JP2016164313A - Method for producing carbon fiber woven fabric and carbon fiber woven fabric - Google Patents

Method for producing carbon fiber woven fabric and carbon fiber woven fabric Download PDF

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唯史 橋本
Tadashi Hashimoto
唯史 橋本
村岡 道晃
Michiaki Muraoka
道晃 村岡
藤野 謙一
Kenichi Fujino
謙一 藤野
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Jujo Paper Co Ltd
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Nippon Paper Industries Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a carbon fiber woven fabric that has excellent mechanical characteristics (strength, flexibility) and a high carbonization yield, and to provide a carbon fiber woven fabric produced by the producing method.SOLUTION: There is provided a method for producing a carbon fiber woven fabric including the steps of: (a) preparing a woven fabric that comprises a cellulosic fiber; (b) impregnating the woven fabric with an organic sulfonic acid; (c) subjecting the woven fabric impregnated with the organic sulfonic acid to heat treatment in the temperature range of 500°C to 2600°C in an inert gas atmosphere; and (d) subjecting the woven fabric that is impregnated with the organic sulfonic acid and is subjected to the heat treatment to re-heating treatment in the temperature range of 2200°C to 3200°C in an inert gas atmosphere.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、セルロース系繊維から構成される織物を、有機スルホン酸触媒を用いて炭化する炭素繊維織物の製造方法に関する The present invention relates to a method for producing a carbon fiber fabric in which a fabric composed of cellulosic fibers is carbonized using an organic sulfonic acid catalyst.

炭素繊維は比強度、比弾性率に優れているため、スポーツやレジャー用品から宇宙航空用途まで幅広く利用されつつある。このような構造材として炭素繊維を用いる場合、炭素繊維のトウを製織して得られた織物に熱硬化性樹脂を含浸して得られるプリプレグを成型、硬化させた炭素繊維強化プラスチックとして用いる方法が一般的である。   Since carbon fibers are excellent in specific strength and specific elastic modulus, they are being widely used from sports and leisure goods to aerospace applications. When carbon fiber is used as such a structural material, there is a method in which a prepreg obtained by impregnating a thermosetting resin into a woven fabric obtained by weaving a carbon fiber tow is used as a carbon fiber reinforced plastic obtained by molding and curing. It is common.

現在この分野では、ポリアクリルニトリル(PAN)系炭素繊維やピッチ系炭素繊維のトウを製織した織物が一般的に用いられているが、素材である炭素繊維が非常に高価であることから、製造コストが高くなり、広く普及する上で一つの障害となっている。   Currently, in this field, fabrics woven from polyacrylonitrile (PAN) carbon fiber and pitch-based carbon fiber tows are generally used, but the carbon fiber as the material is very expensive. The cost is high, which is an obstacle to widespread use.

そこで、地球上最大のバイオマスである安価なセルロース系物質を原料とした炭素材料が注目されてきている。もともと、セルロース系物質を原料とした炭素繊維として、アメリカのUCC社がレーヨン系炭素繊維を用いて生産したのが始まりである。特許文献1、特許文献2にはセルロース系繊維を炭化する方法が開示されているが、セルロースの熱分解による炭素化収率の低下、PAN系炭素繊維と比較して力学特性(強度、柔軟性)が発現しないといった問題があった。   Therefore, carbon materials using cheap cellulosic substances, which are the largest biomass on the earth, have been attracting attention. Originally, the UCC company of the United States produced using rayon carbon fiber as a carbon fiber made from cellulosic material. Patent Documents 1 and 2 disclose a method for carbonizing cellulose fibers. However, the carbonization yield decreases due to the thermal decomposition of cellulose, and mechanical properties (strength, flexibility) are compared with PAN-based carbon fibers. ) Did not appear.

これらの問題に対しては、セルロース系繊維織物にシリコーン系高分子溶液および鉱物系添加剤溶液を含浸させ、セルロースの熱分解を抑えた炭化方法(特許文献3)、セルロース系繊維からなるシートに有機スルホン酸を含浸させ、収率を触媒として炭素化収率を向上させる炭化方法(特許文献4)が提案されている。   For these problems, a cellulose-based fiber fabric is impregnated with a silicone-based polymer solution and a mineral-based additive solution to suppress the thermal decomposition of cellulose (Patent Document 3). A carbonization method (Patent Document 4) has been proposed in which an organic sulfonic acid is impregnated and the carbonization yield is improved using the yield as a catalyst.

米国特許第3053775号U.S. Pat. No. 3,053,775 米国特許第3107152号U.S. Pat. No. 3,107,152 特許第5271887号Japanese Patent No. 5271887 WO2013/183668WO2013 / 183668

しかしながら、特許文献3の方法では、セルロースの熱分解を抑えた安定的な炭化をするためにプロセス制御がかなり複雑であり、また特許文献4に記載の方法では得られる炭素繊維シートでは、力学特性(強度、柔軟性)が不十分であるといった問題があった。   However, in the method of Patent Document 3, process control is considerably complicated in order to perform stable carbonization while suppressing thermal decomposition of cellulose, and in the carbon fiber sheet obtained by the method described in Patent Document 4, mechanical characteristics are obtained. There was a problem that (strength, flexibility) was insufficient.

