JP2009185411A - Heat insulator containing carbon fiber - Google Patents
Heat insulator containing carbon fiber Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009185411A JP2009185411A JP2008026359A JP2008026359A JP2009185411A JP 2009185411 A JP2009185411 A JP 2009185411A JP 2008026359 A JP2008026359 A JP 2008026359A JP 2008026359 A JP2008026359 A JP 2008026359A JP 2009185411 A JP2009185411 A JP 2009185411A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- carbon fiber
- pitch
- felt
- heat insulating
- based carbon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
Description
本発明は、ピッチ系炭素繊維の繊維径及び繊維径分布、炭素繊維の比表面積を規定した炭素繊維フェルトに関するものである。更には、前述の炭素繊維フェルトを用いた炭素繊維含有断熱材に関わるものである。 The present invention relates to a carbon fiber felt that defines the fiber diameter and fiber diameter distribution of pitch-based carbon fibers and the specific surface area of carbon fibers. Furthermore, it is related with the carbon fiber containing heat insulating material using the above-mentioned carbon fiber felt.
高性能の炭素繊維はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料とするＰＡＮ系炭素繊維と、一連のピッチ類を原料とするピッチ系炭素繊維に分類できる。炭素繊維は強度・弾性率、耐熱性、耐久性が通常の合成高分子に比較して著しく高いという特徴を利用し、様々な用途に用いられ、例えば各種の補強材や断熱材などとして使用されている。補強材としては、例えば、プラスチックの補強材として用いることにより、航空・宇宙用途、建築・土木用途、スポーツ・レジャー用途、電子・電気用品用途などの構成材料として広く用いられている。しかし、プラスチックを含む組成物である以上、耐火性については限界があり、用途が限定されている。 High-performance carbon fibers can be classified into PAN-based carbon fibers made from polyacrylonitrile (PAN) and pitch-based carbon fibers made from a series of pitches. Carbon fiber is used for various applications, for example, as various reinforcing materials and heat insulating materials, utilizing the characteristics that strength, elastic modulus, heat resistance and durability are remarkably higher than ordinary synthetic polymers. ing. As a reinforcing material, for example, by using it as a plastic reinforcing material, it is widely used as a constituent material for aerospace applications, construction / civil engineering applications, sports / leisure applications, electronic / electric appliance applications, and the like. However, as long as the composition contains a plastic, the fire resistance is limited, and its application is limited.
断熱材としては、例えば、半導体や機能性セラミックスなどの分野において、真空炉、半導体単結晶成長炉、セラミックス焼結炉、Ｃ／Ｃコンポジット焼成炉、金属処理炉などの高温処理炉の断熱材用充填材として使用されている。特許文献１には、高温処理炉の断熱材用充填材として、耐熱性にすぐれるメソフェーズピッチを用いた炭素繊維フェルトが提案されている。 As a heat insulating material, for example, in the field of semiconductors and functional ceramics, for heat insulating materials of high temperature processing furnaces such as vacuum furnaces, semiconductor single crystal growth furnaces, ceramic sintering furnaces, C / C composite firing furnaces, metal processing furnaces, etc. Used as a filler. Patent Document 1 proposes a carbon fiber felt using a mesophase pitch having excellent heat resistance as a filler for a heat insulating material in a high temperature processing furnace.
これら炭素繊維フェルトを用いた断熱材は、炭素繊維フェルトをそのまま断熱材として用いる方法（特許文献１）と、炭素繊維よりなるウェッブやフェルト、マット、クロス等に熱硬化性樹脂やピッチ等を含浸させ、これを加熱硬化させたのち、真空下又は不活性ガス雰囲気下で焼成する方法がある（特許文献２）。これらの方法はウェッブやフェルトを連続的に処理できるので、生産性に優れた方法である。 The heat insulating material using these carbon fiber felts is a method of using carbon fiber felt as a heat insulating material as it is (Patent Document 1), and a web, a felt, a mat, or a cloth made of carbon fiber is impregnated with a thermosetting resin or pitch. There is a method in which this is heat-cured and then fired in a vacuum or in an inert gas atmosphere (Patent Document 2). Since these methods can continuously process webs and felts, they are excellent in productivity.
これら断熱材は高温状態という過酷な条件で使用されていることから、更なる耐久性が求められている。中でも、樹脂と炭素繊維フェルト間の接合を強固に維持し、断熱材の強度を高めることが求められている。強度に優れる高温処理炉用が求められているという観点から、炭素繊維と樹脂との界面の接合に良好な炭素繊維フェルト及びこれを用いた炭素繊維含有断熱材を提供することを本発明の目的とする。 Since these heat insulating materials are used under severe conditions such as a high temperature state, further durability is required. In particular, it is required to maintain a strong bond between the resin and the carbon fiber felt and increase the strength of the heat insulating material. An object of the present invention is to provide a carbon fiber felt that is favorable for bonding at the interface between a carbon fiber and a resin, and a carbon fiber-containing heat insulating material using the same, from the viewpoint that a high-temperature treatment furnace having excellent strength is required. And
本発明者らは、強度に優れた断熱材を作成するための優れた充填材である炭素繊維フェルト及びこれを含んだ断熱材を提供することを鑑み、繊維長分布及び比表面積を制御したピッチ系炭素繊維フェルトを用いた断熱材が、断熱性に優れるだけではなく強度に優れたものとなることを見出し本発明に到達した。 In view of providing a carbon fiber felt that is an excellent filler for creating a heat insulating material having excellent strength and a heat insulating material including the carbon fiber felt, the present inventors have controlled the fiber length distribution and the specific surface area. The present inventors have found that a heat insulating material using a carbon fiber felt is excellent not only in heat insulating properties but also in strength.
