表面処理装置及び表面処理方法
【課題】 オーバーフロー式表面処理装置におけるオーバーフロー高さのバラツキを低減し、長時間の運転においてもバラツキ増大の問題を発生させない表面処理装置を提供する。
【解決手段】 内槽３内の下方から上方へ向かって電解液を流通させ、上端３ａから電解液をオーバーフローさせる表面処理装置において、内槽３に電解液を供給する電解液供給路１０の上端で内槽３の底壁３ｂに接続し、電解液供給路１０の上部１０ａを、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成する。
【解決手段】 内槽３内の下方から上方へ向かって電解液を流通させ、上端３ａから電解液をオーバーフローさせる表面処理装置において、内槽３に電解液を供給する電解液供給路１０の上端で内槽３の底壁３ｂに接続し、電解液供給路１０の上部１０ａを、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理対象物を電解液に浸漬して電解することにより、処理対象物の表面を電解酸化処理する表面処理装置及び表面処理方法に関する。特に、処理対象物としては、炭素繊維が適する。
【背景技術】
【０００２】
熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を炭素繊維で補強する炭素繊維複合材料は、引張強度・引張弾性率が高く、耐熱性、疲労特性に優れるなどの特長を有しており、スポーツ・レジャー、航空・宇宙等の分野で幅広く用いられている。
【０００３】
炭素繊維は、アクリル繊維等の原料繊維を空気中で２００〜３００℃に加熱することにより耐炎繊維とした後、これを不活性ガス雰囲気中１０００℃以上で焼成することにより製造される。
【０００４】
炭素繊維複合材料の強度・弾性率等の機械的特性は、炭素繊維とマトリックス樹脂との親和性や接着性により大きな影響を受ける。そのため、耐炎化工程、炭素化工程を経た後、マトリックス樹脂との親和性を高めることを目的として炭素繊維の表面に含酸素官能基を導入する酸化処理が一般に行われる。
【０００５】
炭素繊維表面の酸化処理としては、液相における薬液酸化・電解酸化、気相酸化などの方法が知られている。これら表面処理のうち、生産性が高く、処理が均一に行える等の理由により、液相における電解酸化処理が広く採用されている。液相における電解酸化処理は、電解質水溶液中で二つの電極間に電圧を印加することにより、電解質水溶液中を走行する炭素繊維を電解酸化する処理方法である。
【０００６】
炭素繊維は、その製造工程において１,０００〜８０,０００本程度のストランド状にして製造される。炭素繊維の表面処理を行う電解槽としては、従来様々な構造のものが開発されている。例えば、電解槽から電解液をオーバーフローさせ、液面が電解槽の側壁の上端を乗り越えているオーバーフロー部に炭素繊維を通過させて電解することにより、表面処理を行うオーバーフロー型の電解槽が従来用いられている(例えば、特許文献１参照)。
【０００７】
この電解槽においては、炭素繊維を電解液に浸漬したり、電解液から炭素繊維を引き上げたりするためのガイドローラーを使用する必要がない。そのため、炭素繊維に毛羽を生じにくく、品位の高い製品が得られる利点を有している。
【０００８】
本発明者は、多数の炭素繊維ストランド間で炭素繊維表面が均一に酸化処理される装置について検討を行った結果、電解槽内に電解液流入口からの距離に応じて開口率を変化させた多孔板を整流板として水平に挿入することにより、ストランドに供給される電解液の流量がストランド間で一定となり、ストランド間の表面処理状態のバラツキが抑制されることを見出し、先に特許出願を行った(特許文献２)。
【０００９】
この装置は、内槽内部に多孔板を設置しているため、内槽の機幅方向における全ての測定点でオーバーフローのバラツキはかなり抑制された。しかし、まだ不充分であった。また、この装置では、長時間連続運転を行う際に、多孔板の孔に析出物が詰まることにより、オーバーフローのバラツキが大きくなるという新たな問題が生じている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５８−１１５１２３号公報 (図１)
【特許文献２】特開２００８−２４８４１１号公報 (特許請求の範囲)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、オーバーフロー式表面処理装置におけるオーバーフロー高さのバラツキを低減し、長時間の運転においてもバラツキ増大の問題を発生させない表面処理装置及び表面処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記課題を解決するため検討を重ねているうちに、処理対象物、特に炭素繊維を表面処理する装置において、電解液をオーバーフローさせる内槽の底壁に、その上端で接続し、内槽に電解液を供給する電解液供給路の上部を、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成することにより、低コストで上記課題を解決出来ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
上記課題を解決する本発明は以下に記載するものである。
【００１４】
〔１〕 その内部に電極を備えると共に内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させて上端から電解液をオーバーフローさせる複数の内槽と、前記各内槽の底壁に連結され内槽内に電解液を供給する、各内槽に対して１以上の電解液供給路とを有する表面処理装置用内槽であって、前記電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、下部供給路は、水平面方向の開口部断面積が一定に保たれた管状に形成されてなる表面処理装置用内槽。
【００１５】
〔２〕 その内部に電極を備えると共に内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させて上端から電解液をオーバーフローさせる複数の内槽と、所定間隔離間して水平方向に直列に配列された複数の前記内槽を内部に備えると共に各内槽からオーバーフローする電解液を受け入れる外槽と、前記各内槽の底壁に連結され内槽内に電解液を供給する、各内槽に対して１以上の電解液供給路とを有する表面処理装置であって、前記電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、下部供給路は、水平面方向の開口部断面積が一定に保たれた管状に形成されてなる表面処理装置。
【００１６】
上記〔２〕に記載の発明は、以下の〔３〕〜〔１１〕に記載する発明も含む。
【００１７】
〔３〕 内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3が、内槽機幅Ｌ1の７５〜１００％である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００１８】
〔４〕 内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5が、内槽機幅Ｌ1の１〜１０％である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００１９】
〔５〕 上部供給路の高さＨanが、内槽の高さＨ3の１０〜２５倍である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２０】
〔６〕 下部供給路における開口部の内径Ｄnが、内槽機幅方向の直角方向に沿った内槽の長さＬ2の２５〜１００％である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２１】
〔７〕 上部供給路における内槽機幅方向の向かい合った斜面同士がなす角度αnが、１５〜１５０°である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２２】
〔８〕 内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3と内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5との比Ｌｔ3／Ｌｔ5が１０〜２０、内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3と上部供給路の高さＨanとの比Ｌｔ3／Ｈanが０．５〜５、且つ、内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5と下部供給路における開口部の内径Ｄnとの比Ｌｔ5／Ｄnが１〜１．５である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２３】
