炭素繊維前駆体トウの製造方法
【課題】生産性に優れ、高品質の炭素繊維を安定して製造するために、トウ幅を狭めることに伴うトウ幅方向の厚み斑、トウ長手方向のトウ幅の斑を低減させた高品質な炭素繊維前駆体トウの製造方法を提供する。
【解決手段】炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化して得られたトウに対して、ガイドおよび溝付きロールによりトウ幅を狭める第１のトウ幅狭幅化工程、並びにエア流体を噴出する扁平矩形断面形状の交絡器によりトウに交絡を付与する第１の交絡付与工程を行い、更に第２のトウ幅狭幅化工程および第２の交絡付与工程を行う。その際に、それぞれの溝付きロールの溝形状および交絡器の扁平矩形断面形状は、所定の条件を満たしている。
【解決手段】炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化して得られたトウに対して、ガイドおよび溝付きロールによりトウ幅を狭める第１のトウ幅狭幅化工程、並びにエア流体を噴出する扁平矩形断面形状の交絡器によりトウに交絡を付与する第１の交絡付与工程を行い、更に第２のトウ幅狭幅化工程および第２の交絡付与工程を行う。その際に、それぞれの溝付きロールの溝形状および交絡器の扁平矩形断面形状は、所定の条件を満たしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高品質な炭素繊維前駆体トウ（以下、単にトウという場合もある。）を製造する方法に関し、更に詳しくは、性能、外観およびハンドリング性に優れた炭素繊維を高い生産性・品質で製造することを可能とする炭素繊維前駆体トウの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維の需要はここ数年来増加傾向にあり、航空機、スポーツ等のプレミアム用途、土木建築等の一般産業用途へと幅広く利用されている。これらへの用途拡大の要求に応えるためには、その物性のみならず、コストダウンと共に高い生産性と高い品質が求められている。
【０００３】
炭素繊維前駆体トウの生産性を高める手段としては、単繊維数を増やして糸条の総繊度を大きくし、設備当たりの生産性を向上させることが最も有効である。しかしながら、糸条の総繊度を大きくしていくとトウ同士の干渉、混繊が発生し、単繊維の損傷、糸切れ、毛羽および接着など工程通過性が阻害される問題が生じ、同時に得られる炭素繊維の品質・物性も低下してしまう。
【０００４】
また、炭素繊維の生産性を高める手段としては、炭素繊維前駆体トウの総繊度を大きくし、２００℃以上の酸化性雰囲気中で耐炎化する耐炎化処理工程への投入量を増やすことが有効である。しかしながら、このことは隣接するトウ同士の干渉を誘発するもので、擦れや絡みなどにより炭素繊維の品質低下に繋がる。
【０００５】
また、炭素繊維前駆体トウおよび／または炭素繊維の品質のみを追求するのであれば、隣接して走行するトウ同士の距離を十分にとり、隣接するトウ同士の干渉をなくすことが要求される。そのため、現状の生産機台内でのトウの数を少なくすることが必要となり、このことは炭素繊維前駆体トウおよび／または炭素繊維の製造工程における生産性の低下に繋がる。また、生産性を下げないためには、設備の大がかりな改造や新しい設備の設置が必要となり、コストアップに繋がる。
【０００６】
こうした問題を解決するため、例えば特許文献１によれば、アクリロニトリル系重合体を紡出し、その後、膨潤状態にある糸条を溝付きローラーを用いて導くことにより糸条幅を制御する方法が開示されている。この方法によれば、炭素繊維前駆体トウを製造する上においては、各糸条の分離、独立が可能となり、トウ同士の干渉がないため品質がよく、設備当たりの生産性も向上させることが可能である。しかしながら、乾燥緻密化後または炭素繊維を製造する工程においては、トウは様々なガイドやロールにより搬送されるため、擦過等によりトウ幅が拡がってしまい隣接するトウ同士の干渉・混繊の問題が生じ、生産設備当たりの投入量を減らす必要がある。
【０００７】
また、特許文献２によれば、搬送装置の少なくとも２個のロール部材間に、繊維束の拡がり幅を規制する繊維束幅規制手段を設けることにより、ロールの周面において扁平断面のテープ状に拡げられたトウが繊維束幅規制手段により再び収束され、その幅が所定の寸法以上になるのを防止することが可能であると開示されている。しかしながら、この方法においては再び収束はされるものの、その収束は弱く、その後の工程におけるガイドやロールとの擦過等によりトウ幅が容易に拡がり、隣接するトウ同士の干渉・混繊の問題が生じ、生産設備当たりの投入量を減らす必要がある。
【０００８】
そこで、特許文献３によれば、乾燥緻密化後、タッチロールによりトウに水分を１〜５質量％付与し、溝付きロールによりトウ幅が均等に狭められ、次いで多数のエア噴出孔を有する扁平矩形断面形状の交絡器に送り込まれて交絡させる方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１６１４３２号公報
【特許文献２】特開２００１−２０１４０号公報
【特許文献３】特開２００６−１７６３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献３の方法を用いると、搬送工程におけるトウの拡がりを抑制でき、その結果、トウ同士の干渉がなくなり、耐炎化処理工程への投入量を増やすことが可能となった。しかしながら、炭素繊維前駆体トウの幅を狭めることに伴い、トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅の斑が悪化し、安定した品質の炭素繊維を製造することが困難であった。また、厚み斑が生じることにより、耐炎化処理時において部分的な蓄熱により糸切れが発生し、生産性の低下にも繋がった。
【００１０】
本発明は、かかる従来の課題を解決すべく開発されたものであり、具体的には、生産性に優れ、高品質の炭素繊維を安定して製造するために、トウ幅を狭めることに伴うトウ幅方向の厚み斑、トウ長手方向のトウ幅の斑を低減させた高品質な炭素繊維前駆体トウの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は本発明によって解決される。本発明は、
（ａ）炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化してトウを得る工程と、
（ｂ）第１のガイドおよび第１の溝付きロールにより、前記トウの幅を狭める第１のトウ幅狭幅化工程と、
（ｃ）エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器により、前記第１のガイドおよび第１の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与する第１の交絡付与工程と、
（ｄ）第２のガイドおよび第２の溝付きロールにより、前記第１の交絡器を通過したトウの幅を狭める第２のトウ幅狭幅化工程と、
（ｅ）エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器により、前記第２のガイドおよび第２の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与する第２の交絡付与工程と、
を有し、下記式（１）〜（７）の条件を全て満たすことを特徴とする炭素繊維前駆体トウの製造方法である。
【００１２】
０．８×Ｗ１’≦Ｒ’≦Ｗ１’ （１）
０．８×Ｗ１”≦Ｒ”≦Ｗ１” （２）
０．３４×Ｗ０≦Ｗ１’≦０．５２×Ｗ０ （３）
０．２８×Ｗ０≦Ｗ１”≦０．５２×Ｗ０ （４）
Ｗ１’≧Ｗ１” （５）
Ｗ１’≦Ｗ２’≦１．２×Ｗ１’ （６）
Ｗ１”≦Ｗ２”≦１．２×Ｗ１” （７）
上記式（１）〜（７）中、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）、Ｗ１’は第１の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ’は第１の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２’は第１の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ１”は第２の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ”は第２の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２”は第２の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）を示す。
【００１３】
また、本発明は、
炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化するトウ製造手段と、
前記トウ製造手段により得られたトウの幅を狭めるための、第１のガイドおよび第１の溝付きロールと、
前記第１のガイドおよび第１の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与するための、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器と、
前記第１の交絡器を通過したトウの幅を狭めるための、第２のガイドおよび第２の溝付きロールと、
