JP3278883B2 - 流動気相成長微細繊維の製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、繊維を発生させる触
媒と、繊維の原料ガスと、キャリアガスとを加熱して、
浮遊状態で微細繊維を製造する装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の気相成長により製造する
微細繊維として、例えば気相成長炭素繊維が知られてい
る。この気相成長炭素繊維は、電気炉内にアルミナ等の
磁器、黒鉛等の基板を置き、これに炭素繊維の成長の核
となる鉄、ニッケル、コバルトの超微粒子触媒を形成
し、この上にベンゼン等の炭化水素のガスと水素キャリ
アガスの混合ガスを導入し、１０００〜１３００℃の温
度下に炭化水素を分解させることにより、基板上に炭素
繊維を成長させることができる。

【０００３】しかし、このような気相成長させる基板を
使用する製造手段では、基板表面での温度条件や反応条
件が均一でないため、収率が悪く、また繊維の取出しが
面倒となり、連続製造ができないことから生産性も悪い
など多くの問題点を有していた。

【０００４】このような観点から、本出願人は、先に有
機金属化合物を使用し、これを蒸発して気相中で金属触
媒を作成するという新しい手法によって、従来の触媒の
基板上への分散、炉内での還元、生成した繊維の炉外へ
の取出しという３つの操作の省略を可能とし、気相中で
炭素源としての有機化合物のガスと、触媒源としての有
機遷移金属化合物のガスとを所要温度に加熱した電気炉
内で熱分解することにより、触媒と炭素繊維を浮遊状態
で連続的に製造する手段を開発し、特許出願を行い特許
を得た（特公昭６２−４９３６３号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記特許に係
る気相成長繊維の製造手段においても、炉内での繊維の
蓄積が生じ、充分な連続化ができなかった。

【０００６】その理由は、推測するに、１つは電気炉内
で発生した触媒粒子、例えばフェロセンのガスから分解
して生じた鉄微粒子（これは純鉄か、鉄のカーバイト
か、または固体、液体、気体のいずれの状態かは明確で
はないが）が炉壁に付着し、それが基板法によって繊維
を生成させ、その繊維が浮遊繊維を引っ掛けて堆積を増
すと考えられる。また、１つには、何等かの理由で浮遊
繊維が炉壁に付着し、特に横型炉では、重力により浮遊
繊維が沈着するものと考えられる。

【０００７】炉内に繊維が堆積すると、炉内の気流にム
ラを生じるためか、粒状炭素が生成するという問題と、
運転初期に堆積した繊維は、運転中に直径方向の成長を
続けるので、短時間で炉を出ていった繊維や、運転後期
に堆積した繊維とでは、その直径が大幅に異なり、製品
ムラとなる。従って、適当な周期で堆積繊維を除去する
必要があった。

【０００８】一般的には、キャリアガスとしては、水素
を含むガスが用いられるので、炉内を窒素等の不燃ガス
と置換してから繊維を掻き出さねばならず、満足な操業
性が得られない。その対策として、炉内にスクリュー型
掻出し装置を設け、運転中に連続的に堆積繊維を掻き出
す方法も提案されているが、スクリューに触媒微粒子が
付着して繊維が成長してくるという問題があり、その除
去のために返って操業性が低下する。また、ガスの流量
を大きくしたり、炉を短くして加熱部分での滞在時間を
短くすると、炉内での繊維の堆積する割合は低下する
が、一方繊維の太さの成長が不十分となり、炉から流出
した繊維は、直径が非常に細いものになってしまう。

【０００９】ギャリー ジー． ティベッツ他（Gary
G．Tibbets et al.) は、米国特許第４，５６５，６８
４号明細書において、繊維の生成段階では原料ガス濃度
を低くして、できるだけ繊維の生成数と長さを大きく
し、次に原料ガス濃度を高くして繊維を太らせることに
より、繊維の生産効率を上げることについて述べてい
る。この場合、前記米国特許では基板法についてしか考
えていないが、前述したように基板法は本質的に生産性
は悪いのである。本発明においては、本質的に生産性の
高い流動気相法における炉内の繊維による詰りの問題を
対象としており、前記米国特許の方法から類推しても解
決方法はない。

