JP2013159538A - Silicon carbide-reacted porous structure and method for manufacturing it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、繊維状の炭化ケイ素からなる炭化ケイ素化多孔質構造体と、その製造方法に関するものである。 The present invention relates to a siliconized porous structure made of fibrous silicon carbide and a method for producing the same.
炭化ケイ素系セラミックスは軽量で、耐熱性、耐磨耗性、耐食性などに優れていることから、近年、例えば、高温耐食部材、ヒーター材、耐磨耗部材や、さらには研削材、砥石などの用途に幅広く用いられている。この炭化ケイ素系セラミックスは、主に焼結技術により製造されているため、気孔率90%以上のフィルター形状の超軽量多孔質材としての実用化までには至っていない。 Since silicon carbide-based ceramics are lightweight and have excellent heat resistance, wear resistance, corrosion resistance, etc., in recent years, for example, high-temperature corrosion-resistant members, heater materials, wear-resistant members, as well as abrasives, grindstones, etc. Widely used in applications. Since this silicon carbide ceramic is mainly manufactured by a sintering technique, it has not yet been put into practical use as a filter-shaped ultralight porous material having a porosity of 90% or more.
最近では、このような耐熱性軽量多孔質セラミックスの研究が行われはじめている。例えば、ブリヂジストン社では、鋳鉄用セラミックフォームフィルターとして、ポリエチレンあるいはポリウレタンのスポンジに炭化ケイ素粉末スラリーを含浸後、余剰スラリーの除去を行い、乾燥、焼成して多孔質炭化ケイ素構造体を得ている。カタログでの物性値では、空孔率は85%、見掛比重約0.42g/cm3 となっている。 Recently, research on such heat-resistant lightweight porous ceramics has begun. For example, Bridgestone Corporation, as a cast iron ceramic foam filter, impregnates a silicon carbide powder slurry into a polyethylene or polyurethane sponge, removes the excess slurry, and dries and fires to obtain a porous silicon carbide structure. The physical properties in the catalog indicate that the porosity is 85% and the apparent specific gravity is about 0.42 g / cm 3 .
しかしながら、上記方法では炭化ケイ素粉末スラリーを用いるので、余剰スラリーの除去作業を行っても、余剰スラリーが残り気孔となる部分を塞いでいるところがある。基本的にはセラミックスの粉末焼結法で作製するので、スポンジ骨格部分の中心部は粉末が入らずに空洞になるし、骨格部分の粉末付着量が少ないと低強度となるので、骨格部分はスポンジ骨格より太くなる。また、気孔率も85%程度と低く、見掛比重も約0.42g/cm3 と高い。また気孔径も1〜5mm程度(標準セル数13ヶ/25mm〜6ヶ/mm)と大きい。 However, since the silicon carbide powder slurry is used in the above-described method, there are places where the surplus slurry closes the remaining pores even if the surplus slurry is removed. Basically, it is made by the powder sintering method of ceramics, so the center part of the sponge skeleton part becomes hollow without entering powder, and if the amount of powder attached to the skeleton part is small, the strength becomes low, so the skeleton part It becomes thicker than the sponge skeleton. In addition, the porosity is as low as about 85%, and the apparent specific gravity is as high as about 0.42 g / cm 3 . Also, the pore diameter is as large as about 1 to 5 mm (standard number of cells: 13/25 mm to 6 / mm).
DPF(ディ−ゼルエンジン用排ガスフィルター)等の流体が多量に通過するフィルターでは、特に圧力損失が重要になる。圧力損失は、フィルター骨格部分の太さが小さくなる程、低くなる。しかし、ポリウレタンスポンジ等を用いると少なくとも太さは50μm以上になり、圧力損失の面からは望ましい材料とはいえない。 In a filter through which a large amount of fluid passes, such as DPF (diesel engine exhaust gas filter), pressure loss is particularly important. The pressure loss decreases as the thickness of the filter skeleton decreases. However, when polyurethane sponge or the like is used, the thickness is at least 50 μm, which is not a desirable material in terms of pressure loss.
そこで、繊維状の炭化ケイ素を用いることが想起された。例えば「ニカロン繊維」(日本カーボン(株)製)、「チラノ繊維」(宇部興産(株)製)などの炭化ケイ素繊維は、直径が10μm程度であり圧力損失の面からも好ましい材料である。また、繊維としての柔軟性もあり、主に繊維強化複合材料の原料として利用されている。しかし有機ケイ素化合物が原料であり、炭素とケイ素のみでなく他の元素が含まれているため、純炭化ケイ素ほどの耐熱性はない。またフィルターなどとして利用するためには、炭化ケイ素繊維から立体構造物を形成する必要があるが、フィルターとしての気孔を安定して形成しつつ炭化ケイ素繊維を固定化する技術はまだ確立されていない。 Thus, it has been recalled to use fibrous silicon carbide. For example, silicon carbide fibers such as “Nicalon Fiber” (manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) and “Tyranno Fiber” (manufactured by Ube Industries, Ltd.) are about 10 μm in diameter and are preferable materials from the viewpoint of pressure loss. In addition, it has flexibility as a fiber and is mainly used as a raw material for fiber-reinforced composite materials. However, since an organosilicon compound is a raw material and contains not only carbon and silicon but also other elements, it is not as heat resistant as pure silicon carbide. In addition, in order to use as a filter, it is necessary to form a three-dimensional structure from silicon carbide fibers, but the technology for immobilizing silicon carbide fibers while stably forming pores as filters has not yet been established. .