前記第２のガイドおよび第２の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与するための、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器と、
を有し、上記式（１）〜（７）の条件を全て満たすことを特徴とする炭素繊維前駆体トウの製造装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、トウ幅を狭めることに伴うトウ幅方向の厚み斑、トウ長手方向のトウ幅の斑を低減することができ、隣接するトウ同士の干渉を低減することも可能となり、生産性に優れ、高品質の炭素繊維前駆体トウおよび炭素繊維を安定して製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について、実施の態様を詳細に説明する。
【００１６】
本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法では、まず、炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化するトウ製造手段により、トウを得る（工程（ａ））。
【００１７】
本発明の炭素繊維前駆体トウの原料であるアクリロニトリル系重合体は、通常の炭素繊維前駆体アクリロニトリル繊維に用いられるものであれば特に制限はない。アクリロニトリル系重合体としては、アクリロニトリルの単独重合体もしくは共重合体、またはこれらの重合体の混合重合体を使用することができる。アクリロニトリルと共重合し得る単量体としては、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アクリレート、へキシル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸エステル類；塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル類；マレイン酸イミド、フェニルマレイミド、（メタ）アクリルアミド、スチレン、α−メチルスチレン、酢酸ビニル；スチレンスルホン酸ソーダ、アクリルスルホン酸ソーダ、β−スチレンスルホン酸ソーダ、メタアリルスルホン酸ソーダ等スルホン基を含む重合性不飽和単量体等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００１８】
単量体を重合する方法としては、例えば水溶液におけるレドックス重合、不均一系における懸濁重合、分散剤を使用した乳化重合、モノマー、開始材を溶媒に溶かして重合する溶液重合等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１９】
本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法では、このアクリロニトリル系重合体を、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、硝酸、ロダンソーダ水溶液等の溶媒に溶解して紡糸原液とする。
【００２０】
そして、紡糸口金を用いて、紡糸原液を凝固浴中に吐出するか（湿式紡糸）、または一旦空気中に吐出した後、凝固浴に導いて（乾−湿式紡糸）、凝固糸とする。凝固浴には一般的には紡糸原液に用いられる溶媒を含む水溶液が用いられる。
【００２１】
この状態の凝固糸は繊維内に水を含んでおり、後の工程で乾燥緻密化されるまで膨潤状態にある。通常の製造方法では、凝固糸を凝固浴からゴデットローラーにより引き取り、その後洗浄、延伸、油剤の付与等の必要な各工程を経た後、乾燥緻密化される。
【００２２】
乾燥緻密化以前の膨潤状態にある凝固糸を通過させるローラーには、特許文献１に開示されているように溝付きローラーを全てのローラーに取り付けてもよいが、糸幅を制御したい箇所のみを溝付きローラーとしてもよい。前記溝付ローラーにより、膨潤状態にある隣接する凝固糸同士の干渉・混繊を防止できると共に、総繊度の大きい炭素繊維前駆体トウを生産性よく製造することができる。
【００２３】
乾燥緻密化後のトウはタッチロール方式により水分を１〜５ｗｔ％の水分を付与される。なお、水分の付与はタッチロール方式に限定されたものではなく、その他に例えば噴射ノズルによる噴霧によっても行われる。水分の付与は、梱包時や焼成工程への供給時もトウの形態が安定しており、その結果、品質の低下がなく、高品質な炭素繊維を製造することが可能となる。
【００２４】
水分を付与されたトウは第１のガイドおよび第１の溝付きロールに導かれ、第１のガイドおよび第１の溝付きロールによりトウの幅が狭められる（第１のトウ幅狭幅化工程（ｂ））。次いで、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器に導かれ、第１の交絡器によりトウに交絡が付与される（第１の交絡付与工程（ｃ））。更に、第２のガイドおよび第２の溝付きロールに導かれ、第２のガイドおよび第２の溝付きロールによりトウの幅が狭められる（第２のトウ幅狭幅化工程（ｄ））。そして、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器に導かれ、第２の交絡器によりトウに交絡が付与される（第２の交絡付与工程（ｅ））。なお、第１のガイドおよび第１の溝付きロールと、第１の交絡器とを組み合わせた手段を「第１のトウ形態制御手段」、第２のガイドおよび第２の溝付きロールと、第２の交絡器とを組み合わせた手段を「第２のトウ形態制御手段」と称する。
【００２５】
すなわち、本発明は、トウの幅を狭めた上で交絡を付与するトウ形態制御手段を少なくとも２度通過させることを特徴としている。炭素繊維の製造工程において生産性を高めるためには、トウ幅を狭め、耐炎化処理工程への投入本数を増やす必要があるが、トウ形態制御手段を１度だけ通過させる場合、乾燥緻密化後のトウのトウ幅を急激に狭めることとなり、幅方向の厚み斑が悪化するだけではなく、交絡状態が安定せず、長手方向のトウ幅斑も悪化し、品質の低下に繋がる。そこで、トウ幅を段階的に狭めることができ、交絡状態も安定することから、トウ形態制御手段を少なくとも２度通過させる。また、トウ形態制御手段を３度以上通過させることは、生産性・品質を高めることに有効ではあるが、トウ形態制御手段の設置スペース、エア消費量を考慮すると経済的ではないことから、２度通過させることが好ましい。
【００２６】
図１および図２は、本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法における工程（ｂ）〜（ｅ）を実施する装置構成を示す上面図および正面図である。図１、図２において、トウ１は、第１のガイド２’および第１の溝付きロール３’により進行方向を上方に変更されると共に、トウの形態がアコーディオン状に均等に狭められる。次いで、トウ幅を均等に狭められたトウは、図示せぬ多数のエア噴出孔を有する扁平矩形断面形状の第１の交絡器４’へと送り込まれ、そこでエアを吹き付けられてトウに交絡が付与されることで、トウ幅を狭めたトウ形態が保持される。
【００２７】
トウ幅を狭め、形態を保持されたトウは、ローラー５’を介し、第２のガイド２”および第２の溝付きロール３”に導かれ、第２のガイド２”および第２の溝付きロール３”により進行方向を上方に変更されると共に、トウの形態がアコーディオン状に均等に狭められる。次いで、トウ幅を均等に狭められたトウは、図示せぬ多数のエア噴出孔を有する扁平矩形断面形状の第２の交絡器４”へと送り込まれ、そこでエアが吹き付けられてトウに交絡が付与されることで、トウ幅を狭めたトウ形態を保持される。トウ幅を狭め、形態を保持されたトウは、ローラー５”を介しゴデットロール６へと搬送される。
【００２８】
第１のガイド２’および第２のガイド２”の材質は特に限定はされないが、耐久性およびコストを考慮すれば、ステンレス、チタン、セラミック等が好ましい。更に、ガイドとトウとの擦過による性能低下を軽減するために、メッキ加工を施したものが好ましい。また、ガイドの形状も棒形状に限定されたものではなく、プレート形状であってもトウと接触する部分が円弧形状としていれば問題ない。円弧部分の直径も特に限定されたものではないが、操作性を考慮すると直径６ｍｍ〜１５ｍｍ程度のものが好適である。以上の点は、第１のガイド２’および第２のガイド２”において独立して選択され、同じでもよく異なっていてもよい。
【００２９】
第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”の材質は特に限定はされないが、耐久性およびコストを考慮すれば、ステンレス、チタン、セラミック等が好ましい。更に、溝付きロールとトウとの擦過による性能低下を軽減するために、メッキ加工を施したものが好ましい。以上の点は、第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”において独立して選択され、同じでもよく異なっていてもよい。
【００３０】
