JP3117523B2 - 気相法炭素繊維の製造方法 - Google Patents
気相法炭素繊維の製造方法Info
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- JP3117523B2 JP3117523B2 JP04002022A JP202292A JP3117523B2 JP 3117523 B2 JP3117523 B2 JP 3117523B2 JP 04002022 A JP04002022 A JP 04002022A JP 202292 A JP202292 A JP 202292A JP 3117523 B2 JP3117523 B2 JP 3117523B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気相法炭素繊維の製造
方法に関するものである。
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】炭素繊維は、ガラス繊維などに比べ、高
強度、高弾性等の優れた特性を有するために、プラスチ
ックなどの有機材料、セラミック、セメントなどの無機
材料、或いは金属材料などをマトリックスとして組合せ
た複合材料として、電子、電機、宇宙、航空、車両、建
築、レジャー用品などの広い分野で注目され、使用され
ている。
強度、高弾性等の優れた特性を有するために、プラスチ
ックなどの有機材料、セラミック、セメントなどの無機
材料、或いは金属材料などをマトリックスとして組合せ
た複合材料として、電子、電機、宇宙、航空、車両、建
築、レジャー用品などの広い分野で注目され、使用され
ている。
【０００３】従来、炭素繊維の製造にあたっては、合成
繊維や石油ピッチ繊維等の有機繊維を炭化する方法と、
ベンゼン、メタンといった炭化水素を炭素供給源とし
て、これを触媒下で熱分解して炭素繊維を生成させる気
相法による製造法が良く知られている。気相法による炭
素繊維の製造法については、旧くは特公昭41-12091号公
報に記載されている他に、これまでに数多く報告されて
いる。しかしながら、これまでの方法では、炭素繊維の
成長速度が遅く、長い反応時間を必要とする難点があ
り、特に触媒粒子と接触し、炭素の繊維成長種微粒子の
生成と繊維成長とが同時に並行して進むために、最適な
種微粒子を得ることが非常に難しかった。また得られる
炭素繊維も表面が滑らかであり、樹枝状或いは凹凸状に
なったものや（特開昭48-41038号、特開昭57-117623号公
報）、微小絨毛を密生させたもの（特開昭58-156512号
公報）もあるが、複合材料として用いた場合にマトリッ
クスとの密着性が充分でなく、補強効果が充分に得られ
ないという欠点があった。
繊維や石油ピッチ繊維等の有機繊維を炭化する方法と、
ベンゼン、メタンといった炭化水素を炭素供給源とし
て、これを触媒下で熱分解して炭素繊維を生成させる気
相法による製造法が良く知られている。気相法による炭
素繊維の製造法については、旧くは特公昭41-12091号公
報に記載されている他に、これまでに数多く報告されて
いる。しかしながら、これまでの方法では、炭素繊維の
成長速度が遅く、長い反応時間を必要とする難点があ
り、特に触媒粒子と接触し、炭素の繊維成長種微粒子の
生成と繊維成長とが同時に並行して進むために、最適な
種微粒子を得ることが非常に難しかった。また得られる
炭素繊維も表面が滑らかであり、樹枝状或いは凹凸状に
なったものや（特開昭48-41038号、特開昭57-117623号公
報）、微小絨毛を密生させたもの（特開昭58-156512号
公報）もあるが、複合材料として用いた場合にマトリッ
クスとの密着性が充分でなく、補強効果が充分に得られ
ないという欠点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、触媒の導入
方法を種々検討の結果、炭素繊維の成長速度が大きく、
短時間で炭素繊維を生成する方法を提供するものであ
り、しかもマトリックスとの密着性に優れた炭素繊維を
提供するものである。
方法を種々検討の結果、炭素繊維の成長速度が大きく、
短時間で炭素繊維を生成する方法を提供するものであ
り、しかもマトリックスとの密着性に優れた炭素繊維を