炭化ケイ素はシリコン(Si)と炭素(C)との化合物であるので、従来より炭素繊維とシリコンとを反応させて炭化ケイ素繊維とする研究がなされている。炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系、ピッチ系のものが知られている。例えば特開平06−192917号公報には、多孔質炭素繊維とSiOガスとを反応させて炭化ケイ素繊維を製造する方法が記載されている。しかし気相経由の製造方法では、装置が大がかりになるとともに、SiOガスが坩堝などと反応するという問題がある。また、炭素繊維束等を溶融シリコンと反応させ、Silcompセラミック複合材を開発した報告もある(R.L.Mehan, J.Mater.Sci., 13(1978)358-366))。溶融シリコンをエッチング除去したこの文献の写真では、炭素繊維が溶融シリコンと反応して、繊維の外観はあるが、10μm程度の炭化ケイ素のひび割れた結晶の集合体となっている。 Since silicon carbide is a compound of silicon (Si) and carbon (C), studies have been made on silicon carbide fibers by reacting carbon fibers with silicon. As the carbon fiber, polyacrylonitrile (PAN) type and pitch type are known. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 06-192917 describes a method for producing silicon carbide fibers by reacting porous carbon fibers with SiO gas. However, the manufacturing method via the gas phase has a problem that the apparatus becomes large and SiO gas reacts with a crucible or the like. There is also a report of developing a Silcomp ceramic composite by reacting carbon fiber bundles with molten silicon (R. L. Mehan, J. Mater. Sci., 13 (1978) 358-366)). In the photograph of this document in which the molten silicon is removed by etching, the carbon fiber reacts with the molten silicon, and there is an appearance of the fiber, but it is an aggregate of cracked crystals of silicon carbide of about 10 μm.
ところで本願発明者らは、ウレタンスポンジ等の多孔質構造体の有形骨格にシリコン粉末と樹脂からなるスラリーを含浸させ、シリコン粉末と多孔質構造体からの炭素との体積減少を伴った炭化ケイ素生成反応により、ポーラスな炭化ケイ素、残留炭素部分を生成させ、このポーラスな骨格部分にシリコンの溶融含浸を行うことにより、炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質構造材を、複雑な形状のものであっても、容易に多孔質構造体の有形骨格の形状を保ったままで製造し得ることを見出している(特許第3699992号)、(特開2010−30888号公報)。 By the way, the inventors of the present application impregnated a tangible skeleton of a porous structure such as urethane sponge with a slurry made of silicon powder and a resin to produce silicon carbide accompanied by volume reduction of silicon powder and carbon from the porous structure. Porous silicon carbide and residual carbon are generated by the reaction, and silicon is heat-impregnated into the porous skeleton to melt the silicon carbide-based heat-resistant ultralight porous structure with a complex shape. However, it has been found that it can be easily produced while maintaining the shape of the tangible skeleton of the porous structure (Japanese Patent No. 3699992) (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-30888).
しかしスラリーにシリコン粉末を含むために、有形骨格の気孔径が、例えば100μm以下程度に小さくなると、シリコン粉末が有形骨格中に分散しにくく、スラリー組成が不均一になる場合があり、フィルターなどの製造方法としては問題がある。またスラリーにシリコン粉末を含まない場合には、溶融含浸時における溶融シリコンの濡れ性が低く溶融シリコンと炭素骨格との反応が生じない。 However, since the slurry contains silicon powder, when the pore size of the tangible skeleton is reduced to, for example, about 100 μm or less, the silicon powder is difficult to disperse in the tangible skeleton, and the slurry composition may become non-uniform. There is a problem as a manufacturing method. When the slurry does not contain silicon powder, the molten silicon has low wettability at the time of melt impregnation, and the reaction between the molten silicon and the carbon skeleton does not occur.
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、繊維状の炭素と溶融シリコンとの反応によって、圧力損失の少ない炭化ケイ素化多孔質構造体を安定して製造できるようにすることを解決すべき課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and solves the problem of enabling stable production of a siliconized porous structure with little pressure loss by reaction between fibrous carbon and molten silicon. It should be a challenge.
上記課題を解決する本発明の一つの炭化ケイ素化多孔質構造体の製造方法の特徴は、フェノール樹脂由来の炭素繊維から形成された炭素化多孔質構造体とシリコンとを真空或いは不活性雰囲気下において1300℃〜1800℃の温度で加熱し、シリコンを溶融含浸して反応させることにより炭化ケイ素を生成させることにある。 One feature of the method for producing a siliconized porous structure of the present invention that solves the above-described problems is that the carbonized porous structure formed from a phenol resin-derived carbon fiber and silicon are subjected to a vacuum or an inert atmosphere. In this method, silicon carbide is produced by heating at a temperature of 1300 ° C. to 1800 ° C., melting and impregnating silicon, and reacting.
