JP2009073715A - 炭素繊維質断熱材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱硬化性樹脂などの樹脂バインダーを使用せずに安価で能率よく、ハンドリング性に優れた強度と低熱伝導率を備えた炭素繊維質断熱材の製造方法を提供すること。
【解決手段】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、レーヨン繊維９０〜５０重量部、有機質繊維１０〜５０重量部の割合で混紡し、ニードルパンチした不織布を複数枚積層し、積層体の両面を耐熱性板で挟持して、１５０〜５００Ｐａの加圧力を付加しながら、非酸化性雰囲気中７００〜１０００℃の温度で一次熱処理して炭化し、更に２０００℃以上の温度で二次熱処理することを特徴とする炭素繊維質断熱材の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱硬化性樹脂などの樹脂バインダーを使用することなく、簡易な方法で安価に能率よく、ハンドリング性に優れた強度と低い熱伝導率を備えた炭素繊維質の断熱材の製造方法に関する。

炭素材料は非酸化性雰囲気においては優れた耐熱性や高温強度および耐蝕性を有しており、また導電性や熱伝導性も高く、工業材料として広い分野で有用されている。また、炭素材料を多孔質化した多孔質炭素材料は軽量であり、その気孔性状により各種加熱炉の断熱材をはじめフィルター材や触媒担持材などとして広く用いられている。

多孔質炭素材料の製造技術としては、炭素繊維をパルプとともに抄紙して得たシートに熱硬化性樹脂溶液を含浸して積層成形し、焼成炭化する方法が古くから知られている（例えば、特許文献１など）。しかし、この方法は高価な炭素繊維を使用するので製造コストが著しく高くなり、また気孔性状の制御が難しいという難点がある。

そこで、特許文献２には、炭素繊維に代えて炭素繊維化可能なポリアクリロニトリルやレーヨンなどの繊維にニードルパンチを施してマットを作製し、このマットに熱硬化性樹脂溶液を含浸し、次いで焼成する多孔質炭素板の製造方法が開示されている。

また、本出願人も多孔質炭素材の製造技術として、特定の特性を有し、非酸化性雰囲気中で熱処理することにより炭素質物質に転化する不織布に、熱硬化性樹脂溶液を含浸して積層する樹脂含浸積層工程、加圧成形工程、焼成炭化工程とからなる多孔質炭素材の製造方法(特許文献３)、積層した不織布シートに熱硬化性樹脂溶液を含浸する樹脂含浸工程、積層体を加圧して圧縮する圧縮工程、減圧脱気工程、成形工程、焼成炭化工程などを、順次に施す多孔質炭素材の製造方法(特許文献４)を開発、提案した。

しかし、これらの製造技術は、熱硬化性樹脂をバインダーとして不織布に含浸させ、焼成炭化して多孔質炭素材を製造するものであるから、気孔率の調整が難しいうえに工程が煩雑化する難点がある。
特開昭６１−２３６６６４号公報 特開平０４−０９７９４８号公報 特開平１０−２５９０７６号公報 特開平１０−２５９０７７号公報

そこで、発明者らは上記の問題を解決するために鋭意研究を行い、骨材として炭素繊維化可能なレーヨン繊維を用い、レーヨン繊維の炭化開始温度以下の温度で軟化・溶融する有機質繊維を用いて、この有機質繊維をバインダーとして機能させることにより、すなわち、バインダーとして熱硬化性樹脂を使用することなく、優れた性能の断熱材が製造できることを見出した。

本発明は、この知見に基いて完成したもので、その目的は熱硬化性樹脂などの樹脂バインダーを使用することなく、簡易な方法で、安価に能率よく、ハンドリング性に優れた強度と低い熱伝導率を備えた炭素繊維質断熱材の製造方法を提供することにある。

この目的を達成するための本発明による炭素繊維質断熱材の製造方法は、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、レーヨン繊維９０〜５０重量部、有機質繊維１０〜５０重量部の割合で混紡し、ニードルパンチした不織布を複数枚積層し、積層体の両面を耐熱性板で挟持して、１５０〜５００Ｐａの加圧力を付加しながら、非酸化性雰囲気中において７００〜１０００℃の温度で一次熱処理して炭化し、更に２０００℃以上の温度で二次熱処理することを構成上の特徴とする。

本発明によれば、炭素繊維化可能なレーヨン繊維を骨材として、レーヨン繊維の炭化開始温度以下の温度で軟化・溶融する有機質繊維をレーヨン繊維のバインダーとして機能させることにより、熱硬化性樹脂などの樹脂バインダーを使用することなく、ハンドリング性に優れた強度と低い熱伝導率を備えた炭素繊維質断熱材を安価に、能率よく製造することができる。