即ち本発明は、メソフェーズピッチを原料とし、平均繊維径が５〜２０μｍであり、平均繊維径に対する繊維径分散の百分率（ＣＶ値）が５〜１５であり、平均繊維長が６０〜４００ｍｍであり、ＢＥＴ比表面積が１５〜１００ｍ２／ｇであるピッチ系炭素繊維フェルト、およびその製造方法である。 That is, the present invention uses mesophase pitch as a raw material, has an average fiber diameter of 5 to 20 μm, a fiber diameter dispersion percentage with respect to the average fiber diameter (CV value) of 5 to 15, and an average fiber length of 60 to 400 mm. , A pitch-based carbon fiber felt having a BET specific surface area of 15 to 100 m 2 / g, and a method for producing the same.
更に、本発明は前述のピッチ系炭素繊維フェルト１００重量部と炭化物５０〜１０００重量部とが複合していることを特徴とする炭素繊維含有断熱材およびその製造方法である。 Furthermore, the present invention is a carbon fiber-containing heat insulating material characterized in that 100 parts by weight of the above pitch-based carbon fiber felt and 50 to 1000 parts by weight of carbide are combined, and a method for producing the same.
本発明のピッチ系炭素繊維フェルトは、炭素繊維の平均繊維径、繊維径分布、平均繊維長及びＢＥＴ表面積を適切な範囲に制御することで、これを用いた炭素繊維含有断熱材は断熱性に優れるだけではなく強度に優れたものとなる。これにより、高温処理炉用断熱材として好適に使用される。 The pitch-based carbon fiber felt of the present invention controls the average fiber diameter, fiber diameter distribution, average fiber length, and BET surface area of the carbon fiber to an appropriate range, so that the carbon fiber-containing heat insulating material using the carbon fiber felt has a heat insulating property. Not only excellent, but also excellent in strength. Thereby, it uses suitably as a heat insulating material for high temperature processing furnaces.
以下に、本発明の実施の形態について順次説明する。
本発明のピッチ系炭素繊維フェルトを構成する炭素繊維の平均繊維径は５〜２０μｍであることが必要である。５μｍ以下の場合には、単位重量辺りの炭素繊維の本数が多くなり、比表面積が大きくなる。結果、比表面積がある程度の数値を超えると、樹脂と炭素繊維の界面が増えすぎることになり、界面接合の欠陥の確率が高くなる。逆に平均繊維径が２０μｍを超えると、不融化工程でのムラが大きくなり部分的に融着が起こったりするところが発生する。より好ましくは１０〜２０μｍである。繊維径がある程度太い方が、ピッチ系炭素繊維の比表面積が減少し、表面の酸化反応を抑制し、耐酸化性を高めるためである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be sequentially described.
The average fiber diameter of the carbon fibers constituting the pitch-based carbon fiber felt of the present invention is required to be 5 to 20 μm. In the case of 5 μm or less, the number of carbon fibers per unit weight increases and the specific surface area increases. As a result, if the specific surface area exceeds a certain value, the interface between the resin and the carbon fiber will increase too much, and the probability of defects in interface bonding will increase. On the other hand, when the average fiber diameter exceeds 20 μm, unevenness in the infusibilization process becomes large and a part of the fusion occurs. More preferably, it is 10-20 micrometers. This is because the specific surface area of the pitch-based carbon fibers decreases, the surface oxidation reaction is suppressed, and the oxidation resistance is increased when the fiber diameter is somewhat thick.
なお、平均繊維径に対する繊維径分散の百分率として求められるＣＶ値は、５〜１５であることが必要である。ＣＶ値が５を下回ると、繊維径が非常に均等になるため、繊維と繊維の間に入り込む繊維径が低いフィラーが減ることになり、ピッチ系炭素繊維フェルトの密度が上がりにくくなり、ピッチ系炭素繊維フェルトの強度が低下する。また、ＣＶ値が１５を超えると、繊維径の分布が広くなる事を意味し、耐酸化性の低い細い繊維径を多く含むことになる。ＣＶ値を制御する方法として特に限定は無いが、メルトブロー法においては紡糸時の粘度をある程度高くすることで、紡糸時の延伸効果を一定に制御できるようになり、繊維径が揃うすなわちＣＶ値を制御することができる。 In addition, the CV value calculated | required as a percentage of fiber diameter dispersion | distribution with respect to an average fiber diameter needs to be 5-15. When the CV value is less than 5, the fiber diameter becomes very uniform, so the filler with a low fiber diameter entering between the fibers decreases, the density of the pitch-based carbon fiber felt is difficult to increase, and the pitch-based The strength of the carbon fiber felt is reduced. On the other hand, when the CV value exceeds 15, it means that the fiber diameter distribution becomes wide, and many thin fiber diameters with low oxidation resistance are included. Although there is no particular limitation on the method for controlling the CV value, in the melt blow method, by increasing the viscosity at the time of spinning to some extent, the drawing effect at the time of spinning can be controlled to a constant value, that is, the fiber diameter is uniform, that is, the CV value is Can be controlled.
本発明のピッチ系炭素繊維フェルトを構成する炭素繊維の平均繊維長は６０〜４００ｍｍである。６０ｍｍより短いと、ピッチ系炭素繊維同士の交絡が減り炭素繊維フェルトの強度が低くなる。逆に４００ｍｍより大きくなると、炭素繊維フェルトの嵩密度が小さくなり、耐火性が低下する傾向になる。 The average fiber length of the carbon fibers constituting the pitch-based carbon fiber felt of the present invention is 60 to 400 mm. When shorter than 60 mm, the entanglement between the pitch-based carbon fibers decreases and the strength of the carbon fiber felt decreases. Conversely, when it becomes larger than 400 mm, the bulk density of the carbon fiber felt becomes small, and the fire resistance tends to be lowered.
