JP2607670B2

JP2607670B2 - 成形断熱材

Info

Publication number: JP2607670B2
Application number: JP1049234A
Authority: JP
Inventors: 博文久徳; 公男北野
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1989-03-01
Filing date: 1989-03-01
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: JPH02227244A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、高温熱処理時の断熱材や緩衝材等として好
適な成形断熱材に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとする課題］近年、真空蒸着炉、半導体単結晶成長炉、セラミック
ス焼結炉やC/Cコンポジット焼成炉等による高温熱処理
が重要視されている。この高温熱処理時には、断熱材
に、耐熱性、断熱性、機械的強度及び耐久性に優れ、高
温で物性劣化が生じないことが必要とされる。従って、
炭素繊維を出発原料とする断熱材の有用性が高まってい
る。

上記の点に鑑み、炭素繊維フェルトに炭化可能な樹脂
を含浸させ、含浸フェルトを積層圧縮しつつ所望の厚さ
と嵩密度をもつ成形物とし、次いで成形物を成形断熱材
とする成形断熱材の製造方法が提案されている（特公昭
50−35930号公報参照）。

しかしながら、この方法では、嵩密度の同じ複数の炭
素繊維フェルトを積層するので、得られた成形断熱材の
嵩密度が一定であり、断熱効率が十分でない。

炭素繊維製フェルト等を素材とする成形断熱材の断熱
性は、一般に、断熱材の空隙部、すなわち熱伝導率の小
さな空気層の割合及び繊維の方向性に依存する。

一方、嵩密度、温度と熱伝導率は、実験によると、第
７図のような関係にあることがわかった。すなわち、中
温度域で嵩密度の大きな断熱材と小さな断熱材の熱伝導
率が逆転しているのである。従って、嵩密度が均一であ
る従来の断熱材中の温度分布は、嵩密度が小さい場合
は、第４図中ａ、大きい場合は第４図中ｂで示されるよ
うな曲線になる。それ故、高温側から定温側に向って連
続的に嵩密度が変り、各温度で最も熱伝導率が小さい値
を得るような断熱材を作製すれば、第４図中ｃで示され
るように、断熱性能は最も優れ、定温側の外表面の温度
は、前記第４図のａ、ｂの場合よりも低くなり、理想的
な断熱性を示す。

しかし、そのような断熱材を作製することは工業的に
極めて困難である。

本発明の目的は、嵩密度の異なる断熱材を複数枚用い
て、理想に近い性能を有する断熱材を作製することにあ
る。

［発明の構成］本発明は、外部の雰囲気温度に拘らず優れた断熱性を
確保するためには、外部の雰囲気温度に応じて断熱材の
最適な嵩密度が存在することに着目してなされたもので
ある。すなわち、本発明は、複数層の炭素繊維製フェル
トが、炭化物若しくは黒鉛化物で接合、又は黒鉛シート
を介して、炭化物若しくは黒鉛化物で接合された成形断
熱材であって、各相を形成する炭素繊維製フェルトの嵩
密度が、各層内で略一定であって、かつ接合面と直角な
方向に嵩密度が段階的に減少している成形断熱材によ
り、上記課題を解決するものである。

また本発明は、接合面と平行な少なくとも１つの外表
面に黒鉛シートを有する成形断熱材により、上記課題を
解決するものである。

なお、本明細書における用語の定義は次の通りであ
る。

不融化とは、ピッチ系繊維を、酸素存在下、例えば20
0〜450℃程度の温度で加熱して表面に耐熱層を形成し、
焼成時の溶融を防止する処理を言う。耐炎化処理とは、
ピッチ系繊維以外のフェノール樹脂繊維等の炭素含有物
質を、酸素存在下、例えば200〜450℃程度の温度で加熱
して表面に耐熱層を形成し、焼成時の溶融を防止する処
理を言う。

炭化とは、フェノール樹脂等の炭素含有物質を、例え
ば450〜1500℃程度の温度で焼成処理することを言う。
黒鉛化とは、炭素含有物質を、例えば1500〜3000℃程度
の温度で焼成処理することを言い、結晶構造が黒鉛化し
ていないときでも黒鉛化の概念に含める。

本明細書では炭素繊維とは炭化又は黒鉛化された繊維
を言う。

本発明の成形断熱材を構成する炭素繊維製フェルトの
炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル、フ
ェノール樹脂、レーヨン等の高分子繊維を素材とする炭
素繊維や、石油ピッチ、石炭ピッチ、液晶ピッチ等のピ
ッチ系炭素繊維が挙げられ、少なくとも一種使用され
る。各繊維は、例えば繊維径５〜30μｍ等適宜のものが
使用できる。

