繊維を不活性雰囲気中にて１，０００〜３，０００℃の温度で熱処理して炭素化することによって製造されている。耐炎化炉は、炭素繊維を製造するための耐炎化繊維を得るときに用いられる。
【０００３】
さて、耐炎化炉としては、熱処理室と、この熱処理室内に熱風を供給する熱風吹出ノズルとを有するものが一般的である（たとえば、特許文献１参照）。前駆体繊維（繊維束）は、空気等の酸化性ガスが満たされた熱処理室内を連続的に走行せしめられ、走行中に熱風によって２００〜３００℃の温度に加熱され、耐炎化される。ところが、このような耐炎化炉においては、酸化性ガスを介して前駆体繊維に熱が伝わることになるため、前駆体繊維が熱処理室内に導入されてから耐炎化反応を開始する温度になるまでに時間がかかる。かかる傾向は、前駆体繊維が太くなればなるほど（単繊維数が多くなればなるほど）顕著になり、熱処理時間を十分にとらないと繊維束の径方向に温度差ができ、耐炎化処理の程度に斑ができて、耐炎化繊維、ひいては炭素繊維の品質、特性が低下するようになる。そのため、従来は、熱処理室を長くしたり、前駆体繊維の走行速度を低くしたりして十分な熱処理時間が確保されるようにしている。しかしながら、熱処理室を長くするためには大型の耐炎化炉が必要になり、設備費が高くなる。また、前駆体繊維の走行速度を低くすると生産性が低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の耐炎化炉の上記問題点を解決し、太い前駆体繊維であっても、より短い時間で、かつ、より均一に耐炎化処理を行うことができ、耐炎化繊維、ひいては炭素繊維の製造コストを低減することができる耐炎化炉を提供するにある。
【０００５】
【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、炭素繊維の前駆体繊維が通される熱処理室と、この熱処理室内に設けた、前駆体繊維を加熱する遠赤外線ヒータとを有することを特徴とする耐炎化炉を提供する。
【０００６】
上記において、遠赤外線ヒータは、波長２．５〜１０μｍの波長域を含む熱線を放射する遠赤外線ヒータであるのが好ましい。また、熱処理室内に熱風吹出ノズルを設けて遠赤外線ヒータによる加熱と熱風による加熱とを併用するのも好ましい。
【０００７】
上述した耐炎化炉を用い、熱処理室内を２００〜３００℃の範囲内の酸化性雰囲気に保ちながら前駆体繊維を熱処理すると、耐炎化繊維が得られる。この耐炎化繊維を、１，０００〜３，０００℃の範囲内の不活性雰囲気下にて熱処理して炭素化すれば、炭素繊維が得られる。なお、本発明における炭素化には、炭化と黒鉛化の双方が含まれる。したがって、得られる炭素繊維には、黒鉛化繊維も含まれる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１において、耐炎化炉は、内部に熱処理室１を形成する炉体２を有する。熱処理室１内の上部炉壁および下部炉壁には、それぞれ遠赤外線ヒータ３が設置されている。また、熱処理室１内には、複数個（この例では４個）の熱風吹出ノズル４と、これら複数個の熱風吹出ノズル４のそれぞれに対応して熱風吸込ノズル５が設けられている。これら複数個の熱風吹出ノズル４、熱風吸込ノズル５は、ヒータ６、ファン７を有する循環ダクト８に並列に接続されており、熱風吹出ノズル４から、熱処理室１内を連続的に走行せしめられる前駆体繊維Ｙの走行方向（矢印方向）とは逆方向に熱風が吹き出され、一方、熱処理室１内に吹き出された熱風は熱風吸込ノズル５から吸い出され、ファン７によって熱風吹出ノズル４に循環されるようになっている。熱風吹出ノズル４に循環される熱風は、ヒータ６によって所望の温度に加熱される。
【０００９】
さて、このような耐炎化炉を用いる前駆体繊維の耐炎化処理は、遠赤外線ヒータ３を作動させるとともに、熱風吹出ノズル４から加熱された空気を吹き出し、熱処理室１内を、２００〜３００℃、好ましくは１５０〜２５０℃の範囲内の酸化性雰囲気に保ちながらその熱処理室１内に前駆体繊維Ｙを連続的に走行させる。前駆体繊維Ｙは、熱処理室１内を走行している間に耐炎化され、耐炎化繊維となる。
【００１０】
