JP3737849B2

JP3737849B2 - 炭素繊維３次元構造体の製造方法

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Publication number: JP3737849B2
Application number: JP10190696A
Authority: JP
Inventors: 宏明森田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1996-03-31
Filing date: 1996-03-31
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2016-03-31
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維を主構成要素とする３次元構造体に関するものであり、更に詳しくはクッションや布団等の主構成材料として好適な特性を有する炭素繊維の３次元構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は、軽くて強靭であり、耐熱性に優れるとともに化学的に安定である。このような優れた特性を持つ炭素繊維は、近年では軽量かつ耐久性が要求される各分野において広範に使用されており、例えば竹や木材などの天然材料に代えて釣竿やラケットなどの構造材料として使用されている。また、鉄等の金属材料に代えて自動車や航空機などの構造材料として使用されている。更にはプラスチックやコンクリート材などの強化材料として使用されている。
【０００３】
しかしながら、このような優れた特性を持つ炭素繊維も、例えば座り心地や寝心地など微妙でソフトな反発力が要求されるクッションや布団などの素材としては殆ど利用されていない。この理由は、これらの素材には適度なふくらみや微妙な弾力性などのソフトな感触が要求されるが、炭素繊維を用いた場合、綿や羊毛或いはポリエステル繊維など従来より用いられている素材が与えるソフトな感触が得られず、使用感が悪いという問題があるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、炭素繊維における上述の問題点を解消するためになされたものであって、強靭性、耐摩擦・磨耗性、化学的安定性に優れるという炭素繊維の特性を生かし、かつ単に原材料としての炭素繊維自体では決して得られない適度な弾力性、圧縮反発性、圧縮耐久性などを有する炭素繊維積層構造体を案出し、もって人間の感性と密接に関連する用途で使用できる、炭素繊維を主構成材料とする新規素材を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、卷縮繊維を含む、炭素繊維の集合体を特定の結着剤で結合すると、ソフトで好適な圧縮反発力を有する３次元構造体が得られることを見い出し本発明を完成させた。
【０００６】
この発明の第１の態様は、繊維全体に対し５０重量％以上の炭素繊維を含み、繊維全体の５０〜１００重量％が卷縮繊維で組成された繊維集合体と、熱硬化性樹脂および／または熱融着性繊維からなる結着剤とで構成され、前記結着剤により繊維相互の接触点が結着されて３次元的網目構造の形成された炭素繊維の３次元構造体であって、嵩密度が２０Ｋｇ／ｍ³ を超え、８０Ｋｇ／ｍ³ 以下、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ²としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９であることを特徴とする。
【０００７】
第２の態様は、上記第１の態様にかかる炭素繊維の３次元構造体において、嵩密度が２０Ｋｇ／ｍ³を超え、４０Ｋｇ／ｍ³ 以下、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ²としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．８、８万回圧縮後の残留歪率が５％未満であることを特徴とする。
【０００８】
第３の態様は、上記第１又は第２の態様にかかる炭素繊維の３次元構造体において、結着剤が熱硬化性の樹脂を５０重量％以上含むものであり、繊維全体に対する前記結着剤の含有量が１０〜４０重量％であることを特徴とする。