したがって、各種高温用加熱炉をはじめとして、広い用途分野で使用することのできる優れた性能を有する断熱材の製造方法として極めて有用である。

レーヨン繊維は不織布を構成する炭素繊維化可能な原料繊維となるもので、有機質繊維と混紡してニードルパンチすることにより不織布が得られる。有機質繊維は、レーヨン繊維を結合させるためのバインダーとして機能するもので、レーヨン繊維が炭化する温度以下の温度で軟化、溶融することが必要である。

これらの有機質繊維としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリルなどが例示される。なお、有機質繊維はレーヨン繊維と混紡する際に均一に分散し、混紡しやすくするために繊維径が１５〜３５μｍ程度のものが好適に用いられる。

レーヨン繊維と有機質繊維とは、レーヨン繊維９０〜５０重量部、有機質繊維１０〜５０重量部の割合で混紡する。レーヨン繊維が９０重量部を越え、有機質繊維が１０重量部未満では、有機質繊維の量比が少ないのでバインダーとしての機能が十分に発揮されず、強度を有する不織布を得ることができなくなる。一方、レーヨン繊維の割合が５０重量部未満で、有機質繊維の割合が５０重量部を上回ると、炭素繊維化するレーヨン繊維の割合が少なく、また有機質繊維の炭化率はレーヨン繊維に比べて小さいので、全体としての炭素化収率が低下し、炭素繊維質断熱材の製造能率が低下することになる。

レーヨン繊維と有機質繊維を上記の割合で混紡して布状にし、均一に混合させて絡み合わせるためにニードルパンチして不織布を形成する。ニードルパンチしないと、均一に混合させ、絡み合わせることができないために、後の一次熱処理時にレーヨン繊維が軟化、溶融した有機質繊維により均一に接合されず、炭素繊維質断熱材を製造した場合に、剥離や割れが発生し易くなり、更に、厚さのばらつきが大きくなったり、変形、強度不足などを招くことになる。

不織布は目的とする炭素繊維質断熱材の形状、厚さに合わせて複数枚を積層したのち、積層体の両面を耐熱性の板で挟持して非酸化性雰囲気中において７００〜１０００℃の温度で一次熱処理して炭化する。

この一次熱処理時において、その低温域、すなわち、レーヨン繊維の炭化が始まる７００℃以下の温度域において軟化、溶融した有機質繊維はレーヨン繊維と絡み合ってレーヨン繊維同士を接合する。

そして、一次熱処理により積層体中のレーヨン繊維は炭化して炭素繊維に転化するとともに、有機質繊維の一部は炭化して、レーヨン繊維の炭素繊維化物を接合して一体化し、炭素繊維質断熱材が得られる。

また、一次熱処理して炭化する際に均一に加熱し、断熱材の両面を平滑にするとともに断熱材の反りの発生を防止し、厚さを制御するために、積層体の両面を耐熱性の板で挟持しながら加熱する。耐熱性板としては表面平滑な、例えば、ステンレス板、鋼板、黒鉛板、アルミニウム板などが用いられ、耐熱性板に適度の加圧力、具体的には１５０〜５００Ｐａの加圧力を付加しながら熱処理する。

一次熱処理は窒素ガスやアルゴンガスなどの非酸化性雰囲気中において、７００〜１０００℃の温度に加熱することにより行われる。熱処理温度が７００℃未満では、レーヨン繊維の炭素化が十分に始まらないからである。なお、積層体の寸法変化や重量変化がほぼ終了する８００℃以上の温度で一次熱処理することが好ましい。

一次熱処理して炭化した後、更に、断熱材として好適な物性を付与するために、非酸化性雰囲気中で２０００℃以上の温度で二次熱処理して炭素繊維質断熱材が製造される。二次熱処理は、真空炉、誘導炉、アチソン式黒鉛化炉などの適宜な高温加熱炉を使用して、窒素ガスやアルゴンガスなどの非酸化性雰囲気中において加熱する。この二次熱処理により、黒鉛化が進み、断熱材の耐酸化性を向上させることができる。

このように、本発明の製造方法はレーヨン繊維の炭化開始温度以下の温度で軟化・溶融する有機質繊維をレーヨン繊維のバインダーとして機能させ、熱硬化性樹脂などの樹脂バインダーを使用しないので、炭素繊維質断熱材を安価に、能率よく製造でき、更に、しなやかさを保ち、ロール巻き可能な形態の断熱材を製造することもできる。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。

実施例１
レーヨン繊維７０重量部とポリエチレンテレフタレート繊維３０重量部とを混紡し、ニードルパンチして、不織布を得た。この不織布を２２枚積層し、積層体の両面をステンレス板で挟んで、３５０Ｐａの加圧力を付加しながら、窒素ガス雰囲気に保持したカンタル炉に入れ、８００℃の温度で一次熱処理した。

次いで、一次熱処理した焼成炭化物を、アルゴンガス雰囲気に保持した電気炉に入れ、２０００℃の温度で二次熱処理して、厚さ４０ｍｍの炭素繊維質断熱材を製造した。

実施例２
レーヨン繊維９０重量部とポリエチレンテレフタレート繊維１０重量部とを混紡した他は、実施例１と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