〔９〕 外槽内に配設する内槽の数が２〜１２、且つ内槽の合計容量が０．００３〜０．５ｍ3である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２４】
〔１０〕 外槽内の電解液を受け入れて貯留する電解液貯留タンクと、電解液貯留タンク内の電解液を各電解液供給路を経由して各内槽内に送出するポンプと、各下部供給路に介装された流量調整用の調整バルブとを有する〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２５】
〔１１〕 〔２〕に記載の表面処理装置を用いる表面処理方法であって、電解液流量が０．２〜１０ｍ3／ｍｉｎである表面処理方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の表面処理装置は、電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面に沿った開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成されているので複雑な装置形状を有せず、比較的低コストであり、且つ、内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させるに際し、機幅方向でオーバーフロー高さのバラツキが抑制される。また、長時間の運転によるオーバーフロー高さのバラツキ増大といった問題も解決され、多数の対象物を同時に均一に表面処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の表面処理装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の内槽及びその周辺の一例を示す概略平面図である。
【図３】図２に示す電解槽の内槽及びその周辺の概略側面断面図である。
【図４】図２に示す電解槽の内槽及びその周辺の概略正面断面図である。
【図５】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の他の例を示す概略正面断面図である。
【図６】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の更に他の例を示す概略正面断面図である。
【図７】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の更に他の例を示す概略正面断面図である。
【図８】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の更に他の例を示す概略正面断面図である。
【図９】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の更に他の例を示す概略正面断面図である。
【図１０】実施例及び比較例における効果確認のためのオーバーフロー高さ測定位置を示す平面説明図である。
【図１１】従来の表面処理装置で使用する電解槽の一例を示す概略正面断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明で使用する表面処理装置の一例の概略構成図を図１に示す。
【００２９】
図１中、１００は表面処理装置で、１は電解槽である。電解槽１は複数の箱形の内槽３と、前記内槽をその内部に収納する箱形の外槽１３とからなる。
【００３０】
内槽３及びその周辺の平面図を図２に、側面断面図を図３に、正面断面図を図４に示す。
【００３１】
図３、４において、角筒状に形成された内槽３の上端３ａは開放され、下端は下壁３ｂにより閉塞されている。下壁３ｂには、中心部に流入口９が形成されている。流入口９には、外槽１３の底壁１３ｂを貫通して外槽１３内に挿入された電解液供給路１０の一端が連結されている。
【００３２】
この電解液供給路１０は、上部(上部供給路)１０ａと下部(下部供給路)１０ｂとからなり、上部供給路１０ａの下端と下部供給路１０ｂの上端とにおいて接続されている。上部供給路１０ａは、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状(いわゆる拡がり管)に形成されている。下部供給路１０ｂは、水平面方向の開口部断面積が上端から下端まで一定に保たれた管状(いわゆる筒状管)に形成されている。即ち、電解液供給路１０は、上部供給路１０ａと下部供給路１０ｂとで、いわゆる漏斗形状に形成されている。
【００３３】
各下部供給路１０ｂには、バルブ２７が介装されている。各バルブ２７の開度を調節することにより、各電解液供給路１０に供給される電解液の流量は調整される。
【００３４】
内槽３内には、その下部側にＬ字状の平板状で形成された電極５が下壁３ｂに沿って挿入されている。電極５は、図４に示すように一端側が内槽３の側壁３ｃに沿って折り曲げられ、電解槽１の外部で不図示の保持部材により支持されると共に、外部電源に接続されている。
【００３５】
図２〜４中、矢印Ｘは炭素繊維ストランド１１の走行方向を、矢印Ｙ(即ち、矢印Ｘの直角方向)は装置の機幅方向を示す。電極５のＸ方向の長さと、Ｙ方向の長さは、それぞれ内槽３の内長Ｌ2、内幅Ｌ1より短く形成されている。電極５のＸ方向の長さは内槽３の内長Ｌ2の２０〜９０％であり、Ｙ方向の長さは内槽３の内幅Ｌ1の６０〜１００％である。
【００３６】
図１に示すように、外槽１３内には、多数の内槽３が、炭素繊維ストランド１１の走行方向Ｘに沿って直列に連設されている。隣り合う内槽３の中央間距離は、内槽の内長Ｌ2に対し１１５〜２５０％程度である。多数の内槽３内に備えられた電極５には、隣り合う内槽間で交互に陽極と陰極として作用するよう電圧が印加されている。
【００３７】
内槽３は、その上端３ａが外槽の上端１３ａと同じ高さ又は外槽の上端１３ａより高くなるように配設されている。外槽１３の下壁１３ｂには、排出口１５が形成されている。
【００３８】
図１中、１７は電解液貯留タンク、１９はポンプである。排出口１５と電解液貯留タンク１７の間は排出樋２１により接続され、電解液貯留タンク１７とポンプ１９との間は配管２３により接続されている。
【００３９】
ポンプ１９の送出口には、配管２５が接続されている。配管２５と各内槽３の下壁３ｂとの間は、配管２５から分岐された上記各電解液供給路１０により接続されている。
【００４０】
電解液貯留タンク１７に貯留される硫酸等の電解液は、ポンプ１９により電解液供給路１０を通過して流入口９から内槽３内に導入される。電解液供給路１０を通過することにより電解液は均一な流れとなり、内槽３内を下方から上方へ流通する。内槽３の上端で内槽３からオーバーフローした電解液は、外槽１３に受け入れられる。その後、外槽１３に形成された排出口１５から排出樋２１に流出し、再び電解液貯留タンク１７に貯留される。
【００４１】
外槽１３内に配設する内槽３の数は、２〜１２であることが好ましい。これら内槽３の合計容量は０．００３〜０．５ｍ3であることが好ましい。
【００４２】
この表面処理装置を用いる表面処理方法では、電解液流量は０．２〜１０ｍ3／ｍｉｎとすることが好ましい。
【００４３】
図２〜４の例の場合、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａの上端開口部の長さ[流入口９の機幅方向(Ｙ方向)に沿った口径]Ｌ3は、内槽機幅Ｌ1の７５〜１００％であることが好ましい。
【００４４】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａにおける下端開口部の長さＬ5は、内槽機幅Ｌ1の１〜１０％であることが好ましい。
【００４５】
上部供給路１０ａの高さＨaは、内槽３の高さＨ3の１０〜２５倍であることが好ましい。
【００４６】
下部供給路１０ｂにおける開口部の内径Ｄは、内槽機幅Ｌ1の内槽機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った内槽の長さＬ2の２５〜１００％であることが好ましい。
【００４７】
上部供給路１０ａにおける内槽機幅方向(Ｙ方向)の向かい合った斜面同士がなす角度αは、１５〜１５０°であることが好ましい。
【００４８】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａの上端開口部の長さと、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａにおける下端開口部の長さとの比Ｌ3／Ｌ5は、１０〜２０であることが好ましい。内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａの上端開口部の長さと、上部供給路１０ａの高さとの比Ｌ3／Ｈaは、０．５〜５であることが好ましい。更には、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａにおける下端開口部の長さと、下部供給路１０ｂにおける開口部の内径との比Ｌ5／Ｄは、１〜１．５であることが好ましい。