そこで、本発明は、力学特性(強度、柔軟性)に優れ、炭化収率の高い炭素繊維織物の製造方法、及びその方法によって製造される炭素繊維織物を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the carbon fiber fabric manufactured by the manufacturing method of the carbon fiber fabric excellent in mechanical characteristics (strength, flexibility) and a high carbonization yield, and the method.

本発明は、以下の(1)〜(7)発明を提供する。
(1) 下記の(a)〜(d)の工程を含むことを特徴とする炭素繊維織物の製造方法。
(a)セルロース系繊維から構成される織物を準備する工程
(b)上記織物に有機スルホン酸を含浸させる工程
(c)上記有機系スルホン酸を含浸させた織物を不活性ガス雰囲気中、500℃〜2600℃の温度にて加熱処理する工程
(d)上記有機系スルホン酸を含浸させて加熱処理を施した織物を不活性ガス雰囲気中、2200℃〜3200℃での再加熱処理工程
(2) 前記セルロース系繊維が、キュプラアンモニウムレーヨン、ビスコース法レーヨン及び精製セルロース繊維から選ばれる少なくとも一種類であることを特徴とする(1)に記載の炭素繊維織物の製造方法。
(3) 前記有機スルホン酸が、メタンスルホン酸であることを特徴とする(1)〜(2)のいずれか一項に記載の炭素繊維織物の製造方法。
(4) 前記セルロース系繊維から構成される織物に含浸する有機スルホン酸の濃度が0.1mоl/L〜2.0mоl/Lであることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか一項に記載の炭素繊維織物の製造方法。
(5) (1)〜(4)のいずれか一項に記載の方法で製造された、目付が50g/m〜400g/m2である炭素繊維織物。
(6) (1)〜(4)のいずれか一項に記載の方法で製造された炭素繊維織物を用いることを特徴とする複合材料。
(7) (1)〜(4)のいずれか一項に記載の方法で製造された炭素繊維織物を用いることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
The present invention provides the following (1) to (7) inventions.
(1) A method for producing a carbon fiber fabric, comprising the following steps (a) to (d):
(A) A step of preparing a fabric composed of cellulosic fibers (b) A step of impregnating the fabric with organic sulfonic acid (c) A fabric impregnated with the organic sulfonic acid in an inert gas atmosphere at 500 ° C. Step of heat treatment at a temperature of ˜2600 ° C. (d) Reheating treatment step at 2200 ° C. to 3200 ° C. in an inert gas atmosphere for the woven fabric impregnated with the organic sulfonic acid (2) The method for producing a carbon fiber fabric according to (1), wherein the cellulosic fiber is at least one selected from cupra ammonium rayon, viscose rayon, and purified cellulose fiber.
(3) The method for producing a carbon fiber fabric according to any one of (1) to (2), wherein the organic sulfonic acid is methanesulfonic acid.
(4) Any one of (1) to (3), wherein the concentration of the organic sulfonic acid impregnated in the fabric composed of the cellulosic fibers is 0.1 mol / L to 2.0 mol / L. The manufacturing method of the carbon fiber fabric as described in a term.
(5) A carbon fiber woven fabric produced by the method according to any one of (1) to (4) and having a basis weight of 50 g / m 2 to 400 g / m 2 .
(6) A composite material using a carbon fiber fabric produced by the method according to any one of (1) to (4).
(7) A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the carbon fiber fabric produced by the method according to any one of (1) to (4) is used.

本発明によれば、力学特性(強度、柔軟性)に優れ、炭化収率の高い炭素繊維織物の製造方法、及びその方法によって製造される炭素繊維織物を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a carbon fiber fabric having excellent mechanical properties (strength and flexibility) and a high carbonization yield, and a carbon fiber fabric produced by the method.

本発明の炭素繊維織物の製造方法は、セルロース系繊維から構成される織物(以下、「織物」ということがある。)に、有機スルホン酸を含浸させた後、不活性ガス雰囲気中、500℃〜2600℃の温度にて加熱処理し、さらに不活性ガス雰囲気中、2200℃〜3200℃での再加熱処理することを特徴とすることで、力学特性(強度、柔軟性)に優れた、炭素収率の高い炭素繊維織物を製造することができる。   In the method for producing a carbon fiber fabric of the present invention, a fabric composed of cellulosic fibers (hereinafter sometimes referred to as “fabric”) is impregnated with an organic sulfonic acid, and then is heated to 500 ° C. in an inert gas atmosphere. Carbon having excellent mechanical properties (strength and flexibility) by heat treatment at a temperature of ˜2600 ° C. and further reheating treatment at 2200 ° C. to 3200 ° C. in an inert gas atmosphere A high-yield carbon fiber fabric can be produced.

