JP2565769B2 - 活性炭繊維およびその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は強度および耐久性に優れ、嵩高性および加工
性が優れており、吸脱着特性の優れた活性炭繊維および
その製造方法に関する。本発明の活性炭繊維は高弾性
率、高強度の成分と活性炭成分とを腹背状構造で有して
いるため、繊維単体として強いばかりでなく、布等の集
合体として引っ張り、引き裂き、衝撃、磨耗、折り曲げ
等に強く、圧縮や振動等に対する形態安定性に優れてい
る。また繊維に捲縮を与えることが容易であり、捲縮に
より繊維としての種々の加工が容易に行える利点を有す
る。

本発明の活性炭繊維は織物、不織布等の布構造の形態
で、一般の吸着剤として使用することが出来る。吸着す
る物質としては種々の気体、液中に溶解する種々の溶質
等である。活性炭繊維の使用される形態としては、種々
の工業用吸着剤、ガスマスク、浄水器、冷蔵庫や靴等の
脱臭剤、空調設備用の脱臭フィルター等である。

本発明の活性炭繊維はそのほかに、触媒担体、炭素分
子に対するイオンのインターカレーション電位を利用す
る蓄電池、キャパシター、コンデンサー等に用いられ
る。

（ロ）従来の技術 活性炭繊維は、PAN、セルロース、フェノール樹脂、P
VA、ピッチ等の繊維から作られた炭素繊維を水蒸気、二
酸化炭素を含有する雰囲気中、あるいは酸化性の雰囲気
中で賦活することにより製造される。

セルロース系の活性炭繊維について特公昭38−12376
号等に開示されている方法は、250〜500゜F（121〜260
℃）の不活性気体中で８分以上熱処理して再生セルロー
ス繊維を軽度に炭化させた後、高温の水蒸気中で賦活す
るものである。この方法は賦活に高温、長時間を要する
もので、特公昭53−30810号に開示されているように、
リン化合物をあらかじめ付着させておく方法が広く行わ
れる。

PAN系の活性炭繊維の場合には、PANの融着を防ぐた
め、まず不融化処理が必要である。不融化、炭化処理の
間の寸法変化や製品品質に対して、処理時の張力の影響
が大きいため、通常ある程度の緊張下で処理される。こ
の条件については特公昭58−36095号等に開示されてい
る。

ピッチ類からの活性炭繊維の場合にも、PAN系と同様
に、不融化処理が必要である。ピッチ繊維の不融化、炭
化処理時に緊張を与えることは困難であるため、通常の
場合には無緊張処理される。この場合にはピッチ類の品
質に問題があり、良好な製品品質を与える原料ピッチの
品質、製法が特公昭62−515644号、特開昭60−167929号
等に開示されている。

このような活性炭繊維は賦活処理により、極度に多孔
質になるため強度が低下し、特に非常に脆くなる傾向が
ある。また圧縮により形態が変化し易くなり、摩耗にも
弱くなる傾向がある。また摩耗、振動、衝撃の繰り返し
により粉化する傾向があり、粉末が繊維集合体から離れ
て移動し、種々のトラブルを起こす。また繊維重量の減
少を生じ、活性炭繊維の能力低下を起こす。

このため強度の大きい繊維を混合して布を作り、活性
炭繊維の低強度をカバーする事が行われているが、補強
用に用いた繊維の吸着している成分が活性炭繊維に移行
し、吸着能力を減殺することが多く、また多くの補強用
繊維が活性炭繊維より耐熱性が低いため、特に活性炭繊
維の再生条件に関して制約を与えることが多い。

この問題を解決するために、特開昭60−231843号には
活性化特性の異なる炭素繊維２種の混合物からなる布を
作り、賦活の容易な方の炭素繊維のみを活性化する技術
が開示されている。

この方法は炭素繊維の混合物を作る際に、最も混合が
容易な段階を選択出来るため、他種の補強用繊維を混合
するよりも繊維の損傷が少ない利点があるが、例示され
ている補強用繊維は元来強度の小さいタイプの炭素繊維
であり、賦活処理により更に多くの欠陥部を生じるため
繊維が脆く、補強効果が不十分である。

また従来の活性炭繊維はほとんど捲縮を持っておら
ず、繊維束の両面から圧縮した場合、繊維間が密着し易
いため、繊維加工機械の針等が通り難く、また繊維間を
繊維が通り抜け難いことから、他種の繊維に比べて加工
が難しい問題がある。炭素繊維は軟化点を示さないた
め、一般の合成繊維のように機械的に捲縮を与えること
は困難であるが、活性炭繊維は繊維側面からの圧縮に対
して特に弱いため、捲縮の付与は従来から全く行われて
いない。