扁平矩形断面形状の第１の交絡器４’および第２の交絡器４”の材質は特に限定はされないが、耐久性およびコストを考慮すれば、ステンレス、チタン、セラミック等が好ましい。更に、交絡器とトウとの擦過による性能低下を軽減するために、メッキ加工を施したものが好ましい。また、扁平矩形断面の短辺である高さの寸法は、トウの総繊度によって異なるが、１〜５ｍｍ、好ましくは２〜４ｍｍである。この高さが小さい、すなわちトウの厚みが規制されると、エアの流れによってフィラメントが十分に動くことができず、交絡が不足する場合がある。逆に、この寸法が大きいと、フィラメントの動きが大きくなり、トウ幅方向の厚み斑の原因となる場合があると共に、交絡に要するエア量を多くする必要が生じる場合がある。
【００３１】
エア噴出孔の孔径および配列は、交絡の均一性、加工性の観点より、それぞれ０．３〜１．２ｍｍ、等ピッチで０．７〜２．５ｍｍの範囲とするのが好ましい。交絡器の長さは１０〜４０ｍｍとすることが好ましい。この長さが４０ｍｍを超えると、その理由は定かではないがそれぞれの糸道の両端部において噴射エアの流れの乱れに起因すると考えられるトウの乱れ、バタツキが発生する場合があり、交絡の不均一、トウ幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる場合がある。エア噴出孔の孔数は４〜２６個が好ましい。
【００３２】
第１の交絡器４’および第２の交絡器４”における、交絡を付与するためのエアの圧力は、トウの総繊度、要求するトウ幅および交絡度によって決定されるが、５０〜４００ｋＰａとするのが好ましい。更に、第１の交絡器４’により交絡を付与するためのエア圧力は、第２の交絡器４”により交絡を付与するためのエア圧力よりも低くすることが好ましい。第１の交絡器４’による交絡の付与においてエア圧を高くすると、交絡度が高くなりその形態が保持されるため、その後、トウ幅を狭幅化し、交絡の付与を行っても幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑に変化が見られなくなる場合がある。
【００３３】
図１および図２に示すトウ形態制御手段において、第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”の溝の断面形状、並びに第１の交絡器４’および第２の交絡器４”の扁平矩形断面の長辺は、下記式（１）〜（７）の条件を全て満足する構成となっている。
【００３４】
０．８×Ｗ１’≦Ｒ’≦Ｗ１’ （１）
０．８×Ｗ１”≦Ｒ”≦Ｗ１” （２）
０．３４×Ｗ０≦Ｗ１’≦０．５２×Ｗ０ （３）
０．２８×Ｗ０≦Ｗ１”≦０．５２×Ｗ０ （４）
Ｗ１’≧Ｗ１” （５）
Ｗ１’≦Ｗ２’≦１．２×Ｗ１’ （６）
Ｗ１”≦Ｗ２”≦１．２×Ｗ１” （７）
ここで、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）、Ｗ１’は第１の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ’は第１の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２’は第１の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ１”は第２の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ”は第２の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２”は第２の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）を示す。
【００３５】
図３に、第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”の溝断面形状の一例を示す。第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”の溝底部は曲面形状となっており、溝底部曲率半径Ｒ’およびＲ”は、それぞれ０．８Ｗ１’〜Ｗ１’および０．８×Ｗ１”〜Ｗ１”の範囲になるように設定される（式（１）および（２）の条件）。溝底部曲率半径が溝頂部幅の０．８倍より小さい場合には、湾曲部分の角度が急になり、トウの両端部が折れやすく、トウ幅方向の厚み斑の悪化の原因となる。一方、溝底部曲率半径が溝頂部幅より大きい場合には、糸道が安定せず、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。
【００３６】
また、トウが溝から外れる恐れがある場合には、図４に示すように平面部を設けることもできる。この際、平面部と曲面部の接点部７は曲面とすることが好ましく、その曲率半径は０．５〜１．０ｍｍとすることが好ましい。
【００３７】
第１の溝付きロール３’の溝頂部幅Ｗ１’は、０．３４×Ｗ０〜０．５２×Ｗ０に設定される（式（３）の条件）。好ましくは、０．４×Ｗ０〜０．５×Ｗ０である。Ｗ１’が０．３４×Ｗ０よりも小さい場合には、トウ幅を急激に狭めることになり、安定してトウ幅を狭めることができず、トウの耳折れ等も起こり、トウ幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。一方、０．５２×Ｗ２よりも大きい場合には、トウはその幅が必要以上に拡げられた状態となり、トウ割れを生じやすくなると共に、耐炎化処理工程への投入量を飛躍的に増加できない。
【００３８】
第２の溝付きロール３”の溝頂部幅Ｗ１”は、０．２８×Ｗ０〜０．５２×Ｗ０に設定される（式（４）の条件）。好ましくは、０．３４×Ｗ０〜０．４×Ｗ０である。Ｗ１”が０．２８×Ｗ０よりも小さい場合には、トウ幅を急激に狭めることになり、安定してトウ幅を狭めることができず、トウの耳折れ等も起こり、トウ幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。一方、０．５２×Ｗ２よりも大きい場合には、トウはその幅が必要以上に拡げられた状態となり、トウ割れを生じやすくなると共に、耐炎化処理工程への投入量を飛躍的に増加できない。
【００３９】
ここで、第１の溝付きロール３’の溝頂部幅Ｗ１’と、第２の溝付きロール３”の溝頂部幅Ｗ１”の関係は、Ｗ１’≧Ｗ１”である（式（５）の条件）。Ｗ１’＜Ｗ１”となると一旦トウ幅を狭めたトウをまた拡げることになり効果的ではない。また、Ｗ１’＝Ｗ１”としても本発明の効果を得ることができる。目的とするトウ幅が式（１）、（３）、（６）の条件を満足するトウ形態制御手段を１度のみ通過させることで得ることができる場合がある。この場合、式（１）、（３）、（６）の条件を満足していれば、トウ幅方向の厚み斑は低減できる。しかし、安定した交絡の付与を行うことができず、トウ長手方向のトウ幅の斑を低減することができない。そのため、トウ形態制御手段を１度のみ通過させることで目的とするトウ幅を得ることができる場合においては、Ｗ１’＝Ｗ１”となる条件にて、トウ形態制御手段を２度通過させることで、トウ幅方向の厚み斑だけでなく、トウ長手方向のトウ幅の斑も低減することができる。しかしながら、このような場合においても段階的にトウ幅を狭めることが、トウ幅方向の厚み斑およびトウ長手方向のトウ幅の斑を低減する効果があり、好ましくはＷ’＞Ｗ１”であり、より好ましくはＷ１’＞１．１×Ｗ１”である。
【００４０】
第１の交絡器４’および第２の交絡器４”における扁平矩形断面の長辺寸法Ｗ２’およびＷ２”は、それぞれＷ１’〜１．２×Ｗ１’およびＷ１”〜１．２×Ｗ１”の範囲になるように設定される（式（６）および（７）の条件）。扁平矩形断面の長辺寸法が直前の溝付きロールにおける溝頂部幅よりも小さい場合、溝付きロールにより狭めたトウ幅が交絡器扁平矩形断面の長辺寸法よりも大きくなるため、第１の交絡器４’および第２の交絡器４”の入口部分においてトウの両端部が接触し、折れ、トウ幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。一方、扁平矩形断面の長辺寸法が直前の溝付きロールにおける溝頂部幅の１．２倍よりも大きい場合には、溝付きロールにより狭めたトウ幅に対して、交絡器扁平矩形断面の長辺寸法が大きくなるため、交絡器内においてトウの糸道が安定せず、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。
【００４１】
トウ幅を狭める前の張力は７００〜２０００ｇｆ（６．８６〜１９．６Ｎ）であることが好ましい。張力が７００ｇｆよりも小さい場合には、トウの蛇行や揺れが発生し、安定して走行せず、均一にトウ幅を狭めることができない場合がある。一方２０００ｇｆよりも大きい場合には、交絡付与時にエアを噴射してもフィラメントが十分に動くことができずに交絡が不足する場合がある。なお、張力はトウ形態制御手段を通過後に設置してあるゴデットロール６の回転数によって調整される。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明について具体的な実施例および比較例を挙げて説明する。なお、本実施例における各測定は以下の方法によって行った。
【００４３】
（幅方向の厚み斑）