【０００９】
第４の態様は、上記第１、第２、又は第３の態様にかかる炭素繊維の３次元構造体において、前記卷縮繊維の繊維長が、０．１〜１０ｃｍであることを特徴とする。
第５の態様は、上記第１、第２、第３、又は第４の態様にかかる炭素繊維の３次元構造体において、前記卷縮繊維が、炭素繊維からなるものであることを特徴とする。
【００１０】
第６の態様は、上記第１、第２、第３、第４、又は第５の態様にかかる炭素繊維の３次元構造体において、前記炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であることを特徴とする。
【００１１】
第 7 の態様は、炭素繊維の３次元構造体の製造方法であって、嵩密度が２０Ｋｇ／ｍ³ を超え、８０Ｋｇ／ｍ³ 以下であり、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ²としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９である炭素繊維の３次元構造体の製造方法であって、繊維全体に対し５０重量％以上の炭素繊維を含み、繊維全体の５０〜１００重量％が卷縮繊維で組成された綿状繊維シートの両面に熱硬化性樹脂液を噴霧しつつ、長手方向にジグザグに折り畳み複数層に重ね合わせた後、熱硬化性樹脂を加熱硬化し、又は綿状繊維シートが熱融着性繊維を含む場合においては熱融着繊維を熱融着すると共に熱硬化性樹脂を加熱硬化して、炭素繊維相互及びシート相互間を結着することを特徴とする。
【００１２】
第８の態様は、上記第 7 の態様にかかる炭素繊維の３次元構造体の製造方法において、前記卷縮繊維の繊維長が、０．１〜１０ｃｍであることを特徴とする。
【００１３】
第９の態様は、上記第７又は第８の態様にかかる炭素繊維の３次元構造体の製造方法において、前記卷縮繊維が、炭素繊維であることを特徴とする。
【００１４】
第１０の態様は、上記第７、第８、又は第９の態様にかかる炭素繊維の３次元構造体の製造方法において、炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であることを特徴とする。
【００１５】
上記構成の３次元構造体は、炭素繊維（他の繊維も含むことあり）相互の接触点が結合剤で強固に結着され、炭素繊維の３次元的なネットワークが形成されたものである。したがって、この構造体に外部から圧力が加わった場合、その圧力は３次元的なネットワークを介して構造体全体に拡散し吸収される一方、個々の炭素繊維のもつ曲げ弾性力（弾性反発力）が３次元的なネットワークを介して集合され、全体として一の圧縮反発力（即ち上記所定の物性値）を与える。後記するが、この物性値をもつ構造体は、人間にとって心地よいソフトな圧縮反発力を有するものであり、炭素繊維の単なる集合体では決して得ることができない。
即ち、本発明によれば、人間にとって心地よいソフトな圧縮反発力を醸しだすことのできる新素材が提供できることになる。
【００１６】
ここで、上記構造体の諸物性値は次のように定義されるものである。即ち、圧縮硬さＬＣは、無荷重時の厚みを初期厚みとし、最大荷重１００ｇｆ／ｃｍ^２まで圧縮するのに要するエネルギーを、荷重−歪み曲線が線形（一直線）に変化した場合に要する仕事エネルギーで割った値である。圧縮回復率ＲＣは、最大荷重１００ｇｆ／ｃｍ^２まで圧縮するのに要したエネルギー量で、圧縮状態から無荷重の状態に戻るまでの回復過程におけるエネルギー量を割り、これに１００を掛けた値である。圧縮応力比は、２５％圧縮した時の応力で、６５％圧縮した時の応力を割った値である。８万回圧縮後の残留歪率は、元厚の５０％厚まで圧縮した後、復元させるというサイクルを８万回繰り返し、８万回後の変位量を求め、〔変位量／元厚〕×１００から算出した値である。なお、いずれの物性値も、１２５ｍｍ×１２５ｍｍ角の試料を用いて測定した値である。
【００１７】
上記構成において、卷縮繊維は、炭素繊維からなるものであってもよく、炭素繊維以外の繊維からなるものであってもよいが、好ましくは炭素繊維からなる卷縮繊維と他の繊維の併用がよく、より好ましくは炭素繊維のみからなる卷縮繊維とするのがよい。炭素繊維以外のものは炭素繊維に比較し耐熱性が劣り、また化学的安定性などが劣る場合があるからである。