【００４９】
電解液供給路１０は、図２〜４の例のように、各内槽３に対して１供給路を接続されたものであっても良く、図５に示す電解槽６１の例のように、各内槽３に対して内槽機幅方向に沿って水平方向に直列に２供給路以上配列されたものであっても良い。
【００５０】
各内槽３に対して２供給路以上の電解液供給路が配列される場合(以下、図５の例を、この場合の一例として記述する)、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における上端開口部の長さ[流入口９１の機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った口径]Ｌ31、[流入口９２の機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った口径]Ｌ32、・・・、[流入口９ｎの機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った口径]Ｌ3n、・・・の合計値Ｌｔ3は、内槽機幅Ｌ1の７５〜１００％であることが好ましい。
【００５１】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における下端開口部の長さＬ51、Ｌ52、・・・、Ｌ5n、・・・の合計値Ｌｔ5は、内槽機幅Ｌ1の１〜１０％であることが好ましい。
【００５２】
上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・の高さＨa1、Ｈa2、・・・、Ｈan、・・・は、内槽３の高さＨ3の１０〜２５倍であることが好ましい。
【００５３】
下部供給路１０１ｂ、１０２ｂ、・・・、１０ｎｂ、・・・における開口部の内径Ｄ1、Ｄ2、・・・、Ｄn、・・・は、内槽機幅Ｌ1の内槽機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った内槽の長さＬ2の２５〜１００％であることが好ましい。
【００５４】
上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における内槽機幅方向(Ｙ方向)の向かい合った斜面同士がなす角度α1、α2、・・・、αn、・・・は、１５〜１５０°であることが好ましい。
【００５５】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における上端開口部の長さＬ31、Ｌ32、・・・、Ｌ3n、・・・の合計値Ｌｔ3と、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における下端開口部の長さＬ51、Ｌ52、・・・、Ｌ5n、・・・の合計値Ｌｔ5との比Ｌｔ3／Ｌｔ5は、１０〜２０であることが好ましい。
【００５６】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における上端開口部の長さＬ31、Ｌ32、・・・、Ｌ3n、・・・の合計値Ｌｔ3と、上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・の高さＨa1、Ｈa2、・・・、Ｈan、・・・との比Ｌｔ3／Ｈanは、０．５〜５であることが好ましい。
【００５７】
更には、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における下端開口部の長さＬ51、Ｌ52、・・・、Ｌ5n、・・・の合計値Ｌｔ5と、下部供給路１０１ｂ、１０２ｂ、・・・、１０ｎｂ、・・・における開口部の内径Ｄ1、Ｄ2、・・・、Ｄn、・・・との比Ｌｔ5／Ｄnは、１〜１．５であることが好ましい。
【００５８】
図１の例の表面処理装置１００によれば、上記のように、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った電解液供給路の上端開口部の長さが長い電解液供給路１０を設置してなるので、内槽３内に多孔板を設置しない場合でも、オーバーフロー高さを均一化することができる。
【００５９】
図１中、内槽３の上部を通過する１１は処理対象物の炭素繊維ストランドを示す。
【００６０】
図１に示すように、内槽３は炭素繊維ストランド１１に沿って直列に連設されている。
【００６１】
炭素繊維ストランド１１は、内槽３上方で内槽から外槽１３へオーバーフローする電解液中を通過することにより電解液に浸漬される。炭素繊維は導電性が高いので、隣り合う内槽３の間で交互に陽極又は陰極として作用する電極５に電圧を印可することにより電解液中で炭素繊維の表面が電解酸化される。これにより、カルボキシル基、カルボニル基等の含酸素官能基が炭素繊維表面に導入される。炭素繊維ストランド１１は、電解槽１上を通過することにより、内槽から外槽にオーバーフローする電解液に繰り返し浸漬され、表面が繰り返し電解酸化処理される。炭素繊維ストランド１１は、電解槽通過終了と共に電解酸化処理が終了し、水洗、サイズ剤付与、乾燥等の後工程に送られる。その後、ワインダーに巻き取られて最終製品となる。
【００６２】
本発明は、処理対象物を電解液に浸漬して電解することにより、処理対象物の表面を電解酸化処理する表面処理装置であり、処理対象物としては特に炭素繊維が適する。
【００６３】
本発明の処理装置を用いて炭素繊維を処理する場合、電解液のオーバーフロー高さは３．５〜４．５ｍｍにすることが好ましく、４．０〜４．５ｍｍにすることがより好ましい。
【００６４】
炭素繊維の電解酸化処理に用いる電解液としては、硫酸、硝酸、塩酸等の無機酸や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの無機水酸化物、硫酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等の無機塩類などの電解質水溶液を挙げることができる。
【００６５】
本発明で電解酸化処理する炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系炭素繊維以外に、石油・石炭ピッチ系、レーヨン系、リグニン系など、何れの炭素繊維も使用することができる。
【００６６】
炭素繊維１１は、通常、直径４〜１２μｍのフィラメントが１０００〜８００００本程度集合したストランド形状(炭素繊維ストランド)に製造される。本発明の処理装置では、上記繊維径、フィラメント数に限定されず、いかなる繊維径、フィラメント数のものでも処理することが可能である。
【００６７】
炭素繊維ストランド１１に通電する電気量は、電解液に使用する電解質の種類や炭素繊維ストランド１１の弾性率等の条件に応じて適宜決定すればよい。例えば、電解液に硫酸アンモニウム水溶液を用いて弾性率２３５ＧＰａの炭素繊維の電解酸化処理を行う場合には、炭素繊維に通電する電気量を３〜４０Ｃ／ｇとすることが好ましく、４〜３０Ｃ／ｇとすることがより好ましい。
【００６８】
炭素繊維ストランド１１の電解酸化処理温度は１０〜８０℃の範囲とするが、２０〜６０℃とすることが好ましい。
【００６９】
炭素繊維ストランド１１の表面処理を行う際の指標としては、Ｘ線光電子分光法(ＥＳＣＡ)を用いて測定できる炭素繊維の表面酸素濃度比(Ｏ／Ｃ)により管理するのが良い。炭素繊維を熱硬化性樹脂に配合して複合材料とする場合には、Ｏ／Ｃが、０．０５〜０．４となるように電解酸化処理することが好ましい。
【００７０】
尚、図６に示す電解槽６２の例のように、内槽３内に整流板として多孔板７ａ、７ｂを設置する場合は、オーバーフロー高さをより均一化することができる。
【００７１】
また、図１に示す電解槽１の例においては、電解液供給路１０を外槽１３の底壁１３ｂを貫通して外槽１３内に挿入したが、これに限られず、外槽１３の上部開口を通して配管２５を外槽１３内に導き、この配管と、電解液供給路とを連結しても良い。
【００７２】
更に、図１に示す電解槽１の例においては、外槽１３の底壁１３ｂの高さ位置を、下部供給路１０ｂの位置にしたが、図７に示す電解槽６３の例のように、外槽１６の底壁１６ｂの高さ位置を、上部供給路１０ａの位置にしても良く、図８に示す電解槽６４の例のように、外槽１８の底壁１８ｂの高さ位置を、内槽３の下壁３ｂの高さ位置にしても良く、図９に示す電解槽６５の例のように、外槽２０の底壁２０ｂの高さ位置を、内槽３の側壁３ｃの高さ位置にしても良い。
【実施例】
【００７３】
実施例１