本発明のピッチ系炭素繊維フェルトを構成する炭素繊維は、ＢＥＴ比表面積が１５〜１００ｍ２／ｇであることが必要である。ＢＥＴ比表面積が１５ｍ２／ｇより小さい場合、炭素繊維に樹脂を含浸させたとき、樹脂と炭素繊維との間の界面の量が少ないため、強度が十分な炭素繊維含有断熱材を得にくい。逆に、ＢＥＴ比表面積が１００ｍ２／ｇより大きい場合、ピッチ系炭素繊維が多くの空隙を有することになり、ピッチ系炭素繊維の強度が低下し、複合材である炭素繊維含有断熱材率の強度が低下する。ＢＥＴ比表面積の好ましい範囲は２０〜８０ｍ２／ｇ、さらには２０〜５０ｍ２／ｇである。ＢＥＴ比表面積はガス吸着法から求める比表面積の求め方で、比表面積の代表的な求め方である。ＢＥＴ比表面積はカンタクローム社製オートソーブやユアサイオニクス社製ＮＯＶＡで測定することができる。 The carbon fiber constituting the pitch-based carbon fiber felt of the present invention needs to have a BET specific surface area of 15 to 100 m 2 / g. When the BET specific surface area is smaller than 15 m 2 / g, when the carbon fiber is impregnated with the resin, the amount of the interface between the resin and the carbon fiber is small, so that it is difficult to obtain a carbon fiber-containing heat insulating material having sufficient strength. On the contrary, when the BET specific surface area is larger than 100 m 2 / g, the pitch-based carbon fiber has many voids, the strength of the pitch-based carbon fiber is reduced, and the carbon fiber-containing heat insulating material rate of the composite material is reduced. Strength decreases. The preferred range of BET specific surface area of 20 to 80 m 2 / g, even at 20 to 50 m 2 / g. The BET specific surface area is a method for obtaining the specific surface area obtained from the gas adsorption method, and is a typical method for obtaining the specific surface area. The BET specific surface area can be measured by an autosorb manufactured by Cantachrome Co. or NOVA manufactured by Yourcionix.
炭素繊維のＢＥＴ比表面積の制御法としては、具体的には紡糸や焼成の条件を制御する方法が挙げられる。紡糸条件としては紡糸時に溶融ピッチにかかるせん断力を適切に制御すれば良く、紡糸時の溶融ピッチの粘度、紡糸ノズルの吐出口長さＬと吐出口の径Ｄ、導入角を適切に設定することで達成できる。焼成条件としては、焼成時の温度、焼成雰囲気の酸素濃度、焼成時間を制御することによって達成できる。一般的に焼成雰囲気の酸素濃度が高い程ＢＥＴ比表面積が高くなり、そのような条件で焼成時間を長くした場合、更にＢＥＴ比表面積が高くなる。望ましい紡糸条件としては後述にもあるが、メソフェーズピッチの粘度が３〜２５Ｐａ・Ｓ（３０〜２５０ポイズ）、紡糸ノズルの導入角αが１０〜９０°、紡糸ノズルの吐出口長さＬと吐出口の径Ｄの比Ｌ／Ｄが６〜２０である。望ましい焼成条件としては、酸素濃度は１００ｐｐｍ以下、焼成温度は６００〜９００℃、焼成時間は２０〜６０分である。 Specific examples of the method for controlling the BET specific surface area of carbon fibers include a method for controlling spinning and firing conditions. As the spinning conditions, the shearing force applied to the melt pitch during spinning may be appropriately controlled, and the viscosity of the melt pitch during spinning, the discharge nozzle length L and the discharge nozzle diameter D, and the introduction angle are appropriately set. Can be achieved. Firing conditions can be achieved by controlling the firing temperature, the oxygen concentration in the firing atmosphere, and the firing time. Generally, the higher the oxygen concentration in the firing atmosphere, the higher the BET specific surface area. When the firing time is extended under such conditions, the BET specific surface area further increases. Although desirable spinning conditions will be described later, the viscosity of the mesophase pitch is 3 to 25 Pa · S (30 to 250 poise), the introduction angle α of the spinning nozzle is 10 to 90 °, the discharge port length L of the spinning nozzle and the discharge speed. The ratio L / D of the diameter D of the outlet is 6-20. Desirable firing conditions include an oxygen concentration of 100 ppm or less, a firing temperature of 600 to 900 ° C., and a firing time of 20 to 60 minutes.
以下本発明のピッチ系炭素繊維フェルトの好ましい製造法について述べる。
本発明で用いられるピッチ系炭素繊維の原料としては、例えば、ナフタレンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物、石油系ピッチや石炭系ピッチといった縮合複素環化合物等が挙げられる。その中でもナフタレンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物が好ましく、特に光学的異方性ピッチ、すなわちメソフェーズピッチが好ましい。メソフェーズピッチは、黒鉛化性すなわち熱処理による芳香環の成長に優れるため、耐熱性を高める上で好ましいためである。
Hereinafter, a preferred method for producing the pitch-based carbon fiber felt of the present invention will be described.
Examples of the raw material for the pitch-based carbon fiber used in the present invention include condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene and phenanthrene, and condensed heterocyclic compounds such as petroleum-based pitch and coal-based pitch. Among them, condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene and phenanthrene are preferable, and optically anisotropic pitch, that is, mesophase pitch is particularly preferable. This is because the mesophase pitch is preferable for enhancing the heat resistance because it is excellent in graphitization, that is, in the growth of an aromatic ring by heat treatment.