【００１８】
繊維全体に対する卷縮繊維の量は、５０重量％以上であれば充分に３次元的網目構造を形成できる。但し、より嵩密度が大きく圧縮反発性の大きい構造体とするのには卷縮繊維の量を多くするのがよい。卷縮繊維量が５０重量％未満であると良好な３次元的網目構造が形成できないので、圧縮反発性が不足することになる。
【００１９】
また、卷縮繊維の繊維長は、０．１〜１０ｃｍにするのがよい。卷縮繊維の繊維長が０．１ｃｍ未満であるとネットワークの足が短すぎるために、嵩密度が過小になり良好な圧縮反発性が得られない。その一方、繊維長が１０ｃｍを越えると足が長すぎるために、繊維相互の接触点が少なくなり、良好な圧縮反発性を与える３次元的網目構造が形成できなくなる。なお、卷縮繊維の卷縮率や、卷縮数は特に限定されないが、卷縮率が平均１０％以上、卷縮数が平均１回／ｃｍ以上が好ましい。
【００２０】
構造体を組成する繊維全体に対する炭素繊維量としては、少なくとも５０重量％以上とすればよい。５０重量％以上であれば、炭素繊維の曲げ弾性特性が構造体の圧縮特性を概ね支配し、また不燃性や化学的安定性等の炭素繊維のもつ好適な特性が支配的になるからである。但し、炭素繊維の占める割合が多いほど、炭素繊維のもつ好適な特性を兼ね備えた３次元構造体とできるので、炭素繊維量を多くするのが好ましい。
【００２１】
なお、本発明では、各種の炭素繊維が使用でき、その種類は限定されない。例えばポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、レーヨンなどの高分子、石油ピッチ、石炭ピッチなどのピッチを原料とし、炭化または黒鉛化された炭素繊維が使用可能であるが、このうち汎用のピッチ系炭素繊維を使用するのが、強制加熱下での発生ガスの毒性や加工性、コストなどの点で好ましい。
【００２２】
結着剤としては、熱硬化性樹脂や熱融着性繊維が使用でき、それぞれを単独で使用してもよく、また両者を併用してもよい。具体的には結着剤中の熱硬化性樹脂繊維の割合を５０重量％以上とし、この結着剤を繊維全体に対して１０〜４０重量％添加するのが好ましい。そして、より強固なネットワークを形成させるために、好ましくは熱硬化性樹脂を繊維全体に対し５〜２０％使用するのがよい。なお、熱硬化性樹脂の繊維全体に対する割合を、５重量％未満とすると結着されない繊維接触点が多くなり、圧縮反発力の弱い粗なネットワークとできるので、３次元構造体の使用用途に応じてこの範囲を選択するのもよい。
【００２３】
本発明で使用できる熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、熱硬化性アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミドなどが使用できる。このうち好ましくは耐熱性、難燃性の点からフェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン樹脂を使用するのがよく、より好ましくは、強制加熱下での発生ガスの毒性が少ないことからフェノール樹脂を用いるのがよい。
【００２４】
また、熱融着性繊維としては、ポリエステル繊維、ナイロン繊維が使用でき、好ましくはコストの面から、ポリエステル繊維を使用するのがよい。
【００２５】
更に、結着剤としての上記熱融着性繊維は、通常、炭素繊維等の他の繊維と共に繊維集合体に配合されるが、配合に際しては他の繊維と充分に均一に混ざり合うようにするのがよい。他の繊維との接触点（絡み合い）が多いほど、加熱融着により良好な繊維３次元ネットワークが形成できるからである。
【００２６】
他方、上記熱硬化性樹脂は、水やアルコール等の溶剤に溶解した状態で繊維集合体に噴霧する方法で添加するのがよい。溶液状態で噴霧する方法であると、熱硬化性樹脂が綿状繊維シート全体に均一に行き渡ると共に、行き渡った熱硬化性樹脂溶液が表面張力の作用により繊維相互の接触点付近に集まり、繊維相互の接触点が効率的かつ強固に結着される。よって、強固な３次元網目構造を形成できる。このような炭素繊維の３次元網目構造物では、前記したごとく、外部から圧力が加わった場合、その圧力は３次元的なネットワークを介して構造体全体に拡散し吸収される一方、個々の炭素繊維のもつ曲げ弾性力（弾性反発力）は３次元的なネットワークを介して集合され、全体としてソフトな圧縮反発力を生じる。したがって、炭素繊維の単なる集合体では決して得ることのできない、人間にとって心地よい圧縮特性をもった構造体を得ることができる。