【００１０】本発明者等は、気相成長法による微細繊維
の製造において、操業性の改善と、繊維径の自由度の改
善について種々検討を行い、従来は１つの炉で繊維の生
成とその太さ成長とを同時に行っており、この両工程を
分けることにより、これらの問題が解決できることを見
出し、本発明に到達した。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る流動気相成
長微細繊維の製造装置は、流動気相成長微細繊維を生成
させる第１の炉と、生成した流動気相成長微細繊維の太
さ成長を行わせる第２の炉とを搬送速度を可変に設定し
得るよう構成した搬送手段により連結した構成とし、前
記第１の炉に原料、触媒、キャリアガス等の繊維生成に
必要な成分を供給するための注入手段およびその他端部
にガス排出手段を設け、前記第２の炉に原料、キャリア
ガス等の繊維の太さ成長に必要な成分を供給するための
注入手段およびガス排出手段を設けることを特徴とす
る。

【００１２】前記の流動気相成長微細繊維の製造装置に
おいて、第１の炉と第２の炉とは、それぞれ炉の温度を
独立に制御可能に構成することができる。

【００１３】また、第１の炉において生成した微細繊維
を第２の炉に移送するための搬送手段は、大気中に解放
するように設定した構成とするか、あるいは大気中に解
放しないように設定した構成とすることができる。

【００１４】

【００１５】さらに、第１の炉と第２の炉との注入手段
は、それぞれ複数設けることができる。

【００１６】そして、気相成長微細繊維を搬送する基板
上に、第１の炉で生成した微細繊維を効率よく捕集する
ために、繊維が付着するための棒やメッシュを取付ける
ことができる。

【００１７】

【作用】本発明に係る流動気相成長微細繊維の製造装置
によれば、微細繊維の生成と微細繊維の太さ成長とを、
それぞれ独立した炉において行うため、それぞれに最適
な条件を選択することができ、また炉を搬送される基板
の搬送速度を選択することによって、微細繊維の太さ成
長時間を自由に設定できるために、微細繊維の直径のコ
ントロールが容易に可能である。

【００１８】また、基板の形状を工夫することにより、
炉内壁への繊維の付着を防止することができ、しかも繊
維付着が生じる第１の炉の条件を炉壁に付着し難い条件
に設定することが可能となるため、生産性が大きく改善
される。

【００１９】しかるに、第１の炉で生成した微細繊維
は、基板上に堆積し、第２の炉を搬送されつつ太さ成長
し、基板と共に炉から取出すことができる。そして、微
細繊維の製造は、炉温や各種成分の注入量を変更するこ
となく連続して行われ、新しい基板が連続的もしくは断
続的に供給されて、成長した微細繊維を堆積した基板を
連続的に取出すことによって達成される。

【００２０】

【実施例】次に、本発明に係る流動気相成長微細繊維の
製造装置の実施例につき、添付図面を参照しながら以下
詳細に説明する。

【００２１】図１は、本発明に係る流動気相成長微細繊
維の製造装置の一実施例を示す概略構成図である。図１
において、参照符号１０は第１の炉であって微細繊維生
成炉を構成し、１２は第２の炉であって微細繊維太さ成
長炉を構成するものをそれぞれ示す。これらの炉１０お
よび１２は、一端部において搬送機構１４により連結さ
れている。前記各炉１０および１２の外周部には、それ
ぞれ加熱バレル１６および１８を配設し、前記各炉１
０，１２を独立して温度条件等を調整し得るよう構成し
ている。

【００２２】しかるに、前記各炉１０，１２の構造は、
一般に断面を円形または矩形とし、炉１０，１２の内壁
は炉温（１０００〜１３００℃）に耐え、繊維生成の触
媒となる鉄、ニッケル、コバルトその他の遷移金属を含
有しない石英ガラス、セラミックス（例えば、アルミ
ナ、ムライト、炭化珪素、窒化珪素、窒化ホウ素、炭
素、黒鉛等）、金属を使用する。なお、炉１０，１２の
長さは、製造条件によって異なるが、通常第１の炉１０
の長さは、出口で触媒の活性が２割以下に低下する程度
の長さに設定すれば好適である。また、第１の炉１０と
第２の炉１２の前後には、繊維を堆積させる基板２０を
搬送する搬送手段２２が設けられる。この場合、基板２
０は板状に限らず、例えば箱状とすることにより、炉内
壁への繊維の付着を防止することができる。基板２０の
搬送手段２２としては、図示するような押出し手段およ
び昇降手段を用いることができる。しかし、図示のよう
な押出し手段および昇降手段に限定されることなく、例
えば炉温（１０００〜１３００℃）に耐え、繊維生成の
触媒となる鉄、ニッケル、コバルトその他の遷移金属を
含有しないセラミックスや金属製のコンベヤを使用する
こともできる。なお、搬送手段２２は、その押出し移動
および昇降移動サイクルやスピードを自由に調整できる
ように構成されている。