提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、炭化水素を炭
素供給源とする気相法炭素繊維の製造方法において、炭
素供給源として、予めガス状の炭化水素を連続的に導入
し、炭化水素の存在する炭素繊維析出帯域に、触媒原料
である有機金属化合物を溶解した溶液を液パルス形式で
導入し反応管壁に衝突させることにより触媒微粒子を発
生させ、該触媒微粒子と前記ガス状の炭化水素とを接触
させることにより種微粒子を生成させ、更に前記種微粒
子と前記ガス状の炭化水素とを接触させることにより炭
素繊維を成長させることを特徴とする気相法炭素繊維の
製造方法である。
素供給源とする気相法炭素繊維の製造方法において、炭
素供給源として、予めガス状の炭化水素を連続的に導入
し、炭化水素の存在する炭素繊維析出帯域に、触媒原料
である有機金属化合物を溶解した溶液を液パルス形式で
導入し反応管壁に衝突させることにより触媒微粒子を発
生させ、該触媒微粒子と前記ガス状の炭化水素とを接触
させることにより種微粒子を生成させ、更に前記種微粒
子と前記ガス状の炭化水素とを接触させることにより炭
素繊維を成長させることを特徴とする気相法炭素繊維の
製造方法である。
【０００６】本発明の最も特徴とするところは、触媒成
分を炭素供給源と共に定量的に流すのではなく、パルス
として高温の反応域に導入するところにある。それによ
り、高密度な状態の触媒微粒子域を得ることが可能とな
り、触媒微粒子への伝熱が非常に良くなり、発生した触
媒微粒子と炭素供給源との接触が瞬時となって炭素の種
微粒子生成が最初に起こり、次いで供給されてくる炭素
供給源と種微粒子の接触により炭素繊維が成長してゆく
という過程を経るため、種微粒子生成過程と繊維成長過
程とを区別することができ、触媒微粒子と炭素供給源を
供給する量やこれらが接触するまでの時間、種微粒子が
炭素供給源と接触して繊維が成長する時間などを自由に
制御することができ、繊維成長に必要な最適の大きさの
種微粒子の生成を容易に行なうことができ、従来の方法
に比べ、数十〜数百倍の成長速度で炭素繊維を得ること
ができる。
分を炭素供給源と共に定量的に流すのではなく、パルス
として高温の反応域に導入するところにある。それによ
り、高密度な状態の触媒微粒子域を得ることが可能とな
り、触媒微粒子への伝熱が非常に良くなり、発生した触
媒微粒子と炭素供給源との接触が瞬時となって炭素の種
微粒子生成が最初に起こり、次いで供給されてくる炭素
供給源と種微粒子の接触により炭素繊維が成長してゆく
という過程を経るため、種微粒子生成過程と繊維成長過
程とを区別することができ、触媒微粒子と炭素供給源を
供給する量やこれらが接触するまでの時間、種微粒子が
炭素供給源と接触して繊維が成長する時間などを自由に
制御することができ、繊維成長に必要な最適の大きさの
種微粒子の生成を容易に行なうことができ、従来の方法
に比べ、数十〜数百倍の成長速度で炭素繊維を得ること
ができる。
【０００７】また本発明によれば、触媒微粒子が高密度
に生成するため、触媒微粒子や繊維が成長するに至らな
かった種微粒子が、成長した繊維の表面に一面に密に付
着することになり、繊維の表面に炭素が半球状に析出
し、更にその隙間に熱ＣＶＤにより炭素が析出して表面
に微小な炭素粒状体が密集した炭素繊維を得ることがで
きる。この微小な粒状体は、マトリックスと複合体を作
るときに強固な投描効果を示し、繊維とマトリックスと
の密着性の高い優れた特性を発揮することが可能とな
る。
に生成するため、触媒微粒子や繊維が成長するに至らな
かった種微粒子が、成長した繊維の表面に一面に密に付
着することになり、繊維の表面に炭素が半球状に析出
し、更にその隙間に熱ＣＶＤにより炭素が析出して表面
に微小な炭素粒状体が密集した炭素繊維を得ることがで
きる。この微小な粒状体は、マトリックスと複合体を作
るときに強固な投描効果を示し、繊維とマトリックスと
の密着性の高い優れた特性を発揮することが可能とな
る。
【０００８】本発明において使用する炭素供給源として
は、通常炭化水素が用いられ、例えば、メタン、エタ
ン、プロパン、アセチレン、エチレン、プロピレンなど
の脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、ナフタレン、