トウ幅方向の厚み斑の測定は、図５（正面図）および図６（上面図）に示す構成の装置を用いて行った。まず、製造された炭素繊維前駆体トウ１を収納容器８にサンプリングし、その収納容器８よりガイドバー９を通して引き上げることで捩れや折れを解じょし、水平に設置してあるガイドバー１０、１１、１０’の上にトウを導糸した。次いで、ガイドバー１０側のトウを切断し、トウの一方の端部を固定、もう一方の端部に４ｋｇの錘１２を吊り下げた。そして、ガイドバー１１の上に押し付けられたトウの厚みを、ガイドバー１１の上部に設置したレーザー変位計１３（（株）キーエンス製；ＬＫ−Ｇ１０（商品名））をアクチュエータ１４（ＴＨＫ（株）製；ＫＴ４５（商品名））により２０ｍｍ／ｓの速度にてトウの幅方向に渡ってスライドさせながら、サンプリング周期１０ｍｓにて測定した。測定した厚みの値より、標準偏差値および平均値を算出し、厚み斑の指標としてのＣＶ値（（標準偏差／平均値）×１００）を算出した。同様の測定を１サンプルにつき５回行い、５回のＣＶ値の平均値をそのサンプルのＣＶ値とした。
【００４４】
（長手方向のトウ幅斑）
長手方向のトウ幅の測定は、製造された炭素繊維前駆体トウを収納容器にサンプリング後、その収納容器よりガイドバーを通して引き上げることで捩れや折れを解じょし、連続的に耐炎化処理を行った。その際、耐炎化処理炉入口のロール上におけるトウ幅を３０分に１回測定し、合計７点測定した。測定したトウ幅の値より、トウ幅斑の指標としてのＣＶ値を算出した。
【００４５】
＜実施例１＞
表１に示す構成の第１および第２のトウ形態制御手段を用いて、総繊度６０，０００デシテックスの炭素繊維前駆体トウを製造した。このとき、乾燥緻密化後のトウの幅は３５ｍｍ、張力はゴデットロールの回転数調整により８００ｇｆ（７．８４Ｎ）とした。
【００４６】
なお、第１および第２のガイドは、いずれもφ８ステンレス製丸棒を用い、表面にメッキ加工を施した。また、第１および第２の溝付きロールは、いずれも外径φ５０のステンレス製ローラーに溝加工し、表面にメッキ加工を施した。第１および第２の交絡器は、いずれもステンレス製とし、炭素繊維前駆体トウと接触する部分に関してはメッキ加工を施した。また、第１および第２の交絡器の孔径、ピッチ、高さおよび長さは、いずれも、それぞれφ０．７５、１．３５ｍｍ、２．５ｍｍおよび２０ｍｍのものを用い、その時のエア圧は第１の交絡器を１００ｋＰａ、第２の交絡器を３００ｋＰａとした。
【００４７】
得られた炭素繊維前駆体トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅斑を前述した方法にて測定を行ったところ、表２に示す通り、幅方向の厚み斑は１３．３％、長手方向のトウ幅斑は４．７％と斑が小さく、外観も毛羽の発生がない高品質の炭素繊維前駆体トウを得ることができた。また、この炭素繊維前駆体トウを用いて炭素繊維を製造したところ、ガイドやロールとの接触によるトウの拡がり、隣接するトウ同士の干渉、ロールへの巻付きもなく、工程通過安定性にも優れていた。また、得られた炭素繊維の性能も良好であった。
【００４８】
＜実施例２＞
表１に示す構成の第１および第２のトウ形態制御手段を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、炭素繊維前駆体トウの製造、幅方向の厚み斑測定、長手方向のトウ幅斑測定を行った。得られた炭素繊維前駆体トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅斑の測定結果を表２に示す。
【００４９】
＜比較例１〜２＞
表１に示す構成の第１のトウ形態制御手段のみを用いて、トウ形態制御手段を１度だけ通過させたこと以外は、実施例１と同様にして、炭素繊維前駆体トウの製造、幅方向の厚み斑測定、長手方向のトウ幅斑測定を行った。得られた炭素繊維前駆体トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅斑の測定結果を表２に示す。
【００５０】
＜比較例３〜８＞
表１に示す構成の第１および第２のトウ形態制御手段を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、炭素繊維前駆体トウの製造、幅方向の厚み斑測定、長手方向のトウ幅斑測定を行った。得られた炭素繊維前駆体トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅斑の測定結果を表２に示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法における工程（ｂ）〜（ｅ）を実施する装置構成を示す上面図である。
【図２】本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法における工程（ｂ）〜（ｅ）を実施する装置構成を示す正面図である。
【図３】本発明で使用する溝付きロールの溝断面形状の一例を示す模式図である。
【図４】本発明で使用する溝付きロールの溝断面形状の一例を示す模式図である。
【図５】トウ幅方向の厚み斑を測定する装置構成を示す正面図である。
【図６】トウ幅方向の厚み斑を測定する装置構成を示す上面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ トウ
２’ 第１のガイド
２” 第２のガイド
３’ 第１の溝付きロール
３” 第２の溝付きロール
４’ 第１の交絡器
４” 第２の交絡器
５’ ローラー
５” ローラー
６ ゴデットロール
７ 接点部
８ 収納容器
９ ガイドバー
１０ ガイドバー
１０’ガイドバー
１１ ガイドバー
１２ 錘
１３ レーザー変位計
１４ アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高品質な炭素繊維前駆体トウ（以下、単にトウという場合もある。）を製造する方法に関し、更に詳しくは、性能、外観およびハンドリング性に優れた炭素繊維を高い生産性・品質で製造することを可能とする炭素繊維前駆体トウの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維の需要はここ数年来増加傾向にあり、航空機、スポーツ等のプレミアム用途、土木建築等の一般産業用途へと幅広く利用されている。これらへの用途拡大の要求に応えるためには、その物性のみならず、コストダウンと共に高い生産性と高い品質が求められている。
【０００３】
炭素繊維前駆体トウの生産性を高める手段としては、単繊維数を増やして糸条の総繊度を大きくし、設備当たりの生産性を向上させることが最も有効である。しかしながら、糸条の総繊度を大きくしていくとトウ同士の干渉、混繊が発生し、単繊維の損傷、糸切れ、毛羽および接着など工程通過性が阻害される問題が生じ、同時に得られる炭素繊維の品質・物性も低下してしまう。
【０００４】
また、炭素繊維の生産性を高める手段としては、炭素繊維前駆体トウの総繊度を大きくし、２００℃以上の酸化性雰囲気中で耐炎化する耐炎化処理工程への投入量を増やすことが有効である。しかしながら、このことは隣接するトウ同士の干渉を誘発するもので、擦れや絡みなどにより炭素繊維の品質低下に繋がる。
【０００５】
また、炭素繊維前駆体トウおよび／または炭素繊維の品質のみを追求するのであれば、隣接して走行するトウ同士の距離を十分にとり、隣接するトウ同士の干渉をなくすことが要求される。そのため、現状の生産機台内でのトウの数を少なくすることが必要となり、このことは炭素繊維前駆体トウおよび／または炭素繊維の製造工程における生産性の低下に繋がる。また、生産性を下げないためには、設備の大がかりな改造や新しい設備の設置が必要となり、コストアップに繋がる。
【０００６】
こうした問題を解決するため、例えば特許文献１によれば、アクリロニトリル系重合体を紡出し、その後、膨潤状態にある糸条を溝付きローラーを用いて導くことにより糸条幅を制御する方法が開示されている。この方法によれば、炭素繊維前駆体トウを製造する上においては、各糸条の分離、独立が可能となり、トウ同士の干渉がないため品質がよく、設備当たりの生産性も向上させることが可能である。しかしながら、乾燥緻密化後または炭素繊維を製造する工程においては、トウは様々なガイドやロールにより搬送されるため、擦過等によりトウ幅が拡がってしまい隣接するトウ同士の干渉・混繊の問題が生じ、生産設備当たりの投入量を減らす必要がある。
【０００７】
また、特許文献２によれば、搬送装置の少なくとも２個のロール部材間に、繊維束の拡がり幅を規制する繊維束幅規制手段を設けることにより、ロールの周面において扁平断面のテープ状に拡げられたトウが繊維束幅規制手段により再び収束され、その幅が所定の寸法以上になるのを防止することが可能であると開示されている。しかしながら、この方法においては再び収束はされるものの、その収束は弱く、その後の工程におけるガイドやロールとの擦過等によりトウ幅が容易に拡がり、隣接するトウ同士の干渉・混繊の問題が生じ、生産設備当たりの投入量を減らす必要がある。
【０００８】
そこで、特許文献３によれば、乾燥緻密化後、タッチロールによりトウに水分を１〜５質量％付与し、溝付きロールによりトウ幅が均等に狭められ、次いで多数のエア噴出孔を有する扁平矩形断面形状の交絡器に送り込まれて交絡させる方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１６１４３２号公報
【特許文献２】特開２００１−２０１４０号公報
【特許文献３】特開２００６−１７６３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献３の方法を用いると、搬送工程におけるトウの拡がりを抑制でき、その結果、トウ同士の干渉がなくなり、耐炎化処理工程への投入量を増やすことが可能となった。しかしながら、炭素繊維前駆体トウの幅を狭めることに伴い、トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅の斑が悪化し、安定した品質の炭素繊維を製造することが困難であった。また、厚み斑が生じることにより、耐炎化処理時において部分的な蓄熱により糸切れが発生し、生産性の低下にも繋がった。
