JP3042554B2 - 低密度炭素繊維成型体の黒鉛化処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低密度炭素繊維成型体の
黒鉛化処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】黒鉛化処理した低密度炭素繊維成型体
は、炭素繊維断熱材や炭素繊維−炭素複合材料（Ｃ／Ｃ
複合材料）の前駆体として用いられる。この黒鉛化処理
においては、通常抵抗加熱式炉、誘導加熱式炉等が用い
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
黒鉛化処理においては、炉詰め効率が悪く、特に円筒状
の形状を持つ製品を処理する場合等は、特に効率が低か
った。また、一度に大量に処理することができなかっ
た。これらの効率の悪さは直接コストに影響し、大きな
課題となっていた。又、このような課題を解決すべく、
電極材、人造黒鉛材等を黒鉛化処理するので多く用いら
れるアチソン炉を用いようとしても、被処理物の電気抵
抗が高いため、うまく通電し、自己発熱させることがで
きず、異常発熱等を生じてしまい、製品に処理温度むら
が生じやすいこと、炉圧（パッキングコークス重量によ
る）のため製品にクリープ割れや変形を生じやすいこ
と、炉中への洩れ込み空気により、処理する品物が酸化
消耗しやすいこと、パッキングコークス中等に含まれる
不純物によって製品の汚染料が大きくなりやすい、等の
課題があり、実現困難であった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで本発明者らは、鋭
意検討の結果、単にアチソン炉中で黒鉛化処理するので
はなく、処理する炭素繊維成型体を、黒鉛材製の容器に
収めたうえ、パッキングコークス中に埋め込んで黒鉛化
処理するならば、かかる課題を解決しうることを見出
し、本発明に到達した。すなわち本発明の目的は、良質
の炭素繊維断熱材やＣ／Ｃ複合材料を安価かつ大量に製
造しうる方法を提供することにあり、かかる目的は、密
度１．０ｇ／ｃｍ³以下の炭素繊維成型体を黒鉛材製の
容器に収め、パッキングコークス中に埋め込んで、アチ
ソン炉で黒鉛化処理することを特徴とする低密度炭素繊
維成型体の黒鉛化処理方法、により容易に達成される。
以下本発明をより詳細に説明する。

【０００５】本発明に使用する、炭素繊維成型体は、主
として炭素繊維から成り、一般に断熱材やＣ／Ｃ複合材
等の原材料として用いられるものであれば特に限定せれ
ず、その密度は１．０ｇ／ｃｍ³以下、より好ましくは
０．５ｇ／ｃｍ³以下である。密度が１．０ｇ／ｃｍ³を
越えると、変形等の問題を生じる公算が小さくなるの
で、本発明の方法を用いる価値が小さい。本発明の黒鉛
化処理においては、熱処理すべき低密度炭素繊維成型体
は黒鉛ケース内に収めて処理される。黒鉛ケース（図
１）の大きさ（外寸）は後述の諸要因によって決められ
るが通常Ｌは〜２．５ｍ、Ｗは０．２〜１ｍ、好ましく
は０．２〜０．５ｍの範囲、Ｈは〜１．８ｍの大きさで
ある。黒鉛ケースは必ずしも一体物である必要はなく、
適当な大きさの黒鉛板を適宣組み合せて作っても良い。
ただし、この場合黒鉛ケースとして形を保てる様にする
ため、さらには内部に収める成型体の酸化消耗を出来る
だけ低減するため密封性を高めることが望ましく、図２
に示す様なホゾ方式、インロー方式、落し蓋方式等によ
り組立てることが好ましい。

【０００６】黒鉛ケースあるいは黒鉛ケースを組み立て
るための黒鉛板の厚さは取扱い重量、負荷重量と発熱の
させやすさとの兼ね合いになる。厚さが大であると黒鉛
ケース自体の重量も大となり炉への出し入れが困難とな
るし、またケース内に収められる成型体の量も少なくな
ってしまう。一方、厚さが小であるとケース内に収めら
れる成型体の重量あるいはパッキングコースの重量によ
ってケースが破壊する可能性が生じる。したがって１０
〜１００ｍｍ、好ましくは２０〜５０ｍｍの範囲の厚さ
とすることが望ましい。黒鉛ケースに用いる黒鉛材の電
気比抵抗は３０００μΩ・ｃｍ以下、好ましくは１５０
０μΩ・ｃｍ以下であることが発熱のさせやすさからみ
て望ましい。