図２〜４に示す構造を備えた表面処理装置を用いた。この表面処理装置において、内槽３の数は４槽であり、循環ポンプ１９及び循環タンク１７は各１台である。各内槽は何れも、寸法が機幅方向２４００ｍｍ×奥行５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ(以下、寸法は内寸で示す)、容量が０．００６ｍ3である。電解液供給路１０は各内槽に対して１本である。
【００７４】
電解液供給路１０は、上部供給路１０ａと下部供給路１０ｂとからなり、上部供給路１０ａの下端と下部１０ｂの上端とにおいて接続され、いわゆる漏斗形状に形成されている。
【００７５】
上部供給路１０ａは、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、上端開口部が機幅方向２０００ｍｍ×奥行４０ｍｍの長方形、下端開口部が機幅方向５０ｍｍ×奥行４０ｍｍの長方形、高さが７５０ｍｍである。
【００７６】
下部１０ｂは、開口部が上端から下端まで直径４０ｍｍの円形の管状に形成されている。
【００７７】
この表面処理装置を用いて、電解液として１０容量％硝酸水溶液を用い、循環ポンプの流量を０．６ｍ3／ｍｉｎとして、炭素繊維ストランドの表面処理を施した。
【００７８】
実施例２
図５に示す構造を備えた表面処理装置を用いた。この表面処理装置において、電解液供給路１０１、１０２は各内槽に対して２本である。これら２本の電解液供給路１０１、１０２の上部１０１ａ、１０２ｂは何れも、上端開口部が機幅方向１０００ｍｍ×奥行４０ｍｍの長方形、下端開口部が機幅方向５０ｍｍ×奥行４０ｍｍの長方形、高さが７５０ｍｍである。以上の条件以外は実施例１と同一の条件において炭素繊維ストランドの表面処理を施した。
【００７９】
実施例３
図６に示す構造を備えた表面処理装置を用いた。各内槽が何れも、電極５の上方に水平に取付けられた表１に示す２枚の多孔板７ａ、７ｂを整流板として有する構造であること以外は、実施例２と同一の条件において炭素繊維ストランドの表面処理を施した。
【００８０】
【表１】
【００８１】
以上の実施例１〜３において、処理中に４槽の内槽それぞれのオーバーフロー部(下流側)各５点(測定位置は図１０に示すように、内槽両端を各２００ｍｍ空けて、測定点間隔：５００ｍｍ)、計２０点においてオーバーフロー高さを測定した。その結果を表２に示す(測定値の単位は全てｍｍ)。
【００８２】
【表２】
【００８３】
比較例１
図１１に示す構造を備えた表面処理装置を用いた。この表面処理装置において、電解液供給路１０９における開口部が上端から下端まで直径４０ｍｍの円形の管状に形成されていること以外は、実施例１と同一の条件において炭素繊維ストランドの表面処理を施した。
【００８４】
比較例１において、実施例１〜３と同様にオーバーフロー高さを測定した。その結果を表３に示す(測定値の単位は全てｍｍ)。
【００８５】
【表３】
【００８６】
以上の実施例１〜３及び比較例１における測定結果より、本発明により表面処理装置のオーバーフロー高さのバラツキ抑制に大きな効果が認められた。また、実施例３の結果に示すように、本発明の電解液供給路を接続した内槽内部に多孔板を設置することにより、更に大きな効果が確認された。
【００８７】
なお、実施例３の装置は、２４０時間連続運転を行ったところ、多孔板の孔に析出物が詰まることにより、オーバーフローのバラツキが大きくなった。これに対し、実施例１及び２の装置は、２４０時間連続運転を行っても、オーバーフローのバラツキは小さいままであった。
【符号の説明】
【００８８】
１、６１、６２、６３、６４、６５、６６ 電解槽
３ 内槽
３ａ 内槽の上端
３ｂ 内槽の下壁
３ｃ 内槽の側壁
５ 電極
７ａ、７ｂ 整流板
９、９１、９２、９９ 流入口
１０、１０１、１０２、１０９ 電解液供給路
１０ａ、１０１ａ、１０２ａ 上部供給路
１０ｂ、１０１ｂ、１０２ｂ 下部供給路
１１ 炭素繊維ストランド
１３、１４、１６、１８、２０、２２ 外槽
１３ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａ、２０ａ、２２ａ 外槽の上端
１３ｂ、１４ｂ、１６ｂ、１８ｂ、２０ｂ、２２ｂ 外槽の下壁
１５ 外槽の排出口
１７ 電解液貯留タンク
１９ ポンプ
２１ 排出樋
２３、２５ 配管
２７ バルブ
１００ 表面処理装置
Ｄ、Ｄ1、Ｄ2 下部供給路における開口部の内径
Ｈ3 内槽の高さ
Ｈ3a、Ｈ3b 整流板の内槽底面からの距離
Ｈa、Ｈa1、Ｈa2 上部供給路の高さ
Ｌ1 内槽の内幅
Ｌ2 内槽の内長
Ｌ3、Ｌ31、Ｌ32 内槽機幅方向に沿った上部供給路の上端開口部の長さ
Ｌ4 内槽機幅方向の直角方向に沿った上部供給路の上端開口部の長さ
Ｌ5、Ｌ51、Ｌ52 内槽機幅方向に沿った上部供給路における下端開口部の長さ
Ｘ 炭素繊維ストランドの走行方向
Ｙ 表面処理装置の機幅方向
α、α1、α2 上部供給路における内槽機幅方向の向かい合った斜面同士がなす角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理対象物を電解液に浸漬して電解することにより、処理対象物の表面を電解酸化処理する表面処理装置及び表面処理方法に関する。特に、処理対象物としては、炭素繊維が適する。
【背景技術】
【０００２】
熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を炭素繊維で補強する炭素繊維複合材料は、引張強度・引張弾性率が高く、耐熱性、疲労特性に優れるなどの特長を有しており、スポーツ・レジャー、航空・宇宙等の分野で幅広く用いられている。
【０００３】
炭素繊維は、アクリル繊維等の原料繊維を空気中で２００〜３００℃に加熱することにより耐炎繊維とした後、これを不活性ガス雰囲気中１０００℃以上で焼成することにより製造される。
【０００４】
炭素繊維複合材料の強度・弾性率等の機械的特性は、炭素繊維とマトリックス樹脂との親和性や接着性により大きな影響を受ける。そのため、耐炎化工程、炭素化工程を経た後、マトリックス樹脂との親和性を高めることを目的として炭素繊維の表面に含酸素官能基を導入する酸化処理が一般に行われる。
【０００５】
炭素繊維表面の酸化処理としては、液相における薬液酸化・電解酸化、気相酸化などの方法が知られている。これら表面処理のうち、生産性が高く、処理が均一に行える等の理由により、液相における電解酸化処理が広く採用されている。液相における電解酸化処理は、電解質水溶液中で二つの電極間に電圧を印加することにより、電解質水溶液中を走行する炭素繊維を電解酸化する処理方法である。
【０００６】
炭素繊維は、その製造工程において１,０００〜８０,０００本程度のストランド状にして製造される。炭素繊維の表面処理を行う電解槽としては、従来様々な構造のものが開発されている。例えば、電解槽から電解液をオーバーフローさせ、液面が電解槽の側壁の上端を乗り越えているオーバーフロー部に炭素繊維を通過させて電解することにより、表面処理を行うオーバーフロー型の電解槽が従来用いられている(例えば、特許文献１参照)。
【０００７】
この電解槽においては、炭素繊維を電解液に浸漬したり、電解液から炭素繊維を引き上げたりするためのガイドローラーを使用する必要がない。そのため、炭素繊維に毛羽を生じにくく、品位の高い製品が得られる利点を有している。
【０００８】
本発明者は、多数の炭素繊維ストランド間で炭素繊維表面が均一に酸化処理される装置について検討を行った結果、電解槽内に電解液流入口からの距離に応じて開口率を変化させた多孔板を整流板として水平に挿入することにより、ストランドに供給される電解液の流量がストランド間で一定となり、ストランド間の表面処理状態のバラツキが抑制されることを見出し、先に特許出願を行った(特許文献２)。
【０００９】
この装置は、内槽内部に多孔板を設置しているため、内槽の機幅方向における全ての測定点でオーバーフローのバラツキはかなり抑制された。しかし、まだ不充分であった。また、この装置では、長時間連続運転を行う際に、多孔板の孔に析出物が詰まることにより、オーバーフローのバラツキが大きくなるという新たな問題が生じている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５８−１１５１２３号公報 (図１)
【特許文献２】特開２００８−２４８４１１号公報 (特許請求の範囲)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、オーバーフロー式表面処理装置におけるオーバーフロー高さのバラツキを低減し、長時間の運転においてもバラツキ増大の問題を発生させない表面処理装置及び表面処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記課題を解決するため検討を重ねているうちに、処理対象物、特に炭素繊維を表面処理する装置において、電解液をオーバーフローさせる内槽の底壁に、その上端で接続し、内槽に電解液を供給する電解液供給路の上部を、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成することにより、低コストで上記課題を解決出来ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
