炭素繊維マットの製造方法及び製造装置
【課題】短繊維化した炭素繊維をそのまま使用しつつ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】短繊維に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維５３を所定の厚みに積層してフリース状繊維マット６１Ｃを形成する炭素繊維マットの製造方法において、前記綿状繊維５３を開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間に設けた空気室５にて浮遊させてから、前記吸引ケージ６に吸引して積層させる。
【解決手段】短繊維に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維５３を所定の厚みに積層してフリース状繊維マット６１Ｃを形成する炭素繊維マットの製造方法において、前記綿状繊維５３を開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間に設けた空気室５にて浮遊させてから、前記吸引ケージ６に吸引して積層させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短繊維化した炭素繊維原料からフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維マットは、高温における耐熱性、断熱性等に優れているため、各種高温炉の断熱材やディーゼルエンジン車の排ガスフィルタ材、溶接現場での遮熱材等として使用されている。
しかし、炭素繊維は、繊維自体に捲縮性を持たず、滑りやすいので、繊維同士が絡みにくいという問題があった。また、無理に開繊すると炭素繊維が折損する問題もあった。そのため、従来のカード機を用いて、短繊維化した炭素繊維原料から均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成することは、困難であった。
【０００３】
この問題に対応するために、例えば、特許文献１〜３の技術が開示されている。
特許文献１の技術は、炭化処理等した繊維からなるバット層の少なくとも片面に焼成により炭化又は黒鉛化する高分子繊維の織布等を載置し、その載置面側からニードルパンチングで一体化し、これを焼成する炭素繊維製高密度フェルトの製造方法に関する技術である。
また、特許文献２の技術は、レーヨン繊維と、レーヨン繊維が炭化する温度以下の温度で軟化、溶融する有機質繊維とを所定の割合で混紡し、ニードルパンチングした不織布を複数枚積層して、加圧しながら非酸化性雰囲気中で加熱処理する炭素繊維質断熱材の製造方法に関する技術である。
また、特許文献３の技術は、炭素繊維等の無機短繊維を搬入コンベアで予備処理室に一定量ずつ搬入させて送り込みローラで予備開繊シリンダに定量ずつ連続して供給して予備開繊させ、続いて複数の本開繊シリンダにより本開繊させ、この本開繊中に予備処理室内上部に設置された予備処理剤噴霧ノズルから予備処理剤を噴霧させ、無機短繊維をすべりやすくし、かつ、ふわっとした良好な開繊状態を付与し、搬出コンベアで搬出しながらエージング処理を行わせる、炭素繊維等の不織布製造工程の予備処理に関する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３３２４９号公報
【特許文献２】特開２００９−７３７１５号公報
【特許文献３】特開２０００−３２８４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に記載された技術には、次のような問題があった。
特許文献１、２の技術では、炭化処理等する前の高分子繊維又は有機質繊維をニードルパンチング後に、焼成等の加熱処理をする必要がある。そのため、積層した繊維マットを加熱処理する工程及び加熱処理装置に、多大なコストが掛かるという問題が生じることになる。
また、焼成等の加熱処理においては、加熱処理工程での温度管理が焼成等した炭素繊維の耐熱性等に対する品質に直接影響するので、予め一定レベルに品質保証がされた炭素繊維をそのまま使用する場合に比べて、安定した品質を得にくい問題がある。
【０００６】
この点、特許文献３の技術では、炭素繊維をそのまま使用しているので、積層した繊維マットを加熱処理する必要はないが、本開繊中に予備処理剤を噴霧し、その後、エージング処理（乾燥）させる必要がある。そのため、予備処理剤の噴霧処理及びエージング処理（乾燥）のための新たな工程及び装置を必要とし、コスト増大の問題は生じてしまう。
また、予備処理剤を噴霧しても、予備処理剤を繊維全体へ均一に塗布することは、必ずしも、容易ではない。そのため、予備処理剤が不十分な箇所は、本開繊シリンダで均一に開繊することができない。結局、従来のカード機を用いて、上記予備処理した炭素繊維原料から均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成することは、容易ではない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、短繊維化した炭素繊維をそのまま使用しつつ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法及び製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の炭素繊維マットの製造方法及び製造装置は、次のような構成を有している。
（１）短繊維に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維を所定の厚みに積層してフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法において、
前記綿状繊維を開繊シリンダと吸引ケージとの間に設けた空気室にて浮遊させてから、前記吸引ケージに吸引して積層させることを特徴とする。
【０００９】
（２）（１）に記載された炭素繊維マットの製造方法に使用する炭素繊維マットの製造装置において、
前記空気室には、前記開繊シリンダ側から前記吸引ケージ側に向けて送風する送風口が設けられていることを特徴とする。
（３）（２）に記載された炭素繊維マットの製造装置において、
前記吸引ケージは、上部吸引ケージと下部吸引ケージとからなり、両吸引ケージの隙間を前記炭素繊維マットが通過することを特徴とする。
（４）（３）に記載された炭素繊維マットの製造装置において、
前記両吸引ケージの隙間は、前記空気室の底面より上方に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
次に、本発明に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置の作用及び効果について説明する。
（１）短繊維に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維を所定の厚みに積層してフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法において、綿状繊維を開繊シリンダと吸引ケージとの間に設けた空気室にて浮遊させてから、吸引ケージに吸引して積層させることを特徴とするので、短繊維化した炭素繊維をそのまま使用しつつ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成することができる。
【００１１】
具体的には、綿状繊維を開繊シリンダと吸引ケージとの間に設けた空気室にて浮遊させるので、開繊シリンダで開繊された綿状繊維を空気室の中で１本１本バラバラに分離させることができる。そのため、綿状繊維は、空気室の中で束状の塊を形成することなく、均一に分散することができる。このとき、綿状繊維は、空気中に浮遊して分散するので、炭素繊維が折損する問題も生じない。
また、綿状繊維を空気室にて浮遊させてから、吸引ケージに吸引して積層させるので、１本１本の炭素繊維がバラバラの向きで吸引ケージの外周面又は吸引ケージ前の空気室底面に積層させることができる。つまり、炭素繊維がバラバラの向きで吸引ケージに積層して繊維マットを形成するので、繊維マットにおける繊維の配向性がランダムとなり、マット自体の繊維密度が均一となる。また、マット自体の引張り強度も、全方向に対して均一となる。
さらに、綿状繊維を吸引ケージに吸引して積層させるので、仮に、積層途中で繊維マットの厚みに不揃いが生じても、厚い箇所の吸引力は低下し、薄い箇所の吸引力は上昇するので、空気室中に浮遊又は空気室底面に滞留する綿状繊維は、吸引力の上昇した薄い箇所に集まってくる。その結果、吸引ケージに積層された繊維マットの内、薄い箇所に集中的に綿状繊維が吸引されて、全体として均一な厚さの繊維マットを形成することができる。
よって、（１）の発明によれば、短繊維化した炭素繊維をそのまま使用しつつ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法を提供することができる。
【００１２】
（２）（１）に記載された炭素繊維マットの製造方法に使用する炭素繊維マットの製造装置において、空気室には、開繊シリンダ側から吸引ケージ側に向けて送風する送風口が設けられていることを特徴とするので、綿状繊維の量が多く、開繊シリンダと吸引ケージとの間の空気室底面に綿状繊維が滞留しても、送風口からの風によって、滞留した綿状繊維の固まりを吸引ケージ側に移動させることができる。