フェノール樹脂由来の炭素繊維とは、フェノール樹脂を紡糸、熱処理して得られたものであればよく、具体的には、ノボラック型フェノール樹脂を紡糸して得られるノボロイド繊維(商品名:カイノール)やレゾール樹脂を紡糸して得られるレゾール繊維などを、真空或いは不活性雰囲気下において900℃〜1300℃で加熱し炭素化して得られる繊維である。またこの繊維を賦活した活性炭素繊維も含まれる。以下、この製造方法を第一の製造方法という。 The carbon fiber derived from a phenol resin may be any carbon fiber obtained by spinning and heat-treating a phenol resin. Specifically, a novoloid fiber (trade name: Kynol) obtained by spinning a novolac-type phenol resin, It is a fiber obtained by carbonizing a resol fiber obtained by spinning a resole resin at 900 ° C. to 1300 ° C. in a vacuum or an inert atmosphere. Moreover, the activated carbon fiber which activated this fiber is also contained. Hereinafter, this manufacturing method is referred to as a first manufacturing method.
また本発明のもう一つの炭化ケイ素化多孔質構造体の製造方法の特徴は、フェノール樹脂繊維から形成された多孔質構造物を真空或いは不活性雰囲気下において900℃〜1300℃で加熱し炭素化して炭素化多孔質構造体を形成する炭素化工程と、炭素化多孔質構造体とシリコンとを真空或いは不活性雰囲気下において1300℃〜1800℃の温度で加熱しシリコンを溶融含浸して反応させることにより炭化ケイ素を生成させ炭化ケイ素化多孔質構造体を形成する炭化ケイ素化工程と、を行うことにある。以下、この製造方法を第二の製造方法という。 Another feature of the method for producing a silicon carbide porous structure of the present invention is that the porous structure formed from phenol resin fibers is heated to 900 ° C. to 1300 ° C. in a vacuum or in an inert atmosphere to be carbonized. The carbonization process for forming the carbonized porous structure, and the carbonized porous structure and silicon are heated at a temperature of 1300 ° C. to 1800 ° C. in a vacuum or in an inert atmosphere, and silicon is melted and impregnated to react. A silicon carbide step of forming silicon carbide to form a silicon carbide porous structure. Hereinafter, this manufacturing method is referred to as a second manufacturing method.
そして第一、二の本発明の製造方法によって製造された本発明の炭化ケイ素化多孔質構造体の特徴は、多数の細孔をもつ多孔質構造をなし、細孔を区画する細孔壁の少なくとも表面はフェノール樹脂が炭素化され次いで炭化ケイ素とされてなるフェノール樹脂由来の炭化ケイ素であることにある。 The features of the silicon carbide porous structure of the present invention produced by the first and second production methods of the present invention are the porous structure having a large number of pores, and the pore walls defining the pores. At least the surface is that the phenol resin is silicon carbide derived from carbonization of the phenol resin and then silicon carbide.
炭素繊維は、PAN系とピッチ系に大別され、一般的なPAN系炭素繊維の密度は約1.8 g/cm3程度、ピッチ系炭素繊維は約2.2 g/cm3程度である。一方、フェノール樹脂から形成された炭素繊維として代表的なカイノール繊維は、密度1.27 g/cm3、炭素含有率が約76%であり、炭素化した繊維の密度は、PAN系又はピッチ系炭素繊維よりも低く、1.4〜1.6 g/cm3である(繊維と工業:Vol.66,No.6(2010)p.199)。また、フェノール樹脂の炭素化合物はアモルファス構造であるため表面に活性点が多い。 Carbon fibers are roughly classified into PAN-based and pitch-based, and the density of general PAN-based carbon fibers is about 1.8 g / cm 3 , and pitch-based carbon fibers are about 2.2 g / cm 3 . On the other hand, a typical quinol fiber as a carbon fiber formed from a phenol resin has a density of 1.27 g / cm 3 and a carbon content of about 76%. The density of the carbonized fiber is PAN-based or pitch-based carbon fiber. It is 1.4-1.6 g / cm 3 lower than that (Fiber and Industry: Vol. Moreover, since the carbon compound of a phenol resin has an amorphous structure, there are many active sites on the surface.
フェノール樹脂は、炭素(C)と水素(H)と酸素(O)のみからなる樹脂である。したがってフェノール樹脂から形成された炭素繊維は、フェノール樹脂骨格に結合していた水素(H)や酸素(O)が炭素化時に気化し、それによって形成された微細孔を有している。このように密度が低いこと、アモルファス構造であるため表面に活性点が多いこと、が影響していると考えられるが、本発明者の研究の結果、フェノール樹脂から形成された炭素繊維は溶融シリコンの濡れ性が格段に向上し、溶融シリコンと容易に反応して繊維表面が均一に炭化ケイ素となることが明らかとなった。 The phenol resin is a resin composed only of carbon (C), hydrogen (H), and oxygen (O). Therefore, the carbon fiber formed from the phenol resin has fine pores formed by hydrogen (H) and oxygen (O) bonded to the phenol resin skeleton during the carbonization. It is considered that the low density and the active structure on the surface due to the amorphous structure are affected by this, but as a result of the inventor's research, the carbon fiber formed from the phenol resin is molten silicon. It was revealed that the wettability of the fiber was significantly improved, and it reacted easily with molten silicon to make the fiber surface uniform silicon carbide.
しかも、フェノール樹脂から形成された炭素繊維の織布を用いて溶融シリコンを含浸しても、一本一本の繊維が用いた織布と同様に独立しており、表面が均一に炭化ケイ素化している。そして炭素が炭化ケイ素(SiC)になる反応は、体積が増加する反応であるので、炭素繊維表面には緻密なSiC層が形成され、本発明の炭化ケイ素化多孔質構造体は耐酸化性に優れている。 Moreover, even if molten silicon is impregnated with a woven fabric of carbon fibers formed from phenolic resin, it is independent as with the woven fabric used with each individual fiber, and the surface is uniformly siliconized. ing. Since the reaction in which carbon becomes silicon carbide (SiC) is a reaction in which the volume increases, a dense SiC layer is formed on the carbon fiber surface, and the silicon carbide porous structure of the present invention is resistant to oxidation. Are better.