炭素繊維製フェルトの厚みは、通常５〜200mm程度で
十分である。また積層数は、所望する成形断熱材の厚み
等に応じて適宜使用できる。

複数の炭素繊維製フェルトは、炭化物又は黒鉛化物で
積層一体化されている。従って、成形断熱材の機械的強
度も大きい。接合剤としての炭化物又は黒鉛化物は、例
えば、接合面に塗布した樹脂を焼成することにより得る
ことができる。樹脂としては、例えば、フェノール樹
脂、フラン樹脂、キシレン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹
脂、グアナミン樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレー
ト樹脂、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、熱硬化性
アクリル樹脂、ポリイミドなどの熱硬化性樹脂が例示さ
れ、一種または二種以上混合して使用される。上記樹脂
のうち特にフェノール樹脂が好ましい。

成形断熱材は、第３図（Ａ）に示されるように、複数
層の炭素繊維製フェルト（1a）（1b）（1c）が、炭化物
又は黒鉛化物（2a）（2b）で接合されていてもよく、第
３図（Ｂ）に示されるように、黒鉛シート（３）を介し
て、黒鉛シート（３）と、炭素繊維製フェルト（1a）
（1b）（1c）とが黒鉛シート（３）両側の炭化物又は黒
鉛化物（2a）（2b）で接合されていてもよい。また第３
図（Ｃ）に示されるように、複数層の炭素繊維製フェル
ト（1a）（1b）（1c）が、炭化物又は黒鉛化物（2b）
（2b）で接合されていと共に、接合面と平行な少なくと
も１つの外表面に黒鉛シート（３）が炭化物は黒鉛化物
（2a）で接合されていてもよい。

なお、接合は、当該部に樹脂を塗布した後、各フェル
トを加圧・加温して一体化した後、焼成して炭化又は黒
鉛化したものでもよいし、各炭素繊維製フェルトに樹脂
を含浸し、ウエットな状態で各フェルトを加圧・加温し
て一体化した後、焼成して形成された炭化物又は黒鉛化
物であってもよい。後者の場合、積極的に接合剤として
の樹脂の塗布は必要ではない。

そして、成形断熱材を構成する複数層の炭素繊維製フ
ェルト（1a）（1b）（1c）の嵩密度ρ１、ρ２、ρ３
は、接合面と直角な方向に段階的に小さくなっている。
すなわち、高温側では嵩密度の大きいものを使用し、低
温側では嵩密度の小さいものを使用するようにし、その
間は、段階的に高温側から低温側に向って、嵩密度が段
階的に小さくなるように配置して使用する。

従って、該断熱材は、低温域及び高温域の全ての温度
場において融れた断熱性を示す。複数の炭素繊維製フェ
ルトの嵩密度は、使用する温度に応じて適宜設定するこ
とができるが、通常0.01〜0.5g/cm³、好ましくは0.1〜
0.35g/cm³程度の嵩密度の範囲内で変化している。嵩密
度が0.01g/cm³未満であると低温域での断熱性が十分で
ないだけでなく、強度も小さい。また0.5g/cm³を越える
と高温域での断熱性が十分でない。また上記構成の成形
断熱材は、嵩密度分布が一定の断熱体よりも断熱性に優
れるので、全体として厚みを小さくすることができ経済
的であると共に、成形断熱材の熱容量も小さくすること
ができる。

成形断熱材の形状は、用途に応じて選択され、平板状
や、断面多角形、円筒状などであってもよく、断面中空
状であってもよい。

なお、複数層の炭素繊維製フェルトの嵩密度が、段階
的に減少していると、高温域及び低温域での断熱性を確
保することができる。すなわち、第１図に示すように、
嵩密度ρが0.18g/cm³の炭素繊維製フェルト（1a）で高
温域における断熱性を、嵩密度ρが0.10g/cm³の炭素繊
維製フェルト（1b）で低温域における断熱性を確保でき
る。上記成形断熱材は、第２図中、実線で示されるよう
に、嵩密度ρの異なる炭素繊維製フェルトが外部雰囲気
温度Ｔで最も熱伝導率λが小さくなるように積層一体化
している。なお、第２図中、破線で示される低嵩密度の
炭素繊維製フェルトや一点破線で示される高嵩密度の炭
素繊維製フェルトを単独で用いても高温域及び低温域で
の断熱性が十分でない。