具体的には、積層した繊維マットが一定の厚みを有するためには、一定量の綿状繊維の固まりが必要であるが、均一な厚みの繊維マットを形成するためには、綿状繊維の固まりが均一に分布していなくてはならない。そして、綿状繊維の固まりを均一に分布させるために重要な要素は、綿状繊維が量的に十分浮遊できる空間的余裕のある空気室と、空気室底面に滞留した綿状繊維の固まりを開繊シリンダ側から吸引ケージ側へ移動させる風力の大きさである。開繊シリンダは、開繊用の突起を有するシリンダであり、高速で回転するので、回転による風力を発生させる。また、吸引ケージは、排気ダクトに連通して空気室の空気をケージ内に吸引するので、風力を吸引方向に発生させる。
しかし、開繊シリンダと吸引ケージが発生させる風力のみでは、綿状繊維の量が多くなると、開繊シリンダと吸引ケージとの間の空気室底面に滞留した綿状繊維の固まりを吸引ケージ側に移動させる風力としては、不十分な場合がある。
そこで、空気室に、開繊シリンダ側から吸引ケージ側に向けて送風する送風口を設けて、不足する風力を補充したのである。この送風口には、案内板を設けて、風向や風量等を調節するとより効果的である。
【００１３】
（３）（２）に記載された炭素繊維マットの製造装置において、吸引ケージは、上部吸引ケージと下部吸引ケージとからなり、両吸引ケージの隙間を炭素繊維マットが通過することを特徴とするので、より均一な厚みの繊維マットを、より早く形成することができる。
具体的には、上部吸引ケージに積層した繊維マットと下部吸引ケージに積層した繊維マットとが両吸引ケージの隙間を通過するときに重なり合うので、均一な厚みの繊維マットを形成する速度が向上する。また、両吸引ケージの隙間を炭素繊維マットが通過する際、繊維マットの厚みの不揃いが多少生じていても修正されるので、より均一な厚みの繊維マットを形成することができる。
【００１４】
（４）（３）に記載された炭素繊維マットの製造装置において、両吸引ケージの隙間は、空気室の底面より上方に設けられていることを特徴とするので、下部吸引ケージに積層する綿状繊維を、より均一に積層させることができる。
具体的には、両吸引ケージの隙間を空気室の底面より上方に設けることによって、空気室底面に滞留した綿状繊維は、下部吸引ケージの空気室に対向する円弧面を経由しないと、両吸引ケージの隙間を通過することができない構造になっている。そのため、下部吸引ケージに積層された繊維マットの内、薄い箇所と厚い箇所が有ったとき、送風口からの風によって、空気室底面に滞留した綿状繊維の固まりを移動させる際、薄い箇所に集中的に綿状繊維を供給することができ、全体として均一な厚さの繊維マットを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置の実施形態を含む炭素繊維不織布の製造工程の全体図である。
【図２】本実施形態における装置主要部の断面図である。
【図３】本実施形態における吸引ケージに綿状繊維が吸引されて積層する状態を説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、はじめに炭素繊維不織布を製造する製造工程の全体構成を説明した上で、本実施形態に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置について詳細に説明し、その動作及び作用効果について説明する。
【００１７】
＜炭素繊維不織布製造工程の全体構成＞
はじめに、炭素繊維不織布を製造する製造工程の全体構成について説明する。図１に、本発明に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置の実施形態を含む炭素繊維不織布の製造工程の全体図を示す。
図１に示すように、炭素繊維不織布の製造工程は、炭素繊維切断工程１と混打工程２、３とウェブ（ここでは、「炭素繊維マット」と称する。）形成工程１０とニードリング工程８と裁断工程９とを備えている。
炭素繊維切断工程１は、ボビンにコイル状で巻回された炭素繊維束を所定の長さに切断する工程である。炭素繊維束は、例えば、ＰＡＮ系炭素繊維の束で、一般的に密度１．７〜２．０ｇ／cm3程度で直径５〜１０ミクロン程度の長繊維（フィラメント）が数千から数万本程度集合した集合体である。炭素繊維切断工程１では、ボビン１１を巻戻し台１７に載置して炭素繊維束１２を巻き戻すとともに、巻き戻した炭素繊維束１２を案内ローラ１３を経由して切断機１４に挿入して所定の長さに切断する。炭素繊維束１２を切断する長さは任意に設定すればよいが、例えば、１０ｃｍ程度の長さに切断する。切断して短繊維化した炭素繊維原料１５は、パレット１６に収容する。なお、炭素繊維原料１５は、炭素繊維１００％の原料である。
【００１８】
混打工程２、３は、短繊維化した炭素繊維原料１５を一般的な混打機にてほぐして、繊維の方向が揃って所定の大きさの綿状の固まり又は連続状になった粗綿を作る工程である。混打機には、図示しない複数のドラムやローラを備えていて、供給された繊維を小さい方のドラムが掻き込み、もう一つのドラムに渡すとき、繊維を分離して方向を揃える。炭素繊維束１２は、非常に細い繊維が集合した繊維束であるので、フィラメント径に近い細径の繊維に分離した綿状の固まりを形成するためには、混打機を複数使う場合がある。ここでは、２台の混打機２、３を使用している。
【００１９】
パレット１６に収容した短繊維状の炭素繊維原料１５は、第１混打機２の投入口２１から投入され、粗綿化されて排出口から出てくる。この粗綿化された炭素繊維原料２３は、より一層細径化して綿状の固まりとするため、第２混打機３の投入口３１へ搬送コンベア２４によって搬送される。第２混打機３に投入された炭素繊維原料２３は、異物等が除去されながら１本１本のフィラメント径に近い状態に細径化された綿状の固まりとなって、排出口３２から排出される。
第２混打機３から排出される炭素繊維原料３４は、搬送コンベア３５に載置されて搬送される途中に、予備ローラ３３にて連続綿となるよう均らされた上で、本実施形態に係る炭素繊維マットの形成工程１０に投入される。
【００２０】
炭素繊維マットの形成工程１０は、連続綿となった炭素繊維原料３４から均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成する工程である。炭素繊維マットの形成工程１０では、綿状繊維を互いに同期して回転する開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間に設けた空気室５にて浮遊させてから、吸引ケージ６に吸引して積層させ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成する。空気室５には、下方から送風機７にて所定の向きに風が供給されている。炭素繊維マットの形成方法及び装置の詳細については、後述する。
炭素繊維マットの形成工程１０にて形成されたフリース状繊維マットは、搬送コンベア８３に載置されてニードリング工程８に搬送される。その搬送の際、複数本の押えローラ８２にて、フリース状にふわふわした炭素繊維マットを圧縮して、繊維密度を高めている。
【００２１】
ニードリング工程８は、炭素繊維マット８４の繊維密度をより高めるとともに、厚さ方向で繊維を混絡させて、炭素繊維不織布としての強度を向上させる工程である。ニードリング工程８では、先端に鉤状部を有する複数の針８５を炭素繊維マットの上面から突き挿して、針８５の鉤状部が引っ掛けた繊維を上方に引き上げながら繊維同士を厚さ方向で絡ませている。なお、あまり頻繁にニードリングすると炭素繊維の折損に繋がりやすいので、最低限の回数に控える必要がある。
最後の裁断工程９は、ニードリングした炭素繊維不織布を必要なサイズに裁断する工程である。ここでは、搬送コンベア９１の上にカッターを設置して、必要な裁断を行っている。また、裁断された炭素繊維不織布９２は、製品パレット９３に収納される。
【００２２】
＜炭素繊維マットの製造方法及び製造装置＞
次に、本実施形態に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置１００を説明する。図２に、本実施形態における装置主要部の断面図を示す。図３に、本実施形態における吸引ケージに綿状繊維が吸引されて積層する状態を説明する斜視図を示す。
図２に示すように、炭素繊維マットの製造装置１００は、開繊シリンダ４と空気室５と吸引ケージ６と送風機７とを備えている。
開繊シリンダ４は、複数の突起部４２を外周に設置した円筒状の開繊シリンダ本体４１を有している。開繊シリンダ本体４１は、回転中心４３で軸支され、反時計方向（矢印Ｐの方向）に所定の回転速度で回転する。回転速度は、綿状繊維原料３４の送込み量等によって最適な速度に設定する。例えば、８００〜１０００ｒｐｍ程度である。
【００２３】
また、開繊シリンダ４には、開繊シリンダ本体４１の外周に設置した突起部４２と干渉しない位置で、円弧状のカバー部材４４が覆設されている。第２混打機３から排出される炭素繊維原料３４の投入口には、カバー部材４４が切り欠かれ、投入ローラ４９Ａ、４９Ｂが設置されている。投入ローラ４９Ａ、４９Ｂの回転によって、搬送コンベア３５で搬送されてきた連続綿の炭素繊維原料３４は、開繊シリンダ本体４１の下方に投入される。開繊シリンダ本体４１の回転により、投入された連続綿の炭素繊維原料３４が、突起部４２によって開繊される。開繊された綿状繊維５３は、開繊シリンダ本体４１の回転により発生する風によって、後方に飛ばされる。なお、カバー部材４４の切り欠き下部には、風切板４５が設けられ、投入ローラ４９Ｂからの風の侵入を防止している。