原料ピッチとなるメソフェーズピッチの軟化点はメトラー法により求めることができ、２５０℃以上３５０℃以下が好ましい。軟化点が２５０℃より低いと、不融化の際に繊維同士の融着や大きな熱収縮が発生する。また、３５０℃より高いとピッチの熱分解が生じ糸状になりにくくなる。 The softening point of the mesophase pitch as the raw material pitch can be determined by the Mettler method, and is preferably 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. When the softening point is lower than 250 ° C., fusion between fibers and large heat shrinkage occur during infusibilization. On the other hand, when the temperature is higher than 350 ° C., thermal decomposition of the pitch occurs and it becomes difficult to form a yarn.
メソフェーズピッチは溶融後、ノズルより吐出しこれを冷却することによる溶融紡糸によって繊維化できる。紡糸方法としては、具体的には口金から吐出したピッチをワインダーで引き取る通常の紡糸法、熱風をアトマイジング源として用いるメルトブロー法、遠心力を利用してピッチを引き取る遠心紡糸法などが挙げられる。中でも、紡糸直後に繊維同士が絡み合ってマット状となり、フェルト化する際に工程上有利であることから、メルトブロー法を用いるのが好ましい。
メソフェーズピッチを溶融紡糸した後、不融化、焼成を経て最後にニードルパンチすることによってピッチ系炭素繊維からなるフェルトとする。
The mesophase pitch can be fiberized by melt spinning by discharging from a nozzle and cooling it after melting. Specific examples of the spinning method include a normal spinning method in which a pitch discharged from a die is drawn by a winder, a melt blow method using hot air as an atomizing source, and a centrifugal spinning method in which a pitch is drawn using centrifugal force. Among them, it is preferable to use a melt blow method because fibers are intertwined immediately after spinning to form a mat and are advantageous in terms of process when forming a felt.
After melt spinning the mesophase pitch, it is infusibilized and fired, and finally needle punched to obtain a felt made of pitch-based carbon fiber.
本発明においては、紡糸時の温度は、メソフェーズピッチの粘度が３〜２５Ｐａ・Ｓ（３０〜２５０ポイズ）の範囲にある温度であることが望ましい。更に好ましくは５〜２０Ｐａ・Ｓ（５０〜２００ポイズ）の範囲にある温度である。紡糸ノズルは、導入角αが１０〜９０°であり、吐出口長さＬと吐出口の径Ｄの比Ｌ／Ｄが６〜２０の範囲にあるノズルが好ましく用いられる。紡糸条件がこの範囲にある時、メソフェーズピッチにかかるせん断力が、芳香環をある程度配列させることできる。ある程度芳香環が配列した場合、耐熱性が高くなることから断熱材として好適である。しかし、例えば、粘度がより大きい、もしくは導入角がより小さい、もしくはＬ／Ｄがより大きい時などせん断力がより強くかかる条件では、配列が進みすぎて黒鉛化した際に、炭素繊維が割れやすくなり、ピッチ系炭素繊維の比表面積が大きくなってしまう。逆に粘度がより小さい、もしくは導入角がより大きい、もしくはＬ／Ｄがより小さいなどせん断力がより小さいなどせん断力が小さくかかる条件では、芳香環があまり配列しないため、高い耐熱性が得られない。 In the present invention, the spinning temperature is preferably such that the viscosity of the mesophase pitch is in the range of 3 to 25 Pa · S (30 to 250 poise). The temperature is more preferably in the range of 5 to 20 Pa · S (50 to 200 poise). As the spinning nozzle, a nozzle having an introduction angle α of 10 to 90 ° and a ratio L / D of the discharge port length L to the discharge port diameter D of 6 to 20 is preferably used. When the spinning conditions are within this range, the shearing force applied to the mesophase pitch can arrange the aromatic rings to some extent. When aromatic rings are arranged to some extent, heat resistance is high, which is suitable as a heat insulating material. However, for example, when the shearing force is stronger, such as when the viscosity is larger, the introduction angle is smaller, or the L / D is larger, the carbon fiber is likely to break when the alignment progresses too much and graphitizes. Thus, the specific surface area of the pitch-based carbon fiber is increased. Conversely, under conditions where the shear force is small, such as a smaller viscosity, a larger introduction angle, or a smaller L / D, or a smaller shear force, the aromatic rings are not arranged so much, and high heat resistance is obtained. Absent.
ノズル孔から出糸されたピッチ繊維は、１００〜３５０℃に加温された毎分１００〜１００００ｍの線速度のガスを細化点近傍に吹き付けることによって短繊維化される。吹き付けるガスは空気、窒素、アルゴンを用いることができるが、コストパフォーマンスの点から空気が好ましい。 The pitch fibers drawn out from the nozzle holes are shortened by blowing a gas having a linear velocity of 100 to 10,000 m per minute heated to 100 to 350 ° C. in the vicinity of the thinning point. As the gas to be blown, air, nitrogen, or argon can be used, but air is preferable from the viewpoint of cost performance.
ピッチ繊維は、金網ベルト上に捕集され連続的なマット状になり、さらにクロスラップされることで３次元ランダムマットとなる。
３次元ランダムマットとは、クロスラップされていることに加え、ピッチ繊維が三次元的に交絡しているマットをいう。この交絡は、ノズルから、金網ベルトに到達する間にチムニと呼ばれる筒において達成される。線状の繊維が立体的に交絡するために、通常一次元的な挙動しか示さない繊維の特性が立体においても反映されるようになる。ここで三次元ランダムマット状になることが、後の工程でフェルト化する際に有利になる。
Pitch fibers are collected on a wire mesh belt to form a continuous mat, and further cross-wrapped to form a three-dimensional random mat.