(セルロース系繊維)
本発明において、セルロース系繊維とは、樹木などから得られる植物系セルロース物質及び/又は植物系セルロース物質(綿、パルプなど)に化学処理を施して溶解させて得られる長い繊維状の再生セルロース系物質から構成された繊維であり、この繊維にリグニンやヘミセルロースなどの成分が含まれていても構わない。
(Cellulose fiber)
In the present invention, the cellulosic fiber is a long fibrous regenerated cellulosic material obtained by subjecting a plant cellulosic material obtained from a tree or the like and / or a plant cellulosic material (cotton, pulp, etc.) to chemical treatment and dissolving. It is the fiber comprised from the substance, and components, such as lignin and hemicellulose, may be contained in this fiber.

セルロース系繊維(植物系セルロース物質、再生セルロース物質)の原料としては、綿(例えば、短繊維綿、中繊維綿、長繊維綿、超長綿、超・超長綿)、麻、竹、こうぞ、みつまた、バナナ、被嚢類等の植物性セルロース繊維、銅アンモニア法レーヨン、ビスコース法レーヨン、ポリノジックレーヨン、竹を原料とするセルロースなどの再生セルロース繊維、有機溶剤(NメチルモルフォリンNオキサイド)紡糸される精製セルロース繊維やジアセテートやトリアセテートなどのアセテート繊維などが例示される。これらの中では、入手のし易さから、キュプラアンモニウムレーヨン、ビスコース法レーヨン、精製セルロース繊維から選ばれる少なくとも一種類であることが好ましい。   As raw materials for cellulosic fibers (vegetable cellulose materials, regenerated cellulose materials), cotton (for example, short fiber cotton, medium fiber cotton, long fiber cotton, super long cotton, super-long cotton), hemp, bamboo, etc. Recycled cellulose fibers such as cellulose made from vegetative cellulose fibers such as bananas and bananas, copper-ammonia method rayon, viscose method rayon, polynosic rayon, bamboo, organic solvents (N-methylmorpholine N oxide) ) Examples include purified cellulose fibers to be spun and acetate fibers such as diacetate and triacetate. Among these, at least one selected from cupra ammonium rayon, viscose rayon, and purified cellulose fiber is preferable from the viewpoint of availability.

本発明において、セルロース系繊維を構成する単繊維の径は5μm〜75μm、密度は1.4m/g〜1.9m/gであることが好ましい。 In the present invention, the diameter of the single fibers constituting the cellulosic fibers 5Myuemu~75myuemu, it is preferable density of 1.4m 3 /g~1.9m 3 / g.

セルロース系繊維の形態は、限定されるものではなく、目的に合わせて、原糸(未加工糸)、仮撚糸、染色糸、単糸、合撚糸、カバリングヤーン等に調整されることができる。また、セルロース系繊維が2種以上の原料を含む場合には、混紡糸、混撚糸等とすることができる。さらに、セルロース系繊維として、上記した各種形態の原料を、単独でまたは2種以上組み合わせて使用することができる。これらの中では、複合材料の成型性や機械強度の両立から無撚糸であることが好ましい。   The form of the cellulosic fiber is not limited and can be adjusted to raw yarn (unprocessed yarn), false twisted yarn, dyed yarn, single yarn, double twisted yarn, covering yarn and the like according to the purpose. Moreover, when a cellulosic fiber contains 2 or more types of raw materials, it can be set as a blended yarn, a blended yarn, etc. Furthermore, the above-mentioned various forms of raw materials can be used alone or in combination of two or more as the cellulose fiber. Among these, a non-twisted yarn is preferable in terms of both the moldability of the composite material and the mechanical strength.

本発明において、セルロース系繊維を製織する方法は特に限定されるものではなく一般的な方法を用いることができ、また、その織地の織組織も、特に制限はなく、平織、綾織、朱子織の三原組織が挙げられる。   In the present invention, the method for weaving the cellulosic fibers is not particularly limited, and a general method can be used, and the woven structure of the woven fabric is not particularly limited, and may be plain weave, twill weave or satin weave. Mihara organization is mentioned.

セルロース系繊維からなる織物は、セルロース系繊維の経糸及び緯糸同士の隙間が0.1mm〜0.8mmであることが好ましく、0.2mm〜0.6mmであることがより好ましく、0.25mm〜0.5mmであることがさらに好ましい。さらに、セルロース系繊維からなる織物の目付は50g/m〜400g/mであることが好ましく、100g/m2〜300g/m2であることがより好ましい。 In the woven fabric made of cellulosic fibers, the gap between the warp and weft of the cellulosic fibers is preferably 0.1 mm to 0.8 mm, more preferably 0.2 mm to 0.6 mm, and more preferably 0.25 mm to More preferably, it is 0.5 mm. Furthermore, it is preferred that the basis weight of the fabric consisting of cellulosic fibers is 50g / m 2 ~400g / m 2 , and more preferably 100g / m2~300g / m2.

セルロース系繊維及びセルロース系繊維からなる織物を上記範囲とすることにより、この織物を加熱処理して得られる炭素繊維織物は、高い強度を有し、且つ樹脂の含浸性に優れたものとなる。   By setting the cellulosic fiber and the fabric composed of cellulosic fibers in the above range, the carbon fiber fabric obtained by heat-treating the fabric has high strength and excellent resin impregnation properties.