（ハ）発明が解決しようとする課題 本発明は従来の活性炭繊維が、極度に多孔質であるた
め強度が低く、特に非常に脆い傾向がある欠点を改善す
ることを目的とする。従来の活性炭繊維は圧縮により形
態が変化し易く、摩耗にも弱い傾向を持っている。また
摩耗、振動、衝撃の繰り返しにより粉化する傾向があ
り、粉末が繊維集合体から離れて移動し、種々のトラブ
ルを起こす。また粉化により繊維重量の減少を生じ、活
性炭繊維の能力低下を起こす。

本発明はまた、活性炭繊維の持つ非常に脆い欠点を改
善するために、補強用繊維を混合する方法の問題点であ
る、補強用繊維が吸着している成分が活性炭繊維に移行
し、吸着能力を減殺する欠点、ならびに多くの補強用繊
維が活性炭繊維より耐熱性が低いため、特に活性炭繊維
の再生条件に関して制約を与える欠点を改善することを
目的とする。

本発明はまた、活性炭繊維の加工性が劣る欠点を改善
することを目的とする。活性炭繊維に捲縮を付与するこ
とにより、繊維としての加工性が改善され、また繊維の
側面方向からの衝撃に対して強くなる。

（ニ）課題を解決する手段 本発明は実質的に気体が吸着するような気孔を有して
いない部分と、多孔質で気体等を吸着するように賦活さ
れた部分とが、繊維の実質的に全長にわたり腹背状に配
列することが特徴とする活性炭繊維である。

本発明の活性炭繊維は、好ましくは第１図ないし第３
図に示すような、気体を吸着する気孔を有しない部分が
繊維断面積の10〜90％を占めることを特徴とする活性炭
繊維である。多孔質成分１と実質的に気孔を含まない成
分２との位置関係は、第１図に示すように二成分が半月
形の形態で接していても良く、また第２図に示すように
欠円形の形態で接していても良く、また第３図に示すよ
うに境界線が曲線状の形態で接していても良い。

気孔を有しない部分の断面積が繊維断面積に対して大
きい割合を占める場合、活性炭繊維としての有効な体積
が小さくなるので好ましくない。また小さい割合を占め
る場合、気孔を有しない部分の存在による強度の改善効
果が小さくなるので好ましくない。

本発明の活性炭繊維は、好ましくは繊維に1cm当たり
１個以上の捲縮を有するものである。本発明の活性炭繊
維は、前駆体のピッチ繊維を不融化する段階から賦活処
理する段階までの間で、捲縮を発現することがある。捲
縮を発現した活性炭繊維は嵩高く、繊維としての取扱性
および加工性が優れている。また衝撃を形態変化によっ
て吸収する能力を示すため、耐衝撃性や圧縮強度に優れ
ており、また圧縮に対する形態安定性にも優れている。

ピッチ繊維の捲縮発現に対しては、張力の大きさが支
配的であり、可及的に低い張力での処理が好ましい。繊
維の長さ1cm当たり数個の捲縮を得るためにはほとんど
無緊張の処理が必要である。

ピッチ繊維の捲縮発現の数量的な限界は、繊維の性能
的には1cm当たり20個程度と思われる。繊維の製造技術
としてはさらに多くの捲縮数を得ることが可能である
が、捲縮数が多くなると繊維の内部の歪みが大きくな
り、強度が低下するほか、複合構造の境界面から剥離し
易くなる。また繊維が絡まり易くなり、加工性が低下す
る。

本発明の活性炭繊維の製造に当たっては、ピッチ繊維
の不融化処理終了後、好ましくは炭化処理を実施する。
炭化処理の温度があまり高温である場合、コストが上昇
する上、賦活処理が進み難くなり、余り低温である場合
や省略した場合、コスト的には、有利であるが、繊維強
度が低いため損傷を受け易い。炭化処理の温度は600〜1
200℃であることが好ましい。

本発明の活性炭繊維は、光学異方性ピッチもしくは軽
度の熱処理により容易に光学異方性に転化するピッチを
一成分とし、等方性ピッチの他の成分として腹背状に複
合紡糸し、両成分が不融化する条件で不融化処理し、賦
活処理することにより製造する。