【００２４】
図２に示すように、空気室５は、開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間に設けられている。空気室５は、開繊シリンダ本体４１の突起部４２によって開繊され、後方に飛ばされた綿状繊維５３を、内部に浮遊又は滞留させるための空間である。空気室５は、天井板５１と底板５２とを有し、天井板５１と底板５２とで画成された空間は、綿状繊維５３が量的に十分浮遊できる空間的余裕を備えている。天井板５１と底板５２とは、略平行に形成され、開繊シリンダ４に対面する空間的広さと吸引ケージ６に対面する空間的広さが、略等しく形成されている。そのため、開繊シリンダ４の起こす風は、空気室５の中を均等に流れていく。空気室５内の風が均等に流れるので、綿状繊維５３は、空気室５全体に均等に分散して浮遊することができる。
なお、天井板５１と開繊シリンダ４のカバー部材４４との連結部には、風切板４６が設けられ、開繊シリンダ本体４１とカバー部材４４との隙間に風が侵入するのを防止している。
【００２５】
また、空気室５の下端には、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて送風する送風口４７が形成されている。送風口４７の空気室出口には、送風機７から送風される風の風向、風量、風速等を調節する案内板４８が、設けられている。案内板４８で調節された風は、略水平に設けられている底板５２に沿って吸引ケージ６側に流れる。なお、送風機７のファン本体７１と送風口４７とは、送風ダクト７２によって連結されている。
【００２６】
図２に示すように、吸引ケージ６は、開繊シリンダ４で開繊され、空気室５に浮遊又は滞留した綿状繊維５３を吸引して積層させる円筒状の吸引ケージ本体６２、６３を備えている。吸引ケージ本体６２、６３の外周面には、吸引した綿状繊維５３と空気とを分離するフィルター部材６２２、６３２が設置されている。フィルター部材６２２、６３２の材質は、特に限定しない。例えば、全面に細孔を明けたステンレス製の網や薄板でもよい。
【００２７】
本実施形態では、吸引ケージ本体６２、６３を２個有している。２個の吸引ケージ本体６２、６３は、外径が略同寸法に形成され、上下方向に配置されている。各吸引ケージ本体６２、６３は、回転中心６２１、６３１で軸支され、空気室５側の外周面がお互いに近接する方向に回転する。すなわち、上部吸引ケージ本体６２は反時計方向（矢印Ｑの方向）に回転し、下部吸引ケージ本体６３は、時計方向（矢印Ｒの方向）に回転する。上部吸引ケージ本体６２及び下部吸引ケージ本体６３の回転速度はお互いに等しく、開繊シリンダ本体４１の回転速度と同期するよう制御されている。ただし、両吸引ケージ本体６２、６３の回転速度は、開繊シリンダ本体４１の回転速度よりも遅く設定されている。開繊シリンダ本体４１を高速で回転させるのは、綿状繊維５３の１本１本を細かく分離させて、空気室５内に均一に分散させるためである。また、吸引ケージ本体６２、６３を低速で回転させるのは、吸引ケージ６に吸引して積層した繊維マット６１Ａ、６１Ｂを所定の厚みで均一に形成するためである。
【００２８】
また、両吸引ケージ本体６２、６３は、所定の厚さの炭素繊維マット６１Ｃが通過するよう、所定の隙間６４を開けて設置されている。より均一な厚みの繊維マットを、より早く形成することができるためである。
また、両吸引ケージ本体６２、６３の隙間６４は、空気室５の底板５２より上方に設けられている。そのため、空気室５の底板５２に滞留した綿状繊維５３は、下部吸引ケージ本体６３の空気室５に対向する円弧面を経由しないと、両吸引ケージ本体６２、６３の隙間６４を通過することができない構造になっている。
【００２９】
また、両吸引ケージ本体６２、６３の上下方向の外周側には、円弧状のカバー部材６５Ａ、６５Ｂが覆設されている。カバー部材６５Ａ、６５Ｂの両側（図面の表裏方向）には、角筒状の排気導入筒６６が接続されている。排気導入筒６６は、吸引ケージ本体６２、６３の内壁に連通していて、吸引ケージ本体６２、６３からの空気が導入される。排気導入筒６６の上端６７には、排気ダクトが連結されていて導入された空気は、図示しない集塵機によって吸引される。
炭素繊維マットの出口側のカバー部材６４、６５は、切り欠かれていて、デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂが設置されている。デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂは、両吸引ケージ本体６２、６３の隙間から排出される炭素繊維マット６１Ｃを搬送コンベア８３に送り出す役割を持っている。
ここで、デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂは、吸引ケージ本体６２、６３と連動して回転するとともに、回転速度も調節することができる。
【００３０】
＜動作説明＞
次に、本実施形態に係る炭素繊維マットの製造装置１００の動作方法を図２及び図３を用いて説明する。
図２に示すように、搬送コンベア３５で搬送されてきた連続綿の炭素繊維原料３４は、投入ローラ４９Ａ、４９Ｂの回転によって、開繊シリンダ本体４１の下方に投入される。投入された連続綿の炭素繊維原料３４は、開繊シリンダ本体４１が矢印Ｐの方向に高速回転することにより、突起部４２によって開繊されながら、１本１本の綿状繊維５３に分離されるとともに、開繊シリンダ本体４１の回転により、矢印Ｓの方向に発生する風によって、後方の空気室５に飛ばされる。
【００３１】
空気室５は、開繊シリンダ本体４１の回転により飛ばされた綿状繊維５３が量的に十分浮遊できる空間的余裕を備えているので、綿状繊維５３は、空気室５の中で１本１本バラバラに分離され、束状の塊を形成することなく、均一に分散して浮遊する。
ここで、上部吸引ケージ６２は矢印Ｖの方向に、また、下部吸引ケージ６３は矢印Ｕの方向に、集塵機から排気ダクトを通じて吸引されている。そのため、空気室５に浮遊する綿状繊維５３は、両吸引ケージ本体６２、６３に吸引（矢印Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３・・・、及び矢印Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３・・・）される。吸引された綿状繊維６１Ａ、６１Ｂは、１本１本の炭素繊維がバラバラの向きで両吸引ケージ本体６２、６３の外周面に設けたフィルター部材６２２、６３２に積層する。
【００３２】
また、図３に示すように、吸引ケージ本体６２、６３の外周面に設けたフィルター部材６２２、６３２に積層した炭素繊維の厚みが、薄い領域が生じる場合がある。例えば、領域Ｋ１が他の領域に比べて、炭素繊維の厚みが薄いとする。薄い領域Ｋ１では、炭素繊維による風の抵抗が少ないので、吸引力ＵＬ１が他の領域に比べて上昇する。すると、空気室５に浮遊する綿状繊維５３は、吸引力ＵＬ１が上昇した領域Ｋ１に集中して吸引されていく。薄い領域Ｋ１の炭素繊維が、他の領域の厚みと等しくなるまで、この吸引力の差は生じているので、結局、領域Ｋ１の炭素繊維の厚みは、他の領域の厚みと略等しくなる。
【００３３】
また、図２に示すように、空気室５の下端には、送風口４７が設けられ、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて一定の風Ｔが送風されている。送風口４７からの風Ｔによって、空気室５の底板５２に滞留した綿状繊維５３の固まりは、下部吸引ケージ本体６３側に移動する。
このとき、図３に示すように、下部吸引ケージ６３に積層された繊維マット６１Ｂの内、厚みが薄い領域Ｋ２があると、前述の上昇した吸引力ＵＬ２に加えて、送風口４７からの風Ｔによって、薄い領域Ｋ２に集中的に綿状繊維５３が供給されて、全体として均一な厚さの繊維マット６１Ｃを形成する。
【００３４】
また、図２に示すように、各吸引ケージ本体６２、６３は、空気室５側の外周面がお互いに近接する方向（矢印Ｑ、Ｒの方向）に、同一の速度で回転する。
また、上部吸引ケージ本体６２に積層した繊維マット６１Ａと下部吸引ケージ本体６３に積層した繊維マット６１Ｂとが両吸引ケージの隙間６４を通過するときに重なり合うので、均一な厚みの繊維マット６１Ｃを形成する。また、両吸引ケージの隙間６４を炭素繊維マットが通過する際、繊維マットの厚みの不揃いが多少生じていても修正されるので、より均一な厚みの繊維マットを形成する。
両吸引ケージ本体６２、６３の隙間６４から排出される炭素繊維マット６１Ｃは、デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂの回転によって、搬送コンベア８３に送り出している。なお、デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂは、吸引ケージ本体６２、６３と連動して回転するとともに、回転速度も調節できるので、排出される炭素繊維マット６１Ｃの厚みの管理が、精度良く迅速にできる。
【００３５】
＜作用効果＞