本発明の炭素繊維織物は、炭素繊維織物を構成する炭素繊維の経糸及び緯糸同士の隙間が0.1mm〜0.8mmであることが好ましく、0.15mm〜0.6mmであることがより好ましく、0.2mm〜0.5mmであることがさらに好ましい。糸間の隙間が小さすぎれば、炭素繊維織物への樹脂の含浸性を阻害する可能性がある。一方、糸間の隙間が大きすぎれば、炭素繊維織物と樹脂からなる繊維強化プラスチック(複合材料)を成型した場合に、複合材料の力学特性が低下する問題が生じる。   In the carbon fiber woven fabric of the present invention, the gap between the warps and wefts of carbon fibers constituting the carbon fiber woven fabric is preferably 0.1 mm to 0.8 mm, more preferably 0.15 mm to 0.6 mm. More preferably, it is 0.2 mm to 0.5 mm. If the gap between the yarns is too small, the impregnation of the resin into the carbon fiber fabric may be hindered. On the other hand, if the gap between the yarns is too large, there is a problem that the mechanical properties of the composite material deteriorate when a fiber reinforced plastic (composite material) made of a carbon fiber fabric and a resin is molded.

本発明の炭素繊維織物の目付は50g/m〜400g/mであることが好ましく、100g/m〜300g/mであることがより好ましい。炭素繊維の目付が50g/m2未満であると樹脂の含浸性という観点からは好ましいが、必要とされる強度を発現されるためには積層枚数が多くなるため、樹脂の含浸作業の作業性が悪化するとともに、得られる複合材料のドレープ性が低下するため、施工性も悪化する。一方、炭素繊維の目付が400g/m2を越えると、樹脂の含浸性の悪化による作業効率が低下、厚さ及び重量の増加による柔軟性が低下の問題が発生する。 Preferably the basis weight of the carbon fiber woven fabric of the present invention is 50g / m 2 ~400g / m 2 , and more preferably 100g / m 2 ~300g / m 2 . When the basis weight of the carbon fiber is less than 50 g / m 2 , it is preferable from the viewpoint of the resin impregnation property. However, since the number of laminated layers increases in order to express the required strength, the workability of the resin impregnation operation is increased. In addition, the drapeability of the resulting composite material decreases, and the workability also deteriorates. On the other hand, when the basis weight of the carbon fiber exceeds 400 g / m 2 , there arises a problem that work efficiency is lowered due to deterioration of resin impregnation property and flexibility is lowered due to increase in thickness and weight.

(有機スルホン酸)
本発明において、織物に含浸させる有機系スルホン酸としては、炭素骨格にスルホ基(1つであっても複数であってもよい)が結合した有機化合物であればいずれであってもよく、脂肪族系、芳香族系の種々のスルホ基を有する化合物が利用可能であるが、取扱いの観点から低分子であることが好ましい。
(Organic sulfonic acid)
In the present invention, the organic sulfonic acid impregnated in the fabric may be any organic compound as long as it has a sulfo group (one or more) bonded to the carbon skeleton. Although compounds having various sulfo groups of aromatic and aromatic groups can be used, low molecular weight is preferable from the viewpoint of handling.

スルホン酸の具体例として、例えばR−SO3H(式中、Rは炭素原子数1〜20の直鎖/分岐鎖アルキル基、炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、または、炭素原子数6〜20のアリ−ル基を表し、アルキル基、シクロアルキル基、アリ−ル基はそれぞれアルキル基、水酸基、ハロゲン基で置換されていても良い。)で表される化合物が挙げられる。例えば、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、プロパンスルホン酸、1−ヘキサンスルホン酸、ビニルスルホン酸、シクロヘキサンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、p−フェノールスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、カンファ―スルホン酸などが挙げられる。 このうちメタンスルホン酸を選択することが好ましい。また、有機系スルホン酸は1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。   Specific examples of the sulfonic acid include, for example, R—SO 3 H (wherein R is a linear / branched alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, or 6 to 6 carbon atoms). 20 aryl groups, and the alkyl group, cycloalkyl group, and aryl group may be substituted with an alkyl group, a hydroxyl group, and a halogen group, respectively. For example, methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, propanesulfonic acid, 1-hexanesulfonic acid, vinylsulfonic acid, cyclohexanesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, p-phenolsulfonic acid, naphthalenesulfonic acid, benzenesulfonic acid, camphor Examples thereof include sulfonic acid. Of these, methanesulfonic acid is preferably selected. Moreover, organic sulfonic acid may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

本発明において、織物に有機スルホン酸を含浸・加熱処理することにより、織物(セルロース系繊維)を構成する水と炭素からなるセルロース分子((C(HO)5))から、水(HO)のみを除去することが可能となる。このため、通常の熱分解に伴う炭化水素系のガスの発生が殆ど無く、セルロース分子中の炭素成分が殆ど失われないので最終的に残存する炭素物質の量の低下を防止すると考えられる。 In the present invention, the fabric is impregnated with organic sulfonic acid and subjected to a heat treatment, so that water from the cellulose molecules ((C 6 (H 2 O) 5) n ) constituting the fabric (cellulosic fibers) and water Only (H 2 O) can be removed. For this reason, it is considered that there is almost no generation of hydrocarbon gas accompanying normal pyrolysis, and almost no carbon component in the cellulose molecule is lost, so that it is possible to prevent a decrease in the amount of the remaining carbon substance.