【００１０】
本発明は、かかる従来の課題を解決すべく開発されたものであり、具体的には、生産性に優れ、高品質の炭素繊維を安定して製造するために、トウ幅を狭めることに伴うトウ幅方向の厚み斑、トウ長手方向のトウ幅の斑を低減させた高品質な炭素繊維前駆体トウの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は本発明によって解決される。本発明は、
（ａ）炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化してトウを得る工程と、
（ｂ）第１のガイドおよび第１の溝付きロールにより、前記トウの幅を狭める第１のトウ幅狭幅化工程と、
（ｃ）エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器により、前記第１のガイドおよび第１の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与する第１の交絡付与工程と、
（ｄ）第２のガイドおよび第２の溝付きロールにより、前記第１の交絡器を通過したトウの幅を狭める第２のトウ幅狭幅化工程と、
（ｅ）エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器により、前記第２のガイドおよび第２の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与する第２の交絡付与工程と、
を有し、下記式（１）〜（７）の条件を全て満たすことを特徴とする炭素繊維前駆体トウの製造方法である。
【００１２】
０．８×Ｗ１’≦Ｒ’≦Ｗ１’ （１）
０．８×Ｗ１”≦Ｒ”≦Ｗ１” （２）
０．３４×Ｗ０≦Ｗ１’≦０．５２×Ｗ０ （３）
０．２８×Ｗ０≦Ｗ１”≦０．５２×Ｗ０ （４）
Ｗ１’≧Ｗ１” （５）
Ｗ１’≦Ｗ２’≦１．２×Ｗ１’ （６）
Ｗ１”≦Ｗ２”≦１．２×Ｗ１” （７）
上記式（１）〜（７）中、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）、Ｗ１’は第１の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ’は第１の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２’は第１の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ１”は第２の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ”は第２の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２”は第２の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）を示す。
【００１３】
また、本発明は、
炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化するトウ製造手段と、
前記トウ製造手段により得られたトウの幅を狭めるための、第１のガイドおよび第１の溝付きロールと、
前記第１のガイドおよび第１の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与するための、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器と、
前記第１の交絡器を通過したトウの幅を狭めるための、第２のガイドおよび第２の溝付きロールと、
前記第２のガイドおよび第２の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与するための、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器と、
を有し、上記式（１）〜（７）の条件を全て満たすことを特徴とする炭素繊維前駆体トウの製造装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、トウ幅を狭めることに伴うトウ幅方向の厚み斑、トウ長手方向のトウ幅の斑を低減することができ、隣接するトウ同士の干渉を低減することも可能となり、生産性に優れ、高品質の炭素繊維前駆体トウおよび炭素繊維を安定して製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について、実施の態様を詳細に説明する。
【００１６】
本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法では、まず、炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化するトウ製造手段により、トウを得る（工程（ａ））。
【００１７】
本発明の炭素繊維前駆体トウの原料であるアクリロニトリル系重合体は、通常の炭素繊維前駆体アクリロニトリル繊維に用いられるものであれば特に制限はない。アクリロニトリル系重合体としては、アクリロニトリルの単独重合体もしくは共重合体、またはこれらの重合体の混合重合体を使用することができる。アクリロニトリルと共重合し得る単量体としては、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アクリレート、へキシル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸エステル類；塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル類；マレイン酸イミド、フェニルマレイミド、（メタ）アクリルアミド、スチレン、α−メチルスチレン、酢酸ビニル；スチレンスルホン酸ソーダ、アクリルスルホン酸ソーダ、β−スチレンスルホン酸ソーダ、メタアリルスルホン酸ソーダ等スルホン基を含む重合性不飽和単量体等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００１８】
単量体を重合する方法としては、例えば水溶液におけるレドックス重合、不均一系における懸濁重合、分散剤を使用した乳化重合、モノマー、開始材を溶媒に溶かして重合する溶液重合等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１９】
本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法では、このアクリロニトリル系重合体を、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、硝酸、ロダンソーダ水溶液等の溶媒に溶解して紡糸原液とする。
【００２０】
そして、紡糸口金を用いて、紡糸原液を凝固浴中に吐出するか（湿式紡糸）、または一旦空気中に吐出した後、凝固浴に導いて（乾−湿式紡糸）、凝固糸とする。凝固浴には一般的には紡糸原液に用いられる溶媒を含む水溶液が用いられる。
【００２１】
この状態の凝固糸は繊維内に水を含んでおり、後の工程で乾燥緻密化されるまで膨潤状態にある。通常の製造方法では、凝固糸を凝固浴からゴデットローラーにより引き取り、その後洗浄、延伸、油剤の付与等の必要な各工程を経た後、乾燥緻密化される。
【００２２】
乾燥緻密化以前の膨潤状態にある凝固糸を通過させるローラーには、特許文献１に開示されているように溝付きローラーを全てのローラーに取り付けてもよいが、糸幅を制御したい箇所のみを溝付きローラーとしてもよい。前記溝付ローラーにより、膨潤状態にある隣接する凝固糸同士の干渉・混繊を防止できると共に、総繊度の大きい炭素繊維前駆体トウを生産性よく製造することができる。
【００２３】
乾燥緻密化後のトウはタッチロール方式により水分を１〜５ｗｔ％の水分を付与される。なお、水分の付与はタッチロール方式に限定されたものではなく、その他に例えば噴射ノズルによる噴霧によっても行われる。水分の付与は、梱包時や焼成工程への供給時もトウの形態が安定しており、その結果、品質の低下がなく、高品質な炭素繊維を製造することが可能となる。
【００２４】
水分を付与されたトウは第１のガイドおよび第１の溝付きロールに導かれ、第１のガイドおよび第１の溝付きロールによりトウの幅が狭められる（第１のトウ幅狭幅化工程（ｂ））。次いで、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器に導かれ、第１の交絡器によりトウに交絡が付与される（第１の交絡付与工程（ｃ））。更に、第２のガイドおよび第２の溝付きロールに導かれ、第２のガイドおよび第２の溝付きロールによりトウの幅が狭められる（第２のトウ幅狭幅化工程（ｄ））。そして、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器に導かれ、第２の交絡器によりトウに交絡が付与される（第２の交絡付与工程（ｅ））。なお、第１のガイドおよび第１の溝付きロールと、第１の交絡器とを組み合わせた手段を「第１のトウ形態制御手段」、第２のガイドおよび第２の溝付きロールと、第２の交絡器とを組み合わせた手段を「第２のトウ形態制御手段」と称する。