以上、詳細に説明したように、本実施形態の製造方法及び製造装置によれば、短繊維化した炭素繊維原料をそのまま使用しつつ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成することができる。ここで、炭素繊維原料は、炭素繊維１００％の原料であるので、積層したフリース状繊維マットを焼成等する加熱処理をすることなく、耐熱材、断熱材、遮熱材等として使用することができる。
【００３６】
具体的には、綿状繊維５３を開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間に設けた空気室５にて浮遊させるので、開繊シリンダ４で開繊された綿状繊維５３を空気室５の中で１本１本バラバラに分離させることができる。そのため、綿状繊維５３は、空気室５の中で束状の塊を形成することなく、均一に分散することができる。このとき、綿状繊維５３は、空気中に浮遊して分散するので、炭素繊維が折損する問題も生じない。
【００３７】
また、綿状繊維５３を空気室５にて浮遊させてから、吸引ケージ６に吸引して積層させるので、１本１本の炭素繊維がバラバラの向きで吸引ケージ６の外周面又は吸引ケージ６前の空気室５の底面に積層させることができる。つまり、炭素繊維がバラバラの向きで吸引ケージ６に積層して繊維マット６１Ａ、６１Ｂを形成するので、繊維マットにおける繊維の配向性がランダムとなり、マット自体の繊維密度が均一となる。また、マット自体の引張り強度も、全方向に対して均一となる。
【００３８】
さらに、綿状繊維５３を吸引ケージ６に吸引して積層させるので、仮に、積層途中で繊維マットの厚みに不揃いが生じても、厚い箇所の吸引力は低下し、薄い箇所の吸引力は上昇するので、空気室５中に浮遊又は空気室５の底面に滞留する綿状繊維５３は、吸引力の上昇した薄い箇所に集まってくる。その結果、吸引ケージ６に積層された繊維マット６１Ａ、６１Ｂの内、薄い箇所に集中的に綿状繊維５３が吸引されて、全体として均一な厚さの繊維マットを形成することができる。
【００３９】
また、本実施形態によれば、空気室５の下端には、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて送風する送風口４７が設けられていることを特徴とするので、綿状繊維５３の量が多く、開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間の空気室５の底面に綿状繊維５３が滞留しても、送風口４７からの風Ｔによって、滞留した綿状繊維の固まりを吸引ケージ６側に移動させることができる。
具体的には、積層した繊維マットが一定の厚みを有するためには、一定量の綿状繊維５３の固まりが必要であるが、均一な厚みの繊維マットを形成するためには、綿状繊維５３の固まりが均一に分布していなくてはならない。そして、綿状繊維５３の固まりを均一に分布させるために重要な要素は、綿状繊維５３が量的に十分浮遊できる空間的余裕のある空気室５と、空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３の固まりを開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側へ移動させる風力の大きさである。開繊シリンダ４は、開繊用の突起４２を有するシリンダであり、高速で回転するので、回転による風力を発生させる。また、吸引ケージ６は、排気ダクトに連通して空気室５の空気をケージ内に吸引するので、風力を吸引方向に発生させる。
しかし、開繊シリンダ４と吸引ケージ６が発生させる風力のみでは、綿状繊維５３の量が多くなると、開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間の空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３の固まりを吸引ケージ６側に移動させる風力としては、不十分な場合がある。
そこで、空気室５の下端に、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて送風する送風口４７を設けて、不足する風力を補充したのである。この送風口には、案内板４８を設けて、風向や風量等を調節するとより効果的である。
【００４０】
また、本実施形態によれば、吸引ケージ６は、上部吸引ケージ６２と下部吸引ケージ６３とからなり、両吸引ケージの隙間６４を炭素繊維マットが通過することを特徴とするので、より均一な厚みの繊維マットを、より早く形成することができる。
具体的には、上部吸引ケージ６２に積層した繊維マット６１Ａと下部吸引ケージ６３に積層した繊維マット６１Ｂとが両吸引ケージの隙間６４を通過するときに重なり合うので、均一な厚みの繊維マットを形成する速度が向上する。また、両吸引ケージの隙間６４を炭素繊維マットが通過する際、繊維マットの厚みの不揃いが多少生じていても修正されるので、より均一な厚みの繊維マットを形成することができる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、両吸引ケージの隙間６４は、空気室５の底面より上方に設けられていることを特徴とするので、下部吸引ケージ６３に積層する綿状繊維５３を、より均一に積層させることができる。
具体的には、両吸引ケージの隙間６４を空気室５の底面より上方に設けることによって、空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３は、下部吸引ケージ６３の空気室５に対向する円弧面を経由しないと、両吸引ケージの隙間６４を通過することができない構造になっている。そのため、下部吸引ケージ６３に積層された繊維マット６１Ｂの内、薄い箇所と厚い箇所が有ったとき、送風口４７からの風Ｔによって、空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３の固まりを移動させる際、薄い箇所に集中的に綿状繊維５３を供給することができ、全体として均一な厚さの繊維マットを形成することができる。
【００４２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
（１）上述した本実施形態では、吸引ケージ６を上部吸引ケージ６２と下部吸引ケージ６３に分割して、吸引ケージ６が２個存在するが、１個のみでもよい。例えば、上部吸引ケージ６２を圧縮ローラに変更して、下部吸引ケージ６３のみで吸引してもよい。炭素繊維マットの形成速度は低下するが、装置全体がコンパクトになる。
また、この場合に、圧縮ローラへニードリング針を装着すれば、ニードリング工程８を省略することもできる。
（２）また、上述した本実施形態では、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて送風する送風口４７が、空気室５の下端に設けられているが、空気室５の下端に限ることはない。例えば、空気室の側壁に設けてもよい。送風口４７から送風される風が、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて流れていれば、送風口４７からの風Ｔによって、空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３の固まりを移動させることができるからである。
（３）また、上述した本実施形態では、炭素繊維１００％の炭素繊維原料を使用したが、これに限定する必要はない。例えば、耐熱温度等の使用環境によって、炭素繊維以外の繊維を混合することは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、例えば各種高温炉の断熱材やディーゼルエンジン車の排ガスフィルタ材、溶接現場での遮熱材等として使用される炭素繊維マットの製造方法及び製造装置として利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 炭素繊維切断工程
２、３ 混打工程
４ 開繊シリンダ
５ 空気室
６ 吸引ケージ
７ 送風機
８ ニードリング工程
９ 裁断工程
１０ 炭素繊維マット形成工程
４１ 開繊シリンダ本体
４２ 突起部
４７ 送風口
４８ 案内板
５１ 天井板
５２ 底板
６２ 上部吸引ケージ本体
６３ 下部吸引ケージ本体
６４ 隙間
１００ 炭素繊維マットの製造装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短繊維化した炭素繊維原料からフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維マットは、高温における耐熱性、断熱性等に優れているため、各種高温炉の断熱材やディーゼルエンジン車の排ガスフィルタ材、溶接現場での遮熱材等として使用されている。
しかし、炭素繊維は、繊維自体に捲縮性を持たず、滑りやすいので、繊維同士が絡みにくいという問題があった。また、無理に開繊すると炭素繊維が折損する問題もあった。そのため、従来のカード機を用いて、短繊維化した炭素繊維原料から均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成することは、困難であった。
【０００３】
この問題に対応するために、例えば、特許文献１〜３の技術が開示されている。
特許文献１の技術は、炭化処理等した繊維からなるバット層の少なくとも片面に焼成により炭化又は黒鉛化する高分子繊維の織布等を載置し、その載置面側からニードルパンチングで一体化し、これを焼成する炭素繊維製高密度フェルトの製造方法に関する技術である。