【００２７】
図１、２および表１に基づいて、本発明構造体が人間にとって心地よいソフトな圧縮特性を持つことを詳説する。
【００２８】
図１、２は本願発明にかかる炭素繊維の３次元構造体および従来の弾性構造体の圧縮荷重と圧縮変形量との関係（ヒステリス特性）を示すグラフである。図１の「本発明Ａ」は、厚さ４０ｍｍ、嵩密度３０Ｋｇ／ｍ^３の本発明にかかる炭素繊維３次元構造体であり、「ウレタン」は、厚さ２０ｍｍ、嵩密度４０Ｋｇ／ｍ^３の発泡ウレタン構造体（従来品）である。また、図２の「本発明Ｂ」は、厚さ３０ｍｍ、嵩密度２４Ｋｇ／ｍ^３の本発明にかかる炭素繊維３次元構造体であり、「ポリエステル」は、融点の異なる２種類のポリエステル繊維を混ぜて熱融着した厚さ３５ｍｍ、嵩密度３４Ｋｇ／ｍ^３のポリエステル３次元構造体（従来品）である。図１、２の右上がりの矢印は圧縮荷重を徐々に増加させた場合を示し、左下がりの矢印は圧縮荷重を徐々に減少させた場合を示す。なお、測定は、荷重面積２ｃｍ^２、最大荷重１００ｇｆ／ｃｍ^２の条件で行い、図１にはそれぞれ３回の測定結果が示してある。
【００２９】
図１、２において、本発明Ａ、Ｂは、圧縮荷重−圧縮変形量との関係がなだらかな曲線で描かれており、このことは、変化する荷重に対する沈み込み（圧縮）や反発応力が連続的かつソフトであることを意味する。したがって、本発明構造体を用い構成された、例えば敷布団、マットレス、椅子などではソフトかつ安定感のある反発応力が得られ、快適な寝心地や座り心地が得られることになる。これに対し、発泡ウレタン構造体では、圧縮荷重−圧縮変形量の関係が直線的でかつ急激なものとなっており、初期圧縮及び終期圧縮（負荷が小さいとき）に対しては強い抵抗を持ち圧縮変形量が極めて小さい。その一方、途中（荷重が大きくなった場合）から急に（不連続に）変化する。したがって、このような特性の構造体で構成した敷布団や椅子などでは、ゴツゴツした感触となり、座り心地の安定感が悪いものとなる。
【００３０】
上述のことは、表１における本発明構造体Ａ、Ｂと発泡ウレタン構造体との６５％／２５％圧縮応力比の比較からも明らかになる。即ち、本発明構造体Ａ、Ｂの６５％／２５％圧縮応力比（それぞれ１３．６、１１．７）は、発泡ウレタン構造体（２．５）に比べ顕著に大きい。この比較から、本発明構造体は、安定した反発弾性を有するものであることが判る。
【００３１】
他方、本発明構造体とポリエステル繊維の３次元構造体との比較から、本発明構造体Ａ、Ｂはポリエステル３次元構造体より小さい嵩密度で、同等の圧縮回復率ＲＣが実現できると共に、より優れた６５％／２５％圧縮応力比が実現できることが判る（１３．６及び１１．７に対し後者は８．４）。更に、本発明構造体Ａ、Ｂの８万回圧縮残留歪率が、それぞれ１．３、０．９であるのに対し、ポリエステル３次元構造体のそれは９であり、本発明構造体が顕著に優れている。このことから、本発明構造体の３次元網目構造は、ポリエステル３次元構造体より強靭であることが判る。なお、本発明構造体のこのような優れた反発弾性特性は、炭素繊維の曲げ弾性と３次元網目構造の堅固さを反映するものと考えられる。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【００３４】
次に本発明構造体の製造方法について説明する。
【００３５】
本発明構造体は、下記方法で作製することができる。即ち、繊維全体に対し５０重量％以上の炭素繊維を含み、繊維全体の５０〜１００重量％が卷縮繊維で組成された繊維集合体として綿状繊維シートの両面に熱硬化性樹脂溶液を噴霧しつつ、シートを長手方向に折り畳み重ね合わせた後に、熱硬化性樹脂を加熱硬化させることにより、繊維相互の接触点が結着され炭素繊維の３次元網目構造が形成される。なお、前記繊維集合体には、熱融着性繊維を配合するのもよく、熱融着性繊維を配合した場合には、繊維集合体の積層物を熱融着性繊維の融点以上に加熱することにより、熱融着性繊維とこれに絡み合った炭素繊維等とを結着でき、熱硬化性樹脂と熱融着性繊維とを併用した場合には、一層強固な３次元的ネットワークが形成できる。