上記課題を解決する本発明は以下に記載するものである。
【００１４】
〔１〕 その内部に電極を備えると共に内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させて上端から電解液をオーバーフローさせる複数の内槽と、前記各内槽の底壁に連結され内槽内に電解液を供給する、各内槽に対して１以上の電解液供給路とを有する表面処理装置用内槽であって、前記電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、下部供給路は、水平面方向の開口部断面積が一定に保たれた管状に形成されてなる表面処理装置用内槽。
【００１５】
〔２〕 その内部に電極を備えると共に内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させて上端から電解液をオーバーフローさせる複数の内槽と、所定間隔離間して水平方向に直列に配列された複数の前記内槽を内部に備えると共に各内槽からオーバーフローする電解液を受け入れる外槽と、前記各内槽の底壁に連結され内槽内に電解液を供給する、各内槽に対して１以上の電解液供給路とを有する表面処理装置であって、前記電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、下部供給路は、水平面方向の開口部断面積が一定に保たれた管状に形成されてなる表面処理装置。
【００１６】
上記〔２〕に記載の発明は、以下の〔３〕〜〔１１〕に記載する発明も含む。
【００１７】
〔３〕 内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3が、内槽機幅Ｌ1の７５〜１００％である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００１８】
〔４〕 内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5が、内槽機幅Ｌ1の１〜１０％である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００１９】
〔５〕 上部供給路の高さＨanが、内槽の高さＨ3の１０〜２５倍である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２０】
〔６〕 下部供給路における開口部の内径Ｄnが、内槽機幅方向の直角方向に沿った内槽の長さＬ2の２５〜１００％である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２１】
〔７〕 上部供給路における内槽機幅方向の向かい合った斜面同士がなす角度αnが、１５〜１５０°である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２２】
〔８〕 内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3と内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5との比Ｌｔ3／Ｌｔ5が１０〜２０、内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3と上部供給路の高さＨanとの比Ｌｔ3／Ｈanが０．５〜５、且つ、内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5と下部供給路における開口部の内径Ｄnとの比Ｌｔ5／Ｄnが１〜１．５である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２３】
〔９〕 外槽内に配設する内槽の数が２〜１２、且つ内槽の合計容量が０．００３〜０．５ｍ3である〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２４】
〔１０〕 外槽内の電解液を受け入れて貯留する電解液貯留タンクと、電解液貯留タンク内の電解液を各電解液供給路を経由して各内槽内に送出するポンプと、各下部供給路に介装された流量調整用の調整バルブとを有する〔２〕に記載の表面処理装置。
【００２５】
〔１１〕 〔２〕に記載の表面処理装置を用いる表面処理方法であって、電解液流量が０．２〜１０ｍ3／ｍｉｎである表面処理方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の表面処理装置は、電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面に沿った開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成されているので複雑な装置形状を有せず、比較的低コストであり、且つ、内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させるに際し、機幅方向でオーバーフロー高さのバラツキが抑制される。また、長時間の運転によるオーバーフロー高さのバラツキ増大といった問題も解決され、多数の対象物を同時に均一に表面処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の表面処理装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の内槽及びその周辺の一例を示す概略平面図である。
【図３】図２に示す電解槽の内槽及びその周辺の概略側面断面図である。
【図４】図２に示す電解槽の内槽及びその周辺の概略正面断面図である。
【図５】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の他の例を示す概略正面断面図である。
【図６】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の更に他の例を示す概略正面断面図である。
【図７】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の更に他の例を示す概略正面断面図である。
【図８】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の更に他の例を示す概略正面断面図である。
【図９】本発明の表面処理装置で使用する電解槽の更に他の例を示す概略正面断面図である。
【図１０】実施例及び比較例における効果確認のためのオーバーフロー高さ測定位置を示す平面説明図である。
【図１１】従来の表面処理装置で使用する電解槽の一例を示す概略正面断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明で使用する表面処理装置の一例の概略構成図を図１に示す。
【００２９】
図１中、１００は表面処理装置で、１は電解槽である。電解槽１は複数の箱形の内槽３と、前記内槽をその内部に収納する箱形の外槽１３とからなる。
【００３０】
内槽３及びその周辺の平面図を図２に、側面断面図を図３に、正面断面図を図４に示す。
【００３１】
図３、４において、角筒状に形成された内槽３の上端３ａは開放され、下端は下壁３ｂにより閉塞されている。下壁３ｂには、中心部に流入口９が形成されている。流入口９には、外槽１３の底壁１３ｂを貫通して外槽１３内に挿入された電解液供給路１０の一端が連結されている。
【００３２】
この電解液供給路１０は、上部(上部供給路)１０ａと下部(下部供給路)１０ｂとからなり、上部供給路１０ａの下端と下部供給路１０ｂの上端とにおいて接続されている。上部供給路１０ａは、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状(いわゆる拡がり管)に形成されている。下部供給路１０ｂは、水平面方向の開口部断面積が上端から下端まで一定に保たれた管状(いわゆる筒状管)に形成されている。即ち、電解液供給路１０は、上部供給路１０ａと下部供給路１０ｂとで、いわゆる漏斗形状に形成されている。
【００３３】
各下部供給路１０ｂには、バルブ２７が介装されている。各バルブ２７の開度を調節することにより、各電解液供給路１０に供給される電解液の流量は調整される。
【００３４】
内槽３内には、その下部側にＬ字状の平板状で形成された電極５が下壁３ｂに沿って挿入されている。電極５は、図４に示すように一端側が内槽３の側壁３ｃに沿って折り曲げられ、電解槽１の外部で不図示の保持部材により支持されると共に、外部電源に接続されている。
【００３５】