【０００７】黒鉛ケースには収めた成型体の酸化消耗低
減および熱処理後の不純物量低減のため、窒素あるいは
アルゴン等の不活性ガスを導入しても良く、この場合は
黒鉛ケースから炉外パッキングコークス上に導いた黒鉛
パイプを通じてガスを送り込む方法が好ましい。本発明
において用いるアチソン炉の構造の一例を本発明実施態
応として示す。説明図として、炉上から見た状態を図３
に、通電方向に直交する断面で切った状態を図４に示
す。アチソン炉の大きさは一般的には長さ１０〜２５
ｍ、巾１．２〜２．５ｍ，深さ１．２〜２ｍ程度である
が、この中に成型体を収めた黒鉛ケース１を配置する。

【０００８】炉長さ方向には各黒鉛ケースに間隔をとっ
て配置することが必要である。この間隙によって通電ギ
ャップを作り通電抵抗を調節して炉の通電効率すなわち
発熱効率を確保する。間隙は通常１０〜１００ｃｍの範
囲で調節され、少なくとも５箇所以上設けられることが
望ましいが、その数が多くなると必然的に黒鉛ケースの
大きさが小さくなり、その中に収める低密度炭素繊維成
型体の大きさに制約が生じる。炉の形状が長矩形である
ので、通常は黒鉛ケースの長手方向、Ｌを炉長方向に揃
えて配置するが上記の事情により黒鉛ケースのＬには制
限が生じる。炉巾方向にも各黒鉛ケースに間隔をとって
配置することが望ましい。

【０００９】すなわち炉内にある黒鉛ケースの主たる発
熱面は通電方向に平行な面となるが、炉の巾方向に複数
の黒鉛ケースを配置して発熱面を分散させることが炉内
の均温性を高めるために望ましい。この場合隣接する黒
鉛ケース同士が接近しすぎていると発熱面が接近するこ
とになり、その部分の温度が相対的に高くなるので５〜
３０ｃｍの間隔をとることが望ましい。一般的な炉巾、
複数個の黒鉛ケースを配置すること、およびそれぞれ間
隔をとる必要のあること、より黒鉛ケースのＷには制限
が生じる。炉の深さ方向については長さ方向、巾方向の
様な条件はなく、炉深さ一杯の高さ、Ｈを持つ黒鉛ケー
スを置いても良いし、またＨの小さなケースをいくつか
間隔をとらずに積み重ねても良い。ただし、全体の高さ
がパッキングコークス２中に完全に、少なくとも３０ｃ
ｍ以上の厚さでもって埋まる範囲であることが酸化消耗
から黒鉛ケースおよび内部の成型体を保護するために必
要である。なお図中、３は炉壁、４は通電端子、５は炉
床を示す。

【００１０】黒鉛ケースを配置する場合に、通電経路調
節、発熱面調節のために黒鉛ケース以外の黒鉛部材
（板、丸棒等）を適宣配置しても良い。例えば炉の上
面、側面は放熱があるため炉中心部に比べて温度が低く
なり易い。これを防ぐため配置した黒鉛ケースの上面、
炉壁側側面に黒鉛板等を配置することが有効である。前
述の方法によって低密度炭素繊維成型体を黒鉛化処理す
ることが出来るが処理温度をより正確に調節するために
は炉内の温度を測定することが望ましい。この方法とし
ては炉内の黒鉛ケース外表面から炉外パッキングコーク
ス上に導いた、不活性ガスでシールされた黒鉛パイプ６
を通して、黒鉛ケースの外表面を放射温度計で側温する
方法が一般的である。

【００１１】通常黒鉛ケースの通電方向に平行な面の発
熱が早く、垂直な面の発熱は平行な面に比べるて遅れる
ので、この２点の温度を測定し、平行な面の温度が目的
の処理温度に近づいた所で通電量を調節して処理温度を
保持する様にする。そしてこの間に垂直な面の温度が処
理温度に追いついた所で通電を停止すれば全体を均一な
温度で処理することが出来る。以下本発明を実施例を用
いて説明するが、本発明はその要旨を越えない限り実施
例に限定されない。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）解繊した炭素繊維（三菱化成ダイアリード
Ｋ−５２１）にフェノール樹脂（群栄化学ＰＬ−２２１
１）を含浸した後、熱板プレスして得た成型体をレトル
トタイプの外熱式焼成炉で１０００℃まで焼成し、１５
００×１０００ｍｍ、厚さ５２ｍｍ，平均密度０．１９
５ｇ／ｃｍ²の低密度炭素繊維成型体を得た。この低密
度炭素繊維成型体を内寸３１５^W×１６５０^L×１１９０
^Hｍｍの４０ｍｍ厚さの黒鉛板（電気比抵抗７４０μΩ
ｃｍ）を組合せた黒鉛ケース内に６枚納めたものを１４
ケース準備した。この黒鉛ケースを図５の様に炉長１５
８００ｍｍ、炉巾１２００ｍｍ、炉深１３００ｍｍのア
チソン炉中に炉長方向に７列、炉巾方向に２列の配置で
並べた。黒鉛ケース間隔は通電方向で４３０ｍｍ、通電
方向に垂直な方向で８０ｍｍとした。