【００３６】
上記において、繊維集合体としての綿状繊維シートは、卷縮された炭素質繊維などで組成された繊維を開繊機などの開繊手段により開繊し、カード機などのカーディング手段によりシート状ウェブを形成することにより作製できる。このシート状ウェブの繊維の方向性は特に制限されるものではなく、例えば前記カード機に代え、繊維を空気流で飛ばし回転する有孔円筒上に析出させる方法により調製したウェブは、繊維の方向性がないランダムなものとなるが、このようなランダムウェブであってもよい。
【００３７】
綿状繊維シートの折り畳み回数（積層数）は、構造体の使用用途を考慮し２層以上において適当に選択すればよい。例えば、構造体の嵩密度を大きくし、圧縮反発性、保温性などを高めようとする場合には、積層数を多くするのがよい。また、繊維集合体としての綿状繊維シートの厚みは、特に限定されるものではなく、所望の物性値を持つ３次元構造体を得るのに都合のよい厚みを製造作業性を勘案して適当に設定すればよい。
【００３８】
なお、シート厚みは、一般にはシートの折り畳み回数や成形後の構成体の厚みや製造作業性などを考慮して決められるが、嵩密度が大きく、圧縮弾性力や保温性の良い構造体を得ようとする場合には、薄いシートを用いて折り畳み回数を多くするのがよい。折り畳み回数を多くするほど、熱硬化性樹脂液を繊維全体に均一に行き渡らせ易いので、繊維接触点の結着が強固且つムラなく行えるからである。
【００３９】
但し、繊維相互間の接触点が全て強固に結着された構造体が好ましいとは必ずしもいえない。なぜなら、構造体の使用用途によって、要求される圧縮弾性特性等が異なり、使用用途によっては非結着接触点の存在する構造体が好ましい場合があるからである。即ち、結着剤の量を少なくし、または結着剤の噴霧にムラを生じしめるなどにより、非結着接触点を多くすることが可能であるが、このような構造体では、外部から負荷が掛かったとき、先ず非結着接触点部分の繊維が滑動する結果、負荷が吸収されるので初期圧縮特性の柔らかな構造体となる。このような圧縮特性が望まれる特殊な用途も存在する。なお、非結着接触点が多すぎると、使用時に繊維が移動し易く、繊維の偏在化が生じるので、結着接触点と非結着接触点のバランスを図るのが好ましい。
【００４０】
前記繊維集合体は、卷縮された炭素質繊維単独で構成してもよいが、他の繊維（卷縮された他の繊維、非卷縮の炭素質繊維又は非卷縮の非炭素質繊維）と組み合わせて使用することもできる。他の繊維としては、不燃性又難燃性の種々の繊維、例えば無機繊維（ガラス繊維；アルミニウムシリケート質繊維、アルミナ質繊維、炭化ケイ素繊維などのセラミック繊維；アスベスト、ロックウールなどの鉱物系繊維；ステンレスなどの金属繊維；前記炭素繊維と同様な材料を原料とした非卷縮炭素質繊維など）、有機繊維（ビスコースレーヨン、キュプラなどのレーヨン繊維、アセテート繊維、熱硬化性樹脂の繊維（ノボロイド繊維などのフェノール樹脂繊維）、ナイロン繊維、難燃性ポリエステル繊維、芳香族ポリアミド繊維（アラミド繊維など）などの高分子繊維など）が挙げられる。これらの繊維は２種以上を併用して使用することもできる。
【００４１】
更に図３〜図６に基づいて本発明構造体の製造方法を具体的に説明する。
【００４２】
図５、６は、本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体を作製するための製造装置の例であり、このうち図５は繊維シートの折り畳み機構を説明するための概略斜視図（側面図）であり、図６は結合剤の噴霧機構を説明するための概略斜視図（正面図）である。
カード機などのカーディング手段により紡出された繊維シート１がコンベア２及び一対のベルト３により連続的に搬送され、ベルト３ａの上部から垂直型クロスラッパー４内に導入される。クロスラッパー４では、一対のベルト３により挟持されながら繊維シート１が上部から下方へ搬送される。また、繊維シート１の厚み方向に揺動可能なスイング機構により前記繊維シートは横方向に揺動しながら、クロスラッパ４の下部から、昇降可能な載置台又は前進可能なコンベア６上に供給される。繊維シート１は、コンベア６上で複数層に折り畳まれ、積層体７が形成される。
【００４３】
