(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメント数が２４０００〜３００００本である有機繊維糸条を相互に重ね合わせ、その重ね合わせ部において、４〜５ヶ所の絡合部位を、その各両端を拘束し、各絡合部位の弛緩率を５〜６０％とし、両端の絡合部位の弛緩率をその内側の絡合部位の弛緩率に対して４０〜６０％として高速流体処理により絡合接続して後、前記有機繊維糸条を連続的に焼成することを特徴とする炭素繊維の製造法。
【請求項２】
前記有機繊維糸条は、その水分率が０．５〜６重量％であることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維の製造法。
【請求項３】
前記有機繊維糸条は、アクリル系繊維糸条、ポリビニルアルコール系繊維糸条またはピッチ系繊維糸条であり、その水分率が０．５〜１重量％であることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維の製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続的炭素繊維の製造方法に関し、さらに詳しくは、炭素繊維の原糸である前駆体繊維を効率的に接続し炭素繊維を連続的に製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は、従来の航空機、スポーツ用途に加え、建築・土木、エネルギー関係の産業用途にも立ち上がり始め、急速に需要が伸びている。この伸びを更に加速させるために、より低コストの炭素繊維が望まれている。低コスト化の手段の一つとして、多フィラメントの糸を高密度で焼成し、炭素繊維の生産性を向上させる方法があるが、糸条密度を高くすると、耐炎化工程での糸自身の発熱により酸化反応が暴走しやすいという問題がある。そのため、糸条密度を高くする場合には、暴走反応による糸切れを防止するため、耐炎化工程での耐炎化温度を通常の温度よりも低い温度に設定し、長時間をかけて耐炎化する必要がある。しかし、この耐炎化温度の低下幅が大きいと、耐炎化時間が長くなりすぎて、せっかく高糸条密度化を行なっても生産性向上には結びつかない。
【０００３】
高糸条密度焼成でのもう一つの問題は、繊維束自身の糸条密度よりも繊維束端部同士の接続部の糸条密度の方が高いので、暴走反応が起きやすいということである。焼成工程の原糸である前駆体繊維束は、通常ボビンやスプールなどに巻き上げられたり箱体内に折りたたみ積層した形態で供給されるので、これらの前駆体繊維を連続的に焼成し炭素繊維に転換するためには、上記の巻き上げられたり折りたたみ積層されている前駆体繊維の繊維束末端部を何らかの手段でその前の前駆体繊維の末端部に接続してやる必要がある。
【０００４】
接続方法としては、特公昭５３−２３４１１号公報に記載されているように、前駆体繊維束を結び合わせて耐炎化した後結び目を切断除去し、改めて結び直して炭化する方法、特開昭５４−５０６２４号公報に記載の接合部に耐炎性化合物を付与する方法、特開昭５６−３７３１５号公報に記載の前駆体繊維束の両末端部を予め熱処理し、特殊な結び方で接続して焼成する方法や、特開昭５８−２０８４２０号公報に記載の高速流体処理により絡合する方法などがある。しかし、これらいずれの方法においても、結合部で糸条密度が繊維束自身の糸条密度よりも相当高くなるため、耐炎化処理時に蓄熱による焼損、糸切れなどが発生しやすい。
【０００５】
また、従来のフィラメント数の少ない前駆体繊維束の糸繋ぎ方法を用いて、多フィラメントの糸繋ぎを行なうことは非常に困難である。例えば特公平１−１２８５０号公報には、フィラメント数１２０００本までの前駆体繊維束を用いて高速流体処理による絡合する方法が記載されているが、それ以上の多フィラメントの前駆体糸条を絡合させる場合には適していなかった。
【０００６】
多フィラメント化の影響として、耐炎化処理時の結合強力（引張り強度）不足による絡合部分の糸切れないしローラ巻き付き等のトラブルが生じやすく、もしかかるトラブルの修復に時宣を失すると焼成炉内が燃焼する等の重大災害に至るという問題があった。
【０００７】
加えて、かかる重大災害に至らぬまでも、上記接続部分の糸条通過性が著しく低下し、焼成時の糸切れやローラ巻き付き等を一層助長させるという問題もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点のない連続的な炭素繊維の製造法を提供するにある。
【０００９】