【００２３】第１の炉１０の一端には、繊維生成に必要
な原料、触媒、キャリアガスを供給するための注入手段
２４を設けると共に、その他端にはガスを排出するため
のガス排出手段２６を設ける。また、第２の炉１２に
は、繊維の太さ成長に必要な原料、キャリアガスを供給
するための注入手段２８とガス排出手段３０とをそれぞ
れ設ける。この場合、第２の炉１２の注入手段２８は、
横端面に限らず、加熱バレル１８を通過し、炉上部から
複数本設けることができる。このように、注入手段２８
を複数本設けることにより、炉１２の長さ方向に太さ成
長用原料の濃度を均一にすることができる。

【００２４】また、第１の炉１０の注入手段２４におい
ては、例えば触媒を生成する遷移金属化合物をベンゼン
等の炭化水素化合物に溶解しておき、これを気化器（図
示せず）へ定量ポンプ（図示せず）により送液し、気化
させた後キャリアガスと混合し、得られた混合ガスを前
記注入手段２４を介して第１の炉１０へ送り込むように
構成する。また、第２の炉１２の注入手段２８において
も、使用する原料が液体の場合は、前記と同様に気化器
により気化させた後キャリアガスと混合し、この混合ガ
スを前記注入手段２８を介して第２の炉１２へ送り込む
ように構成する。

【００２５】このように構成した本発明に係る流動気相
成長微細繊維の製造装置は、予め加熱バレル１６，１８
を作動させて、各炉１０および１２をそれぞれ所要の温
度に調整しておき、次いで第１の炉１０に設けた注入手
段２４から、原料、触媒、キャリアガス等の繊維生成に
必要な成分を炉１０内に供給する。この結果、第１の炉
１０内において所定の繊維が気相成長によって生成され
る。生成した繊維は、基板２０上に棒を取付けたり、メ
ッシュを取付けることにより、基板２０上に捕集または
堆積する。炉内壁への繊維の付着は、繊維生成条件を選
定したり、基板２０を箱型にすることにより防止するこ
とができる。そして、繊維が堆積した基板２０は、搬送
手段２２により第２の炉１２へ搬送される。

【００２６】第１の炉１０へ基板２０を搬送する場合お
よび第１の炉１０から第２の炉１２へ基板２０を搬送す
る場合、基板２０は一旦大気中にさらされてもよいが、
それぞれ第１の炉１０および第２の炉１２に搬送する前
に、使用するキャリアガスにより空気を十分に置換する
ことができる開閉シャッタ３２を備えた画室を設ける必
要がある。

【００２７】第２の炉１２においては、注入手段２８か
ら原料、キャリアガス等の繊維の太さ成長に必要な成分
を炉１２内に供給する。これにより、第２の炉１２にお
いて、繊維は基板２０により搬送されながら太さ成長す
る。そして、太さ成長した繊維は、基板２０と共に繊維
取出し手段３４へ回収される。

【００２８】なお、前記各炉１０，１２において、炉内
部への空気の侵入を防ぐために、内部圧力を大気圧より
やや高めに設定することが好ましい。この場合、ガス排
出手段２６，３０としては、例えばキャリアガスとして
水素等の可燃性ガスを用いるときには、繊維取出し手段
３４を形成する通路の一部にガス排出口を設けて、この
ガス排出口で排ガスを燃焼させることにより、前記通路
のガス排出口近傍に空気と水素の比重差による界面が形
成されて、空気が炉内に入り込まないように構成するこ
とができる。

【００２９】このようにして、本発明装置によれば、ほ
ぼ均一な径を有する繊維を連続的にしかも炉の内壁に付
着することなく、円滑に生成かつ回収することができ
る。

【００３０】以上、本発明の好適な実施例について説明
したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本
発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更
をなし得ることは勿論である。

【００３１】例えば、第１の炉を１基設けるのに対し
て、第１の炉を２基組合せることも可能である。すなわ
ち、この場合、第１の炉の汚れが早いために、第１の炉
を交互に使用することによって、休止している一方の第
１の炉について内部のクリーニングを行うことができ
る。