The three-dimensional random mat refers to a mat in which pitch fibers are entangled three-dimensionally in addition to being cross-wrapped. This entanglement is achieved in a cylinder called chimney while reaching the wire mesh belt from the nozzle. Since the linear fibers are entangled three-dimensionally, the characteristics of the fibers that normally exhibit only one-dimensional behavior are reflected in the three-dimensional. Here, a three-dimensional random mat shape is advantageous when felting in a later step.
このようにして得られたピッチ繊維よりなる３次元ランダムマットは、公知の方法で不融化する。不融化は、空気、或いはオゾン、二酸化窒素、窒素、酸素、ヨウ素、臭素を空気に添加したガスを用いて２００〜３５０℃で達成される。安全性、利便性を考慮すると空気中で実施することが好ましい。続いて、不融化したピッチ繊維は、真空中、或いは窒素、アルゴン、クリプトン等の不活性ガス中で６００〜１５００℃で焼成される。焼成は常圧で、且つコストの安い窒素中で実施される場合が多い。 The three-dimensional random mat made of pitch fibers thus obtained is infusible by a known method. Infusibilization is achieved at 200 to 350 ° C. using air or a gas obtained by adding ozone, nitrogen dioxide, nitrogen, oxygen, iodine, bromine to air. Considering safety and convenience, it is preferable to carry out in the air. Subsequently, the infusibilized pitch fiber is fired at 600 to 1500 ° C. in a vacuum or in an inert gas such as nitrogen, argon, or krypton. Firing is often performed at normal pressure and in low-cost nitrogen.
三次元ランダムマットのフェルト化処理に用いる手法として特に制限はないが、ニードルパンチ処理，ウオータージェット処理等の交絡を増やす手段あるいは接着剤により繊維間を固定する方法等の接着手段などがあるが、操作が簡便であることや、効率的に処理できることから、ニードルパンチ処理が好ましい。フェルト化の際にニードルパンチを行う場合、ニードルパンチ密度は、３〜１２０パンチ／ｃｍ2 であることが好ましい。ニードルパンチ密度が３パンチ／ｃｍ2 未満と少ない場合、得られるフエルトの強度が低く、寸法安定性，ハンドリング性が悪くなる。逆に１２０パンチ／ｃｍ２とフェルト化処理を多くしすぎると、炭素繊維の損傷が多くなり、フェルト強度が低下し好ましくない。 There are no particular restrictions on the method used for felting the three-dimensional random mat, but there are means for increasing confounding such as needle punching, water jet processing, etc., or adhesive means such as a method for fixing fibers with an adhesive, etc. Needle punch processing is preferable because of simple operation and efficient processing. When needle punching is performed during felting, the needle punch density is preferably 3 to 120 punches / cm 2 . When the needle punch density is as low as less than 3 punches / cm 2 , the strength of the felt obtained is low, and the dimensional stability and handling properties deteriorate. Conversely, if the felting treatment is excessively increased to 120 punches / cm 2 , damage to the carbon fibers increases, and the felt strength decreases, which is not preferable.
炭素繊維フェルトの嵩密度は、用途に応じて選択でき、１〜３０ｋｇ／ｍ3であることが好ましい。嵩密度が高いと、断熱性が低下する傾向があり、嵩密度が低いと、耐火性が低下する傾向がある。
炭素繊維フェルトの厚みは、用途によって選択すればよく、特に限定されないが、例えば、１〜１００ｍｍ、好ましくは５〜５０ｍｍ程度である。
The bulk density of the carbon fiber felt can be selected depending on the application, and is preferably 1 to 30 kg / m 3 . When the bulk density is high, the heat insulating property tends to decrease, and when the bulk density is low, the fire resistance tends to decrease.
The thickness of the carbon fiber felt may be selected depending on the application and is not particularly limited, but is, for example, about 1 to 100 mm, preferably about 5 to 50 mm.
断熱材の製造方法に特に制限は無いが、ピッチ系炭素繊維フェルトを熱硬化性樹脂に含浸し、熱硬化性樹脂を硬化させ成形体を得た後、成形体を５００〜２２００℃で熱処理してフェルトと炭化物との複合体を得る方法が挙げられる。具体的には、炭素繊維フェルトにフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸し、通常、加圧成型した後に、１００〜２５０℃程度で熱硬化して成形体を得、炭化処理を行なうことによって炭素繊維含有断熱材を得ることができる。この時の炭化処理の温度は８００℃以上２０００℃以下が好ましい。 Although there is no restriction | limiting in particular in the manufacturing method of a heat insulating material, After impregnating pitch type carbon fiber felt in a thermosetting resin and hardening a thermosetting resin and obtaining a molded object, the molded object is heat-processed at 500-2200 degreeC. And a method of obtaining a composite of felt and carbide. Specifically, by impregnating a carbon fiber felt with a thermosetting resin such as a phenolic resin, usually after pressure molding, it is thermoset at about 100 to 250 ° C. to obtain a molded body, followed by carbonization. A carbon fiber-containing heat insulating material can be obtained. The carbonization temperature at this time is preferably 800 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower.