上記において、前駆体繊維は、アクリロニトリル系繊維、ピッチ系繊維、レーヨン系繊維のようなものであるが、本発明は、単繊維数が１，０００本以上とか６，０００本以上、さらには１０，０００本以上といった太い前駆体繊維を耐炎化処理する場合に特に好適である。太い前駆体繊維ほど、内部まで均一に加熱することが難しくなるからである。
【００１１】
また、遠赤外線ヒータは、板状や棒状等のシーズヒータに、遠赤外放射材、たとえばチタン酸アルミニウム、酸化鉄、アルミナ、グラファイトをコーティングしてなるようなもので、波長２．５〜１０μｍの波長域を含む熱線を放射することができるものである。そのような遠赤外線ヒータ自体はよく知られているが、これを熱処理室内に配置することで、遠赤外線効果によって前駆体繊維の内部までより均一に加熱することができるようになる。なお、上記の例では、遠赤外線ヒータを上部炉壁と下部炉壁に取り付けているが、遠赤外線ヒータの個数や配置は、熱処理室の大きさ、形状等に応じて任意に選定することができる。環状の遠赤外線ヒータを用いることもできる。ただ、遠赤外線ヒータは、前駆体繊維を効率よく加熱することができるよう、前駆体繊維の走行方向と並行するように設けるのが好ましい。
【００１２】
熱風吹出ノズルや熱風吸込ノズルは、必須のものではないが、これらを設けると、遠赤外線ヒータの加熱によって前駆体繊維の内部に発生する反応熱を除去することができるようになり、より均一な耐炎化処理を行うことができるようになる。なお、熱風の方向は、走行する前駆体繊維と直交する方向であってもよい。
【００１３】
また、本発明の耐炎化炉は、ただ１個を用いることも可能ではあるが、通常は、複数個を、前駆体繊維の走行方向に関して直列になるように並べたり積み重ねたりして用いる。
【００１４】
【実施例および比較例】
以下に示す実施例および比較例において、炭素繊維の引張強度および引張弾性率、ＦＲＰの圧縮強度は、次のようにして測定した。
炭素繊維の引張強度、引張弾性率：
炭素繊維に以下に示す組成の樹脂をその含有率が５０重量％になるように含浸した後、１３０℃で３５分間加熱して樹脂を硬化させ、得られたストランドをＪＩＳ  Ｒ  ７６０１に規定される方法に準拠して引張試験する。
【００１５】
エポキシ樹脂                                            ９３重量％
（ユニオンカーバイド社製ＥＲＬ−４２２１）
３フッ化ホウ素モノエチルアミン                                                    ３重量％
アセトン                                                                                          ４重量％
ＦＲＰの圧縮強度：
以下に示す組成からなるマトリクス樹脂を調製する。
【００１６】
ビスフェノールＡジグリシジルエーテル樹脂                                ３０重量％
（ジャパンエポキシレジン（株）製“エピコート”１００１）
ビスフェノールＡジグリシジルエーテル樹脂                                ３０重量％
（ジャパンエポキシレジン（株）製“エピコ−ト”８２８）
フェノールノボラックポリグリシジルエーテル樹脂                    ２７重量％
（大日本インキ化学工業（株）製“エピクロン”Ｎ７４０）
ポリビニルホルマール樹脂                                                                    ５重量％
（チッソ（株）製“ビニレック”Ｋ）
ジシアンジアミド                                                                                    ４重量％
（ジャパンエポキシレジン（株）製ＤＩＣＹ７）
３，４ジクロロフェノール−１ジメチルウレア                                ４重量％
（保土ヶ谷化学（株）製ＤＣＭＵ−９９）
次に、炭素繊維を、目付が１９０ｇ／ｍ２になるように一方向に並行かつシート状に引き揃え、これに上記マトリクス樹脂を含浸して、幅３００ｍｍ、長さ２．７ｍ、マトリクス樹脂の含有率が３５重量％の一方向プリプレグを得る。
【００１７】