上記構造の成形断熱材は、嵩密度の異なる複数の炭素
繊維製フェルトに炭化又は黒鉛化可能な樹脂を含浸させ
て積層し、加圧加熱した後、焼成することにより得るこ
とができる。すなわち、工程図である第５図に示される
ように、嵩密度の大きな炭素繊維製フェルトＡと、嵩密
度の小さな炭素繊維製フェルトＢとを用いる。嵩密度の
大きな炭素繊維製フェルトＡは、炭素繊維製フェルトに
樹脂を含浸させ、圧縮して焼成することにより得てもよ
いが、この場合、嵩密度の大きな炭素繊維性フェルトの
空隙率が低下する。従って、含浸樹脂を用いることな
く、嵩密度の大きな炭素繊維製フェルトを次のようにし
て作製するのが好ましい。すなわち、不融化されたピッ
チ系繊維又は炭素繊維（以下、特に断わりのない限り炭
素繊維と総称する）と、耐炎化処理をした又は耐炎化処
理をしていないフェノー樹脂繊維（以下、フェノール樹
脂繊維という）とを混紡し、機械的に接合圧縮した後、
焼成することにより作製できる。

以下に、樹脂を含浸させることなく、嵩密度の大きな
炭素繊維製フェルトを作製する方法を、具体的に説明す
る。

先ず、炭素繊維とフェノール樹脂繊維とを混紡する。
混紡割合は、通常、炭素繊維／フェノール樹脂繊維＝5/
95〜95/5、好ましくは10/90〜90/10、更に好ましくは25
/75〜75/25重量％程度である。炭素繊維が５重量％未満
であると、フェノール樹脂繊維と混合して紡績用カード
で紡出するとき、混紡の均整度がばらつき、かつ炭素繊
維が飛毛してしまう虞がある。また炭素繊維が95重量％
を越えると嵩密度を高めることが困難である。上記範囲
内で混紡割合を調整することにより、炭素繊維製フェル
トの嵩密度を容易に制御できる。なお、炭素繊維単独で
炭素繊維製フェルトを作製すると、剪断強度が小さいた
め、機械的接合圧縮工程で繊維の切断が生じ易く、繊維
同士の絡み合いや嵩密度を高めるので困難である。

次いで、混紡繊維をシート状にした混紡ウェブを形成
した後、混紡ウェブをニードルパンチ等で機械的に接合
圧縮し、フェルトの嵩密度を大きくする。混紡ウェブ
は、従来慣用の方法、例えば紡績用カードを用いる方法
等により作製できる。混紡繊維の方向は一方向に揃って
いてもよく、方向性がなくてもよい。また上記機械的接
合圧縮手段としては、混紡ウェブを縫合するステッチ法
等であってもよいが、ニードルパンチ法が好ましい。な
お、混紡して接合圧縮すると、厚みを薄くしても機械的
強度が著しく低下することがない。フェルトの圧縮度、
嵩密度は、接合箇所の密度や接合回数等を調整すること
により容易に制御することができる。

そして、圧縮されたフェルトを焼成することにより高
密度炭素繊維製フェルトが得られる。

焼成工程での炭化及び黒鉛化は、通常、真空下又は不
活性雰囲気中で行なわれる。なお、炭素繊維として不融
化したピッチ系繊維を使用するとき、該ピッチ系繊維も
炭化乃至黒鉛化される。

次に、第５図に基づき、上記方法によって得られた高
密度炭素繊維製フェルトを用いて、本発明の嵩密度が段
階的に異なる成形断熱材を製造する方法について述べ
る。

高嵩密度炭素繊維製フェルトＡ及び嵩密度が小さな炭
素繊維製フェルトＢに溶剤で希釈したフェノール樹脂等
の熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱しながら加圧し、一体
成形する。この後、炭化又は黒鉛化することにより、第
３図（Ａ）のような嵩密度が厚み方向に異なる成形断熱
材を得る。この場合、炭素繊維製フェルトの代りに、混
紡によって得られた炭素繊維製フェルトのうち嵩密度の
異なるフェルトを用いてもよく、また高嵩密度炭素繊維
製フェルトと低嵩密度炭素繊維製フェルトのうちいずれ
か１層を用い、他方を複数枚用いてもよく、またそれぞ
れ複数枚ずつ組合せてもよい。

その他、第２の製造方法としては、次のような方法が
ある。第６図に示すように、炭素繊維製フェルトに前記
樹脂溶液を含浸させた後、加熱しながら、加圧し、所望
の嵩密度となるように圧縮し、嵩密度が略均一な成形体
を得る。得られた成形体から嵩密度の異なる炭素繊維製
フェルトを２つ以上、嵩密度が段階的に小さくなるよう
に積層し、再度加熱しながら、加圧し、複数のフェルト
を一体化する。この際、接合するフェルト面には、炭化
又は黒鉛化可能な炭素材質の接着剤が塗布される。

また断熱性能をより向上させるために、少なくとも１
つの接合面に、焼成により炭化又は黒鉛化する樹脂を塗
布した黒鉛シートを配して積層、焼成し、第３図（Ｂ）
に示されるような成形断熱材を作製してもよい。さらに
は、第３図（Ｃ）に示されるように、表面に黒鉛シート
を貼着した後、焼成してもよい。