この時得られた断熱材はピッチ系炭素繊維フェルト１００重量部に対し、炭化物５０〜１０００重量部含むことが好ましい。ここでの炭化物は上述の熱硬化性樹脂の熱処理および炭化処理によって得られた成分を意味する。炭化物が５０重量部を下回る場合、ピッチ系炭素繊維フェルトの空隙が少ないことを意味し、すなわちピッチ系炭素繊維フェルトの嵩密度が高いことになり、断熱性の低下を招く。逆に炭化物が１０００重量部を上回る場合、断熱材のほとんどが熱硬化性樹脂由来の炭化物で、耐酸化性の期待できるピッチ系炭素繊維フェルトが少ないことになり、望ましくない。好ましくはピッチ系炭素繊維フェイルと１００重量部に対し、炭化物１００〜７００重量部である。炭化物とピッチ系炭素繊維フェルトの重量比は、得られた複合物の重量から予め測定しておいたピッチ系炭素繊維フェルトの重量を差し引くことで、炭化物の重量を求め、そこから算出することができる。 The heat insulating material obtained at this time preferably contains 50 to 1000 parts by weight of carbide with respect to 100 parts by weight of the pitch-based carbon fiber felt. The carbide | carbonized_material here means the component obtained by the heat processing and carbonization process of the above-mentioned thermosetting resin. When the carbide content is less than 50 parts by weight, it means that there are few voids in the pitch-based carbon fiber felt, that is, the bulk density of the pitch-based carbon fiber felt is high, resulting in a decrease in heat insulation. Conversely, when the carbide exceeds 1000 parts by weight, most of the heat insulating material is a carbide derived from a thermosetting resin, and the pitch-based carbon fiber felt that can be expected to have oxidation resistance is small, which is not desirable. Preferably, the amount of carbide is 100 to 700 parts by weight based on 100 parts by weight of the pitch-based carbon fiber fail. The weight ratio of the carbide and the pitch-based carbon fiber felt is obtained by subtracting the weight of the pitch-based carbon fiber felt measured in advance from the weight of the obtained composite to obtain the weight of the carbide and calculating from the weight. it can.
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。
なお、本実施例における各値は、以下の方法に従って求めた。
（１）ピッチ系炭素繊維の平均繊維径は、フェルトから抜き取ったピッチ系炭素繊維をＪＩＳ Ｒ７６０７に準じ、光学顕微鏡下でスケールを用いて６０本測定し、その平均値から求めた。
（２）ピッチ系炭素繊維の平均繊維長は、フェルトからピッチ系炭素繊維を抜き取り、定規で６０本測定し、その平均値から求めた。
（３）フェルトから抜き取ったピッチ系炭素繊維のＢＥＴ比表面積はカンタクローム社製オートソーブ３を用いて求めた。
（４）断熱材の引張強度は、大型特性試験装置（東洋ボールドウィン製、ＳＳ−２０７−５Ｐ）で測定した。
（５）断熱材の熱伝導率は、京都電子製ＱＴＭ−５００を用いプローブ法で求めた。
（６）炭化物とピッチ系炭素繊維フェルトの重量比は、得られた複合物の重量から、予め測定しておいたピッチ系炭素繊維フェルトの重量を差し引くことで、炭化物の質量を求め、そこから算出した。
Examples are shown below, but the present invention is not limited thereto.
In addition, each value in a present Example was calculated | required according to the following method.
(1) The average fiber diameter of the pitch-based carbon fibers was determined from the average value of 60 pitch-based carbon fibers extracted from the felt using a scale under an optical microscope according to JIS R7607.
(2) The average fiber length of the pitch-based carbon fibers was determined from the average value of 60 pitch-based carbon fibers extracted from the felt, measured with a ruler.
(3) The BET specific surface area of the pitch-based carbon fiber extracted from the felt was determined using an autosorb 3 manufactured by Cantachrome.
(4) The tensile strength of the heat insulating material was measured with a large-scale characteristic test apparatus (SS-207-5P, manufactured by Toyo Baldwin).
(5) The thermal conductivity of the heat insulating material was determined by a probe method using QTM-500 manufactured by Kyoto Electronics.
(6) The weight ratio of the carbide and the pitch-based carbon fiber felt is obtained by subtracting the weight of the pitch-based carbon fiber felt measured in advance from the weight of the obtained composite to obtain the mass of the carbide. Calculated.
［実施例１］
縮合多環炭化水素化合物よりなるピッチを主原料とした。光学的異方性割合は１００％、軟化点が２８３℃であった。導入角α３５℃、吐出口の径Ｄ０．２ｍｍ、吐出口長さＬ２ｍｍ（Ｌ／Ｄ＝１０）のキャップを使用し、吐出口における光学異方性のピッチ温度３３０℃で、スリットから３５０℃の加熱空気を毎分５５００ｍの線速度で噴出させて、溶融ピッチを牽引して平均繊維径１５．０μｍのピッチ系繊維を作製した。この時の溶融ピッチの粘度は１６．８Ｐａ・Ｓ（１６８ｐｏｉｓｅ）であった。紡出された繊維をベルト上に捕集してマットとし、さらにクロスラッピングで目付４３０ｇ／ｍ２のピッチ系短繊維からなる３次元ランダムマットとした。
[Example 1]
A pitch made of a condensed polycyclic hydrocarbon compound was used as a main raw material. The optical anisotropy ratio was 100%, and the softening point was 283 ° C. Using a cap with an introduction angle α35 ° C., a discharge port diameter D of 0.2 mm, and a discharge port length L2 mm (L / D = 10), the optical anisotropy pitch temperature at the discharge port is 330 ° C., and 350 ° C. from the slit. Heated air was ejected at a linear velocity of 5500 m / min, and the melt pitch was pulled to produce pitch-based fibers having an average fiber diameter of 15.0 μm. At this time, the viscosity of the melt pitch was 16.8 Pa · S (168 poise). The spun fibers were collected on a belt to form a mat, and then a three-dimensional random mat composed of pitch-based short fibers having a basis weight of 430 g / m 2 by cross wrapping.