本発明の炭素繊維織物の製造方法においては、前記有機系スルホン酸を水溶液として用いる場合、その濃度が0.1mоl/L〜2.0mоl/Lであることが好ましく、0.1mоl/L〜1.0mоl/Lがより好ましい。   In the method for producing a carbon fiber fabric of the present invention, when the organic sulfonic acid is used as an aqueous solution, its concentration is preferably 0.1 mol / L to 2.0 mol / L, preferably 0.1 mol / L to 1. 0.0 mol / L is more preferable.

織物に有機系スルホン酸を吸収させる方法は特に限定されない。例えば、(1)有機系スルホン酸の濃度0.1mоl/L〜2.0mоl/Lの水溶液中に織物を5分〜30分浸漬した後に、液から引き上げて乾燥する方法、(2)有機系スルホン酸若しくは何らかの溶剤及び/又は水で濃度0.1mоl/L〜2.0mоl/Lとなるように希釈した有機系スルホン酸を織物に必要量塗布する方法、(3)有機系スルホン酸の蒸気に織物を接触させる方法等が挙げられ、これらの中では(1)が好ましい。   The method for causing the woven fabric to absorb the organic sulfonic acid is not particularly limited. For example, (1) A method in which a fabric is dipped in an aqueous solution of organic sulfonic acid in a concentration of 0.1 mol / L to 2.0 mol / L for 5 to 30 minutes and then pulled up from the solution and dried. (2) Organic A method of applying a necessary amount of organic sulfonic acid diluted with sulfonic acid or some solvent and / or water to a concentration of 0.1 mol / L to 2.0 mol / L, and (3) vapor of organic sulfonic acid And a method of bringing the fabric into contact with each other. Among these, (1) is preferred.

織物への吸着量は、もとの織物の重量に対し、通常10〜80%、好ましくは20〜60%である。有機系スルホン酸の吸収量は、適宜調整できる。炭素化収率の低下を抑制し、ハンドリング性の良い炭素繊維織物を調製できるような量であることが好ましい。   The amount adsorbed on the woven fabric is usually 10 to 80%, preferably 20 to 60%, based on the weight of the original woven fabric. The amount of organic sulfonic acid absorbed can be adjusted as appropriate. It is preferable that the amount is such that a decrease in carbonization yield can be suppressed and a carbon fiber woven fabric with good handling properties can be prepared.

また本発明において、セルロースの熱分解を抑え炭素化を更に安定的に行うために織物にシリコーン系高分子溶液に含浸させることができる。上記シリコーン系高分子としては、ポリシロキサン(polysiloxane:PS)、ポリジメチルシロキサン(Polydimethylsiloxane)、室温硬化型シリコーン(Room Temperature Vulcanizing Silicone:RTV)、ポリメチルフェニルシロキサン(Poly Phenyl Siloxane:PMPS)、ポリシラザン(Polysilazane)等を挙げることが出来る。またシリコーン系高分子溶液において、溶媒は極性溶媒が使用されるが、前期極性溶媒の例としては、アセトン(Acetone)、パークロロエチレン(Perchloroethylene)、テトラヒドロフラン(Tetrahydrofurane:THF)、メチルエチルケトン(Methyl ethyl ketone:MEK)、エチルアルコール(Ethyl alcohol)、メチルアルコール(Methyl alcohol)等を挙げることができる。   In the present invention, a silicone polymer solution can be impregnated into a woven fabric in order to suppress thermal decomposition of cellulose and perform carbonization more stably. Examples of the silicone polymer include polysiloxane (PS), polydimethylsiloxane (Polydimethylsiloxane), room temperature curing silicone (RTV), polymethylphenylsiloxane (Poly Phenyl Siloxane: PMPS), polysilazane ( Polysilazane). In the silicone polymer solution, a polar solvent is used. Examples of the polar solvent include acetone (Acetone), perchloroethylene, tetrahydrofuran (Tetrahydrofurane: THF), methyl ethyl ketone (Methyl ethyl ketone). : MEK), ethyl alcohol, methyl alcohol and the like.

(炭化処理)
本発明においては、有機系スルホン酸を吸収させた織物を加熱処理(炭素化)する。炭素化は不活性ガス雰囲気中で行う。不活性ガスとしてはアルゴン、窒素等が例示される。
(Carbonization treatment)
In the present invention, the fabric that has absorbed the organic sulfonic acid is heat-treated (carbonized). Carbonization is performed in an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include argon and nitrogen.