スイング機構は、前記繊維シート１の厚み方向に伸びて配設されたレール５ａと、このレール上を左右に走行するローラ５ｂを備えている。なお、ローラ５ｂの走行に伴って、上部のベルト３ａとレール５ａとの間の距離が変動し、繊維シート１に外力が作用する恐れがある。したがって、上記装置では、ローラ５ｂの走行に伴って上部のベルト３ａの傾斜角度を変化させることにより、前記距離を一定に保ち、繊維シート１に外力が作用するのを抑制している。
【００４４】
前記スイング機構の下部には、繊維シート１の両側においてそれぞれ繊維シート１の横方向に往復動可能な噴霧機構が取り付けてあり、繊維シート１に結合剤を噴霧しながら、シートを長手方向と直交する方向に折り畳むことができるようになっている。
【００４５】
図５、６に示されるように、噴霧機構は、スイング機構の下部のうち、繊維シート１の幅よりも外方側の両側部に取り付けられていた保持板１１と、この保持板１１間に略平行に取り付けられた一対のレール１２と、各レール１２に沿って移動可能な滑車１３と、これらの滑車１３が取り付けられた取付け板１４と、この取付け板１４に取付けられた中空アーム１５ａと、このアーム１５ａの先端部に取り付けられたノズル１５とを備えている。なお、前記アーム１５ａからの滑車１３の脱落を防止するとともに、取付け板１４を円滑に移動させるため、各レール１２にはそれぞれ２つの滑車１３が配置されているとともに、各滑車１３にはレール１２の幅に対応して形成された環状凹部が形成されている。また、前記アーム１５ａには、熱硬化性樹脂などの結着剤の溶液を供給するための、伸縮自在なチューブまたはホース１６が接続されている。前記アーム１５ａの先端部は折曲または湾曲し、ノズル１５は、繊維シート１の面の方向に向いている。また、ノズル１５は、回動可能なヒンジ機構により、噴射角度が可変できるようになっている。
【００４６】
保持板１１のプレート１７の両側部には一対の歯車１８が回転可能に取り付けられているとともに、これらの歯車１８間にはチェーン１９が掛渡されている。一方の歯車１８は、プーリ間に掛渡されたベルトを介して、モータにより回転駆動されるようになっている。
【００４７】
そして、前記ノズル１５を往復運動させるため、取付け板１４はチェーン１９に連結されており、プレート１７又は保持板１１のうち前記繊維シート１の幅に対応する部位には、前記滑車１３の移動を規制するとともに、滑車の到達を検出するためのストッパが取り付けてある。このストッパによる検出信号は、前記モータの回転方向を反転させるための反転信号として利用される。
【００４８】
上述のように動作する機構を備えた装置により、本発明にかかる炭素繊維の積層体が生産性よく製造される。この装置で製造された積層体（長手方向と直交する方向に折り畳み結着したもの）を、図３に示す。この積層体の端部を切断し、本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体が作製される。図４に、本発明にかかる構造体の繊維配向状態を模式的に示した説明図である。上記装置で製造した本発明構造体は、炭素繊維相互が接触点で互いに結着され３次元網目構造が堅固に形成されたものとなる。
【００４９】
ところで、上記装置を用いた製造方法においては、卷縮繊維の種類や卷縮率、卷縮数を変化させ、また綿状シートの組成や、積層体の厚み（積層枚数）、結着剤の添加量などを調整し、或いは積層体を押圧しながら加熱結着するなどの手法により、嵩密度が２０〜８０Ｋｇ／ｍ^３、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ^２としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９の範囲の特性値を有する炭素繊維の３次元構造体を容易に得ることができる。つまり、本発明で規定する範囲内で条件を任意に変化させることにより、使用用途に合致した好適な物性値をもった３次元構造体が作製できる。
【００５０】