すなわち、本発明の目的は炭素繊維を製造する際の有機繊維糸条相互の末端の接続部分において焼成時の糸切れないしローラ巻き付きを可及的に減少せしめ、もって品質及び操業性を一層向上させると共に、燃焼炉での燃焼等の重大災害を未然に防止するにある。また他の目的は有機繊維糸条相互の接続部分の強力、形状が一定で糸条の通過性に優れ、作業性、操業性ならびに生産性、特に多フィラメント、多数本の有機繊維糸条を接続して大量に炭素繊維を製造する際に有利な連続的製造法を提供するにある。更に他の目的は炭素繊維の連続的製造法において有機繊維糸条の糸条数や品種の変更が容易な製造法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために次の構成を有する。
【００１１】
すなわち、フィラメント数が２４０００〜３００００本である有機繊維糸条を相互に重ね合わせ、その重ね合わせ部において、４〜５ヶ所の絡合部位を、その各両端を拘束し、各絡合部位の弛緩率を５〜６０％とし、両端の絡合部位の弛緩率をその内側の絡合部位の弛緩率に対して４０〜６０％として高速流体処理により絡合接続して後、前記有機繊維糸条を連続的に焼成することを特徴とする炭素繊維の製造法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
すなわち、本発明に用いられる有機繊維糸条としては焼成時、特に耐炎化時の発熱が大きく蓄熱やタール状物の発生により接続部の切断が生じやすいアクリル系、ポリビニルアルコール系繊維などの有機系繊維糸条に対して有効であるが、これらに限られるものではなく、その接続の容易さ並びに優れた糸条の通過性によりピッチ系繊維糸条の接続にも有効であり、これらの各種有機繊維糸条を用いることができる。
【００１３】
更に、これらの有機繊維糸条の単繊維繊度及び繊維本数としては、後述する高速流体処理による絡合が可能なものであれば良く、繊度は５デニール（ｄ）以下、好ましくは０．１〜３ｄ、繊維本数は少なくとも２４０００〜３００００本の範囲内のものが用いられる。
【００１４】
本発明の特徴は多フィラメントの有機繊維糸条末端を相互に重ね合わせ、この重ね合わせ部に高速流体処理を施すことによって該重ね合わせ部の糸条を一体的に絡合接続せしめることにより、その接合部分の引張り強度は通常５．５ｇ／ｄ以上に保持される。
【００１５】
すなわち、本発明において多フィラメントの有機繊維糸条同士を直接重ね合わせた場合には該重ね合わせ部を構成する繊維糸条の加熱酸化による強度低下が大きくなる傾向があり、接続した糸条の重ね合わせ部の強力不足により取り扱い性、作業性が低下し、特に耐炎化工程並びにその後の炭化工程において該重ね合わせ部が切断することがある。このため絡合処理後の重ね合わせ部分では引張り強度を５．５ｇ／ｄ以上に保持されているのでよく、もし該引張り強度が５．５ｇ／ｄ未満では接続部分の強力不足に基づく上記問題が生ずる場合がある。
【００１６】
本発明における引張り強度とは、絡合処理部の外側２ｃｍの点を把持し、常温で２０ｃｍ／ｍｉｎの速度で引っ張った場合の最大応力値を絡合部を形成する糸条の平均デニール値で除して、２０サンプル以上の最小値で表したものである。複数ヶ所絡合を施した糸条に対しては、最も離れた絡合部の外側２ｃｍの点を把持して測定を行なう。
【００１７】
ここで本発明に用いる絡合処理によって接続された有機繊維糸条と有機繊維糸条との絡合部を図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１８】
図１は高速流体としてエアーを用いて絡合接続した有機繊維糸条の絡合部の構造を示す平面図であり、比較的高いエア圧力で２ヶ所絡合を施した例である。一般的なエア処理装置（例えば、図３）で絡合処理を行った場合、通常単繊維間の強い交絡が２ヶ所１、１’生じ、該交絡部１、１’に挟まれた糸条中間部２は混繊（マイグレーション）は生ずるものの、極めて弱い絡合状態を呈するものであり、交絡部１、１’が実質的に強度に寄与する。本発明において、絡合部はこの交絡部１、１’とその中間部２から構成され、この絡合部が４〜５ヶ所存在するようにする。なお、図１においてＬは絡合部の長さ、Ｌ’は絡合部と絡合部の間隔を示す。
【００１９】
繊維の流体による絡合においては充分な引張り強度を有すること、接続部の形態ができるだけ単一糸条の形態に近いことが望まれるが、炭素繊維の有機繊維糸条を対象とする場合特に考慮すべきことは以降の焼成工程の糸条通過性に関する点である。
【００２０】