したがって第一及び第二の製造方法によれば、炭素化多孔質構造体と溶融シリコンとが容易に反応するため、炭化ケイ素化多孔質構造体を安定して製造することができる。 Therefore, according to the first and second production methods, since the carbonized porous structure and the molten silicon easily react, the siliconized porous structure can be produced stably.
そして本発明の炭化ケイ素化多孔質構造体によれば、細孔を区画する細孔壁の少なくとも表面はフェノール樹脂が炭素化され次いで炭化ケイ素とされてなるフェノール樹脂由来の炭化ケイ素であるので、耐熱性に優れ、フィルターなどの超軽量多孔質材として有用である。 And according to the siliconized porous structure of the present invention, at least the surface of the pore walls that define the pores is silicon carbide derived from phenol resin in which the phenol resin is carbonized and then silicon carbide, It has excellent heat resistance and is useful as an ultralight porous material such as a filter.
<第一の製造方法>
本製造方法では、先ずフェノール樹脂由来の炭素繊維から炭素化多孔質構造体を形成する。
<First manufacturing method>
In this production method, first, a carbonized porous structure is formed from a carbon fiber derived from a phenol resin.
フェノール樹脂繊維を製造する方法は多く知られており、例えば、アルカリ(土類)金属を含むレゾール型フェノール樹脂を加熱し、流動しているプロピレングリコール中で硬化させる方法(特公昭48−43570号公報)、ノボラック樹脂を溶融紡糸して得た未硬化ノボラック繊維をアルデヒド類で酸化処理した硬化ノボラック繊維を非酸化性雰囲気中で熱処理する方法(特開昭53−94626号公報)、未硬化ノボラック樹脂にポリビニルブチラールを含有させ、溶融紡糸後硬化させて得た硬化ノボラック樹脂繊維を熱処理する方法(特開平9−13223号公報)、塩基性触媒の存在下にフェノール類とアルデヒド類とを反応させて得られる固形状のレゾール型フェノール樹脂を熱溶融させ、加熱空気流の牽引力で紡糸ノズルから紡出して繊維化し、該繊維を酸性ガス雰囲気中で加熱して不溶不融化する方法(特開平9−132818号公報)などが知られている。 There are many known methods for producing phenol resin fibers. For example, a method of heating a resol type phenol resin containing an alkali (earth) metal and curing it in flowing propylene glycol (Japanese Patent Publication No. 48-43570). Publication), a method of heat-treating a cured novolak fiber obtained by subjecting an uncured novolak fiber obtained by melt spinning of a novolak resin with an aldehyde in a non-oxidizing atmosphere (Japanese Patent Laid-Open No. 53-94626), uncured novolak A method of heat-treating a cured novolak resin fiber obtained by adding polyvinyl butyral to a resin and curing it after melt spinning (JP-A-9-13223), reacting phenols and aldehydes in the presence of a basic catalyst The solid resol-type phenolic resin obtained in this way is melted by heat and spun from a spinning nozzle with a traction force of a heated air stream to form a fiber. And a method of insoluble infusible by heating in sexual gas atmosphere (JP-A-9-132818) are known.
フェノール樹脂由来の炭素繊維としては、カイノール炭素繊維など市販のものを用いることができる。また後述の第二の製造方法のように、フェノール樹脂繊維を炭素化することで形成された炭素繊維を用いることもできる。 As the carbon fiber derived from phenol resin, commercially available ones such as quinol carbon fiber can be used. Moreover, the carbon fiber formed by carbonizing a phenol resin fiber like the 2nd manufacturing method mentioned later can also be used.
フェノール樹脂由来の炭素繊維から例えば織布、編布、不織布などを形成し、これをさらに積層する、あるいは折り紙のようにして立体的な炭素化多孔質構造体とする。炭素化多孔質構造体の形状は特に制限されず、炭素繊維どうしの間に形成された細孔を利用する目的に応じた形状とすることができる。例えば積層したりロール状に巻回したりすれば、フィルター形状の炭素化多孔質構造体を形成することができる。 For example, a woven fabric, a knitted fabric, a nonwoven fabric or the like is formed from the carbon fiber derived from the phenol resin, and these are further laminated or formed into a three-dimensional carbonized porous structure like origami. The shape of the carbonized porous structure is not particularly limited, and can be a shape according to the purpose of using the pores formed between the carbon fibers. For example, a filter-like carbonized porous structure can be formed by laminating or winding in a roll.