【００３２】また、第１の炉と第２の炉の間に、シャッ
タを２基設けることも好適であり、この場合には第１の
炉のガスが第２の炉へ全く入らないという利点が得られ
る。

【００３３】なお、気相成長炭素繊維は、一般に炭素生
成（carburizing ）傾向の低い条件では繊維の長さ方向
の成長が主として起り、炭素生成傾向の高い雰囲気条件
では繊維表面での炭素の沈着が激しくなって太さの成長
が速くなり、長さの成長端である金属微粒子も炭素で覆
われて長さ方向の成長は停止する。故に、本発明装置を
使用すれば、縦型炉を比較的低温に、気相中の原料濃度
を低めに、水素濃度を高めに設定して、金属微粒子を長
時間寿命を伸ばして長さ成長の効率を高め、一方横型炉
では、逆に温度を高めに、原料濃度も高めに、水素濃度
を低めに（但し、いずれもすすを発生しない範囲で）設
定して、太さの成長の効率を高めて、総合的な生産性を
上げかつ製品のばらつきを抑えることができる。

【００３４】また、本実施例では気相成長炭素繊維を製
造する場合にあてはめて説明したが、これに限定される
ことはない。例えば、ベンゼン等の炭化水素に代えて有
機硅素化合物を使用した炭素と硅素からなる微細繊維、
有機硫黄化合物や一酸化炭素を使用した炭素繊維にも応
用可能である。さらに、本発明装置は、４００〜８００
℃の条件で、従来法と同じ触媒を使用し、一酸化炭素の
不均斉化反応によって得られる気相成長炭素繊維の製造
にも利用することができる。

【００３５】

【発明の効果】前述した実施例から明らかなように、本
発明によれば、繊維の生成工程と成長工程を分離して、
それぞれ独立に条件を変更することができるので、それ
ぞれ使用する触媒、原料、キャリアガスに応じて、温
度、濃度、滞在時間等を自由に選ぶことができ、繊維の
直径が自由に設定することができるようになった。

【００３６】また、繊維の堆積が少なく、長時間連続運
転することができ、この結果高い生産性を得ることがで
きる。しかも、内壁への繊維付着は殆ど生じない。

【００３７】従って、気相成長微細炭素繊維の製造に際
して、粒状炭素の生成の少ない条件を選ぶことができ、
製品の品質の向上並びに安定性に寄与する効果は極めて
大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流動気相成長微細繊維の製造装置
の一実施例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０ 第１の炉 １２ 第２の炉 １４ 搬送機構 １６ 加熱バレル １８ 加熱バレル ２０ 基板 ２２ 搬送手段 ２４ 注入手段 ２６ ガス排出手段 ２８ 注入手段 ３０ ガス排出手段 ３２ シャッタ ３４ 繊維取出し手段

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流動気相成長微細繊維を生成させる第１
   の炉と、生成した流動気相成長微細繊維の太さ成長を行
   わせる第２の炉とを搬送速度を可変に設定し得るよう構
   成した搬送手段により連結した構成とし、前記第１の炉
   に原料、触媒、キャリアガス等の繊維生成に必要な成分
   を供給するための注入手段およびその他端部にガス排出
   手段を設け、前記第２の炉に原料、キャリアガス等の繊
   維の太さ成長に必要な成分を供給するための注入手段お
   よびガス排出手段を設けることを特徴とする流動気相成
   長微細繊維の製造装置。
2. 【請求項２】 第１の炉において生成した微細繊維を第
   ２の炉に移送するための搬送手段は、大気中に解放する
   ように設定してなる請求項１記載の流動気相成長微細繊
   維の製造装置。
3. 【請求項３】 第１の炉において生成した微細繊維を第
   ２の炉に移送するための搬送手段は、大気中に解放しな
   いように設定してなる請求項１記載の流動気相成長微細
   繊維の製造装置。
4. 【請求項４】 第１の炉に注入手段を複数設けてなる請
   求項１記載の流動気相成長微細繊維の製造装置。
5. 【請求項５】 第２の炉に注入手段を複数設けてなる請
   求項１記載の流動気相成長微細繊維の製造装置。
6. 【請求項６】 生成した流動気相成長微細繊維の搬送手
   段に基板を使用してなる請求項１記載の流動気相成長微
   細繊維の製造装置。