本発明の高速流体処理に用いる流体にはエア、水、蒸気等が適用可能であるが、作業性、経済性の点でエアを使用するのが好ましい。また糸条の接続手段には、接続すべき２糸条を相互に引き揃えた後、高速流体噴出ノズルを用いて該重ねあわせ部の繊維を絡合させる方法が採用される。このような流体噴出ノズルとしては公知の各種ノズルを用いることができ、たとえば特公昭３６−１０５１１号公報、特公昭３７−１１７５号公報において各種構造のノズルがある。その１例を図３〜５に示す。
【００２１】
接続すべき糸条４、４’は挿入口９から処理空間８に挿入されエア噴出口１０から高速気流を噴出させることによって絡合接続される。処理空間８は糸条の毛羽を生じさせないような滑らかな内面を有するもので、通常は方形上のものが用いられるが、方形上に限られるものではない。
【００２２】
またエア噴出口１０はその断面が円形でなく、たとえばスリット状のような形でもよく、その数も１装置に対して複数箇所を設けてもよい。エア噴出方向は糸条に対して直角方向でなくともよく、たとえば２種の噴出口から対照的に糸条軸に対して角度を持たせることも出来る。糸条挿入口は糸条の挿入を容易にするため開口スリットの角を削って円くすることは作業性にとって有効である。
【００２３】
多フィラメントを絡合接続させる際、従来の少フィラメントの場合に比べると絡合させるためのエネルギーが多く必要となるためエア噴出口、処理空間を大きくする必要がある。
【００２４】
また糸条の絡合接続においては、絡合処理域内の重ねあわせ部を５〜６０％、好ましくは１０〜２０％の弛緩率の範囲内で弛緩状態におくのが好ましい。
【００２５】
多フィラメントの絡合接続においては十分絡合させるために前述のとおりエア噴出口、処理空間を大きくしており、多くのエアを噴出させることになる。複数箇所を同じ弛緩率で絡合接続させた場合に端部の重ねあわせ部と、フィラメントとの境界部分に応力集中し、単糸切れを生じ、引っ張り強度が低下するという問題が引き起こされる。
【００２６】
このため、端部絡合度合いを緩めるため、端部の弛緩率は、端部の内側の弛緩率に対して４０〜６０％にする必要がある。
【００２７】
ここでいう弛緩率とは糸条の絡合された長さに対して糸条を弛緩させた長さから算出されるものであり、例えば１回の絡合処理によって２ｃｍの長さの絡合部が得られる装置において弛緩率２０％に設定するためには２．４ｃｍの長さを２ｃｍに弛緩させて絡合部にセットすることを意味する。しかしながら実作業上では絡合部の両側１〜２ｃｍのところを把持して絡合処理を行なうのが作業上好ましく、仮に２ｃｍ外側を把持する場合には、弛緩率２０％は７．２ｃｍの長さで把持した糸条を６．０ｃｍとして絡合装置にセットされることになる。なお糸条を弛緩させて処理するための把持具は絡合装置と一体化させておき、さらに所望の弛緩率設定を自動的に行なえるよう設計しておくことは作業能率上極めて好ましいことである。
【００２８】
また弛緩状態を与える方法として装置をもって設定しなくとも重ねあわせた糸条を両手で把持して経験的な手加減で行なうことも可能であるが、絡合状態が不均一となりがちであり、絡合状態不良を生じ易い。
【００２９】
本発明において２糸条を接続し、次いで耐炎化工程に導入するに際し、高速流体により絡合接続した糸条の端部を以降の工程をスムーズに糸条が移行するようトリミングする必要がある。
【００３０】
２糸条の絡合接続時には、通常余裕を持った長さで重ねあわせ絡合処理を行なうので、絡合部の両側は数ｃｍ〜２０ｃｍのフリーの部分が残り、これを鋏などで絡合部から０．２ｃｍ〜０．５ｃｍの長さの点で切断除去し、糸条が枝分かれしてローラ巻き付きなど生じないように絡合処理後にトウ末端を処理すべきである。
【００３１】
次にエアノズルへ接続するエア圧は、単糸繊度、糸条構成本数、油剤などの付着状態、エア処理ノズル形状などによって適正値は異なるものであるが、ノズルへの入口部において少なくともゲージ圧０．２Ｍｐａ以上、好ましくは０．４〜０．８Ｍｐａの圧力で噴射するのがよい。エア圧が低すぎる場合は交絡部の引っ張り強度が小さく、またエア圧が高すぎる場合は処理部で単糸切れを生じ、以後の工程でローラ巻き付きなどのトラブルを生じ易い。
【００３２】
また、絡合処理を行う有機繊維糸条の水分率は０．５〜６．０重量％がよく、この水分率が低すぎる場合、絡合処理した際に絡合不良となり所望する引張り強度が得られない。反対に水分率が高すぎる場合は耐炎化での熱処理が不十分となる。この結果、以降の工程での糸条通過率が低下し、生産効率が悪くなる。
【００３３】
さらに、該有機繊維糸条の交絡度は４０以下であることが望ましく、これ以上交絡度が高い場合、交絡不良となり所望する引張り強度が得られず、前記同様に糸条通過率が低下し生産効率が悪くなる。
【００３４】