本発明において、有機系スルホン酸を含浸させた織物を不活性ガス雰囲気中、500℃〜2600℃の温度にて加熱処理した後、有機系スルホン酸を含浸させて加熱処理した織物を不活性ガス雰囲気中、2200℃〜3200℃での再加熱処理(グラファイト化工程)することが重要である。
なお、上記加熱処理の際の温度は、500℃〜2600℃、好ましくは500℃〜1000℃である。これにより織物の形態が維持された炭素繊維織物を得ることができる。この加熱処理温度が500℃未満であると炭素繊維織物の炭素含有量が80%以下で炭素化が不十分であり、一方2600℃を超えても炭化状態はもはや殆ど変化しない。また、炭素化処理は連続的に行われても、バッチ状態で行われても良い。
In the present invention, a fabric impregnated with organic sulfonic acid is heat-treated in an inert gas atmosphere at a temperature of 500 ° C. to 2600 ° C., and then the fabric impregnated with organic sulfonic acid is heat-treated. It is important to perform reheating treatment (graphitization step) at 2200 ° C. to 3200 ° C. in the atmosphere.
In addition, the temperature in the case of the said heat processing is 500 to 2600 degreeC, Preferably it is 500 to 1000 degreeC. Thereby, the carbon fiber fabric in which the shape of the fabric is maintained can be obtained. When the heat treatment temperature is less than 500 ° C., the carbon content of the carbon fiber fabric is 80% or less and the carbonization is insufficient. On the other hand, when the temperature exceeds 2600 ° C., the carbonization state almost no longer changes. Further, the carbonization treatment may be performed continuously or in a batch state.

また、再加熱処理温度が2200℃未満であるとグラファイト化(結晶化)の進行が殆ど起こらず、一方3200℃を超えても、もはやグラファイト化の程度は殆ど変わらなくなる。   Further, when the reheating treatment temperature is less than 2200 ° C., the progress of graphitization (crystallization) hardly occurs. On the other hand, when it exceeds 3200 ° C., the degree of graphitization hardly changes.

以下に具体的な炭化方法を記載する。   The specific carbonization method is described below.

まず、上記のスルホン酸吸収工程を経た織物をその形態を維持した状態で電気炉を用いて窒素又はアルゴン雰囲気下、上記範囲内で加熱処理する。この際、熱処理時間は熱処理温度にもよるが、好ましくは0.5〜1時間である。また、室温から所定熱処理温度までの昇温時間は3〜8℃/分が好ましい。加熱処理工程において管状炉や電気炉等の不活性ガス雰囲気にした高温炉を使用できるが、この場合、不活性ガスの排気管に活性炭素のような吸着材を充填し、スルホン酸から発生する少量の硫黄系のガスの脱硫処理を行うことが好ましい。   First, the woven fabric that has undergone the sulfonic acid absorption step is heat-treated within the above range in a nitrogen or argon atmosphere using an electric furnace while maintaining the form. At this time, the heat treatment time is preferably 0.5 to 1 hour, although it depends on the heat treatment temperature. The temperature raising time from room temperature to the predetermined heat treatment temperature is preferably 3 to 8 ° C./min. In the heat treatment process, a high-temperature furnace in an inert gas atmosphere such as a tubular furnace or an electric furnace can be used. In this case, the inert gas exhaust pipe is filled with an adsorbent such as activated carbon and is generated from sulfonic acid. It is preferable to desulfurize a small amount of sulfur-based gas.

次いで、再加熱処理工程(部分グラファイト化工程)として、好ましくは上記工程で熱処理した織物を、一旦室温まで戻した後、不活性ガス雰囲気中、2200℃〜3200℃の温度で再加熱処理する。これにより、最初の形態が維持された状態で部分的にグラファイト化した炭素繊維織物を得ることができる。
本発明において、再加熱処理の際に、経糸と平行した方向および/または織物の経糸と交差する方向に張力を加えてに延伸させることにより、炭素繊維の繊維軸方向にグラファイト結晶を効率よく配向させることができるため、炭素繊維織物の強度が向上する。
Next, as a reheating treatment step (partial graphitization step), preferably, the fabric heat-treated in the above step is once returned to room temperature, and then reheated at a temperature of 2200 ° C. to 3200 ° C. in an inert gas atmosphere. Thereby, the carbon fiber fabric partially graphitized while maintaining the initial form can be obtained.
In the present invention, during reheating treatment, the graphite crystals are efficiently oriented in the fiber axis direction of the carbon fiber by stretching in a direction parallel to the warp and / or in a direction crossing the warp of the fabric. Therefore, the strength of the carbon fiber fabric is improved.

本発明の炭素繊維織物の製造方法により、セルロース系繊維から構成される織物の形態を維持したまま、炭素繊維織物を得ることができる。理論上、織物を構成するセルロースに含まれる炭素が全て炭素化物として残存すると、炭素化収率は44.4重量%となるのに対して、本発明の製造方法によれば、30重量%以上、場合によっては40重量%以上という高い炭素化収率となる。   By the method for producing a carbon fiber fabric of the present invention, a carbon fiber fabric can be obtained while maintaining the form of the fabric composed of cellulosic fibers. Theoretically, when all the carbon contained in the cellulose constituting the fabric remains as a carbonized product, the carbonization yield becomes 44.4% by weight, whereas according to the production method of the present invention, 30% by weight or more. In some cases, the carbonization yield is as high as 40% by weight or more.