アンスラセンなどの芳香族炭化水素などが使用される。
は、通常炭化水素が用いられ、例えば、メタン、エタ
ン、プロパン、アセチレン、エチレン、プロピレンなど
の脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、ナフタレン、
アンスラセンなどの芳香族炭化水素などが使用される。
【０００９】触媒としては、金属触媒が用いられ、金属
としては、鉄、ニッケル、コバルト、チタン、ジルコ
ン、ヴァナジウム、ニオブマンガン、ロジウム、タング
ステン、パラジウム、白金、シリコンなどであり、これ
らの金属を、有機金属化合物として用いる。
としては、鉄、ニッケル、コバルト、チタン、ジルコ
ン、ヴァナジウム、ニオブマンガン、ロジウム、タング
ステン、パラジウム、白金、シリコンなどであり、これ
らの金属を、有機金属化合物として用いる。
【００１０】キャリーガスとしては、水素ガス、一酸化
炭素ガスといった還元性のガスを単独で、或いはこれに
窒素ガス、二酸化炭素ガスなどを混合して用いる。
炭素ガスといった還元性のガスを単独で、或いはこれに
窒素ガス、二酸化炭素ガスなどを混合して用いる。
【００１１】本発明の方法について、概略図を用いて以
下に詳述する。図１は、反応器部分における繊維製造手
順の一例を示すもので、反応器１中にキャリアガスとし
て水素を、反応器中間部にある原料導入口２より炭素供
給源としてベンゼン蒸気を定常的に流し（）、次いで
この状態のところへ、触媒として鉄の有機化合物である
フェロセンをベンゼンに溶解した溶液を定量パルスポン
プ３より液パルスで打込み、反応器壁４に衝突させる。
反応器壁４は、所定の温度に加熱されており、ここに衝
突した液パルスは瞬時に熱せられた触媒微粒子を生成し
て炭素繊維析出帯域５全体に拡散する（）。生成した
触媒微粒子は、ベンゼン蒸気と接触し、種微粒子とな
り、これから気相成長した炭素繊維（ＶＧＣＦ）が短時
間に成長を続け、反応器の下流に設置された内管６にト
ラップされ、更に繊維は成長を続ける（）。また、こ
の内管はなくても反応管下流に成長した繊維が運ばれ
る。その際に、一部の繊維は反応管に付着して成長す
る。一定の反応時間を経過後にキャリアガスを窒素ガス
に切替えて反応を停止し、ＶＧＣＦを回収する（）。
下に詳述する。図１は、反応器部分における繊維製造手
順の一例を示すもので、反応器１中にキャリアガスとし
て水素を、反応器中間部にある原料導入口２より炭素供
給源としてベンゼン蒸気を定常的に流し（）、次いで
この状態のところへ、触媒として鉄の有機化合物である
フェロセンをベンゼンに溶解した溶液を定量パルスポン
プ３より液パルスで打込み、反応器壁４に衝突させる。
反応器壁４は、所定の温度に加熱されており、ここに衝
突した液パルスは瞬時に熱せられた触媒微粒子を生成し
て炭素繊維析出帯域５全体に拡散する（）。生成した
触媒微粒子は、ベンゼン蒸気と接触し、種微粒子とな
り、これから気相成長した炭素繊維（ＶＧＣＦ）が短時
間に成長を続け、反応器の下流に設置された内管６にト
ラップされ、更に繊維は成長を続ける（）。また、こ
の内管はなくても反応管下流に成長した繊維が運ばれ
る。その際に、一部の繊維は反応管に付着して成長す
る。一定の反応時間を経過後にキャリアガスを窒素ガス
に切替えて反応を停止し、ＶＧＣＦを回収する（）。
【００１２】概略図に示した方法以外にも、触媒の導入
については、例えば反応器中心に極微細管から超微粒子
でパルスを噴霧するといった方法をとることもできる。
また、ベンゼン蒸気をキャリアガスと共に最初から流す
とか、反応器に予熱部を設けておくといったことも可能
である。繊維の補捉は、自重で堆積させてもよいし、反
応器外へ排出するとか、縦型で自由落下させるとかの方
法をとることもできる。
については、例えば反応器中心に極微細管から超微粒子
でパルスを噴霧するといった方法をとることもできる。
また、ベンゼン蒸気をキャリアガスと共に最初から流す
とか、反応器に予熱部を設けておくといったことも可能
である。繊維の補捉は、自重で堆積させてもよいし、反
応器外へ排出するとか、縦型で自由落下させるとかの方
法をとることもできる。
【００１３】液パルスの導入は、0.2〜4.0秒、好ましく
は0.3〜0.6秒の範囲内のパルス間隔で行なうのが良い。