【００２５】
すなわち、本発明は、トウの幅を狭めた上で交絡を付与するトウ形態制御手段を少なくとも２度通過させることを特徴としている。炭素繊維の製造工程において生産性を高めるためには、トウ幅を狭め、耐炎化処理工程への投入本数を増やす必要があるが、トウ形態制御手段を１度だけ通過させる場合、乾燥緻密化後のトウのトウ幅を急激に狭めることとなり、幅方向の厚み斑が悪化するだけではなく、交絡状態が安定せず、長手方向のトウ幅斑も悪化し、品質の低下に繋がる。そこで、トウ幅を段階的に狭めることができ、交絡状態も安定することから、トウ形態制御手段を少なくとも２度通過させる。また、トウ形態制御手段を３度以上通過させることは、生産性・品質を高めることに有効ではあるが、トウ形態制御手段の設置スペース、エア消費量を考慮すると経済的ではないことから、２度通過させることが好ましい。
【００２６】
図１および図２は、本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法における工程（ｂ）〜（ｅ）を実施する装置構成を示す上面図および正面図である。図１、図２において、トウ１は、第１のガイド２’および第１の溝付きロール３’により進行方向を上方に変更されると共に、トウの形態がアコーディオン状に均等に狭められる。次いで、トウ幅を均等に狭められたトウは、図示せぬ多数のエア噴出孔を有する扁平矩形断面形状の第１の交絡器４’へと送り込まれ、そこでエアを吹き付けられてトウに交絡が付与されることで、トウ幅を狭めたトウ形態が保持される。
【００２７】
トウ幅を狭め、形態を保持されたトウは、ローラー５’を介し、第２のガイド２”および第２の溝付きロール３”に導かれ、第２のガイド２”および第２の溝付きロール３”により進行方向を上方に変更されると共に、トウの形態がアコーディオン状に均等に狭められる。次いで、トウ幅を均等に狭められたトウは、図示せぬ多数のエア噴出孔を有する扁平矩形断面形状の第２の交絡器４”へと送り込まれ、そこでエアが吹き付けられてトウに交絡が付与されることで、トウ幅を狭めたトウ形態を保持される。トウ幅を狭め、形態を保持されたトウは、ローラー５”を介しゴデットロール６へと搬送される。
【００２８】
第１のガイド２’および第２のガイド２”の材質は特に限定はされないが、耐久性およびコストを考慮すれば、ステンレス、チタン、セラミック等が好ましい。更に、ガイドとトウとの擦過による性能低下を軽減するために、メッキ加工を施したものが好ましい。また、ガイドの形状も棒形状に限定されたものではなく、プレート形状であってもトウと接触する部分が円弧形状としていれば問題ない。円弧部分の直径も特に限定されたものではないが、操作性を考慮すると直径６ｍｍ〜１５ｍｍ程度のものが好適である。以上の点は、第１のガイド２’および第２のガイド２”において独立して選択され、同じでもよく異なっていてもよい。
【００２９】
第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”の材質は特に限定はされないが、耐久性およびコストを考慮すれば、ステンレス、チタン、セラミック等が好ましい。更に、溝付きロールとトウとの擦過による性能低下を軽減するために、メッキ加工を施したものが好ましい。以上の点は、第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”において独立して選択され、同じでもよく異なっていてもよい。
【００３０】
扁平矩形断面形状の第１の交絡器４’および第２の交絡器４”の材質は特に限定はされないが、耐久性およびコストを考慮すれば、ステンレス、チタン、セラミック等が好ましい。更に、交絡器とトウとの擦過による性能低下を軽減するために、メッキ加工を施したものが好ましい。また、扁平矩形断面の短辺である高さの寸法は、トウの総繊度によって異なるが、１〜５ｍｍ、好ましくは２〜４ｍｍである。この高さが小さい、すなわちトウの厚みが規制されると、エアの流れによってフィラメントが十分に動くことができず、交絡が不足する場合がある。逆に、この寸法が大きいと、フィラメントの動きが大きくなり、トウ幅方向の厚み斑の原因となる場合があると共に、交絡に要するエア量を多くする必要が生じる場合がある。
【００３１】
エア噴出孔の孔径および配列は、交絡の均一性、加工性の観点より、それぞれ０．３〜１．２ｍｍ、等ピッチで０．７〜２．５ｍｍの範囲とするのが好ましい。交絡器の長さは１０〜４０ｍｍとすることが好ましい。この長さが４０ｍｍを超えると、その理由は定かではないがそれぞれの糸道の両端部において噴射エアの流れの乱れに起因すると考えられるトウの乱れ、バタツキが発生する場合があり、交絡の不均一、トウ幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる場合がある。エア噴出孔の孔数は４〜２６個が好ましい。
【００３２】
第１の交絡器４’および第２の交絡器４”における、交絡を付与するためのエアの圧力は、トウの総繊度、要求するトウ幅および交絡度によって決定されるが、５０〜４００ｋＰａとするのが好ましい。更に、第１の交絡器４’により交絡を付与するためのエア圧力は、第２の交絡器４”により交絡を付与するためのエア圧力よりも低くすることが好ましい。第１の交絡器４’による交絡の付与においてエア圧を高くすると、交絡度が高くなりその形態が保持されるため、その後、トウ幅を狭幅化し、交絡の付与を行っても幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑に変化が見られなくなる場合がある。
【００３３】
図１および図２に示すトウ形態制御手段において、第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”の溝の断面形状、並びに第１の交絡器４’および第２の交絡器４”の扁平矩形断面の長辺は、下記式（１）〜（７）の条件を全て満足する構成となっている。
【００３４】
０．８×Ｗ１’≦Ｒ’≦Ｗ１’ （１）
０．８×Ｗ１”≦Ｒ”≦Ｗ１” （２）
０．３４×Ｗ０≦Ｗ１’≦０．５２×Ｗ０ （３）
０．２８×Ｗ０≦Ｗ１”≦０．５２×Ｗ０ （４）
Ｗ１’≧Ｗ１” （５）
Ｗ１’≦Ｗ２’≦１．２×Ｗ１’ （６）
Ｗ１”≦Ｗ２”≦１．２×Ｗ１” （７）
ここで、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）、Ｗ１’は第１の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ’は第１の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２’は第１の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ１”は第２の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ”は第２の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２”は第２の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）を示す。
【００３５】
図３に、第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”の溝断面形状の一例を示す。第１の溝付きロール３’および第２の溝付きロール３”の溝底部は曲面形状となっており、溝底部曲率半径Ｒ’およびＲ”は、それぞれ０．８Ｗ１’〜Ｗ１’および０．８×Ｗ１”〜Ｗ１”の範囲になるように設定される（式（１）および（２）の条件）。溝底部曲率半径が溝頂部幅の０．８倍より小さい場合には、湾曲部分の角度が急になり、トウの両端部が折れやすく、トウ幅方向の厚み斑の悪化の原因となる。一方、溝底部曲率半径が溝頂部幅より大きい場合には、糸道が安定せず、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。
【００３６】
また、トウが溝から外れる恐れがある場合には、図４に示すように平面部を設けることもできる。この際、平面部と曲面部の接点部７は曲面とすることが好ましく、その曲率半径は０．５〜１．０ｍｍとすることが好ましい。
【００３７】
第１の溝付きロール３’の溝頂部幅Ｗ１’は、０．３４×Ｗ０〜０．５２×Ｗ０に設定される（式（３）の条件）。好ましくは、０．４×Ｗ０〜０．５×Ｗ０である。Ｗ１’が０．３４×Ｗ０よりも小さい場合には、トウ幅を急激に狭めることになり、安定してトウ幅を狭めることができず、トウの耳折れ等も起こり、トウ幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。一方、０．５２×Ｗ２よりも大きい場合には、トウはその幅が必要以上に拡げられた状態となり、トウ割れを生じやすくなると共に、耐炎化処理工程への投入量を飛躍的に増加できない。
【００３８】
第２の溝付きロール３”の溝頂部幅Ｗ１”は、０．２８×Ｗ０〜０．５２×Ｗ０に設定される（式（４）の条件）。好ましくは、０．３４×Ｗ０〜０．４×Ｗ０である。Ｗ１”が０．２８×Ｗ０よりも小さい場合には、トウ幅を急激に狭めることになり、安定してトウ幅を狭めることができず、トウの耳折れ等も起こり、トウ幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。一方、０．５２×Ｗ２よりも大きい場合には、トウはその幅が必要以上に拡げられた状態となり、トウ割れを生じやすくなると共に、耐炎化処理工程への投入量を飛躍的に増加できない。