形成された炭素化多孔質構造体にはシリコンが溶融含浸され、真空或いは不活性雰囲気下において1300℃〜1800℃の温度で加熱されることで炭化ケイ素化多孔質構造体が製造される。この工程は、金属シリコンをその融点(約1410℃)以上に加熱して溶融シリコンとし、炭素化多孔質構造体に含浸すればよく、特に真空中で行うことが好ましい。溶融含浸用シリコンは、粉末状、顆粒状、あるいは塊状でもよい。例えばシリコン粉末顆粒を炭素化多孔質構造体にまぶして付着させておき、真空或いは不活性雰囲気下において約1410℃以上に加熱すれば、シリコン粉末は溶融し炭素化多孔質構造体に含浸して反応して炭化ケイ素化多孔質構造体が製造される。 The formed carbonized porous structure is melt-impregnated with silicon, and heated at a temperature of 1300 ° C. to 1800 ° C. in a vacuum or an inert atmosphere to produce a silicon carbide porous structure. This step may be performed by heating the metal silicon to a melting point (about 1410 ° C.) or higher to form molten silicon and impregnating the carbonized porous structure, and it is particularly preferable to perform in a vacuum. The melt-impregnating silicon may be in the form of powder, granules, or lumps. For example, if silicon powder granules are applied to the carbonized porous structure and adhered, and heated to about 1410 ° C or higher in a vacuum or inert atmosphere, the silicon powder will melt and impregnate the carbonized porous structure. Reaction produces a silicon carbide porous structure.
炭素化多孔質構造体とシリコンとの比率は、原子比(Si/C)が0.2以上であることが望ましく、当量比よりシリコンを若干多めにして炭素化多孔質構造体全体を炭化ケイ素とするのが望ましい。原子比(Si/C)が0.2程度であっても、炭素化多孔質構造体の少なくとも表面を炭化ケイ素化することができる。 The ratio of the carbonized porous structure to silicon is preferably an atomic ratio (Si / C) of 0.2 or more, and the entire carbonized porous structure is made silicon carbide by slightly more silicon than the equivalent ratio. Is desirable. Even if the atomic ratio (Si / C) is about 0.2, at least the surface of the carbonized porous structure can be siliconized.
当量比よりシリコンを若干多めにして余剰のシリコンが残留しても、細孔閉塞などの問題を引き起こすほど多くなければ特に問題は生じない。しかし耐酸化性や耐食性が問題となる場合には、表出する金属シリコンを炭化ケイ素とする後処理工程を行うことが望ましい。なお、逆に炭素が繊維内部などに残ったとしても、耐酸化特性が劣化しなければ問題は無い。 Even if the silicon is slightly larger than the equivalent ratio and surplus silicon remains, there is no particular problem unless it is so large as to cause problems such as pore clogging. However, when oxidation resistance or corrosion resistance becomes a problem, it is desirable to perform a post-treatment process in which the metal silicon to be exposed is silicon carbide. On the contrary, even if carbon remains inside the fiber, there is no problem as long as the oxidation resistance does not deteriorate.
この後処理工程は、炭化ケイ素化多孔質構造体に炭素源としての樹脂類を含むスラリーを含浸させ、余分なスラリーを除去した後、70℃で12時間程度乾燥させ、真空或いは不活性雰囲気下において900℃〜1300℃に加熱して炭素化するとともに1300℃〜1600℃の温度で反応させることにより、表出する金属シリコンの少なくとも表面を炭化ケイ素化する。反応時の温度は1300℃以上、かつシリコンの融点以下で炭化ケイ素化することが望ましい。或いは、真空中にてシリコンの融点以上の温度で処理することで、表面にある余剰のシリコンを蒸発除去してもよい。 In this post-treatment step, the silicon carbide porous structure is impregnated with a slurry containing resins as a carbon source, the excess slurry is removed, and then dried at 70 ° C. for about 12 hours, in a vacuum or in an inert atmosphere. In this case, carbonization is performed by heating to 900 ° C. to 1300 ° C., and at the surface of 1300 ° C. to 1600 ° C., at least the surface of the metal silicon to be exposed is silicon carbide. The temperature during the reaction is desirably 1300 ° C. or higher and lower than the melting point of silicon. Alternatively, excess silicon on the surface may be removed by evaporation in a vacuum at a temperature equal to or higher than the melting point of silicon.
スラリーに含まれる樹脂類としては、分子中の炭素原子が多く、シリコンに対する濡れ性が高いものが好ましい。このような樹脂類としては、フェノール樹脂、フラン樹脂などが例示される。しかし炭素源として樹脂のみを含む場合には、シリコンと反応する炭素が少ない場合があるので、スラリーにはカーボンブラックなどの炭素粉末を含むことが望ましい。スラリー中の炭素粉末の量は、炭化ケイ素化多孔質構造体にスラリーとして含浸可能な粘度範囲であれば特に制限されない。 As the resins contained in the slurry, those having many carbon atoms in the molecule and high wettability to silicon are preferable. Examples of such resins include phenol resins and furan resins. However, when only a resin is included as a carbon source, there may be a small amount of carbon that reacts with silicon, and therefore it is desirable that the slurry contains carbon powder such as carbon black. The amount of the carbon powder in the slurry is not particularly limited as long as it is in a viscosity range capable of impregnating the silicon carbide porous structure as a slurry.
スラリーに添加される炭素粉末は、黒鉛、カーボンブラックなどを用いることができるが、シリコンとの反応性および分散性の観点からはカーボンブラックが特に好ましい。 As the carbon powder added to the slurry, graphite, carbon black or the like can be used, and carbon black is particularly preferable from the viewpoint of reactivity with silicon and dispersibility.