【００１３】黒鉛ケースを設置した後パッキングコーク
スを充填し、黒鉛ケースの上面より５５０ｍｍの高さま
で覆った。各黒鉛ケースには内径２０ｍｍの黒鉛パイプ
を取付け、パッキングコース外からＮ₂ガスを流し込め
る様にした。また、炉中心部に設置した黒鉛ケースの通
電方向に平行な端面および垂直な端面より、Ｎ₂ガスシ
ールした黒鉛パイプを導き、放射温度計で黒鉛ケースの
外表面温度を測定出来る様にした。以上のセットの終っ
た後、まず２ｌ／ｍｉｎの割合で２Ｈｒ、黒鉛ケース内
にＮ₂を通気し、その後Ｎ₂を止めて炉の通電を開始し
た。通電開始後５９Ｈｒ後に黒鉛ケースの通電方向に平
行な面の温度が２５００℃に達したので、投入電力を減
じ、さらに２１Ｈｒ後に垂直な面の温度が２４６０℃に
達した所で通電を停止した。通電停止の３Ｈｒ前から、
０．５ｌ／ｍｉｎの割合で再び黒鉛ケース内にＮ₂を通
気し、以後冷却を続けて８日後に製品を取り出すまで流
し続けた。炉の冷却が終了した後、パッキングコークス
を取除き、黒鉛ケースを取出して内部の炭素繊維成型体
を取出した。

【００１４】得られた炭素繊維成型体は一部に媒状の炭
素が付着していた以外には外観状の異状は認められず、
酸化消耗もほとんど認められなかった。また黒鉛化収縮
により成型体厚さが平均１．８％減じたが、反り、変形
等はなかった。成型体の灰分は平均２８７ｐｐｍであっ
た。

【００１５】

【比較例１】実施例１と同様にして得た１５００×１０
００ｍｍ、厚さ５２ｍｍ、平均密度０．１９６ｇ／ｃｍ
³の低密度炭素繊維成型体６枚を、１５００×１０００
ｍｍ、厚さ４０ｍｍの黒鉛板２枚で両側から狭み込む形
で図６の様にアチソン炉内に設置した。周囲は押出材炭
素板等７の製品を配置した。全体をパッキングコークス
内に埋めた後、常法に従って通電加熱し、冷却後成型体
８を取り出した。成型体のＸ回線折指数（ｄ００₂）よ
り推定した熱処理温度は２５５０℃であった。得られた
成型体は厚さが平均５．６％減した他、パッキングコー
クスに接している部分は著しく酸化消耗しており、部分
的には２００ｍｍ程内部まで浸食されていた。また灰分
は平均１２３０ｐｐｍであった（９：黒鉛板）。

【００１６】

【発明の効果】本発明により、変形等を生じにくい、生
産性、品質等に優れた低密度炭素繊維成型体の黒鉛化処
理方法を提供しうる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明に用いる黒鉛材製の容器の説
明図である。

【図２】 図２は本発明に用いる黒鉛材製の容器の説
明図である。

【図３】 図３は本発明方法をアチソン炉を用いて実
施している状態を示す説明図である。

【図４】 図４は本発明方法をアチソン炉を用いて実
施している状態を通電方向に直交する断面で切った説明
図である。

【図５】 図５は本発明の実施例において用いたアチ
ソン炉の状態（炉上面方向及び炉断面方向からみた状
態）を示す説明図である。

【図６】 図６は本発明の実施例において用いたアチ
ソン炉の状態を示す説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八十島 亮 山梨県中巨摩群櫛形町小笠原1226−１番 地 東洋カーボン株式会社山梨工場内 (56)参考文献 特開 平１−272827（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) D01F 9/12 - 9/32

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密度１．０ｇ／ｃｍ³以下の炭素繊維
   成型体を黒鉛材製の容器に収め、パッキングコークス中
   に埋め込んで、アチソン炉で黒鉛化処理することを特徴
   とする低密度炭素繊維成形体の黒鉛化処理方法。