この３次元ランダムマットを空気中で１７０℃から２８５℃まで平均昇温速度２℃／分で昇温して不融化、更に８００℃、酸素濃度５０ｐｐｍの条件下で３０分間焼成を行った。得られた焼成マットをニードルパンチ密度１００パンチ／ｃｍ２で処理を行い、炭素繊維フェルトを得た。焼成後のフェルト中のピッチ系炭素繊維の平均繊維径は１３．８μｍ、ＣＶ値が７．９、平均繊維長は１１０ｍｍであった。ＢＥＴ比表面積は３５ｍ２／ｇであった。 This three-dimensional random mat was heated from 170 ° C. to 285 ° C. at an average temperature rising rate of 2 ° C./min to be infusible, and further calcined for 30 minutes under the conditions of 800 ° C. and oxygen concentration of 50 ppm. The obtained fired mat was processed at a needle punch density of 100 punch / cm 2 to obtain a carbon fiber felt. The average fiber diameter of the pitch-based carbon fibers in the felt after firing was 13.8 μm, the CV value was 7.9, and the average fiber length was 110 mm. The BET specific surface area was 35 m 2 / g.
［実施例２］
実施例１で作成した炭素繊維フェルトを、フェノール樹脂（群栄化学（株）製、ＰＬ−２２１１）に浸漬させ、ロールプレスで圧縮し余分なフェノール樹脂を搾り出した後、２５０℃で成形体とし、８００℃で焼成した。更に、２０００℃で熱処理し、炭素繊維含有断熱材を得た。ピッチ系炭素繊維フェルト１００重量部に対し、炭化物は４００重量部含まれていた。断熱材の引張強度は０．７９ＭＰａ、熱伝導率は０．０５２Ｗ／ｍ・Ｋであった。
[Example 2]
The carbon fiber felt created in Example 1 was immersed in phenol resin (PL-2211, manufactured by Gunei Chemical Co., Ltd.), compressed with a roll press and squeezed out excess phenol resin, and then formed into a molded body at 250 ° C. And baked at 800 ° C. Furthermore, it heat-processed at 2000 degreeC and obtained the carbon fiber containing heat insulating material. 400 parts by weight of carbide was contained with respect to 100 parts by weight of the pitch-based carbon fiber felt. The heat insulating material had a tensile strength of 0.79 MPa and a thermal conductivity of 0.052 W / m · K.
［比較例１］
実施例１において、焼成条件を焼成温度６００℃、酸素濃度２０００ｐｐｍの条件下で行った以外は同様の方法で、炭素繊維フェルトを作製した。炭化後のピッチ系炭素繊維の平均繊維径は１３．６μｍ、ＣＶ値が９．８、平均繊維長は１１０ｍｍであった。ＢＥＴ比表面積は２４０ｍ２／ｇであった。
[Comparative Example 1]
A carbon fiber felt was produced in the same manner as in Example 1 except that the firing conditions were a firing temperature of 600 ° C. and an oxygen concentration of 2000 ppm. The carbon fiber pitch after carbonization had an average fiber diameter of 13.6 μm, a CV value of 9.8, and an average fiber length of 110 mm. The BET specific surface area was 240 m 2 / g.
［比較例２］
比較例１で作成した炭素繊維フェルトを、フェノール樹脂（群栄化学（株）製、ＰＬ−２２１１）に浸漬させ、ロールプレスで余分なフェノール樹脂を搾り出した後、２５０℃で成形体とした後、８００℃で焼成した。更に、２０００℃で熱処理し、炭素繊維含有断熱材を得た。ピッチ系炭素繊維フェルト１００重量部に対し、炭化物は４００重量部含まれていた。断熱材の引張強度は、０．４５ＭＰａ、熱伝導率は０．０４９Ｗ／ｍ・Ｋであった。
[Comparative Example 2]
After immersing the carbon fiber felt created in Comparative Example 1 in a phenolic resin (manufactured by Gunei Chemical Co., Ltd., PL-2211) and squeezing out the excess phenolic resin with a roll press, the molded product is formed at 250 ° C. And baked at 800 ° C. Furthermore, it heat-processed at 2000 degreeC and obtained the carbon fiber containing heat insulating material. 400 parts by weight of carbide was contained with respect to 100 parts by weight of the pitch-based carbon fiber felt. The tensile strength of the heat insulating material was 0.45 MPa, and the thermal conductivity was 0.049 W / m · K.
［比較例３］
実施例１において、紡糸温度を３５０℃とした以外は同様の方法で、炭素繊維フェルトを作製した。この時の溶融ピッチの粘度は２．０Ｐａ・Ｓ（２０ｐｏｉｓｅ）であった。炭化後のピッチ系炭素繊維の平均繊維径は１０．２μｍ、ＣＶ値が１８．４、平均繊維長は３０ｍｍであった。ＢＥＴ比表面積は１８０ｍ２／ｇであった。
[Comparative Example 3]
A carbon fiber felt was produced in the same manner as in Example 1 except that the spinning temperature was 350 ° C. The viscosity of the melt pitch at this time was 2.0 Pa · S (20 poise). The pitch-based carbon fibers after carbonization had an average fiber diameter of 10.2 μm, a CV value of 18.4, and an average fiber length of 30 mm. The BET specific surface area was 180 m 2 / g.