図２〜４中、矢印Ｘは炭素繊維ストランド１１の走行方向を、矢印Ｙ(即ち、矢印Ｘの直角方向)は装置の機幅方向を示す。電極５のＸ方向の長さと、Ｙ方向の長さは、それぞれ内槽３の内長Ｌ2、内幅Ｌ1より短く形成されている。電極５のＸ方向の長さは内槽３の内長Ｌ2の２０〜９０％であり、Ｙ方向の長さは内槽３の内幅Ｌ1の６０〜１００％である。
【００３６】
図１に示すように、外槽１３内には、多数の内槽３が、炭素繊維ストランド１１の走行方向Ｘに沿って直列に連設されている。隣り合う内槽３の中央間距離は、内槽の内長Ｌ2に対し１１５〜２５０％程度である。多数の内槽３内に備えられた電極５には、隣り合う内槽間で交互に陽極と陰極として作用するよう電圧が印加されている。
【００３７】
内槽３は、その上端３ａが外槽の上端１３ａと同じ高さ又は外槽の上端１３ａより高くなるように配設されている。外槽１３の下壁１３ｂには、排出口１５が形成されている。
【００３８】
図１中、１７は電解液貯留タンク、１９はポンプである。排出口１５と電解液貯留タンク１７の間は排出樋２１により接続され、電解液貯留タンク１７とポンプ１９との間は配管２３により接続されている。
【００３９】
ポンプ１９の送出口には、配管２５が接続されている。配管２５と各内槽３の下壁３ｂとの間は、配管２５から分岐された上記各電解液供給路１０により接続されている。
【００４０】
電解液貯留タンク１７に貯留される硫酸等の電解液は、ポンプ１９により電解液供給路１０を通過して流入口９から内槽３内に導入される。電解液供給路１０を通過することにより電解液は均一な流れとなり、内槽３内を下方から上方へ流通する。内槽３の上端で内槽３からオーバーフローした電解液は、外槽１３に受け入れられる。その後、外槽１３に形成された排出口１５から排出樋２１に流出し、再び電解液貯留タンク１７に貯留される。
【００４１】
外槽１３内に配設する内槽３の数は、２〜１２であることが好ましい。これら内槽３の合計容量は０．００３〜０．５ｍ3であることが好ましい。
【００４２】
この表面処理装置を用いる表面処理方法では、電解液流量は０．２〜１０ｍ3／ｍｉｎとすることが好ましい。
【００４３】
図２〜４の例の場合、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａの上端開口部の長さ[流入口９の機幅方向(Ｙ方向)に沿った口径]Ｌ3は、内槽機幅Ｌ1の７５〜１００％であることが好ましい。
【００４４】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａにおける下端開口部の長さＬ5は、内槽機幅Ｌ1の１〜１０％であることが好ましい。
【００４５】
上部供給路１０ａの高さＨaは、内槽３の高さＨ3の１０〜２５倍であることが好ましい。
【００４６】
下部供給路１０ｂにおける開口部の内径Ｄは、内槽機幅Ｌ1の内槽機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った内槽の長さＬ2の２５〜１００％であることが好ましい。
【００４７】
上部供給路１０ａにおける内槽機幅方向(Ｙ方向)の向かい合った斜面同士がなす角度αは、１５〜１５０°であることが好ましい。
【００４８】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａの上端開口部の長さと、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａにおける下端開口部の長さとの比Ｌ3／Ｌ5は、１０〜２０であることが好ましい。内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａの上端開口部の長さと、上部供給路１０ａの高さとの比Ｌ3／Ｈaは、０．５〜５であることが好ましい。更には、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った上部供給路１０ａにおける下端開口部の長さと、下部供給路１０ｂにおける開口部の内径との比Ｌ5／Ｄは、１〜１．５であることが好ましい。
【００４９】
電解液供給路１０は、図２〜４の例のように、各内槽３に対して１供給路を接続されたものであっても良く、図５に示す電解槽６１の例のように、各内槽３に対して内槽機幅方向に沿って水平方向に直列に２供給路以上配列されたものであっても良い。
【００５０】
各内槽３に対して２供給路以上の電解液供給路が配列される場合(以下、図５の例を、この場合の一例として記述する)、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における上端開口部の長さ[流入口９１の機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った口径]Ｌ31、[流入口９２の機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った口径]Ｌ32、・・・、[流入口９ｎの機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った口径]Ｌ3n、・・・の合計値Ｌｔ3は、内槽機幅Ｌ1の７５〜１００％であることが好ましい。
【００５１】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における下端開口部の長さＬ51、Ｌ52、・・・、Ｌ5n、・・・の合計値Ｌｔ5は、内槽機幅Ｌ1の１〜１０％であることが好ましい。
【００５２】
上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・の高さＨa1、Ｈa2、・・・、Ｈan、・・・は、内槽３の高さＨ3の１０〜２５倍であることが好ましい。
【００５３】
下部供給路１０１ｂ、１０２ｂ、・・・、１０ｎｂ、・・・における開口部の内径Ｄ1、Ｄ2、・・・、Ｄn、・・・は、内槽機幅Ｌ1の内槽機幅方向の直角方向(Ｘ方向)に沿った内槽の長さＬ2の２５〜１００％であることが好ましい。
【００５４】
上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における内槽機幅方向(Ｙ方向)の向かい合った斜面同士がなす角度α1、α2、・・・、αn、・・・は、１５〜１５０°であることが好ましい。
【００５５】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における上端開口部の長さＬ31、Ｌ32、・・・、Ｌ3n、・・・の合計値Ｌｔ3と、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における下端開口部の長さＬ51、Ｌ52、・・・、Ｌ5n、・・・の合計値Ｌｔ5との比Ｌｔ3／Ｌｔ5は、１０〜２０であることが好ましい。
【００５６】
内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における上端開口部の長さＬ31、Ｌ32、・・・、Ｌ3n、・・・の合計値Ｌｔ3と、上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・の高さＨa1、Ｈa2、・・・、Ｈan、・・・との比Ｌｔ3／Ｈanは、０．５〜５であることが好ましい。
【００５７】
更には、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った個々の上部供給路１０１ａ、１０２ａ、・・・、１０ｎａ、・・・における下端開口部の長さＬ51、Ｌ52、・・・、Ｌ5n、・・・の合計値Ｌｔ5と、下部供給路１０１ｂ、１０２ｂ、・・・、１０ｎｂ、・・・における開口部の内径Ｄ1、Ｄ2、・・・、Ｄn、・・・との比Ｌｔ5／Ｄnは、１〜１．５であることが好ましい。
【００５８】
図１の例の表面処理装置１００によれば、上記のように、内槽機幅方向(Ｙ方向)に沿った電解液供給路の上端開口部の長さが長い電解液供給路１０を設置してなるので、内槽３内に多孔板を設置しない場合でも、オーバーフロー高さを均一化することができる。
【００５９】
図１中、内槽３の上部を通過する１１は処理対象物の炭素繊維ストランドを示す。
【００６０】
図１に示すように、内槽３は炭素繊維ストランド１１に沿って直列に連設されている。
【００６１】
炭素繊維ストランド１１は、内槽３上方で内槽から外槽１３へオーバーフローする電解液中を通過することにより電解液に浸漬される。炭素繊維は導電性が高いので、隣り合う内槽３の間で交互に陽極又は陰極として作用する電極５に電圧を印可することにより電解液中で炭素繊維の表面が電解酸化される。これにより、カルボキシル基、カルボニル基等の含酸素官能基が炭素繊維表面に導入される。炭素繊維ストランド１１は、電解槽１上を通過することにより、内槽から外槽にオーバーフローする電解液に繰り返し浸漬され、表面が繰り返し電解酸化処理される。炭素繊維ストランド１１は、電解槽通過終了と共に電解酸化処理が終了し、水洗、サイズ剤付与、乾燥等の後工程に送られる。その後、ワインダーに巻き取られて最終製品となる。