また、特許文献２の技術は、レーヨン繊維と、レーヨン繊維が炭化する温度以下の温度で軟化、溶融する有機質繊維とを所定の割合で混紡し、ニードルパンチングした不織布を複数枚積層して、加圧しながら非酸化性雰囲気中で加熱処理する炭素繊維質断熱材の製造方法に関する技術である。
また、特許文献３の技術は、炭素繊維等の無機短繊維を搬入コンベアで予備処理室に一定量ずつ搬入させて送り込みローラで予備開繊シリンダに定量ずつ連続して供給して予備開繊させ、続いて複数の本開繊シリンダにより本開繊させ、この本開繊中に予備処理室内上部に設置された予備処理剤噴霧ノズルから予備処理剤を噴霧させ、無機短繊維をすべりやすくし、かつ、ふわっとした良好な開繊状態を付与し、搬出コンベアで搬出しながらエージング処理を行わせる、炭素繊維等の不織布製造工程の予備処理に関する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３３２４９号公報
【特許文献２】特開２００９−７３７１５号公報
【特許文献３】特開２０００−３２８４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に記載された技術には、次のような問題があった。
特許文献１、２の技術では、炭化処理等する前の高分子繊維又は有機質繊維をニードルパンチング後に、焼成等の加熱処理をする必要がある。そのため、積層した繊維マットを加熱処理する工程及び加熱処理装置に、多大なコストが掛かるという問題が生じることになる。
また、焼成等の加熱処理においては、加熱処理工程での温度管理が焼成等した炭素繊維の耐熱性等に対する品質に直接影響するので、予め一定レベルに品質保証がされた炭素繊維をそのまま使用する場合に比べて、安定した品質を得にくい問題がある。
【０００６】
この点、特許文献３の技術では、炭素繊維をそのまま使用しているので、積層した繊維マットを加熱処理する必要はないが、本開繊中に予備処理剤を噴霧し、その後、エージング処理（乾燥）させる必要がある。そのため、予備処理剤の噴霧処理及びエージング処理（乾燥）のための新たな工程及び装置を必要とし、コスト増大の問題は生じてしまう。
また、予備処理剤を噴霧しても、予備処理剤を繊維全体へ均一に塗布することは、必ずしも、容易ではない。そのため、予備処理剤が不十分な箇所は、本開繊シリンダで均一に開繊することができない。結局、従来のカード機を用いて、上記予備処理した炭素繊維原料から均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成することは、容易ではない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、短繊維化した炭素繊維をそのまま使用しつつ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法及び製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の炭素繊維マットの製造方法及び製造装置は、次のような構成を有している。
（１）短繊維に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維を所定の厚みに積層してフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法において、
前記綿状繊維を開繊シリンダと吸引ケージとの間に設けた空気室にて浮遊させてから、前記吸引ケージに吸引して積層させることを特徴とする。
【０００９】
（２）（１）に記載された炭素繊維マットの製造方法に使用する炭素繊維マットの製造装置において、
前記空気室には、前記開繊シリンダ側から前記吸引ケージ側に向けて送風する送風口が設けられていることを特徴とする。
（３）（２）に記載された炭素繊維マットの製造装置において、
前記吸引ケージは、上部吸引ケージと下部吸引ケージとからなり、両吸引ケージの隙間を前記炭素繊維マットが通過することを特徴とする。
（４）（３）に記載された炭素繊維マットの製造装置において、
前記両吸引ケージの隙間は、前記空気室の底面より上方に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
次に、本発明に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置の作用及び効果について説明する。
（１）短繊維に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維を所定の厚みに積層してフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法において、綿状繊維を開繊シリンダと吸引ケージとの間に設けた空気室にて浮遊させてから、吸引ケージに吸引して積層させることを特徴とするので、短繊維化した炭素繊維をそのまま使用しつつ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成することができる。
【００１１】
具体的には、綿状繊維を開繊シリンダと吸引ケージとの間に設けた空気室にて浮遊させるので、開繊シリンダで開繊された綿状繊維を空気室の中で１本１本バラバラに分離させることができる。そのため、綿状繊維は、空気室の中で束状の塊を形成することなく、均一に分散することができる。このとき、綿状繊維は、空気中に浮遊して分散するので、炭素繊維が折損する問題も生じない。
また、綿状繊維を空気室にて浮遊させてから、吸引ケージに吸引して積層させるので、１本１本の炭素繊維がバラバラの向きで吸引ケージの外周面又は吸引ケージ前の空気室底面に積層させることができる。つまり、炭素繊維がバラバラの向きで吸引ケージに積層して繊維マットを形成するので、繊維マットにおける繊維の配向性がランダムとなり、マット自体の繊維密度が均一となる。また、マット自体の引張り強度も、全方向に対して均一となる。
さらに、綿状繊維を吸引ケージに吸引して積層させるので、仮に、積層途中で繊維マットの厚みに不揃いが生じても、厚い箇所の吸引力は低下し、薄い箇所の吸引力は上昇するので、空気室中に浮遊又は空気室底面に滞留する綿状繊維は、吸引力の上昇した薄い箇所に集まってくる。その結果、吸引ケージに積層された繊維マットの内、薄い箇所に集中的に綿状繊維が吸引されて、全体として均一な厚さの繊維マットを形成することができる。
よって、（１）の発明によれば、短繊維化した炭素繊維をそのまま使用しつつ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法を提供することができる。
【００１２】
（２）（１）に記載された炭素繊維マットの製造方法に使用する炭素繊維マットの製造装置において、空気室には、開繊シリンダ側から吸引ケージ側に向けて送風する送風口が設けられていることを特徴とするので、綿状繊維の量が多く、開繊シリンダと吸引ケージとの間の空気室底面に綿状繊維が滞留しても、送風口からの風によって、滞留した綿状繊維の固まりを吸引ケージ側に移動させることができる。
具体的には、積層した繊維マットが一定の厚みを有するためには、一定量の綿状繊維の固まりが必要であるが、均一な厚みの繊維マットを形成するためには、綿状繊維の固まりが均一に分布していなくてはならない。そして、綿状繊維の固まりを均一に分布させるために重要な要素は、綿状繊維が量的に十分浮遊できる空間的余裕のある空気室と、空気室底面に滞留した綿状繊維の固まりを開繊シリンダ側から吸引ケージ側へ移動させる風力の大きさである。開繊シリンダは、開繊用の突起を有するシリンダであり、高速で回転するので、回転による風力を発生させる。また、吸引ケージは、排気ダクトに連通して空気室の空気をケージ内に吸引するので、風力を吸引方向に発生させる。
しかし、開繊シリンダと吸引ケージが発生させる風力のみでは、綿状繊維の量が多くなると、開繊シリンダと吸引ケージとの間の空気室底面に滞留した綿状繊維の固まりを吸引ケージ側に移動させる風力としては、不十分な場合がある。
そこで、空気室に、開繊シリンダ側から吸引ケージ側に向けて送風する送風口を設けて、不足する風力を補充したのである。この送風口には、案内板を設けて、風向や風量等を調節するとより効果的である。
【００１３】
（３）（２）に記載された炭素繊維マットの製造装置において、吸引ケージは、上部吸引ケージと下部吸引ケージとからなり、両吸引ケージの隙間を炭素繊維マットが通過することを特徴とするので、より均一な厚みの繊維マットを、より早く形成することができる。
具体的には、上部吸引ケージに積層した繊維マットと下部吸引ケージに積層した繊維マットとが両吸引ケージの隙間を通過するときに重なり合うので、均一な厚みの繊維マットを形成する速度が向上する。また、両吸引ケージの隙間を炭素繊維マットが通過する際、繊維マットの厚みの不揃いが多少生じていても修正されるので、より均一な厚みの繊維マットを形成することができる。
【００１４】
（４）（３）に記載された炭素繊維マットの製造装置において、両吸引ケージの隙間は、空気室の底面より上方に設けられていることを特徴とするので、下部吸引ケージに積層する綿状繊維を、より均一に積層させることができる。