【００３９】
ここで、第１の溝付きロール３’の溝頂部幅Ｗ１’と、第２の溝付きロール３”の溝頂部幅Ｗ１”の関係は、Ｗ１’≧Ｗ１”である（式（５）の条件）。Ｗ１’＜Ｗ１”となると一旦トウ幅を狭めたトウをまた拡げることになり効果的ではない。また、Ｗ１’＝Ｗ１”としても本発明の効果を得ることができる。目的とするトウ幅が式（１）、（３）、（６）の条件を満足するトウ形態制御手段を１度のみ通過させることで得ることができる場合がある。この場合、式（１）、（３）、（６）の条件を満足していれば、トウ幅方向の厚み斑は低減できる。しかし、安定した交絡の付与を行うことができず、トウ長手方向のトウ幅の斑を低減することができない。そのため、トウ形態制御手段を１度のみ通過させることで目的とするトウ幅を得ることができる場合においては、Ｗ１’＝Ｗ１”となる条件にて、トウ形態制御手段を２度通過させることで、トウ幅方向の厚み斑だけでなく、トウ長手方向のトウ幅の斑も低減することができる。しかしながら、このような場合においても段階的にトウ幅を狭めることが、トウ幅方向の厚み斑およびトウ長手方向のトウ幅の斑を低減する効果があり、好ましくはＷ’＞Ｗ１”であり、より好ましくはＷ１’＞１．１×Ｗ１”である。
【００４０】
第１の交絡器４’および第２の交絡器４”における扁平矩形断面の長辺寸法Ｗ２’およびＷ２”は、それぞれＷ１’〜１．２×Ｗ１’およびＷ１”〜１．２×Ｗ１”の範囲になるように設定される（式（６）および（７）の条件）。扁平矩形断面の長辺寸法が直前の溝付きロールにおける溝頂部幅よりも小さい場合、溝付きロールにより狭めたトウ幅が交絡器扁平矩形断面の長辺寸法よりも大きくなるため、第１の交絡器４’および第２の交絡器４”の入口部分においてトウの両端部が接触し、折れ、トウ幅方向の厚み斑、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。一方、扁平矩形断面の長辺寸法が直前の溝付きロールにおける溝頂部幅の１．２倍よりも大きい場合には、溝付きロールにより狭めたトウ幅に対して、交絡器扁平矩形断面の長辺寸法が大きくなるため、交絡器内においてトウの糸道が安定せず、長手方向のトウ幅斑の悪化の原因となる。
【００４１】
トウ幅を狭める前の張力は７００〜２０００ｇｆ（６．８６〜１９．６Ｎ）であることが好ましい。張力が７００ｇｆよりも小さい場合には、トウの蛇行や揺れが発生し、安定して走行せず、均一にトウ幅を狭めることができない場合がある。一方２０００ｇｆよりも大きい場合には、交絡付与時にエアを噴射してもフィラメントが十分に動くことができずに交絡が不足する場合がある。なお、張力はトウ形態制御手段を通過後に設置してあるゴデットロール６の回転数によって調整される。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明について具体的な実施例および比較例を挙げて説明する。なお、本実施例における各測定は以下の方法によって行った。
【００４３】
（幅方向の厚み斑）
トウ幅方向の厚み斑の測定は、図５（正面図）および図６（上面図）に示す構成の装置を用いて行った。まず、製造された炭素繊維前駆体トウ１を収納容器８にサンプリングし、その収納容器８よりガイドバー９を通して引き上げることで捩れや折れを解じょし、水平に設置してあるガイドバー１０、１１、１０’の上にトウを導糸した。次いで、ガイドバー１０側のトウを切断し、トウの一方の端部を固定、もう一方の端部に４ｋｇの錘１２を吊り下げた。そして、ガイドバー１１の上に押し付けられたトウの厚みを、ガイドバー１１の上部に設置したレーザー変位計１３（（株）キーエンス製；ＬＫ−Ｇ１０（商品名））をアクチュエータ１４（ＴＨＫ（株）製；ＫＴ４５（商品名））により２０ｍｍ／ｓの速度にてトウの幅方向に渡ってスライドさせながら、サンプリング周期１０ｍｓにて測定した。測定した厚みの値より、標準偏差値および平均値を算出し、厚み斑の指標としてのＣＶ値（（標準偏差／平均値）×１００）を算出した。同様の測定を１サンプルにつき５回行い、５回のＣＶ値の平均値をそのサンプルのＣＶ値とした。
【００４４】
（長手方向のトウ幅斑）
長手方向のトウ幅の測定は、製造された炭素繊維前駆体トウを収納容器にサンプリング後、その収納容器よりガイドバーを通して引き上げることで捩れや折れを解じょし、連続的に耐炎化処理を行った。その際、耐炎化処理炉入口のロール上におけるトウ幅を３０分に１回測定し、合計７点測定した。測定したトウ幅の値より、トウ幅斑の指標としてのＣＶ値を算出した。
【００４５】
＜実施例１＞
表１に示す構成の第１および第２のトウ形態制御手段を用いて、総繊度６０，０００デシテックスの炭素繊維前駆体トウを製造した。このとき、乾燥緻密化後のトウの幅は３５ｍｍ、張力はゴデットロールの回転数調整により８００ｇｆ（７．８４Ｎ）とした。
【００４６】
なお、第１および第２のガイドは、いずれもφ８ステンレス製丸棒を用い、表面にメッキ加工を施した。また、第１および第２の溝付きロールは、いずれも外径φ５０のステンレス製ローラーに溝加工し、表面にメッキ加工を施した。第１および第２の交絡器は、いずれもステンレス製とし、炭素繊維前駆体トウと接触する部分に関してはメッキ加工を施した。また、第１および第２の交絡器の孔径、ピッチ、高さおよび長さは、いずれも、それぞれφ０．７５、１．３５ｍｍ、２．５ｍｍおよび２０ｍｍのものを用い、その時のエア圧は第１の交絡器を１００ｋＰａ、第２の交絡器を３００ｋＰａとした。
【００４７】
得られた炭素繊維前駆体トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅斑を前述した方法にて測定を行ったところ、表２に示す通り、幅方向の厚み斑は１３．３％、長手方向のトウ幅斑は４．７％と斑が小さく、外観も毛羽の発生がない高品質の炭素繊維前駆体トウを得ることができた。また、この炭素繊維前駆体トウを用いて炭素繊維を製造したところ、ガイドやロールとの接触によるトウの拡がり、隣接するトウ同士の干渉、ロールへの巻付きもなく、工程通過安定性にも優れていた。また、得られた炭素繊維の性能も良好であった。
【００４８】
＜実施例２＞
表１に示す構成の第１および第２のトウ形態制御手段を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、炭素繊維前駆体トウの製造、幅方向の厚み斑測定、長手方向のトウ幅斑測定を行った。得られた炭素繊維前駆体トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅斑の測定結果を表２に示す。
【００４９】
＜比較例１〜２＞
表１に示す構成の第１のトウ形態制御手段のみを用いて、トウ形態制御手段を１度だけ通過させたこと以外は、実施例１と同様にして、炭素繊維前駆体トウの製造、幅方向の厚み斑測定、長手方向のトウ幅斑測定を行った。得られた炭素繊維前駆体トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅斑の測定結果を表２に示す。
【００５０】
＜比較例３〜８＞
表１に示す構成の第１および第２のトウ形態制御手段を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、炭素繊維前駆体トウの製造、幅方向の厚み斑測定、長手方向のトウ幅斑測定を行った。得られた炭素繊維前駆体トウの幅方向の厚み斑および長手方向のトウ幅斑の測定結果を表２に示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法における工程（ｂ）〜（ｅ）を実施する装置構成を示す上面図である。
【図２】本発明の炭素繊維前駆体トウの製造方法における工程（ｂ）〜（ｅ）を実施する装置構成を示す正面図である。
【図３】本発明で使用する溝付きロールの溝断面形状の一例を示す模式図である。
【図４】本発明で使用する溝付きロールの溝断面形状の一例を示す模式図である。
【図５】トウ幅方向の厚み斑を測定する装置構成を示す正面図である。
【図６】トウ幅方向の厚み斑を測定する装置構成を示す上面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ トウ
２’ 第１のガイド
２” 第２のガイド
３’ 第１の溝付きロール
３” 第２の溝付きロール
４’ 第１の交絡器
４” 第２の交絡器
５’ ローラー
５” ローラー
６ ゴデットロール
７ 接点部
８ 収納容器
９ ガイドバー
１０ ガイドバー
１０’ガイドバー
１１ ガイドバー
１２ 錘
１３ レーザー変位計
１４ アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化してトウを得る工程と、
（ｂ）第１のガイドおよび第１の溝付きロールにより、前記トウの幅を狭める第１のトウ幅狭幅化工程と、
（ｃ）エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器により、前記第１のガイドおよび第１の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与する第１の交絡付与工程と、