炭化ケイ素化多孔質構造体へのスラリーの含浸量は、炭素粉末を含まない場合には、樹脂量を多くするために厚く塗布することが望ましい。またカーボンブラックなどの炭素粉末を含む場合には、炭素粉末の含有量によっても異なるが、比較的薄く塗布することができる。 When the silicon carbide porous structure is impregnated with the slurry, when the carbon powder is not included, it is desirable to apply the slurry thickly in order to increase the amount of the resin. When carbon powder such as carbon black is included, it can be applied relatively thinly depending on the content of carbon powder.
こうして得られる本発明の炭化ケイ素化多孔質構造体は、その有形骨格表面、気孔の内表面など少なくとも表面が炭化ケイ素となっている。したがって表面に金属シリコンが表出していないので、耐酸化性や耐食性に優れている。 The silicon carbide porous structure of the present invention thus obtained has silicon carbide at least on its surface such as the surface of the tangible skeleton and the inner surface of the pores. Therefore, since metal silicon is not exposed on the surface, it is excellent in oxidation resistance and corrosion resistance.
<第二の製造方法>
本製造方法では、先ずフェノール樹脂から形成されたフェノール樹脂繊維から多孔質構造物を形成する。カイノール繊維など市販のフェノール樹脂繊維を用いてもよいし、未硬化のフェノール樹脂から形成されたフェノール樹脂繊維を用いることもできる。フェノール樹脂としては、レゾール型とノボラック型のどちらも用いることができる。
<Second production method>
In this production method, a porous structure is first formed from phenol resin fibers formed from a phenol resin. Commercially available phenol resin fibers such as quinol fiber may be used, or phenol resin fibers formed from uncured phenol resin may be used. As the phenol resin, either a resol type or a novolac type can be used.
このフェノール樹脂繊維から織布、編布、不織布などを形成し、これをさらに積層する、あるいは折り紙のようにして立体的な多孔質構造体とする。多孔質構造体の形状は特に制限されず、フェノール樹脂繊維どうしの間に形成された細孔を利用する目的に応じた形状とすることができる。例えば積層したりロール状に巻回したりすれば、フィルター形状の多孔質構造体を形成することができる。 A woven fabric, a knitted fabric, a non-woven fabric, or the like is formed from this phenol resin fiber, and these are further laminated or formed into a three-dimensional porous structure like origami. The shape in particular of a porous structure is not restrict | limited, It can be set as the shape according to the objective using the pore formed between the phenol resin fibers. For example, a filter-shaped porous structure can be formed by laminating or winding in a roll.
形成された多孔質構造物は、真空或いは不活性雰囲気下において900℃〜1300℃で加熱され炭素化されて炭素化多孔質構造体が形成される。不活性雰囲気としては、アルゴンガスなど不活性ガス雰囲気が好ましい。樹脂の熱分解による炭素化過程では、タール状のものや気化物質が生成するので、真空中で行うのは好ましくない。 The formed porous structure is heated and carbonized at 900 ° C. to 1300 ° C. in a vacuum or an inert atmosphere to form a carbonized porous structure. As the inert atmosphere, an inert gas atmosphere such as argon gas is preferable. In the carbonization process by thermal decomposition of the resin, tar-like substances and vaporized substances are generated, so it is not preferable to carry out in a vacuum.
こうして形成された炭素化多孔質構造体は、第一の製造方法と同様にして炭化ケイ素化多孔質構造体とすることができる。また表面に余剰の金属シリコンが表出している場合には、第一の製造方法と同様にして後処理工程を行うことができる。 The carbonized porous structure thus formed can be made into a silicon carbide porous structure in the same manner as in the first production method. Further, when surplus metal silicon is exposed on the surface, a post-treatment process can be performed in the same manner as in the first manufacturing method.
<本発明の炭化ケイ素化多孔質構造体>
本発明の製造方法により製造された本発明の炭化ケイ素化多孔質構造体は、炭素繊維から形成された炭素化多孔質構造体又は有機多孔質構造体の有形骨格と同様の、多数の細孔をもつ多孔質構造をなしている。また本発明の製造方法で製造された炭化ケイ素化多孔質構造体は、細孔壁の内部まで、少なくともその表面はフェノール樹脂由来の炭化ケイ素である。したがって耐酸化性や耐食性に優れ、フィルターなどの超軽量多孔質材として有用である。
<Siliconized porous structure of the present invention>
The silicon carbide porous structure of the present invention manufactured by the manufacturing method of the present invention has a large number of pores similar to the tangible skeleton of the carbonized porous structure or organic porous structure formed from carbon fibers. Has a porous structure. Further, the silicon carbide porous structure produced by the production method of the present invention is silicon carbide derived from phenol resin at least on the surface of the pore walls. Therefore, it is excellent in oxidation resistance and corrosion resistance, and is useful as an ultralight porous material such as a filter.
以下、実施例及び比較例によって本発明の実施態様を具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples.
炭素化されたノボラック型フェノール樹脂繊維からなる炭素繊維織布(日本カイノール製、商品名:カイノール活性炭繊維クロスACC−507、厚さ0.4mm)を用意し、これを炭素化多孔質構造体とした。織り糸どうしの間に無数の細孔が形成されている。 A carbon fiber woven fabric made of carbonized novolak-type phenol resin fibers (manufactured by Nihon Kynol, trade name: Kynol activated carbon fiber cloth ACC-507, thickness 0.4 mm) is prepared, and this is referred to as a carbonized porous structure. did. Innumerable pores are formed between the woven yarns.