ここで前記有機繊維糸条の交絡度は次の評価方法によって求められる値である。
【００３５】
即ち、図２はこの交絡度評価方法の１例を示す斜視図であり、一本の糸条３にトータルデニール数／３６ｇの荷重７をかけて懸垂し、糸条の間にトータルデニール数／７２０ｇの荷重６を有する直径０．５ｍｍの表面の滑らかな針金で作られたフック５を挿入、垂下させ、フックの落下距離を測定する。その落下距離を次の式を用いてＣＦ値を算出する。
ＣＦ値＝１００／落下距離（ｃｍ）
５０サンプルについてＣＦ値の測定を行い、その最大値および最小値から１０サンプルずつを除いた３０サンプルの平均値をもって交絡度とする。
【００３６】
かくして得られる本発明の接続部を含む有機繊維糸条は公知の各種炭素繊維の製造法に準じて焼成され、炭素繊維あるいは黒鉛化繊維に転換される。例えば、該有機繊維糸条は約２００℃〜４００℃の酸化ガス雰囲気中で酸化繊維とした後、約８００℃〜１５００℃の不活性ガス雰囲気中で加熱・炭化し、必要に応じてさらに高温の不活性ガス雰囲気中で加熱して黒鉛化繊維に転換する方法などが適用される。
【００３７】
【実施例】
以下、実施例を挙げて、本発明の内容をより具体的に説明する。
【００３８】
単糸繊度１ｄ／ｆ、フィラメント数１２０００、２４０００のアクリル系長繊維糸条を第３図に示すタイプのエア絡合装置を用いエア圧力０．４ＭＰａで、エア処理時の絡合点数、糸条弛緩率を変更した結合状態の異なる種々のサンプルを作成した。
【００３９】
これらのサンプルについて引張試験機を用いて引張り強度を測定し、また同条件で作成した別の絡合接続糸について、熱風が循環している耐炎化炉に１．０m/minでフィードし、炉の上下部に設置されたローラによってジグザグ移行させて１５０分間滞留させた後連続的に取りだし酸化工程の糸条通過率を測定した。次いで窒素気体で充満された実質的加熱部が５００〜１４００℃の温度分布を有する炭化炉に１．０m/minで導入し、１分間の熱処理を行い炭化工程における糸条通過率を測定した。
【００４０】
なおここでいう糸条通過率とは上記酸化工程、炭化工程に糸条接合部を導入、熱処理した場合にそれぞれの工程で切断することなしに通過した接合部の数の百分率をもって表したものである。
【００４１】
結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
0003890701.tif 000002
表中、＊印は耐炎化工程で糸条が通過しない、あるいは糸条通過率が低く炭化処理に供し得なかったものである。また、弛緩比率とは、端部の内側の弛緩率に対する端部の弛緩率の割合を百分率で表したものである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば前述した従来法の欠点または問題点、即ち、多フィラメントの有機繊維糸条の焼成時、糸切れないしローラ巻き付き等のトラブルが生じやすく、もしかかるトラブルの修復に時宣を失すると焼成炉内の燃焼等の重大災害に至ること、またそのことが直ちに重大災害に至らぬまでも、糸条通過性が著しく低下し、焼成時の糸切れやローラ巻き付き等を一層助長させるという問題点が解消されるだけではなく、更に次のような多くの優れた効果が得られる。
【００４４】
連続焼成時の品種交換、例えばトータルデニールの変更を容易に行うことができる。即ち、トータルデニールの異なる２種の有機繊維糸条の糸条両端を重ね合わせ、絡合処理することにより両者を容易に接続できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２ヶ所を絡合処理した有機繊維糸条の平面図である。
【図２】本発明におけるＣＦ値測定法を説明するための斜視図である。
【図３】本発明における絡合処理装置の一例を示す斜視図である。
【図４】図３に示す絡合処理装置の縦断面図である。
【図５】図３に示す絡合処理装置の側面図である。
【符号の説明】
１，１’；  交絡部
２      ；  糸条中間部
３      ；  一本の糸条
４，４’：  糸条
５      ；  フック
６，７  ；  荷重
８      ；  絡合処理空間
９      ；  糸条挿入口
１０      ；  エア噴出孔
Ｌ      ；  絡合部長さ
Ｌ’    ；  絡合部と絡合部の間隔
【図１】
0003890701.tif 000003
【図２】
0003890701.tif 000004
【図３】
0003890701.tif 000005
【図４】
0003890701.tif 000006
【図５】
0003890701.tif 000007