実施例３
レーヨン繊維５０重量部とポリエチレンテレフタレート繊維５０重量部とを混紡した他は、実施例１と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

比較例１
レーヨン繊維９５重量部とポリエチレンテレフタレート繊維５重量部とを混紡した他は、実施例１と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

比較例２
レーヨン繊維４５重量部とポリエチレンテレフタレート繊維５５重量部とを混紡した他は、実施例１と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

実施例４
レーヨン繊維７０重量部とポリエチレンテレフタレート繊維３０重量部とを混紡し、ニードルパンチして、不織布を得た。この不織布を２２枚積層し、積層体の両面をステンレス板で挟んで、３５０Ｐａの加圧力を付加しながら、窒素ガス雰囲気に保持したカンタル炉に入れ、７００℃の温度で一次熱処理した。次いで、アルゴンガス雰囲気に保持した電気炉に入れ、２０００℃の温度で二次熱処理して、厚さ４０ｍｍの炭素繊維質断熱材を製造した。

実施例５
一次熱処理温度を１０００℃とした他は、実施例４と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

比較例３
一次熱処理温度を６００℃とした他は、実施例４と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

実施例６
一次熱処理温度を８００℃、二次熱処理温度を２２００℃とした他は、実施例４と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

実施例７
一次熱処理温度を８００℃、二次熱処理温度を２５００℃とした他は、実施例４と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

比較例４
一次熱処理温度を８００℃、二次熱処理温度を１８００℃とした他は、実施例４と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

実施例８
積層体の両面をステンレス板で挟持して付加する加圧力を１５０Ｐａとした他は、実施例１と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

実施例９
積層体の両面をステンレス板で挟持して付加する加圧力を５００Ｐａとした他は、実施例１と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

比較例５
積層体の両面をステンレス板で挟持して付加する加圧力を１００Ｐａとした他は、実施例１と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

比較例６
積層体の両面をステンレス板で挟持して付加する加圧力を６００Ｐａとした他は、実施例１と同じ方法により炭素繊維質断熱材を製造した。

このようにして製造した炭素繊維質断熱材の製造条件を対比して、表１に示した。

次に、これらの炭素繊維質断熱材について、下記の方法で嵩比重、曲げ強度、灰分、熱伝導率、酸化消耗度、剥離の有無、反り量などを測定し、その結果を表２に示した。

嵩比重（ｇ／ｃｍ^３）；
１００×１００×５０ｍｍの試験片の寸法をマイクロメーターで測定し、その寸法と重量から算出した。

曲げ強度（ＭＰａ）；
１０×１０×１００ｍｍの試験片に、積層方向と垂直に荷重をかけた際の３点曲げ強度を測定した。

灰分（ｐｐｍ）；
大気中、８００℃の灰化炉中で灰化残分が恒量になるまで加熱したのち、デシケーター中で冷却し、試料量に対する灰分の割合を算出した。

熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）；
ＪＩＳ Ａ１４１２−１保護熱板法（GHP法）により測定した。

酸化消耗度（％）；
大気中、８００℃の灰化炉中に５分間入れたのち、冷却して秤量し、試験前後の重量減少量から求めた。

剥離の有無；
目視およびビデオマイクロスコープで、試験片側面の積層間の密着状況を観察した。

反り量（ｍｍ）；
石定盤の上に炭素繊維質断熱材のサンプルを置き、石定盤と炭素繊維質断熱材との隙間をスキマゲージで計測した。

表１、２の結果から、実施例１〜３と比較例１〜２を対比すると、バインダーとなるポリエチレンテレフタレートの混合比率が低い比較例１では層間剥離が生じ易く、逆に混合比率が多い比較例２では緻密化するので嵩比重が高くなり、熱伝導率が増大するので断熱性能の悪化を招くことになる。

また、実施例４〜５と比較例３を対比すると、一次熱処理温度が低い比較例３では炭化時の寸法収縮が完了せず、二次熱処理後に反りが生じることになる。

また、実施例６〜７と比較例４を対比すると、二次熱処理温度が低い比較例４では灰分の増大が著しくなる。

更に、熱処理時に積層体の両面を挟持する加圧力が低い比較例５は、実施例８〜９に比べて嵩比重が小さく、曲げ強度が低下し、一方、加圧力が高い比較例６は嵩比重が高くなって、熱伝導率が著しく大きくなり、断熱性能が悪化することが認められる。

Claims (1)

1. 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、レーヨン繊維９０〜５０重量部、有機質繊維１０〜５０重量部の割合で混紡し、ニードルパンチした不織布を複数枚積層し、積層体の両面を耐熱性板で挟持して、１５０〜５００Ｐａの加圧力を付加しながら、非酸化性雰囲気中７００〜１０００℃の温度で一次熱処理して炭化し、更に２０００℃以上の温度で二次熱処理することを特徴とする炭素繊維質断熱材の製造方法。