具体的には、両吸引ケージの隙間を空気室の底面より上方に設けることによって、空気室底面に滞留した綿状繊維は、下部吸引ケージの空気室に対向する円弧面を経由しないと、両吸引ケージの隙間を通過することができない構造になっている。そのため、下部吸引ケージに積層された繊維マットの内、薄い箇所と厚い箇所が有ったとき、送風口からの風によって、空気室底面に滞留した綿状繊維の固まりを移動させる際、薄い箇所に集中的に綿状繊維を供給することができ、全体として均一な厚さの繊維マットを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置の実施形態を含む炭素繊維不織布の製造工程の全体図である。
【図２】本実施形態における装置主要部の断面図である。
【図３】本実施形態における吸引ケージに綿状繊維が吸引されて積層する状態を説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、はじめに炭素繊維不織布を製造する製造工程の全体構成を説明した上で、本実施形態に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置について詳細に説明し、その動作及び作用効果について説明する。
【００１７】
＜炭素繊維不織布製造工程の全体構成＞
はじめに、炭素繊維不織布を製造する製造工程の全体構成について説明する。図１に、本発明に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置の実施形態を含む炭素繊維不織布の製造工程の全体図を示す。
図１に示すように、炭素繊維不織布の製造工程は、炭素繊維切断工程１と混打工程２、３とウェブ（ここでは、「炭素繊維マット」と称する。）形成工程１０とニードリング工程８と裁断工程９とを備えている。
炭素繊維切断工程１は、ボビンにコイル状で巻回された炭素繊維束を所定の長さに切断する工程である。炭素繊維束は、例えば、ＰＡＮ系炭素繊維の束で、一般的に密度１．７〜２．０ｇ／cm3程度で直径５〜１０ミクロン程度の長繊維（フィラメント）が数千から数万本程度集合した集合体である。炭素繊維切断工程１では、ボビン１１を巻戻し台１７に載置して炭素繊維束１２を巻き戻すとともに、巻き戻した炭素繊維束１２を案内ローラ１３を経由して切断機１４に挿入して所定の長さに切断する。炭素繊維束１２を切断する長さは任意に設定すればよいが、例えば、１０ｃｍ程度の長さに切断する。切断して短繊維化した炭素繊維原料１５は、パレット１６に収容する。なお、炭素繊維原料１５は、炭素繊維１００％の原料である。
【００１８】
混打工程２、３は、短繊維化した炭素繊維原料１５を一般的な混打機にてほぐして、繊維の方向が揃って所定の大きさの綿状の固まり又は連続状になった粗綿を作る工程である。混打機には、図示しない複数のドラムやローラを備えていて、供給された繊維を小さい方のドラムが掻き込み、もう一つのドラムに渡すとき、繊維を分離して方向を揃える。炭素繊維束１２は、非常に細い繊維が集合した繊維束であるので、フィラメント径に近い細径の繊維に分離した綿状の固まりを形成するためには、混打機を複数使う場合がある。ここでは、２台の混打機２、３を使用している。
【００１９】
パレット１６に収容した短繊維状の炭素繊維原料１５は、第１混打機２の投入口２１から投入され、粗綿化されて排出口から出てくる。この粗綿化された炭素繊維原料２３は、より一層細径化して綿状の固まりとするため、第２混打機３の投入口３１へ搬送コンベア２４によって搬送される。第２混打機３に投入された炭素繊維原料２３は、異物等が除去されながら１本１本のフィラメント径に近い状態に細径化された綿状の固まりとなって、排出口３２から排出される。
第２混打機３から排出される炭素繊維原料３４は、搬送コンベア３５に載置されて搬送される途中に、予備ローラ３３にて連続綿となるよう均らされた上で、本実施形態に係る炭素繊維マットの形成工程１０に投入される。
【００２０】
炭素繊維マットの形成工程１０は、連続綿となった炭素繊維原料３４から均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成する工程である。炭素繊維マットの形成工程１０では、綿状繊維を互いに同期して回転する開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間に設けた空気室５にて浮遊させてから、吸引ケージ６に吸引して積層させ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成する。空気室５には、下方から送風機７にて所定の向きに風が供給されている。炭素繊維マットの形成方法及び装置の詳細については、後述する。
炭素繊維マットの形成工程１０にて形成されたフリース状繊維マットは、搬送コンベア８３に載置されてニードリング工程８に搬送される。その搬送の際、複数本の押えローラ８２にて、フリース状にふわふわした炭素繊維マットを圧縮して、繊維密度を高めている。
【００２１】
ニードリング工程８は、炭素繊維マット８４の繊維密度をより高めるとともに、厚さ方向で繊維を混絡させて、炭素繊維不織布としての強度を向上させる工程である。ニードリング工程８では、先端に鉤状部を有する複数の針８５を炭素繊維マットの上面から突き挿して、針８５の鉤状部が引っ掛けた繊維を上方に引き上げながら繊維同士を厚さ方向で絡ませている。なお、あまり頻繁にニードリングすると炭素繊維の折損に繋がりやすいので、最低限の回数に控える必要がある。
最後の裁断工程９は、ニードリングした炭素繊維不織布を必要なサイズに裁断する工程である。ここでは、搬送コンベア９１の上にカッターを設置して、必要な裁断を行っている。また、裁断された炭素繊維不織布９２は、製品パレット９３に収納される。
【００２２】
＜炭素繊維マットの製造方法及び製造装置＞
次に、本実施形態に係る炭素繊維マットの製造方法及び製造装置１００を説明する。図２に、本実施形態における装置主要部の断面図を示す。図３に、本実施形態における吸引ケージに綿状繊維が吸引されて積層する状態を説明する斜視図を示す。
図２に示すように、炭素繊維マットの製造装置１００は、開繊シリンダ４と空気室５と吸引ケージ６と送風機７とを備えている。
開繊シリンダ４は、複数の突起部４２を外周に設置した円筒状の開繊シリンダ本体４１を有している。開繊シリンダ本体４１は、回転中心４３で軸支され、反時計方向（矢印Ｐの方向）に所定の回転速度で回転する。回転速度は、綿状繊維原料３４の送込み量等によって最適な速度に設定する。例えば、８００〜１０００ｒｐｍ程度である。
【００２３】
また、開繊シリンダ４には、開繊シリンダ本体４１の外周に設置した突起部４２と干渉しない位置で、円弧状のカバー部材４４が覆設されている。第２混打機３から排出される炭素繊維原料３４の投入口には、カバー部材４４が切り欠かれ、投入ローラ４９Ａ、４９Ｂが設置されている。投入ローラ４９Ａ、４９Ｂの回転によって、搬送コンベア３５で搬送されてきた連続綿の炭素繊維原料３４は、開繊シリンダ本体４１の下方に投入される。開繊シリンダ本体４１の回転により、投入された連続綿の炭素繊維原料３４が、突起部４２によって開繊される。開繊された綿状繊維５３は、開繊シリンダ本体４１の回転により発生する風によって、後方に飛ばされる。なお、カバー部材４４の切り欠き下部には、風切板４５が設けられ、投入ローラ４９Ｂからの風の侵入を防止している。
【００２４】
図２に示すように、空気室５は、開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間に設けられている。空気室５は、開繊シリンダ本体４１の突起部４２によって開繊され、後方に飛ばされた綿状繊維５３を、内部に浮遊又は滞留させるための空間である。空気室５は、天井板５１と底板５２とを有し、天井板５１と底板５２とで画成された空間は、綿状繊維５３が量的に十分浮遊できる空間的余裕を備えている。天井板５１と底板５２とは、略平行に形成され、開繊シリンダ４に対面する空間的広さと吸引ケージ６に対面する空間的広さが、略等しく形成されている。そのため、開繊シリンダ４の起こす風は、空気室５の中を均等に流れていく。空気室５内の風が均等に流れるので、綿状繊維５３は、空気室５全体に均等に分散して浮遊することができる。
なお、天井板５１と開繊シリンダ４のカバー部材４４との連結部には、風切板４６が設けられ、開繊シリンダ本体４１とカバー部材４４との隙間に風が侵入するのを防止している。
【００２５】
また、空気室５の下端には、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて送風する送風口４７が形成されている。送風口４７の空気室出口には、送風機７から送風される風の風向、風量、風速等を調節する案内板４８が、設けられている。案内板４８で調節された風は、略水平に設けられている底板５２に沿って吸引ケージ６側に流れる。なお、送風機７のファン本体７１と送風口４７とは、送風ダクト７２によって連結されている。
【００２６】
図２に示すように、吸引ケージ６は、開繊シリンダ４で開繊され、空気室５に浮遊又は滞留した綿状繊維５３を吸引して積層させる円筒状の吸引ケージ本体６２、６３を備えている。吸引ケージ本体６２、６３の外周面には、吸引した綿状繊維５３と空気とを分離するフィルター部材６２２、６３２が設置されている。フィルター部材６２２、６３２の材質は、特に限定しない。例えば、全面に細孔を明けたステンレス製の網や薄板でもよい。
【００２７】