シリコン顆粒をSi/C原子比でおおよそ0.5、1.0、1.5となるように秤量して炭素繊維織布の上にそれぞれ載置し、真空中にて1450℃で1時間加熱して、三種類の炭化ケイ素化多孔質構造体を得た。得られた炭化ケイ素化多孔質構造体をそれぞれ秤量したところ、Si/C原子比は各々0.69、1.02、1.14となっていた。得られた各々の炭化ケイ素化多孔質構造体は、用いた炭素繊維織布と同一の形状であり、少なくとも細孔壁の表面(織り糸の表面)は均一な緑色がかった色に変色して炭化ケイ素となっていた。また、繊維束の一本一本の繊維が分離しているのが確認された。 Silicon granules were weighed so that the Si / C atomic ratio would be approximately 0.5, 1.0, and 1.5, respectively, and placed on a carbon fiber woven fabric, heated in vacuum at 1450 ° C for 1 hour, A silicon carbide porous structure was obtained. When the obtained silicon carbide porous structure was weighed, the Si / C atomic ratios were 0.69, 1.02, and 1.14, respectively. Each of the obtained silicon carbide porous structures has the same shape as the carbon fiber woven fabric used, and at least the surface of the pore walls (the surface of the weaving yarn) is changed to a uniform greenish color and carbonized. It was silicon. Moreover, it was confirmed that each fiber bundle was separated.
ノボラック型フェノール樹脂繊維からなる繊維織布(日本カイノール製、商品名:カイノール繊維クロス507、厚さ0.4mm)を用意し、これをアルゴン雰囲気下で1000℃まで加熱して炭素化多孔質構造体とした。織り糸どうしの間に無数の細孔が形成されている。 Prepare a woven fabric made of novolac-type phenolic resin (manufactured by Nihon Kynol, trade name: Kynol fiber cloth 507, thickness 0.4mm), and heat it to 1000 ° C in an argon atmosphere to carbonize porous structure The body. Innumerable pores are formed between the woven yarns.
シリコン顆粒をSi/C原子比でおおよそ0.5、1.0、1.5となるように秤量して、得られた炭素繊維織布の上にそれぞれ載置し、真空中にて1450℃で1時間加熱して、三種類の炭化ケイ素化多孔質構造体を得た。得られた炭化ケイ素化多孔質構造体をそれぞれ秤量したところ、Si/C原子比は各々0.43、0.78、1.24となっていた。得られた各々の炭化ケイ素化多孔質構造体は、用いた炭素繊維織布と同一の形状であり、少なくとも細孔壁の表面(織り糸の表面)は均一な緑色がかった色に変色して炭化ケイ素となっていた。また、繊維束の一本一本の繊維は分離しているのが確認された。Si/C=1.24の組成の炭化ケイ素化多孔質構造体は、ごく一部に小さなシリコンの塊らしいものが認められた。 Silicon granules are weighed so that the Si / C atomic ratio is approximately 0.5, 1.0, and 1.5, respectively, placed on the obtained carbon fiber woven fabric, and heated in vacuum at 1450 ° C for 1 hour. Three types of silicon carbide porous structures were obtained. When the obtained silicon carbide porous structure was weighed, the Si / C atomic ratios were 0.43, 0.78, and 1.24, respectively. Each of the obtained silicon carbide porous structures has the same shape as the carbon fiber woven fabric used, and at least the surface of the pore walls (the surface of the weaving yarn) is changed to a uniform greenish color and carbonized. It was silicon. Further, it was confirmed that each fiber bundle was separated. The silicon carbide porous structure having a composition of Si / C = 1.24 was found to have a small silicon mass.
Si/C原子比が0.43の炭化ケイ素化多孔質構造体について、その断面のSEM像を図1に示す。各繊維の黒い中心部が炭素繊維、その周囲を覆う灰色の層がSiCである。この画像から、繊維一本一本の表面に均一にSiC層が形成され、各繊維どうしは接合されることなく独立していることがわかる。また、炭素部分は表面が平滑である。 FIG. 1 shows an SEM image of the cross section of the silicon carbide porous structure having a Si / C atomic ratio of 0.43. The black central part of each fiber is carbon fiber, and the gray layer surrounding it is SiC. From this image, it can be seen that the SiC layer is uniformly formed on the surface of each fiber, and the fibers are independent without being joined. The carbon portion has a smooth surface.
図2にSi/C原子比が1.24の炭化ケイ素化多孔質構造体の断面のSEM像を示す。組成分析から繊維部分全体がSiCであった。また、繊維部分が小さな結晶から成っているのが分かる。 FIG. 2 shows an SEM image of a cross section of the silicon carbide porous structure having a Si / C atomic ratio of 1.24. From the composition analysis, the entire fiber part was SiC. It can also be seen that the fiber part is made of small crystals.
[比較例1]
ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維糸束(「BESFIGHT IM-400」東邦レーヨン社製)を用意し、これを簡便に平織り状に織った織布を用意した。これをアルゴンガス中1000℃にて熱処理し、付着していたサイジング剤を除去した。
[Comparative Example 1]
A polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber yarn bundle ("BESFIGHT IM-400" manufactured by Toho Rayon Co., Ltd.) was prepared, and a woven fabric obtained by simply woven this into a plain weave was prepared. This was heat-treated at 1000 ° C. in argon gas to remove the adhering sizing agent.