通常、析出帯域の反応温度は、800〜1300℃、反応時間
は、バッチ式では10秒〜10分、連続式では成長域滞留時
間が10秒〜2分である。炭素源の供給量は、0.01〜0.1ml
／min、キャリアガスの流量は10〜60ml／minである。パ
ルス間隔、反応温度、反応時間、炭素源の種類や供給
量、溶媒の種類などを適宜選択調節することにより、炭
素繊維の成長速度、得られる炭素繊維の太さ、長さ、表
面状態などを制御することができる。炭素繊維の成長
は、100〜1500μm／secの速度で制御することができ、
繊維径1.0〜6.0μm、長さ3〜50mmのものを得ることがで
きる。炭素繊維表面に密集する微小炭素粒状体の大きさ
は、0.10〜15.0μmである。以下に実施例を示す。
は0.3〜0.6秒の範囲内のパルス間隔で行なうのが良い。
通常、析出帯域の反応温度は、800〜1300℃、反応時間
は、バッチ式では10秒〜10分、連続式では成長域滞留時
間が10秒〜2分である。炭素源の供給量は、0.01〜0.1ml
／min、キャリアガスの流量は10〜60ml／minである。パ
ルス間隔、反応温度、反応時間、炭素源の種類や供給
量、溶媒の種類などを適宜選択調節することにより、炭
素繊維の成長速度、得られる炭素繊維の太さ、長さ、表
面状態などを制御することができる。炭素繊維の成長
は、100〜1500μm／secの速度で制御することができ、
繊維径1.0〜6.0μm、長さ3〜50mmのものを得ることがで
きる。炭素繊維表面に密集する微小炭素粒状体の大きさ
は、0.10〜15.0μmである。以下に実施例を示す。
【００１４】
（実施例１）電気炉内に予熱部と反応部（炭素繊維析出
帯域）とを持つ、中間部に原料導入口のついた反応器を
設置し、30分間窒素ガスを流した後、水素ガスを60ml／
minの流量で流しておき、反応管を加熱する。予熱部の
温度800℃、反応部の温度1050℃になったところで、ベ
ンゼンを0.1ml／minの流量で原料導入口より流し、安定
したところで、フェロセンの10％ベンゼン溶液を0.025m
l単位で0.5秒間隔のパルスで１秒間原料導入口より対壁
へ打込み、打込開始後0.5分間反応経過したところでベ
ンゼン及び水素ガスの供給を停止し、窒素ガスに切替
え、反応を停止した。得られた炭素繊維は、表面に0.18
〜1.0μmの炭素粒状体が密集した、径10〜20μm、長さ3
5〜45mmのものであった。
帯域）とを持つ、中間部に原料導入口のついた反応器を
設置し、30分間窒素ガスを流した後、水素ガスを60ml／
minの流量で流しておき、反応管を加熱する。予熱部の
温度800℃、反応部の温度1050℃になったところで、ベ
ンゼンを0.1ml／minの流量で原料導入口より流し、安定
したところで、フェロセンの10％ベンゼン溶液を0.025m
l単位で0.5秒間隔のパルスで１秒間原料導入口より対壁
へ打込み、打込開始後0.5分間反応経過したところでベ
ンゼン及び水素ガスの供給を停止し、窒素ガスに切替
え、反応を停止した。得られた炭素繊維は、表面に0.18
〜1.0μmの炭素粒状体が密集した、径10〜20μm、長さ3
5〜45mmのものであった。
【００１５】（実施例２）実施例１において、反応部の
温度を1100℃、ベンゼン流量0.07ml／min、液パルス0.3
秒間隔で１秒間、反応経過時間0.25分とした以外は実施
例１と同様にして反応を行なった。得られた炭素繊維
は、表面に1.0〜4.5μmの炭素粒状体が密集した、径2.5
〜6.0μm、長さ40〜50mmのものであった。
温度を1100℃、ベンゼン流量0.07ml／min、液パルス0.3
秒間隔で１秒間、反応経過時間0.25分とした以外は実施
例１と同様にして反応を行なった。得られた炭素繊維
は、表面に1.0〜4.5μmの炭素粒状体が密集した、径2.5
〜6.0μm、長さ40〜50mmのものであった。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、炭素繊維の成長速度が
大きく、短時間で必要な長さの繊維を得ることができ、
しかも複合材料としたときにマトリックスとの密着性に
優れた炭素繊維を得ることができる。
大きく、短時間で必要な長さの繊維を得ることができ、