【００６２】
本発明は、処理対象物を電解液に浸漬して電解することにより、処理対象物の表面を電解酸化処理する表面処理装置であり、処理対象物としては特に炭素繊維が適する。
【００６３】
本発明の処理装置を用いて炭素繊維を処理する場合、電解液のオーバーフロー高さは３．５〜４．５ｍｍにすることが好ましく、４．０〜４．５ｍｍにすることがより好ましい。
【００６４】
炭素繊維の電解酸化処理に用いる電解液としては、硫酸、硝酸、塩酸等の無機酸や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの無機水酸化物、硫酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等の無機塩類などの電解質水溶液を挙げることができる。
【００６５】
本発明で電解酸化処理する炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系炭素繊維以外に、石油・石炭ピッチ系、レーヨン系、リグニン系など、何れの炭素繊維も使用することができる。
【００６６】
炭素繊維１１は、通常、直径４〜１２μｍのフィラメントが１０００〜８００００本程度集合したストランド形状(炭素繊維ストランド)に製造される。本発明の処理装置では、上記繊維径、フィラメント数に限定されず、いかなる繊維径、フィラメント数のものでも処理することが可能である。
【００６７】
炭素繊維ストランド１１に通電する電気量は、電解液に使用する電解質の種類や炭素繊維ストランド１１の弾性率等の条件に応じて適宜決定すればよい。例えば、電解液に硫酸アンモニウム水溶液を用いて弾性率２３５ＧＰａの炭素繊維の電解酸化処理を行う場合には、炭素繊維に通電する電気量を３〜４０Ｃ／ｇとすることが好ましく、４〜３０Ｃ／ｇとすることがより好ましい。
【００６８】
炭素繊維ストランド１１の電解酸化処理温度は１０〜８０℃の範囲とするが、２０〜６０℃とすることが好ましい。
【００６９】
炭素繊維ストランド１１の表面処理を行う際の指標としては、Ｘ線光電子分光法(ＥＳＣＡ)を用いて測定できる炭素繊維の表面酸素濃度比(Ｏ／Ｃ)により管理するのが良い。炭素繊維を熱硬化性樹脂に配合して複合材料とする場合には、Ｏ／Ｃが、０．０５〜０．４となるように電解酸化処理することが好ましい。
【００７０】
尚、図６に示す電解槽６２の例のように、内槽３内に整流板として多孔板７ａ、７ｂを設置する場合は、オーバーフロー高さをより均一化することができる。
【００７１】
また、図１に示す電解槽１の例においては、電解液供給路１０を外槽１３の底壁１３ｂを貫通して外槽１３内に挿入したが、これに限られず、外槽１３の上部開口を通して配管２５を外槽１３内に導き、この配管と、電解液供給路とを連結しても良い。
【００７２】
更に、図１に示す電解槽１の例においては、外槽１３の底壁１３ｂの高さ位置を、下部供給路１０ｂの位置にしたが、図７に示す電解槽６３の例のように、外槽１６の底壁１６ｂの高さ位置を、上部供給路１０ａの位置にしても良く、図８に示す電解槽６４の例のように、外槽１８の底壁１８ｂの高さ位置を、内槽３の下壁３ｂの高さ位置にしても良く、図９に示す電解槽６５の例のように、外槽２０の底壁２０ｂの高さ位置を、内槽３の側壁３ｃの高さ位置にしても良い。
【実施例】
【００７３】
実施例１
図２〜４に示す構造を備えた表面処理装置を用いた。この表面処理装置において、内槽３の数は４槽であり、循環ポンプ１９及び循環タンク１７は各１台である。各内槽は何れも、寸法が機幅方向２４００ｍｍ×奥行５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ(以下、寸法は内寸で示す)、容量が０．００６ｍ3である。電解液供給路１０は各内槽に対して１本である。
【００７４】
電解液供給路１０は、上部供給路１０ａと下部供給路１０ｂとからなり、上部供給路１０ａの下端と下部１０ｂの上端とにおいて接続され、いわゆる漏斗形状に形成されている。
【００７５】
上部供給路１０ａは、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、上端開口部が機幅方向２０００ｍｍ×奥行４０ｍｍの長方形、下端開口部が機幅方向５０ｍｍ×奥行４０ｍｍの長方形、高さが７５０ｍｍである。
【００７６】
下部１０ｂは、開口部が上端から下端まで直径４０ｍｍの円形の管状に形成されている。
【００７７】
この表面処理装置を用いて、電解液として１０容量％硝酸水溶液を用い、循環ポンプの流量を０．６ｍ3／ｍｉｎとして、炭素繊維ストランドの表面処理を施した。
【００７８】
実施例２
図５に示す構造を備えた表面処理装置を用いた。この表面処理装置において、電解液供給路１０１、１０２は各内槽に対して２本である。これら２本の電解液供給路１０１、１０２の上部１０１ａ、１０２ｂは何れも、上端開口部が機幅方向１０００ｍｍ×奥行４０ｍｍの長方形、下端開口部が機幅方向５０ｍｍ×奥行４０ｍｍの長方形、高さが７５０ｍｍである。以上の条件以外は実施例１と同一の条件において炭素繊維ストランドの表面処理を施した。
【００７９】
実施例３
図６に示す構造を備えた表面処理装置を用いた。各内槽が何れも、電極５の上方に水平に取付けられた表１に示す２枚の多孔板７ａ、７ｂを整流板として有する構造であること以外は、実施例２と同一の条件において炭素繊維ストランドの表面処理を施した。
【００８０】
【表１】
【００８１】
以上の実施例１〜３において、処理中に４槽の内槽それぞれのオーバーフロー部(下流側)各５点(測定位置は図１０に示すように、内槽両端を各２００ｍｍ空けて、測定点間隔：５００ｍｍ)、計２０点においてオーバーフロー高さを測定した。その結果を表２に示す(測定値の単位は全てｍｍ)。
【００８２】
【表２】
【００８３】
比較例１
図１１に示す構造を備えた表面処理装置を用いた。この表面処理装置において、電解液供給路１０９における開口部が上端から下端まで直径４０ｍｍの円形の管状に形成されていること以外は、実施例１と同一の条件において炭素繊維ストランドの表面処理を施した。
【００８４】
比較例１において、実施例１〜３と同様にオーバーフロー高さを測定した。その結果を表３に示す(測定値の単位は全てｍｍ)。
【００８５】
【表３】
【００８６】
以上の実施例１〜３及び比較例１における測定結果より、本発明により表面処理装置のオーバーフロー高さのバラツキ抑制に大きな効果が認められた。また、実施例３の結果に示すように、本発明の電解液供給路を接続した内槽内部に多孔板を設置することにより、更に大きな効果が確認された。
【００８７】
なお、実施例３の装置は、２４０時間連続運転を行ったところ、多孔板の孔に析出物が詰まることにより、オーバーフローのバラツキが大きくなった。これに対し、実施例１及び２の装置は、２４０時間連続運転を行っても、オーバーフローのバラツキは小さいままであった。
【符号の説明】
【００８８】
１、６１、６２、６３、６４、６５、６６ 電解槽
３ 内槽
３ａ 内槽の上端
３ｂ 内槽の下壁
３ｃ 内槽の側壁
５ 電極
７ａ、７ｂ 整流板
９、９１、９２、９９ 流入口
１０、１０１、１０２、１０９ 電解液供給路
１０ａ、１０１ａ、１０２ａ 上部供給路
１０ｂ、１０１ｂ、１０２ｂ 下部供給路
１１ 炭素繊維ストランド
１３、１４、１６、１８、２０、２２ 外槽
１３ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａ、２０ａ、２２ａ 外槽の上端
１３ｂ、１４ｂ、１６ｂ、１８ｂ、２０ｂ、２２ｂ 外槽の下壁
１５ 外槽の排出口
１７ 電解液貯留タンク
１９ ポンプ
２１ 排出樋
２３、２５ 配管
２７ バルブ
１００ 表面処理装置
Ｄ、Ｄ1、Ｄ2 下部供給路における開口部の内径
Ｈ3 内槽の高さ
Ｈ3a、Ｈ3b 整流板の内槽底面からの距離
Ｈa、Ｈa1、Ｈa2 上部供給路の高さ
Ｌ1 内槽の内幅
Ｌ2 内槽の内長
Ｌ3、Ｌ31、Ｌ32 内槽機幅方向に沿った上部供給路の上端開口部の長さ
Ｌ4 内槽機幅方向の直角方向に沿った上部供給路の上端開口部の長さ
Ｌ5、Ｌ51、Ｌ52 内槽機幅方向に沿った上部供給路における下端開口部の長さ
Ｘ 炭素繊維ストランドの走行方向
Ｙ 表面処理装置の機幅方向
α、α1、α2 上部供給路における内槽機幅方向の向かい合った斜面同士がなす角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部に電極を備えると共に内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させて上端から電解液をオーバーフローさせる複数の内槽と、前記各内槽の底壁に連結され内槽内に電解液を供給する、各内槽に対して１以上の電解液供給路とを有する表面処理装置用内槽であって、前記電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、下部供給路は、水平面方向の開口部断面積が一定に保たれた管状に形成されてなる表面処理装置用内槽。