［発明の効果］以上のように、本発明の成形断熱材によれば、複数層
の炭素繊維製フェルトを炭化物又は黒鉛化物で接合し一
体化しており、かつ嵩密度が一端から他端に向って減少
しているので、高温側に高嵩密度のフェルトを配し、低
温側に低嵩密度のフェルトを配して使用することによ
り、高温側では熱伝導率の低い高嵩密度のフェルトの性
能を、また低温側では熱伝導率の低い低重密度のフェル
トの性能を享受でき、優れた断熱性を示す。

さらに、黒鉛シートを接合面と平行な外表面に配した
場合は、断熱性能がより向上する。

［実施例］以下に、実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明
する。

実施例１嵩密度の大きな炭素繊維製フェルトを次のようにして
作製した。すなわち、ピッチ系炭素繊維（単繊維直径13
μｍ、（株）ドナック製）50重量％と、耐炎化処理した
フェノール樹脂繊維（商品名カイノール、日本カイノー
ル社製）50重量％とを混紡した。次いで、混紡ウェブを
形成し、ニードルパンチにより、嵩密度約0.13g/cm³の
フェルトを作製した。そして、不活性雰囲気中、温度95
0℃で焼成し炭化し、厚み約20mm、嵩密度0.15g/cm³の嵩
密度の大きなシート状炭素繊維製フェルトＡを作製し
た。

また嵩密度の小さな炭素繊維製フェルトとして、ピッ
チ系炭素繊維（単繊維直径13μｍ、（株）ドナック製）
を用い、上記と同様にニードルパンチし、厚み20mm、嵩
密度約0.05g/cm³の嵩密度の小さなシート状炭素繊維製
フェルトＢを作製した。

嵩密度の大きな炭素繊維製フェルトＡと嵩密度の小さ
な炭素繊維製フェルトＢに、レゾール型フェノール樹脂
（30重量％メタノール溶液）を含浸率70重量％でそれぞ
れ含浸させた。次いで、上記各炭素繊維フェルトＡ、Ｂ
を積層し、プレス機で加圧して状態で、１時間かけて温
度170℃に昇温し、同温度で２時間保つことにより、上
記フェノール樹脂を硬化させた。そして、プレス機から
積層成形体を取出し、窒素ガス雰囲気中、１℃／分の速
度で昇温し、温度1300℃で３時間保持することにより、
焼成炭化して、厚み31mmの目的とする層状で、かつ嵩密
度の異なる成形断熱材を得た。この成形断熱材の厚み方
向にスライスし、嵩密度分布を調べたところ、一方の炭
素繊維製フェルトは嵩密度0.22g/cm³、他方の炭素繊維
製フェルトは嵩密度0.08g/cm³の範囲であった。このよ
うにして得られた成形断熱材は、高嵩密度側が高温側に
なるように配して使用することにより、優れた断熱性を
発揮した。

実施例２実施例１の製造過程で得られた炭素繊維製フェルト
Ａ、Ｂの積層体を真空中で、３℃／分の速度で昇温し、
2000℃で３時間保持し、黒鉛化することにより、厚み約
30mmの成形断熱材を得た。そして、上記実施例１と同様
にして成形断熱材の嵩密度分布を調べたところ、一方の
炭素繊維製フェルトは嵩密度0.21g/cm³、他方の炭素繊
維製フェルトは嵩密度0.08g/cm³であった。このように
して得られた成形断熱材は、高嵩密度側が高温側になる
ように配して使用することにより、優れた断熱性を発揮
した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例である成形断熱材を示す概略断面
図、第２図は第１図に示す成形断熱材における外部温度Ｔと
熱伝導率λと断熱材の嵩密度ρとの関係を示す模式図、第３図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ本発明の成形断熱
材の積層状態の一例を示す概略断面図、第４図は成形断熱材の温度分布を示す概略図、第５図は本発明の成形断熱材の製造方法の一例を示す工
程図、第６図は本発明の成形断熱材の製造方法の他の例を示す
工程図、第７図は外部雰囲気温度Ｔと熱伝導率λと断熱材の嵩密
度ρとの関係を示す模式図である。（1a）（1b）（1c）……炭素繊維製フェルト、（2a）（2b）……炭化物又は黒鉛化物、（３）……黒鉛シート

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数層の炭素繊維製フェルトが、炭化物若
しくは黒鉛化物で接合、又は黒鉛シートを介して、炭化
物若しくは黒鉛化物で接合された成形断熱材であって、
各層を形成する炭素繊維製フェルトの嵩密度が、各層内
で略一定であって、かつ接合面と直角な方向に嵩密度が
段階的に減少していることを特徴とする成形断熱材。
【請求項２】接合面と平行な少なくとも１つの外表面に
黒鉛シートを有する請求項１記載の成形断熱材。