しかも複合材料としたときにマトリックスとの密着性に
優れた炭素繊維を得ることができる。
【図１】本発明による炭素繊維の製法を示す一例の概略
図である。
図である。
１：反応器 ２：原料導入口 ３：定量パルスポンプ ４：反応器壁 ５：炭素繊維析出帯域 ６：内管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−194223（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−108723（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−242（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) D01F 9/127 C01B 31/02
Claims (1)
- 【請求項１】 炭化水素を炭素供給源とする気相法炭素
繊維の製造方法において、炭素供給源として、予めガス
状の炭化水素を連続的に導入し、炭化水素の存在する炭
素繊維析出帯域に、触媒原料である有機金属化合物を溶
解した溶液を液パルス形式で導入し反応管壁に衝突させ
ることにより触媒微粒子を発生させ、該触媒微粒子と前
記ガス状の炭化水素とを接触させることにより種微粒子
を生成させ、更に前記種微粒子と前記ガス状の炭化水素
とを接触させることにより炭素繊維を成長させることを
特徴とする気相法炭素繊維の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04002022A JP3117523B2 (ja) | 1992-01-09 | 1992-01-09 | 気相法炭素繊維の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04002022A JP3117523B2 (ja) | 1992-01-09 | 1992-01-09 | 気相法炭素繊維の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06146117A JPH06146117A (ja) | 1994-05-27 |
| JP3117523B2 true JP3117523B2 (ja) | 2000-12-18 |
Family
ID=11517708
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04002022A Expired - Lifetime JP3117523B2 (ja) | 1992-01-09 | 1992-01-09 | 気相法炭素繊維の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3117523B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06320321A (ja) * | 1993-05-12 | 1994-11-22 | Fuji Sangyo Kk | アルミ材加工用エンドミル |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5727298B2 (ja) * | 2011-05-30 | 2015-06-03 | 住友ベークライト株式会社 | 繊維状炭素の製造方法および製造装置 |
| JP6020850B2 (ja) | 2012-03-08 | 2016-11-02 | 旭カーボン株式会社 | 炭素繊維の製造方法および炭素繊維 |
-
1992
- 1992-01-09 JP JP04002022A patent/JP3117523B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06320321A (ja) * | 1993-05-12 | 1994-11-22 | Fuji Sangyo Kk | アルミ材加工用エンドミル |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06146117A (ja) | 1994-05-27 |
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