次に、上記プリプレグの複数枚を炭素繊維の方向を揃えて積層し、温度１３０℃、圧力０．３ＭＰａで２時間加熱、加圧してマトリクス樹脂を硬化させ、厚みが１ｍｍのＦＲＰ板を得る。
【００１８】
次に、上記ＦＲＰ板から、炭素繊維の方向を長さ方向とする、厚み１±０．１ｍｍ、幅１２．７±０．１３ｍｍ、長さ８０±０．０１３ｍｍ、ゲージ部長さ５±０．１３ｍｍの試験片を切り出す。
【００１９】
次に、上記試験片について、ＡＳＴＭ  Ｄ６９５に記載される方法に準拠し、歪み速度を１．２７ｍｍ／分として圧縮試験を行い、さらに繊維体積含有率が６０％の場合に換算して圧縮強度とする。
実施例１：
図１に示した耐炎化炉を１０個用い、アクリロニトリル９７％重量％、アクリル酸メチル２重量％、イタコン酸１重量％からなるアクリル系重合体からなる、単繊維数が２４，０００本のアクリロニトリル系前駆体繊維を耐炎化処理した。ただし、熱風吹出ノズルと熱風吸込ノズルは設けないで、遠赤外線ヒータのみによって熱処理室内を２５０℃に加熱した。各耐炎化炉の熱処理室は、長さ１５ｍ、幅３ｍ、高さ０．５ｍ、容積２２．５ｍ３であり、前駆体繊維の走行速度は、１０個の耐炎化炉による合計の熱処理時間が６０分になるよう２．５ｍ／分とした。得られた耐炎化繊維は、比重１．３８であった。
【００２０】
次に、上記耐炎化繊維を、窒素ガス雰囲気中にて最高温度８００℃、延伸比０．９６で前炭化処理した後、窒素ガス雰囲気中にて０．１Ｎの張力をかけながら最高温度１，４５０℃で炭化処理し、炭素繊維を得た。
【００２１】
上記炭素繊維に表面電界処理を施した後、エポキシ系サイジング剤の浴に通し、サイジング材の付着量が０．８重量％の炭素繊維を得た。この炭素繊維について、引張強度、引張弾性率を測定した。また、それを用いたＦＲＰの圧縮強度を測定した。測定結果を以下に示す。
【００２２】
引張強度  ：    ５．０ＧＰａ
引張弾性率：    ２４０ＧＰａ
圧縮強度  ：１，６００ＭＰａ
実施例２：
実施例１において、熱風吹出ノズルと熱風吸込ノズルを併用した。熱風吹出ノズルからは２００℃の熱風を３ｍ／秒の速度で吹き出した。前駆体繊維の走行速度は、１０個の耐炎化炉による合計の熱処理時間が４０分になるよう３．８ｍ／分とした。得られた耐炎化繊維は、比重１．３９であった。
【００２３】
以下、上記耐炎化繊維から実施例１と同様にして炭素繊維を製造し、その炭素繊維について、引張強度、引張弾性率を測定した。また、それを用いたＦＲＰの圧縮強度を測定した。測定結果を以下に示す。
【００２４】
引張強度  ：    ５．２ＧＰａ
引張弾性率：    ２５０ＧＰａ
圧縮強度  ：１，８００ＭＰａ
比較例：
実施例２において、遠赤外線ヒータを除去した。熱風吹出ノズルからは２５０℃の熱風を３ｍ／秒の速度で吹き出した。耐炎化繊維の比重を炭素化処理可能な１．３５以上とするためには合計で１２０分の処理時間を必要としたため、前駆体繊維の走行速度は１．３ｍ／分となった。
【００２５】
以下、上記耐炎化繊維から実施例１と同様にして炭素繊維を製造し、その炭素繊維について、引張強度、引張弾性率を測定した。また、それを用いたＦＲＰの圧縮強度を測定した。測定結果を以下に示す。
【００２６】
引張強度  ：    ４．４ＧＰａ
引張弾性率：    ２２０ＧＰａ
圧縮強度  ：１，３００ＭＰａ
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係る耐炎化炉は、炭素繊維の前駆体繊維が通される熱処理室と、この熱処理室内に設けた、前駆体繊維を加熱する遠赤外線ヒータとを有しているので、実施例と比較例との対比からも明らかなように、太い前駆体繊維であっても、より短い時間で、かつ、より均一に耐炎化処理を行うことができ、耐炎化繊維、ひいては炭素繊維の製造コストを低減することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態に係る耐炎化炉の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１：熱処理室
２：炉体
３：遠赤外線ヒータ
４：熱風吹出ノズル
５：熱風吸込ノズル
６：ヒータ
７：ファン
８：循環ダクト
【図１】
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