（ｄ）第２のガイドおよび第２の溝付きロールにより、前記第１の交絡器を通過したトウの幅を狭める第２のトウ幅狭幅化工程と、
（ｅ）エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器により、前記第２のガイドおよび第２の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与する第２の交絡付与工程と、
を有し、下記式（１）〜（７）の条件を全て満たすことを特徴とする炭素繊維前駆体トウの製造方法。
０．８×Ｗ１’≦Ｒ’≦Ｗ１’ （１）
０．８×Ｗ１”≦Ｒ”≦Ｗ１” （２）
０．３４×Ｗ０≦Ｗ１’≦０．５２×Ｗ０ （３）
０．２８×Ｗ０≦Ｗ１”≦０．５２×Ｗ０ （４）
Ｗ１’≧Ｗ１” （５）
Ｗ１’≦Ｗ２’≦１．２×Ｗ１’ （６）
Ｗ１”≦Ｗ２”≦１．２×Ｗ１” （７）
上記式（１）〜（７）中、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）、Ｗ１’は第１の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ’は第１の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２’は第１の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ１”は第２の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ”は第２の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２”は第２の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）を示す。
【請求項２】
炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化するトウ製造手段と、
前記トウ製造手段により得られたトウの幅を狭めるための、第１のガイドおよび第１の溝付きロールと、
前記第１のガイドおよび第１の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与するための、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器と、
前記第１の交絡器を通過したトウの幅を狭めるための、第２のガイドおよび第２の溝付きロールと、
前記第２のガイドおよび第２の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与するための、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器と、
を有し、下記式（１）〜（７）の条件を全て満たすことを特徴とする炭素繊維前駆体トウの製造装置。
０．８×Ｗ１’≦Ｒ’≦Ｗ１’ （１）
０．８×Ｗ１”≦Ｒ”≦Ｗ１” （２）
０．３４×Ｗ０≦Ｗ１’≦０．５２×Ｗ０ （３）
０．２８×Ｗ０≦Ｗ１”≦０．５２×Ｗ０ （４）
Ｗ１’≧Ｗ１” （５）
Ｗ１’≦Ｗ２’≦１．２×Ｗ１’ （６）
Ｗ１”≦Ｗ２”≦１．２×Ｗ１” （７）
上記式（１）〜（７）中、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）、Ｗ１’は第１の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ’は第１の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２’は第１の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ１”は第２の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ”は第２の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２”は第２の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）を示す。
【請求項１】
（ａ）炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化してトウを得る工程と、
（ｂ）第１のガイドおよび第１の溝付きロールにより、前記トウの幅を狭める第１のトウ幅狭幅化工程と、
（ｃ）エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器により、前記第１のガイドおよび第１の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与する第１の交絡付与工程と、
（ｄ）第２のガイドおよび第２の溝付きロールにより、前記第１の交絡器を通過したトウの幅を狭める第２のトウ幅狭幅化工程と、
（ｅ）エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器により、前記第２のガイドおよび第２の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与する第２の交絡付与工程と、
を有し、下記式（１）〜（７）の条件を全て満たすことを特徴とする炭素繊維前駆体トウの製造方法。
０．８×Ｗ１’≦Ｒ’≦Ｗ１’ （１）
０．８×Ｗ１”≦Ｒ”≦Ｗ１” （２）
０．３４×Ｗ０≦Ｗ１’≦０．５２×Ｗ０ （３）
０．２８×Ｗ０≦Ｗ１”≦０．５２×Ｗ０ （４）
Ｗ１’≧Ｗ１” （５）
Ｗ１’≦Ｗ２’≦１．２×Ｗ１’ （６）
Ｗ１”≦Ｗ２”≦１．２×Ｗ１” （７）
上記式（１）〜（７）中、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）、Ｗ１’は第１の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ’は第１の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２’は第１の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ１”は第２の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ”は第２の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２”は第２の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）を示す。
【請求項２】
炭素繊維前駆体トウの原料を紡糸・乾燥緻密化するトウ製造手段と、
前記トウ製造手段により得られたトウの幅を狭めるための、第１のガイドおよび第１の溝付きロールと、
前記第１のガイドおよび第１の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与するための、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第１の交絡器と、
前記第１の交絡器を通過したトウの幅を狭めるための、第２のガイドおよび第２の溝付きロールと、
前記第２のガイドおよび第２の溝付きロールを通過したトウに交絡を付与するための、エア流体を噴出する扁平矩形断面形状の第２の交絡器と、
を有し、下記式（１）〜（７）の条件を全て満たすことを特徴とする炭素繊維前駆体トウの製造装置。
０．８×Ｗ１’≦Ｒ’≦Ｗ１’ （１）
０．８×Ｗ１”≦Ｒ”≦Ｗ１” （２）
０．３４×Ｗ０≦Ｗ１’≦０．５２×Ｗ０ （３）
０．２８×Ｗ０≦Ｗ１”≦０．５２×Ｗ０ （４）
Ｗ１’≧Ｗ１” （５）
Ｗ１’≦Ｗ２’≦１．２×Ｗ１’ （６）
Ｗ１”≦Ｗ２”≦１．２×Ｗ１” （７）
上記式（１）〜（７）中、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）、Ｗ１’は第１の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ’は第１の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２’は第１の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ１”は第２の溝付きロールの溝頂部幅（ｍｍ）、Ｒ”は第２の溝付きロールの溝底部曲率半径（ｍｍ）、Ｗ２”は第２の交絡器の扁平矩形断面の長辺寸法（ｍｍ）、Ｗ０は乾燥緻密化後のトウの幅（ｍｍ）を示す。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２６６８１０（Ｐ２００８−２６６８１０Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０８３１０（Ｐ２００７−１０８３１０）
【出願日】平成１９年４月１７日（２００７．４．１７）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月１７日（２００７．４．１７）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
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