第一の成分の、光学異方性ピッチもしくは軽度の熱処
理により容易に光学異方性に転化するピッチは、繊維化
した後、不融化および炭化処理を行うことにより、易黒
鉛化炭素繊維を生成するものである。このようなピッチ
としては通常の流れ模様を持つ光学異方性ピッチのほ
か、重質油やピッチ類から溶剤抽出により、容易に光学
異方性に転化する成分を集めたもの、あるいは光学異方
性ピッチを還元して、容易に光学異方性に転化する等方
性ピッチとしたもの等である。この光学異方性ピッチも
しくは軽度の熱処理により容易に光学異方性に転化する
ピッチは石油系のものであっても、石炭系のものであっ
ても良い。

このようなピッチから作られた炭素繊維は賦活を行う
際に反応速度が小さく、なかなか活性が達成されない
が、反面強度、伸度や弾性率の低下が少ない傾向があ
る。

他の成分である等方性ピッチは、好ましくは軟化点が
120℃以上の高軟化点ピッチである。

通常の高分子物の場合には、一方の成分が固化したと
きに、固化した成分が液状を保っている他方の成分を空
中に支えることができる。ところがピッチの場合は固化
したときの強度が極めて小さいため、液状を保っている
成分を空中に支えることが難しい。そのため本発明の複
合紡糸を行う際には、両成分のピッチは軟化点が近いこ
とが好ましい。

等方性のピッチとしては、石油系、石炭系のいずれも
が用い得るが、高軟化点の等方性ピッチは概して、一般
的に石炭系の方が作り易い。その理由は恐らく次のよう
である。

石油系の重質油は熱処理により軟化点を上げて行く
と、ある程度上昇した段階で、光学異方性化の開始と同
時に急速に軟化点が高くなる現象が認められ、軟化点が
高い等方性ピッチを製造する条件はかなり厳しく限定さ
れる。一方石炭系の重質油は光学異方性化の速度が遅
く、軟化点の高い等方性ピッチを製造する条件は比較的
幅広く選択出来る。

（ホ）作用 本発明は強度および耐久性に優れ、吸脱着特性の優れ
た活性炭繊維およびその製造方法に関する。本発明の活
性炭繊維は高弾性率、高強度の成分を繊維の側面に連続
的に有しているため、繊維単体として強いばかりでな
く、布等の集合体として引っ張り、引き裂き、衝撃、摩
耗、折り曲げ等に強く、圧縮や振動等に対する形態安定
性に優れている。

本発明の活性炭繊維は二成分からなる単一の複合繊維
であるため、補強用繊維の混合などの余分な加工工程を
必要とせず、均一性が高い利点を有する。

本発明の活性炭繊維は容易に捲縮を付与することが出
来る特徴を有しており、捲縮の存在により嵩高く、繊維
間の滑りが良好であり、また繊維に対する衝撃力を吸収
するため、破壊され難く、繊維としての加工性が良好で
ある。

（ヘ）実施例 次に本発明を、実施例により具体的かつ詳細に説明す
る。

実施例 １ 第一成分として軟化点286℃、光学異方性分率100％の
石油系ピッチ、第二成分として軟化点243℃の石炭系の
等方性ピッチを用い、第１図に示すような各成分が半月
形の形態を示すように複合紡糸した。紡糸口金の直径は
0.2mm、紡糸温度は305℃、複合比率は50:50であった。

得られたピッチ繊維を、昇温速度0.3℃／分で300℃ま
で昇温させつつ不融化処理した。得られた繊維をさらに
不活性気体として窒素雰囲気中で昇温速度５℃／分で90
0℃まで昇温させつつ熱処理し、炭化を行なった。

得られた繊維は直径17μｍ、捲縮数は1cm当たり８個
であった。この炭素繊維3000本からなるフィラメント
を、折込み本数12本/inchで平織りに製織した。

この炭素繊維織物を850℃の水蒸気中で１時間処理
し、賦活を行った。得られた活性炭繊維の断面は楕円形
に近く、断面より計測した多孔質成分と気孔を有しない
成分の体積比率は35:65、多孔質成分の比表面積1610m²/
g、JIS K 1470によるメチレンブルー脱色試験では、多
孔質成分換算で218mg/gであった。（65vol％の気孔を有
しない成分は、比表面積にも吸着にも関与しないとして
計算した） 実施例 ２ 第一成分として軟化点282℃、光学異方性分率95％の
石油系ピッチ、第二成分として軟化点239℃の石炭系等
方性ピッチを用い、サイドバイサイド型（腹背型）の複
合紡糸口金で、管状ノズルの周辺から加熱空気を噴出さ
せる紡糸孔を有する口金により、紡糸を行った。管状ノ
ズルの内径は0.25mm、紡糸温度は345℃、複合比率は第
一：第二＝35:65であった。繊維断面に於ける複合形態
は第２図に示すようなものであった。