【請求項２】
その内部に電極を備えると共に内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させて上端から電解液をオーバーフローさせる複数の内槽と、所定間隔離間して水平方向に直列に配列された複数の前記内槽を内部に備えると共に各内槽からオーバーフローする電解液を受け入れる外槽と、前記各内槽の底壁に連結され内槽内に電解液を供給する、各内槽に対して１以上の電解液供給路とを有する表面処理装置であって、前記電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、下部供給路は、水平面方向の開口部断面積が一定に保たれた管状に形成されてなる表面処理装置。
【請求項３】
内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3が、内槽機幅Ｌ1の７５〜１００％である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項４】
内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5が、内槽機幅Ｌ1の１〜１０％である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項５】
上部供給路の高さＨanが、内槽の高さＨ3の１０〜２５倍である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項６】
下部供給路における開口部の内径Ｄnが、内槽機幅方向の直角方向に沿った内槽の長さＬ2の２５〜１００％である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項７】
上部供給路における内槽機幅方向の向かい合った斜面同士がなす角度αnが、１５〜１５０°である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項８】
内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3と内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5との比Ｌｔ3／Ｌｔ5が１０〜２０、内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3と上部供給路の高さＨanとの比Ｌｔ3／Ｈanが０．５〜５、且つ、内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5と下部供給路における開口部の内径Ｄnとの比Ｌｔ5／Ｄnが１〜１．５である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項９】
外槽内に配設する内槽の数が２〜１２、且つ内槽の合計容量が０．００３〜０．５ｍ3である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項１０】
外槽内の電解液を受け入れて貯留する電解液貯留タンクと、電解液貯留タンク内の電解液を各電解液供給路を経由して各内槽内に送出するポンプと、各下部供給路に介装された流量調整用の調整バルブとを有する請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項１１】
請求項２に記載の表面処理装置を用いる表面処理方法であって、電解液流量が０．２〜１０ｍ3／ｍｉｎである表面処理方法。
【請求項１】
その内部に電極を備えると共に内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させて上端から電解液をオーバーフローさせる複数の内槽と、前記各内槽の底壁に連結され内槽内に電解液を供給する、各内槽に対して１以上の電解液供給路とを有する表面処理装置用内槽であって、前記電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、下部供給路は、水平面方向の開口部断面積が一定に保たれた管状に形成されてなる表面処理装置用内槽。
【請求項２】
その内部に電極を備えると共に内槽内の下方から上方へ向かって電解液を流通させて上端から電解液をオーバーフローさせる複数の内槽と、所定間隔離間して水平方向に直列に配列された複数の前記内槽を内部に備えると共に各内槽からオーバーフローする電解液を受け入れる外槽と、前記各内槽の底壁に連結され内槽内に電解液を供給する、各内槽に対して１以上の電解液供給路とを有する表面処理装置であって、前記電解液供給路が、上部供給路と下部供給路とからなり、上部供給路は、上端から下端に向かうに従って、水平面方向の開口部断面積が徐々に減少する中空の角錐台状に形成され、下部供給路は、水平面方向の開口部断面積が一定に保たれた管状に形成されてなる表面処理装置。
【請求項３】
内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3が、内槽機幅Ｌ1の７５〜１００％である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項４】
内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5が、内槽機幅Ｌ1の１〜１０％である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項５】
上部供給路の高さＨanが、内槽の高さＨ3の１０〜２５倍である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項６】
下部供給路における開口部の内径Ｄnが、内槽機幅方向の直角方向に沿った内槽の長さＬ2の２５〜１００％である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項７】
上部供給路における内槽機幅方向の向かい合った斜面同士がなす角度αnが、１５〜１５０°である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項８】
内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3と内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5との比Ｌｔ3／Ｌｔ5が１０〜２０、内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における上端開口部の長さの合計値Ｌｔ3と上部供給路の高さＨanとの比Ｌｔ3／Ｈanが０．５〜５、且つ、内槽機幅方向に沿った個々の上部供給路における下端開口部の長さの合計値Ｌｔ5と下部供給路における開口部の内径Ｄnとの比Ｌｔ5／Ｄnが１〜１．５である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項９】
外槽内に配設する内槽の数が２〜１２、且つ内槽の合計容量が０．００３〜０．５ｍ3である請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項１０】
外槽内の電解液を受け入れて貯留する電解液貯留タンクと、電解液貯留タンク内の電解液を各電解液供給路を経由して各内槽内に送出するポンプと、各下部供給路に介装された流量調整用の調整バルブとを有する請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項１１】
請求項２に記載の表面処理装置を用いる表面処理方法であって、電解液流量が０．２〜１０ｍ3／ｍｉｎである表面処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２１４１８２（Ｐ２０１１−２１４１８２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８２０８６（Ｐ２０１０−８２０８６）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００３０９０）東邦テナックス株式会社 (246)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００３０９０）東邦テナックス株式会社 (246)
【Ｆターム（参考）】
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