例えば綿状繊維シートの繊維の全てを炭素繊維からなる卷縮繊維とし、その卷縮率を２０％、卷縮数を２回／ｃｍ、繊維長を７５ｍｍとし、綿状繊維シートに対するフェーノル樹脂量を１０〜２５重量％とした場合、嵩密度；２０〜４０Ｋｇ／ｍ^３の構造体を得ることができ、この構造体は、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ^２としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．８、圧縮回復率ＲＣが６５％以上、２５％圧縮時応力に対する６５％圧縮時応力の比が１０以上、８万回圧縮後の残留歪率が５％未満のものとなる。このような物性値をもつ構造体は、ソフトな圧縮特性（弾性反発力）を備えるので、布団材やクッション材に適する素材となる。
【００５１】
また、上記において、綿状繊維シートに対するフェノール樹脂量を２５〜４０重量％とした場合、嵩密度が４０〜８０Ｋｇ／ｍ^３のものが得られ、この構造体は、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ^２としたときの圧縮硬さＬＣが０．８〜０．９位となる。この構造体は、上記構造体に比べ圧縮弾性が大きいので、床下クッション材（カーペットを含む）や、床下の防震・防音材として利用価値が高いものとなる。
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
渦流法により紡糸された嵩高の卷縮されたピッチ系汎用炭素繊維（（株）ドナック製、ドナカーボ、平均繊維径１３μｍ、平均繊維長７５ｍｍ）を開繊機およびメタリックカード機（池上機械（株）製、６０−ＭＤＫ）に順次供給し、平均７ｍｍ厚の綿状繊維シートを得た。この繊維シートの嵩密度は５．７Ｋｇ／ｍ^３であった。噴霧形成機（（株）岩本製作所製、垂直型クロスラッパー）を用い、この繊維シートの両側に少量のフェノール樹脂液を均一に噴霧しながら、繊維シートを幅１．２ｍで折り畳み、３０層の積層体を形成した。なお、前記フェノール樹脂液としては、水溶性のフェノール樹脂（住友デュレズ（株）製、スミライトレジン）４０重量部を水６０重量部に薄めて用いた。
【００５２】
次いで、前記積層体を熱風循環式硬化炉に入れ、厚調整板の間隔を４０ｍｍ、加熱温度を２３０℃として約３０分間加熱硬化した後、端部を切り離して本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体を作製した。なお、綿状繊維シート中のフェノール樹脂の含有量は、綿状繊維シートに対し１５重量％であった。
【００５３】
この構造体の諸物性を測定したところ、厚み４０ｍｍ、嵩密度が３０Ｋｇ／ｍ^３、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ^２としたときの圧縮硬さＬＣが０．７６、圧縮回復率ＲＣが６７％、２５％圧縮時応力に対する６５％圧縮時応力の比が１３．６、８万回圧縮後の残留歪率が１．３％であった。また、この構造体の圧縮荷重−圧縮変形量曲線は、図１Ａのようであった。この圧縮荷重−圧縮変形量曲線から、この構造体は、布団材料やクッション材料としての好ましい圧縮特性を有するものであることが確認できた。
【００５４】
（実施例２）
平均繊維径１８μｍ、平均繊維長７５ｍｍのピッチ系汎用炭素繊維を用いたこと、綿状繊維シートの厚みを平均９ｍｍとしたこと、フェーノール樹脂液の噴霧量を多くしたこと、及び厚み調製板の両側から押圧を掛けながらの調製板の間隔を２０ｍｍとして加熱硬化した以外は、実施例１と同様にして本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体を作製した。
【００５５】
この構造体の諸物性を測定したところ、厚み２０ｍｍ、嵩密度が８０Ｋｇ／ｍ^３、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ^２としたときの圧縮硬さＬＣが０．８８、圧縮回復率ＲＣが６９％、２５％圧縮時応力に対する６５％圧縮時応力の比が１９．０、８万回圧縮後の残留歪率が０．８％であった。この構造体は、実施例１の構造体に比較して嵩密度が大きく、圧縮硬さ並びに６５％／２５％圧縮応力比が大きいものであるので、床下防震材として有用である。
【００５６】
（実施例３）