紡出したピッチ繊維を直ちにネットコンベヤーの上に
採取し、不融化し、引き続き賦活を行った。得られた活
性炭素繊維ウェブをパンチ密度25回/cm²のニードルパン
チを行なった。

得られた活性炭繊維不織布は優れた吸着性能および耐
久性を有していた。

実施例 ３ 第一成分として軟化点288℃、光学異方性分率97％の
石油系ピッチ、第二成分として軟化点234℃の石炭系の
等方性ピッチを用い第３図に示すような境界線が曲線状
の形態で両成分が接するようにサイドバイサイド型の複
合紡糸を行った。紡糸温度は290℃、複合比率は第一：
第二＝30:70であった。

得られたピッチ繊維を、昇温沿度0.5℃／分で300℃ま
で昇温させつつ不融化処理した。得られた繊維を、さら
に不活性気体としての窒素ガス中で昇温速度10℃/minで
850℃まで昇温させつつ熱処理し、炭化を行なった。

得られた繊維は直径14mm、捲縮数は1cm当たり７個で
あった。この炭素繊維3000本からなるフィラメントを、
折込み本数10.5本/inchで平織りに製織した。

この炭素繊維織物を800℃の水蒸気中で１時間処理
し、賦活を行った。得られた活性炭繊維織物は優れた吸
着性能および耐久性を有していた。

実施例 ４ 第一成分として軟化点306℃、光学異方性分率95％の
石炭系ピッチ、第二成分として軟化点239℃の石油系の
等方性ピッチを用い、サイドバイサイド型（腹背型）の
複合紡糸口金で、管状ノズルの周辺から加熱空気を噴出
させる紡糸孔を有する口金により、紡糸を行った。管状
ノズルの内径は0.25mm、紡糸温度は335℃、複合比率は
第一：第二＝35:65であった。繊維断面に於ける複合形
態は第２図に示すようなものであった。

紡出したピッチ繊維を直ちにネットコンベヤーの上に
採取し、実施例１と同様にして不融化および炭化を行っ
た。得られた炭素繊維ウェブをパンチ密度25回/cm²のニ
ードルパンチを行った後、実施例１と同様にして賦活を
行った。

得られた活性炭繊維不織布は優れた吸着性能および耐
久性を有していた。

（ト）発明の効果 本発明の活性炭繊維は織物、不織布等の布構造の形態
で、一般の吸着剤として使用することが出来る。吸着す
る物質としては種々の気体、液中に溶解する種々の溶質
等である。活性炭繊維の使用される形態としては、種々
の工業用吸着剤、ガスマスク、浄水器、冷蔵庫や靴等の
脱臭剤、空調設備用の脱臭フィルター等である。

本発明の活性炭繊維はそのほかに、触媒担体、炭素分
子に対するイオンのインターカレーション電位を利用す
る蓄電池、キャパシター、コンデンサー等に用いられ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の活性炭繊維の横断面を示す略図であ
る。第２図は本発明の活性炭繊維の別の実施態様を示す
略図である。第３図は本発明のさらに別の実施態様を示
す略図である。 1:第一成分（気孔を有しない成分） 2:第二成分（多孔質成分）

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実質的に気体が吸着する様な気孔を有して
   いない部分と多孔質で気体等を吸着するように賦活され
   た部分とを、繊維の実質的に全長にわたり腹背状に配列
   させたことを特徴とする活性炭繊維。
2. 【請求項２】請求項１において気体を吸着する気孔を有
   しない部分が繊維断面積の10〜90％を占めることを特徴
   とする請求項１の活性炭繊維。
3. 【請求項３】請求項１および２において繊維に1cm当た
   り１個以上の捲縮を有することを特徴とする請求項１又
   は２のいずれかの活性炭繊維。
4. 【請求項４】光学異方性ピッチもしくは軽度の熱処理に
   より容易に光学異方性に転化するピッチを一成分とし、
   等方性ピッチを他の成分として腹背状に複合紡糸し、両
   成分が不融化する条件で不融化処理し、賦活処理するこ
   とを特徴とする活性炭繊維の製造方法。