次に本発明を実施例及び比較例より更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Next, the present invention will be described in more detail than Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.

(製造例1)
経糸として無撚糸のレーヨン繊維(オーミケンシ社製:120d/44f原糸)、緯糸として無撚糸のレーヨン繊維(オーミケンシ社製:120d/44f原糸)を用いて、経密度94本/2.54cm、緯密度135本/2.54cm、目付154g/mの綾織物をエアージェットルームにて製織した。
(Production Example 1)
Using a non-twisted rayon fiber (Omikeshi: 120d / 44f raw yarn) as the warp, and a non-twisted rayon fiber (Omikeshi: 120d / 44f raw yarn) as the weft, a warp density of 94 yarns / 2.54 cm, A twill fabric having a weft density of 135 / 2.54 cm and a basis weight of 154 g / m 2 was woven in an air jet loom.

(製造例2)
経糸としてベンベルグ(旭化成せんい社製:キュプラ、100d/45f原糸)、緯糸としてベンベルグ(旭化成せんい社製:キュプラ、75d/45f原糸)を用いて、経密度150本/2.54cm、緯密度86本/2.54cmの平織物、目付88g/mをエアージェットルームにて製織した。
(Production Example 2)
Using Bemberg (Asahi Kasei Fiber Co., Ltd .: Cupra, 100d / 45f raw yarn) as the warp yarn and Bemberg (Asahi Kasei Fibers Co., Ltd .: Cupra, 75d / 45f raw yarn) as the weft yarn, warp density 150 / 2.54 cm, weft density 86 pieces / 2.54 cm plain woven fabric, 88 g / m 2 of fabric weight were woven in an air jet loom.

(実施例1)
製造例1で得られたレーヨン織物を80×100mm大にカットした後、メタンスルホン酸1.0mоl/L水溶液に室温で5分間浸漬した。その後、レーヨン織物を水溶液中から取り出し、室温で24時間自然乾燥して、メタンスルホン酸の吸収量が50重量%(対レーヨン織物固形分量)である織物を得た。この織物を2枚の炭素板に挟み、電気炉でアルゴンガス雰囲気下、昇温速度5.2℃/分の速度で室温から800℃まで昇温し、同温度で1時間加熱することにより炭素化した。その後、室温まで冷却し試験材料を取り出した。この試験材料を用いて、2900℃まで再加熱し、同温度で1時間処理することによる部分グラファイト化した炭素繊維織物を調製した。
Example 1
The rayon fabric obtained in Production Example 1 was cut to a size of 80 × 100 mm, and then immersed in a 1.0 mol / L aqueous methanesulfonic acid solution at room temperature for 5 minutes. Thereafter, the rayon fabric was taken out from the aqueous solution and naturally dried at room temperature for 24 hours to obtain a fabric having an absorption amount of methanesulfonic acid of 50% by weight (based on the solid content of rayon fabric). This fabric is sandwiched between two carbon plates, heated in an electric furnace in an argon gas atmosphere at a rate of temperature rise of 5.2 ° C./minute from room temperature to 800 ° C., and heated at the same temperature for 1 hour. Turned into. Then, it cooled to room temperature and took out the test material. Using this test material, a partially graphitized carbon fiber fabric was prepared by reheating to 2900 ° C. and treating at that temperature for 1 hour.

(実施例2)
製造例1で得られたレーヨン織物を用いて、p−トルエンスルホン酸を用いた以外は実施例1と同じ方法で炭素繊維織物を調製した。
(Example 2)
A carbon fiber fabric was prepared in the same manner as in Example 1 except that p-toluenesulfonic acid was used using the rayon fabric obtained in Production Example 1.

(実施例3)
製造例2で得られたキュプラ織物を用いて、実施例1と同じ手順で部分グラファイト化した炭素繊維織物を調製した。
(Example 3)
Using the cupra fabric obtained in Production Example 2, a partially graphitized carbon fiber fabric was prepared by the same procedure as Example 1.

(比較例1)
木材パルプを抄いたシートを用いた以外は、実施例1に従って炭素シートを得た。
(Comparative Example 1)
A carbon sheet was obtained according to Example 1 except that a sheet made of wood pulp was used.

(比較例2)
製造例1で得られたレーヨン織物を用いて、メタンスルホン酸水溶液への浸漬処理を省略した以外は実施例1と同じ方法で炭素繊維織物を調製した。
(Comparative Example 2)
Using the rayon fabric obtained in Production Example 1, a carbon fiber fabric was prepared in the same manner as in Example 1 except that the immersion treatment in an aqueous methanesulfonic acid solution was omitted.

(比較例3)
製造例1で得られたレーヨン織物を用いて、メタンスルホン酸水溶液の代わりに1mol/Lの硫酸アンモニウム溶液を使用した以外は実施例1と同じ方法で炭素繊維織物を調製した。
(Comparative Example 3)
Using the rayon fabric obtained in Production Example 1, a carbon fiber fabric was prepared in the same manner as in Example 1, except that a 1 mol / L ammonium sulfate solution was used instead of the methanesulfonic acid aqueous solution.