シリコン顆粒をSi/C原子比でおおよそ1.5となるように秤量してこの織布の上に載置し、真空中にて1450℃で1時間加熱して多孔質構造体を得た。 Silicon granules were weighed so that the Si / C atomic ratio was approximately 1.5 and placed on the woven fabric, and heated in vacuum at 1450 ° C. for 1 hour to obtain a porous structure.
得られた多孔質構造体を秤量したところ、Si/C原子比は1.13となっていた。また得られた多孔質構造体は、用いた炭素繊維織布と同一の形状であるものの、織布が全体に銀色になってシリコンで被覆されていることが分かる。炭素繊維束を観察すると、織布の中央付近は炭素繊維束が銀色のシリコンで覆われており、各々の繊維が溶融したシリコンによって結合している状態であった。またシリコンの銀色の小さな塊も表面に多数観察された。織布の端部分は一部黒く、溶融シリコンに濡れていない繊維束部分もあった。 When the obtained porous structure was weighed, the Si / C atomic ratio was 1.13. Moreover, although the obtained porous structure is the same shape as the carbon fiber woven fabric used, it can be seen that the woven fabric is entirely silver and covered with silicon. When the carbon fiber bundle was observed, the carbon fiber bundle was covered with silvery silicon near the center of the woven fabric, and each fiber was bonded with molten silicon. Many small silver-colored lumps of silicon were also observed on the surface. The edge part of the woven fabric was partly black and some fiber bundles were not wet with molten silicon.
すなわちPAN系炭素繊維は、溶融シリコンの濡れ性は良好であるものの、フェノール樹脂系炭素繊維に比べてシリコンと炭素との反応性は低いことが明らかになった。 In other words, it has been clarified that PAN-based carbon fibers have good wettability with molten silicon but have lower reactivity between silicon and carbon than phenolic resin-based carbon fibers.
[比較例2]
ピッチ系炭素繊維糸の平織織布(「グラノッククロス 5HS-50A-140」日本グラファイトファイバー社製(織物目付 141.1 g/m2))を用意し炭素化多孔質構造体とした。この炭素化多孔質構造体を用い、比較例1と同様にして、多孔質構造体を製造した。
[Comparative Example 2]
A plain woven fabric of pitch-based carbon fiber yarn (“Granock cloth 5HS-50A-140” manufactured by Nippon Graphite Fiber Co., Ltd. (woven fabric basis weight: 141.1 g / m 2 )) was prepared as a carbonized porous structure. Using this carbonized porous structure, a porous structure was produced in the same manner as in Comparative Example 1.
得られた多孔質構造体を秤量したところ、Si/C原子比は1.12となっていた。また得られた多孔質構造体は、用いた炭素繊維織布と同一の形状であるものの、織布上に溶融したシリコンが塊として集合しており、シリコンの濡れが見られず、ほとんどが炭素繊維のままであり、シリコンと炭素繊維の反応は見られなかった。 When the obtained porous structure was weighed, the Si / C atomic ratio was 1.12. Moreover, although the obtained porous structure has the same shape as the carbon fiber woven fabric used, the silicon melted on the woven fabric is gathered as a lump, so that the silicon does not get wet and most of the carbon structure is carbon. The fiber remained, and no reaction between silicon and carbon fiber was observed.
本発明の炭化ケイ素化多孔質構造体は、炭化ケイ素以外の化合物をほとんど含まないので耐熱性に優れ、フィルター、ヒーターなどの超軽量多孔質材として有用である。 Since the silicon carbide porous structure of the present invention contains almost no compound other than silicon carbide, it has excellent heat resistance and is useful as an ultralight porous material such as a filter and a heater.
Claims (4)
フェノール樹脂由来の炭素繊維から形成された炭素化多孔質構造体とシリコンとを真空或いは不活性雰囲気下において1300℃〜1800℃の温度で加熱し、シリコンを溶融含浸して反応させることにより炭化ケイ素を生成させることを特徴とする炭化ケイ素化多孔質構造体の製造方法。 A method for producing a silicon carbide porous structure according to claim 1,
Silicon carbide by heating a carbonized porous structure formed from phenol resin-derived carbon fibers and silicon at a temperature of 1300 ° C to 1800 ° C in a vacuum or in an inert atmosphere, and then reacting by melting and impregnating silicon. A method for producing a silicon carbide porous structure, characterized in that
フェノール樹脂繊維から形成された多孔質構造物を真空或いは不活性雰囲気下において900℃〜1300℃で加熱し炭素化して炭素化多孔質構造体を形成する炭素化工程と、
該炭素化多孔質構造体とシリコンとを真空或いは不活性雰囲気下において1300℃〜1800℃の温度で加熱しシリコンを溶融含浸して反応させることにより炭化ケイ素を生成させ炭化ケイ素化多孔質構造体を形成する炭化ケイ素化工程と、を行うことを特徴とする炭化ケイ素化多孔質構造体の製造方法。 A method for producing a silicon carbide porous structure according to claim 1,
A carbonization step in which a porous structure formed from a phenol resin fiber is heated at 900 ° C. to 1300 ° C. in a vacuum or under an inert atmosphere and carbonized to form a carbonized porous structure;
The carbonized porous structure and silicon are heated to a temperature of 1300 ° C. to 1800 ° C. in a vacuum or in an inert atmosphere, and silicon carbide is melted and impregnated to react to form silicon carbide. And a siliconization step of forming a silicon carbide porous structure.
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