本実施形態では、吸引ケージ本体６２、６３を２個有している。２個の吸引ケージ本体６２、６３は、外径が略同寸法に形成され、上下方向に配置されている。各吸引ケージ本体６２、６３は、回転中心６２１、６３１で軸支され、空気室５側の外周面がお互いに近接する方向に回転する。すなわち、上部吸引ケージ本体６２は反時計方向（矢印Ｑの方向）に回転し、下部吸引ケージ本体６３は、時計方向（矢印Ｒの方向）に回転する。上部吸引ケージ本体６２及び下部吸引ケージ本体６３の回転速度はお互いに等しく、開繊シリンダ本体４１の回転速度と同期するよう制御されている。ただし、両吸引ケージ本体６２、６３の回転速度は、開繊シリンダ本体４１の回転速度よりも遅く設定されている。開繊シリンダ本体４１を高速で回転させるのは、綿状繊維５３の１本１本を細かく分離させて、空気室５内に均一に分散させるためである。また、吸引ケージ本体６２、６３を低速で回転させるのは、吸引ケージ６に吸引して積層した繊維マット６１Ａ、６１Ｂを所定の厚みで均一に形成するためである。
【００２８】
また、両吸引ケージ本体６２、６３は、所定の厚さの炭素繊維マット６１Ｃが通過するよう、所定の隙間６４を開けて設置されている。より均一な厚みの繊維マットを、より早く形成することができるためである。
また、両吸引ケージ本体６２、６３の隙間６４は、空気室５の底板５２より上方に設けられている。そのため、空気室５の底板５２に滞留した綿状繊維５３は、下部吸引ケージ本体６３の空気室５に対向する円弧面を経由しないと、両吸引ケージ本体６２、６３の隙間６４を通過することができない構造になっている。
【００２９】
また、両吸引ケージ本体６２、６３の上下方向の外周側には、円弧状のカバー部材６５Ａ、６５Ｂが覆設されている。カバー部材６５Ａ、６５Ｂの両側（図面の表裏方向）には、角筒状の排気導入筒６６が接続されている。排気導入筒６６は、吸引ケージ本体６２、６３の内壁に連通していて、吸引ケージ本体６２、６３からの空気が導入される。排気導入筒６６の上端６７には、排気ダクトが連結されていて導入された空気は、図示しない集塵機によって吸引される。
炭素繊維マットの出口側のカバー部材６４、６５は、切り欠かれていて、デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂが設置されている。デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂは、両吸引ケージ本体６２、６３の隙間から排出される炭素繊維マット６１Ｃを搬送コンベア８３に送り出す役割を持っている。
ここで、デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂは、吸引ケージ本体６２、６３と連動して回転するとともに、回転速度も調節することができる。
【００３０】
＜動作説明＞
次に、本実施形態に係る炭素繊維マットの製造装置１００の動作方法を図２及び図３を用いて説明する。
図２に示すように、搬送コンベア３５で搬送されてきた連続綿の炭素繊維原料３４は、投入ローラ４９Ａ、４９Ｂの回転によって、開繊シリンダ本体４１の下方に投入される。投入された連続綿の炭素繊維原料３４は、開繊シリンダ本体４１が矢印Ｐの方向に高速回転することにより、突起部４２によって開繊されながら、１本１本の綿状繊維５３に分離されるとともに、開繊シリンダ本体４１の回転により、矢印Ｓの方向に発生する風によって、後方の空気室５に飛ばされる。
【００３１】
空気室５は、開繊シリンダ本体４１の回転により飛ばされた綿状繊維５３が量的に十分浮遊できる空間的余裕を備えているので、綿状繊維５３は、空気室５の中で１本１本バラバラに分離され、束状の塊を形成することなく、均一に分散して浮遊する。
ここで、上部吸引ケージ６２は矢印Ｖの方向に、また、下部吸引ケージ６３は矢印Ｕの方向に、集塵機から排気ダクトを通じて吸引されている。そのため、空気室５に浮遊する綿状繊維５３は、両吸引ケージ本体６２、６３に吸引（矢印Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３・・・、及び矢印Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３・・・）される。吸引された綿状繊維６１Ａ、６１Ｂは、１本１本の炭素繊維がバラバラの向きで両吸引ケージ本体６２、６３の外周面に設けたフィルター部材６２２、６３２に積層する。
【００３２】
また、図３に示すように、吸引ケージ本体６２、６３の外周面に設けたフィルター部材６２２、６３２に積層した炭素繊維の厚みが、薄い領域が生じる場合がある。例えば、領域Ｋ１が他の領域に比べて、炭素繊維の厚みが薄いとする。薄い領域Ｋ１では、炭素繊維による風の抵抗が少ないので、吸引力ＵＬ１が他の領域に比べて上昇する。すると、空気室５に浮遊する綿状繊維５３は、吸引力ＵＬ１が上昇した領域Ｋ１に集中して吸引されていく。薄い領域Ｋ１の炭素繊維が、他の領域の厚みと等しくなるまで、この吸引力の差は生じているので、結局、領域Ｋ１の炭素繊維の厚みは、他の領域の厚みと略等しくなる。
【００３３】
また、図２に示すように、空気室５の下端には、送風口４７が設けられ、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて一定の風Ｔが送風されている。送風口４７からの風Ｔによって、空気室５の底板５２に滞留した綿状繊維５３の固まりは、下部吸引ケージ本体６３側に移動する。
このとき、図３に示すように、下部吸引ケージ６３に積層された繊維マット６１Ｂの内、厚みが薄い領域Ｋ２があると、前述の上昇した吸引力ＵＬ２に加えて、送風口４７からの風Ｔによって、薄い領域Ｋ２に集中的に綿状繊維５３が供給されて、全体として均一な厚さの繊維マット６１Ｃを形成する。
【００３４】
また、図２に示すように、各吸引ケージ本体６２、６３は、空気室５側の外周面がお互いに近接する方向（矢印Ｑ、Ｒの方向）に、同一の速度で回転する。
また、上部吸引ケージ本体６２に積層した繊維マット６１Ａと下部吸引ケージ本体６３に積層した繊維マット６１Ｂとが両吸引ケージの隙間６４を通過するときに重なり合うので、均一な厚みの繊維マット６１Ｃを形成する。また、両吸引ケージの隙間６４を炭素繊維マットが通過する際、繊維マットの厚みの不揃いが多少生じていても修正されるので、より均一な厚みの繊維マットを形成する。
両吸引ケージ本体６２、６３の隙間６４から排出される炭素繊維マット６１Ｃは、デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂの回転によって、搬送コンベア８３に送り出している。なお、デリバリローラ８１Ａ、８１Ｂは、吸引ケージ本体６２、６３と連動して回転するとともに、回転速度も調節できるので、排出される炭素繊維マット６１Ｃの厚みの管理が、精度良く迅速にできる。
【００３５】
＜作用効果＞
以上、詳細に説明したように、本実施形態の製造方法及び製造装置によれば、短繊維化した炭素繊維原料をそのまま使用しつつ、均一な厚みに積層するフリース状繊維マットを形成することができる。ここで、炭素繊維原料は、炭素繊維１００％の原料であるので、積層したフリース状繊維マットを焼成等する加熱処理をすることなく、耐熱材、断熱材、遮熱材等として使用することができる。
【００３６】
具体的には、綿状繊維５３を開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間に設けた空気室５にて浮遊させるので、開繊シリンダ４で開繊された綿状繊維５３を空気室５の中で１本１本バラバラに分離させることができる。そのため、綿状繊維５３は、空気室５の中で束状の塊を形成することなく、均一に分散することができる。このとき、綿状繊維５３は、空気中に浮遊して分散するので、炭素繊維が折損する問題も生じない。
【００３７】
また、綿状繊維５３を空気室５にて浮遊させてから、吸引ケージ６に吸引して積層させるので、１本１本の炭素繊維がバラバラの向きで吸引ケージ６の外周面又は吸引ケージ６前の空気室５の底面に積層させることができる。つまり、炭素繊維がバラバラの向きで吸引ケージ６に積層して繊維マット６１Ａ、６１Ｂを形成するので、繊維マットにおける繊維の配向性がランダムとなり、マット自体の繊維密度が均一となる。また、マット自体の引張り強度も、全方向に対して均一となる。
【００３８】
さらに、綿状繊維５３を吸引ケージ６に吸引して積層させるので、仮に、積層途中で繊維マットの厚みに不揃いが生じても、厚い箇所の吸引力は低下し、薄い箇所の吸引力は上昇するので、空気室５中に浮遊又は空気室５の底面に滞留する綿状繊維５３は、吸引力の上昇した薄い箇所に集まってくる。その結果、吸引ケージ６に積層された繊維マット６１Ａ、６１Ｂの内、薄い箇所に集中的に綿状繊維５３が吸引されて、全体として均一な厚さの繊維マットを形成することができる。
【００３９】
また、本実施形態によれば、空気室５の下端には、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて送風する送風口４７が設けられていることを特徴とするので、綿状繊維５３の量が多く、開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間の空気室５の底面に綿状繊維５３が滞留しても、送風口４７からの風Ｔによって、滞留した綿状繊維の固まりを吸引ケージ６側に移動させることができる。