平均繊維径１３μｍ、平均繊維長７５ｍｍのピッチ系汎用炭素繊維７０重量部と熱融着性ポリエステル繊維３０重量部（ユニチカ（株）製、メルティ、デニール数４、平均繊維長３８ｍｍ）を用い、平均厚みを６ｍｍ、密度６．７Ｋｇ／ｍ^３の綿状繊維シートとなし、この綿状繊維シートに対し、群栄化学（株）製・レッヂトップを２０重量部と水８０重量部からなる熱硬化性樹脂液を噴霧しながら、シートを３０層に折り畳んだ。その後、この積層体を４０ｃｍの厚み調整板に挟み、２３０℃・３０分間の加熱処理を行った。
【００５７】
このようにして作製した本発明にかかる３次元構造体は、厚み４０ｍｍ、嵩密度が３０Ｋｇ／ｍ^３、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ^２としたときの圧縮硬さＬＣが０．７３、圧縮回復率ＲＣが６７、、２５％圧縮時応力に対する６５％圧縮時応力の比が１２．９、８万回圧縮後の残留歪率が２．５％であった。この構造体は、実施例１と同様に布団、クッション材として有用である。
【００５８】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体は、炭素繊維が本来的に有している強靭性、耐熱性、化学的安定性、不燃性、無毒性などの優れた特質を有しており、かつ炭素繊維により３次元的網目構造が強固に形成されたものであるので、炭素繊維の単純集合物では決して得られない特性、即ち人に優しい適度な弾力性、圧縮反発性、圧縮耐久性、通気性、更には火災等に対する安全性などを兼ね備えている。
したがって、本発明によれば、人間の感性と密接に関連した広範な分野で使用可能な従来にない特性をもった新規な素材を提供でき、これにより炭素繊維の活用分野を飛躍的に拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体及びウレタン構造体における負荷荷重と圧縮変形量との関係を示すグラフである。
【図２】本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体、及ポリエステル繊維からなる３次元構造体における負荷荷重と圧縮変形量との関係を示すグラフである。
【図３】本発明製造方法で作製された積層体の概略斜視図である。
【図４】本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体の繊維配列状態を模式的に示す説明図である。
【図５】折り畳み機構を説明するための装置概略図（側面図）である。
【図６】噴霧機構を説明するための装置概略図（正面図）である。

Claims

炭素繊維を用いた３次元構造体の製造方法であって、
繊維全体に対し５０重量％以上の炭素繊維を含みかつ繊維全体の５０重量％以上が卷縮繊維で組成された綿状繊維シートの両面に、前記綿状繊維シートに対する熱硬化性樹脂量が１０〜４０重量％となるように熱硬化性樹脂液を噴霧し、当該綿状繊維シートを長手方向にジグザグに折り畳み複数層に重ね合わせ、この積層物の乾燥後の嵩密度が２０Ｋｇ／ｍ³を超え、８０Ｋｇ／ｍ³以下となるように、厚み調整板で圧縮比を調整し加圧し、この状態で熱硬化性樹脂が炭化しない温度以下の温度で乾燥して繊維相互の接触点を結着させ、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ² としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９、８万回圧縮後残留歪率が５％以下である炭素繊維３次元構造体を製造する方法。
炭素繊維を用いた３次元構造体の製造方法であって、
炭素繊維からなる卷縮繊維で組成された綿状繊維シートの両面に、前記綿状繊維シートに対する熱硬化性樹脂量が２５〜４０重量％となるように熱硬化性樹脂液を噴霧し、当該綿状繊維シートを長手方向にジグザグに折り畳み複数層に重ね合わせ後、この積層物の乾燥後の嵩密度が４０Ｋｇ／ｍ³以上、８０Ｋｇ／ｍ³以下となるように、厚み調整板で圧縮比を調整し加圧し、この状態で熱硬化性樹脂が炭化しない温度以下の温度で加熱乾燥し繊維相互の接触点を結着させることにより、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ² としたときの圧縮硬さＬＣが０．８を超え、０．９以下、８万回圧縮後残留歪率が５％以下である炭素繊維３次元構造体を製造する方法。
前記卷縮繊維として、繊維長が０．１〜１０ｃｍである炭素繊維を用いる、請求項１又は２記載の炭素繊維の３次元構造体を製造する方法。