(評価試験)
実施例1〜3、比較例1〜3で得られた炭素材料について、性能評価を実施した結果を表1に示した。
(Evaluation test)
Table 1 shows the results of performance evaluation of the carbon materials obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.

Figure 2016164313
Figure 2016164313

<評価方法>
1)炭素含量
炭素繊維織物の元素分析行うことにより、炭素含量を求めた。
2)炭素収率
炭素収率は以下の式により算出した。
炭素収率=(炭素化+過熱処理)後の炭素繊維織物重量 / セルロース系繊維織物の重量(水分を含む)
3)目付
炭素繊維織物50mm×50mmの重量を測定することにより目付を求めた。
4)経糸・緯糸の間隔
任意の場所10点の間隔をノギスで測定することによって経糸・緯糸の間隔を求めた。
5)比強度
万能試験機(テンシロンRTG−1210)を用いて曲げ比強度を測定した。
6)柔軟性
炭素繊維織物に外力をかけた時のたわみ性を官能評価により求めた。
<Evaluation method>
1) Carbon content The carbon content was determined by conducting an elemental analysis of the carbon fiber fabric.
2) Carbon yield The carbon yield was calculated by the following formula.
Carbon yield = Carbon fiber fabric weight after (carbonization + overheat treatment) / Cellulosic fiber fabric weight (including moisture)
3) Weight per unit area The weight per unit area was determined by measuring the weight of a carbon fiber woven fabric 50 mm × 50 mm.
4) Interval between warp and weft The distance between the warp and the weft was determined by measuring the distance between 10 arbitrary points with calipers.
5) Specific strength The bending specific strength was measured using a universal testing machine (Tensilon RTG-1210).
6) Flexibility The flexibility when an external force is applied to the carbon fiber fabric was determined by sensory evaluation.

○: 炭素繊維織物が良くたわみ、きわめて柔軟性がある
△: 炭素繊維織物があまりたわまず、やや柔軟性に劣る
×: 炭化紙が全くたわまず、きわめて柔軟性に乏しい
○: The carbon fiber fabric is well bent and extremely flexible. △: The carbon fiber fabric is not very flexible and slightly inflexible. ×: The carbonized paper is not bent at all and is extremely inflexible.

Claims (7)

下記の(a)〜(d)の工程を含むことを特徴とする炭素繊維織物の製造方法。
(a)セルロース系繊維から構成される織物を準備する工程
(b)上記織物に有機スルホン酸を含浸させる工程
(c)上記有機系スルホン酸を含浸させた織物を不活性ガス雰囲気中、500℃〜2600℃の温度にて加熱処理する工程
(d)上記有機系スルホン酸を含浸させて加熱処理を施した織物を不活性ガス雰囲気中、2200℃〜3200℃での再加熱処理工程
The manufacturing method of the carbon fiber fabric characterized by including the process of following (a)-(d).
(A) A step of preparing a fabric composed of cellulosic fibers (b) A step of impregnating the fabric with organic sulfonic acid (c) A fabric impregnated with the organic sulfonic acid in an inert gas atmosphere at 500 ° C. Step (d) of heat treatment at a temperature of ˜2600 ° C. (d) Reheating treatment step at 2200 ° C. to 3200 ° C. in an inert gas atmosphere for the woven fabric impregnated with the organic sulfonic acid and subjected to the heat treatment
前記セルロース系繊維が、キュプラアンモニウムレーヨン、ビスコース法レーヨン及び精製セルロース繊維から選ばれる少なくとも一種類であることを特徴とする請求項1に記載の炭素繊維織物の製造方法。 The method for producing a carbon fiber fabric according to claim 1, wherein the cellulosic fiber is at least one selected from cupra ammonium rayon, viscose rayon and purified cellulose fiber. 前記有機スルホン酸が、メタンスルホン酸であることを特徴とする請求項1〜請求項2のいずれか一項に記載の炭素繊維織物の製造方法。 The said organic sulfonic acid is a methanesulfonic acid, The manufacturing method of the carbon fiber fabric as described in any one of Claims 1-2 characterized by the above-mentioned. 前記セルロース系繊維から構成される織物に含浸する有機スルホン酸の濃度が0.1mоl/L〜2.0mоl/Lであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の炭素繊維織物の製造方法。 The density | concentration of the organic sulfonic acid impregnated in the textile fabric comprised from the said cellulosic fiber is 0.1 mol / L-2.0 mol / L, It is any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. Carbon fiber fabric manufacturing method. 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の方法で製造された、目付が50g/m〜400g/mである炭素繊維織物。 Claims 1 produced by the method according to any one of claims 4, carbon fiber woven fabric having a basis weight is 50g / m 2 ~400g / m 2 . 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の方法で製造された炭素繊維織物を用いることを特徴とする複合材料。 A composite material using a carbon fiber fabric produced by the method according to any one of claims 1 to 4. 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の方法で製造された炭素繊維織物を用いることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the carbon fiber fabric produced by the method according to any one of claims 1 to 4 is used.
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