具体的には、積層した繊維マットが一定の厚みを有するためには、一定量の綿状繊維５３の固まりが必要であるが、均一な厚みの繊維マットを形成するためには、綿状繊維５３の固まりが均一に分布していなくてはならない。そして、綿状繊維５３の固まりを均一に分布させるために重要な要素は、綿状繊維５３が量的に十分浮遊できる空間的余裕のある空気室５と、空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３の固まりを開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側へ移動させる風力の大きさである。開繊シリンダ４は、開繊用の突起４２を有するシリンダであり、高速で回転するので、回転による風力を発生させる。また、吸引ケージ６は、排気ダクトに連通して空気室５の空気をケージ内に吸引するので、風力を吸引方向に発生させる。
しかし、開繊シリンダ４と吸引ケージ６が発生させる風力のみでは、綿状繊維５３の量が多くなると、開繊シリンダ４と吸引ケージ６との間の空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３の固まりを吸引ケージ６側に移動させる風力としては、不十分な場合がある。
そこで、空気室５の下端に、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて送風する送風口４７を設けて、不足する風力を補充したのである。この送風口には、案内板４８を設けて、風向や風量等を調節するとより効果的である。
【００４０】
また、本実施形態によれば、吸引ケージ６は、上部吸引ケージ６２と下部吸引ケージ６３とからなり、両吸引ケージの隙間６４を炭素繊維マットが通過することを特徴とするので、より均一な厚みの繊維マットを、より早く形成することができる。
具体的には、上部吸引ケージ６２に積層した繊維マット６１Ａと下部吸引ケージ６３に積層した繊維マット６１Ｂとが両吸引ケージの隙間６４を通過するときに重なり合うので、均一な厚みの繊維マットを形成する速度が向上する。また、両吸引ケージの隙間６４を炭素繊維マットが通過する際、繊維マットの厚みの不揃いが多少生じていても修正されるので、より均一な厚みの繊維マットを形成することができる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、両吸引ケージの隙間６４は、空気室５の底面より上方に設けられていることを特徴とするので、下部吸引ケージ６３に積層する綿状繊維５３を、より均一に積層させることができる。
具体的には、両吸引ケージの隙間６４を空気室５の底面より上方に設けることによって、空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３は、下部吸引ケージ６３の空気室５に対向する円弧面を経由しないと、両吸引ケージの隙間６４を通過することができない構造になっている。そのため、下部吸引ケージ６３に積層された繊維マット６１Ｂの内、薄い箇所と厚い箇所が有ったとき、送風口４７からの風Ｔによって、空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３の固まりを移動させる際、薄い箇所に集中的に綿状繊維５３を供給することができ、全体として均一な厚さの繊維マットを形成することができる。
【００４２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
（１）上述した本実施形態では、吸引ケージ６を上部吸引ケージ６２と下部吸引ケージ６３に分割して、吸引ケージ６が２個存在するが、１個のみでもよい。例えば、上部吸引ケージ６２を圧縮ローラに変更して、下部吸引ケージ６３のみで吸引してもよい。炭素繊維マットの形成速度は低下するが、装置全体がコンパクトになる。
また、この場合に、圧縮ローラへニードリング針を装着すれば、ニードリング工程８を省略することもできる。
（２）また、上述した本実施形態では、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて送風する送風口４７が、空気室５の下端に設けられているが、空気室５の下端に限ることはない。例えば、空気室の側壁に設けてもよい。送風口４７から送風される風が、開繊シリンダ４側から吸引ケージ６側に向けて流れていれば、送風口４７からの風Ｔによって、空気室５の底面に滞留した綿状繊維５３の固まりを移動させることができるからである。
（３）また、上述した本実施形態では、炭素繊維１００％の炭素繊維原料を使用したが、これに限定する必要はない。例えば、耐熱温度等の使用環境によって、炭素繊維以外の繊維を混合することは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、例えば各種高温炉の断熱材やディーゼルエンジン車の排ガスフィルタ材、溶接現場での遮熱材等として使用される炭素繊維マットの製造方法及び製造装置として利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 炭素繊維切断工程
２、３ 混打工程
４ 開繊シリンダ
５ 空気室
６ 吸引ケージ
７ 送風機
８ ニードリング工程
９ 裁断工程
１０ 炭素繊維マット形成工程
４１ 開繊シリンダ本体
４２ 突起部
４７ 送風口
４８ 案内板
５１ 天井板
５２ 底板
６２ 上部吸引ケージ本体
６３ 下部吸引ケージ本体
６４ 隙間
１００ 炭素繊維マットの製造装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
短繊維に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維を所定の厚みに積層してフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法において、
前記綿状繊維を開繊シリンダと吸引ケージとの間に設けた空気室にて浮遊させてから、前記吸引ケージに吸引して積層させることを特徴とする炭素繊維マットの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された炭素繊維マットの製造方法に使用する炭素繊維マットの製造装置において、
前記空気室には、前記開繊シリンダ側から前記吸引ケージ側に向けて送風する送風口が設けられていることを特徴とする炭素繊維マットの製造装置。
【請求項３】
請求項２に記載された炭素繊維マットの製造装置において、
前記吸引ケージは、上部吸引ケージと下部吸引ケージとからなり、両吸引ケージの隙間を前記炭素繊維マットが通過することを特徴とする炭素繊維マットの製造装置。
【請求項４】
請求項３に記載された炭素繊維マットの製造装置において、
前記両吸引ケージの隙間は、前記空気室の底面より上方に設けられていることを特徴とする炭素繊維マットの製造装置。
【請求項１】
短繊維に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維を所定の厚みに積層してフリース状繊維マットを形成する炭素繊維マットの製造方法において、
前記綿状繊維を開繊シリンダと吸引ケージとの間に設けた空気室にて浮遊させてから、前記吸引ケージに吸引して積層させることを特徴とする炭素繊維マットの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された炭素繊維マットの製造方法に使用する炭素繊維マットの製造装置において、
前記空気室には、前記開繊シリンダ側から前記吸引ケージ側に向けて送風する送風口が設けられていることを特徴とする炭素繊維マットの製造装置。
【請求項３】
請求項２に記載された炭素繊維マットの製造装置において、
前記吸引ケージは、上部吸引ケージと下部吸引ケージとからなり、両吸引ケージの隙間を前記炭素繊維マットが通過することを特徴とする炭素繊維マットの製造装置。
【請求項４】
請求項３に記載された炭素繊維マットの製造装置において、
前記両吸引ケージの隙間は、前記空気室の底面より上方に設けられていることを特徴とする炭素繊維マットの製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−８３００９（Ｐ２０１３−８３００９Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２７２６（Ｐ２０１１−２２２７２６）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【特許番号】特許第４９６５７３０号（Ｐ４９６５７３０）
【特許公報発行日】平成２４年７月４日（２０１２．７．４）
【出願人】（５９８０１５１２１）
【出願人】（５１１２４３９８９）
【出願人】（５１１２４３９９０）
【出願人】（５１１２４４００１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【特許番号】特許第４９６５７３０号（Ｐ４９６５７３０）
【特許公報発行日】平成２４年７月４日（２０１２．７．４）
【出願人】（５９８０１５１２１）
【出願人】（５１１２４３９８９）
【出願人】（５１１２４３９９０）
【出願人】（５１１２４４００１）
【Ｆターム（参考）】
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