［比較例４］
比較例３で作成した炭素繊維フェルトを、フェノール樹脂（群栄化学（株）製、ＰＬ−２２１１）に浸漬させ、ロールプレスで余分なフェノール樹脂を搾り出した後、２５０℃で成形体とした後、８００℃で焼成した。更に、２０００℃で熱処理し、炭素繊維含有断熱材を得た。ピッチ系炭素繊維フェルト１００重量部に対し、炭化物は４００重量部含まれていた。断熱材の引張強度は、０．３８ＭＰａ、熱伝導率は０．０３９Ｗ／ｍ・Ｋであった。
[Comparative Example 4]
After immersing the carbon fiber felt created in Comparative Example 3 in a phenolic resin (PL-2211, manufactured by Gunei Chemical Co., Ltd.) and squeezing out the excess phenolic resin with a roll press, the molded product is formed at 250 ° C. And baked at 800 ° C. Furthermore, it heat-processed at 2000 degreeC and obtained the carbon fiber containing heat insulating material. 400 parts by weight of carbide was contained with respect to 100 parts by weight of the pitch-based carbon fiber felt. The tensile strength of the heat insulating material was 0.38 MPa, and the thermal conductivity was 0.039 W / m · K.
本発明のピッチ系炭素繊維フェルトは断熱性に優れるだけでなく強度が優れるので、樹脂と複合化し断熱材とした時に耐久性に優れたものとなる。これにより本発明のピッチ系炭素繊維フェルトは高温処理炉での使用に適した断熱材に活用できる。 Since the pitch-based carbon fiber felt of the present invention is not only excellent in heat insulation but also excellent in strength, it becomes excellent in durability when combined with a resin as a heat insulating material. Thereby, the pitch-based carbon fiber felt of the present invention can be utilized as a heat insulating material suitable for use in a high-temperature processing furnace.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008026359A JP2009185411A (en) | 2008-02-06 | 2008-02-06 | Heat insulator containing carbon fiber |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008026359A JP2009185411A (en) | 2008-02-06 | 2008-02-06 | Heat insulator containing carbon fiber |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009185411A true JP2009185411A (en) | 2009-08-20 |
Family
ID=41068929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008026359A Pending JP2009185411A (en) | 2008-02-06 | 2008-02-06 | Heat insulator containing carbon fiber |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2009185411A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014233935A (en) * | 2013-06-04 | 2014-12-15 | ニチアス株式会社 | Heat insulating material and method for manufacturing the same |
| JP2015229956A (en) * | 2014-06-04 | 2015-12-21 | イビデン株式会社 | Holding seal material manufacturing method |
| JP2017057112A (en) * | 2015-09-16 | 2017-03-23 | 大阪ガスケミカル株式会社 | Surface-treated molded heat insulator and method for producing the same |
-
2008
- 2008-02-06 JP JP2008026359A patent/JP2009185411A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014233935A (en) * | 2013-06-04 | 2014-12-15 | ニチアス株式会社 | Heat insulating material and method for manufacturing the same |
| US10215325B2 (en) | 2013-06-04 | 2019-02-26 | Nichias Corporation | Heat insulation material and method of manufacturing heat insulation material |
| JP2015229956A (en) * | 2014-06-04 | 2015-12-21 | イビデン株式会社 | Holding seal material manufacturing method |
| JP2017057112A (en) * | 2015-09-16 | 2017-03-23 | 大阪ガスケミカル株式会社 | Surface-treated molded heat insulator and method for producing the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPWO2009150874A1 (en) | Nonwoven fabric, felt and method for producing them | |
| US20110159767A1 (en) | Nonwoven fabric, felt and production processes therefor | |
| EP0629593B1 (en) | High modulus carbon and graphite articles and method for their preparation | |
| KR100759102B1 (en) | Preparation method of two-phase carbon nanofibers and activated carbon nanofibers by electrospinning from polyacrylonitrile/pitch blend solutions | |
| CN105172245B (en) | Carbon fiber insulator and preparation method thereof | |
| US5254396A (en) | Carbon fiber structure and process for producing the same | |
| JP2006104643A (en) | Blended felt and carbon fiber felt | |
| ZA200500964B (en) | Pitch based graphite fabrics and needled punched felts for fuel cell gas diffusion layer substrates and high thermal conductivity reinforced composites | |
| Li et al. | Polyacrylonitrile based carbon fibers: Spinning technology dependent precursor fiber structure and its successive transformation | |
| JP2009185411A (en) | Heat insulator containing carbon fiber | |
| JP2011117094A (en) | Web, felt comprising the same, and methods for producing them | |
| JP2009209507A (en) | Pitch-based carbon fiber felt and heat insulating material containing carbon fiber | |
| WO2020059819A1 (en) | Carbon-fiber-molded heat insulator and manufacturing method thereof | |
| JP5829134B2 (en) | Method for producing carbon fiber felt | |
| JP2019043099A (en) | Carbon fiber sheet laminate and manufacturing method therefor | |
| JP2018076963A (en) | Molded adiabatic material and process of manufacture thereof | |
| JP6307395B2 (en) | Heat dissipation sheet | |
| WO2010084856A1 (en) | Pitch-based carbon fiber web, pitch-based carbon staple fiber, and processes for production of same | |
| JP2008297656A (en) | Method for producing carbon fiber | |
| JP2013245253A (en) | Fiber-reinforced composite material and method for producing the same | |
| JP3390182B2 (en) | Carbon fiber based heat insulating material and method for producing the same | |
| JP2849156B2 (en) | Method for producing hollow carbon fiber | |
| JP2594952B2 (en) | Molded heat insulating material and its manufacturing method | |
| KR101523443B1 (en) | Preparing method of carbon fiber felt and heat insulator using thereof | |
| JP3406696B2 (en) | Method for producing high thermal conductivity carbon fiber |