JP4460232B2 - 活性炭素繊維及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多孔質の活性炭素繊維、特に請求項１に記載のガス状物質を吸着又は脱離する多孔質活性炭素繊維並びに請求項１０記載の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
活性炭素繊維を炭素繊維の表面処理により製造することは既に公知である。一般に、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）又はピッチの前駆体材料は、これを材料にして得られる炭素繊維の良好な機械及び吸着特性の故に、賞用されている。ポリアクリロニトリルの前駆体をベースとする活性炭素繊維の製造は、まず炭素繊維に一般的な約２３０〜３００℃の空気中での安定化で始まる。こうしてポリアクリロニトリルの化学変化により不溶性の繊維が形成される。結果として生じる酸化繊維は、直接活性化しても、まず織物の形に更に加工しても良い。この繊維の活性化は、通常従来の炭素繊維の処理と異なり不活性雰囲気中でなく、酸化雰囲気中で約１２００℃以上の温度に加熱することで行う。この処理工程の典型的な酸化剤はＨ₂Ｏ又はＣＯ₂である。これら酸化剤の反応で、繊維表面は激しく腐食され、結果として多孔質の表面が生ずる。比表面積の大きさと表面細孔内の炭素原子の立体配置は、主に活性炭素繊維を通る化学物質の吸着の選択性と強度を決定する。ピッチの前駆体をベースとして製造した炭素繊維の活性化は、同様に炭化した繊維を表面酸化することで行う。
【０００３】
特に比表面積の大きい膜を、多孔質繊維を使用して製造することは特許文献１で公知である。それらの膜は、多孔質の中空炭素繊維で形成される。この製造方法は、ＰＡＮベースのポリマＡ及び熱により分解可能な（即ち熱分解可能な）ポリマＢから成るポリマ混合物（場合によっては溶剤及び可溶化剤を含む）を、ポリマの中空繊維に紡糸するものである。中空体は、例えば隙間ノズルの使用で得られ、その繊維の内径は数１００μmである。中空繊維の多孔性はポリマＢの分解により生ずる。ポリマＢは６００℃以下の温度で分解される。ポリマとして、特にビニル系及びメタクリレート系ポリマが記載されている。それらの比粘度として、０．１〜０．４の範囲が特に挙げられている。
【０００４】
活性炭素繊維から成る吸着／脱離モジュールの形成については、特許文献２に記載されている。活性炭素繊維の織物からなる単数又は複数の中空体は、その縦方向に配列されている。それらの繊維体は、気体流からの成分の選択吸着及びそれに次いで脱離を行うことができるように、電流により直接加熱される。
【０００５】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第０３９４４４９号明細書
【特許文献２】
米国特許第６３６４９３６号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、炭素繊維の比表面積、活性度及び選択度を、従来技術に比べて高めることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明により、炭素繊維の細孔を少なくとも一部、即ち細孔の少なくとも３０容積％を活性物質により満たすことにより解決される。活性物質は、炭素、金属及び／又は炭化金属により形成され、その際それらの活性物質は、既に炭素繊維を製造するための前駆体の繊維中に微細に分散されて存在していた、有機又は有機金属系ポリマの炭化に基づくものである。従って、炭素繊維の活性化は、部分的に炭素、金属及び／又は炭化金属で満たされた細孔の形成により行われ、その際それらの活性中心は、ポリアクリロニトリル系ポリマにより形成され、炭素の前駆体繊維中に分散されている有機又は有機金属系ポリマ粒子の炭化により形成される。特に好ましいことは、そのために冒頭に記載した炭素繊維の製造方法を本質的に変える必要がないことである。本発明による炭素繊維は、特に気体の吸着又は脱離に適している。
【０００８】
本発明方法は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）ベースの炭素繊維の前駆体 （ポリマＡ）と、炭化可能なポリマ（ポリマＢ）から成る混合ポリマを混合繊維に紡糸し、安定化を行い、次いでそれらの繊維を完成した活性炭素繊維に炭化するようにして行われる。ポリマＢは、可溶性及び粒子寸法に関してＰＡＮベースの繊維中に微細に分散されて、即ちミクロに分散されて存在するように選択されている。炭化の際にＰＡＮベース分により炭素繊維の骨格が形成され、一方ポリマＢの分解生成物は、極めて多孔質な活性物質として残され、炭素繊維中及び炭素繊維上の細孔を少なくとも部分的に満たす役目をする。こうして、ポリマＢの最初の組成次第で、異なる吸着質に対して異なる選択度を示す種々の残留炭素、金属又は炭化金属も得られる。
【０００９】
上記の従来技術とは異なり、ポリマＢが、その固体の不揮発性残渣が活性物質として繊維内に残るように、ごく一部だけ分解されることは重要である。従って活性炭素繊維の活性中心は、主にポリマＢの固体の分解生成物により構成される。ポリマＢの選択により、特に有機金属成分又はヘテロ原子に応じて、活性繊維中に目標に合わせて種々の選択度を採用できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、詳細には以下の工程で行われる。
ａ）ＰＡＮベースのポリマＡと、有機又は有機金属系ポリマＢを含む紡糸混合物を製造し、
ｂ）この混合物をポリマＡとポリマＢからなる混合繊維に紡糸し、
ｃ）この混合繊維を酸化し、
ｄ）この混合繊維を非酸化条件下に、少なくとも部分炭化された炭素繊維を形成し、ポリマＢが、少なくとも２５重量％の炭素−及び／又は金属−及び／又は炭化金属の残渣を形成するように炭化又は黒鉛化する。
【００１１】
ポリマＡとして、炭素繊維を製造するため市販のＰＡＮベースのポリマ（プリカーサともいう）を用いる。それらは典型的には９０モル％以上のアクリロニトリル単位から成る共重合体並びに他の共単量体単位として組立てられている。
【００１２】
ポリマＢとして、炭化に伴う残渣が少なくとも２２重量％、有利には３０重量％以上あり、炭化可能な有機又は有機金属系ポリマを用いる。炭化による残渣とは、相応の混合繊維の炭化処理条件で生じ、重量％で表示したポリマＢの残渣を意味する。なお上記の条件は、非酸化性雰囲気で５００℃以上の温度である。
【００１３】
ポリマＢの炭化により生じる残渣が、ＰＡＮベースのポリマの残渣の下にあると有利である。ポリマＢのより強い熱分解は、ポリマＡからの前駆体物質の場合よりも大きな容積の収縮を来すので、結果として細孔が生ずる。しかし炭化時に容積収縮の比較的少ないポリマＢを使用すると特に有利である。それにより炭化されたポリマＢの範囲に微細な多孔質が残り、繊維の比表面積が拡大する。骨格となる繊維内の細孔は、概してポリマＢの微細多孔質の分解生成物により少なくとも部分的に満たされる。これら細孔は、必要な場合には微細多孔質の分解生成物で少なくともその３０容積％、特に有利には５０容積％を満たされる。
【００１４】
典型的にはポリマＢの含有量は、ポリマＡ及びＢから成るポリマ混合物の５０重量％以下、特に３〜４０重量％の範囲である。
【００１５】
ポリマＢの炭化による残渣が散在する範囲を形成する前提条件は、ポリマＢが既に混合繊維中に微細に、即ちミクロに分散していることである。ポリマＢの粒子径は、こうして得られた混合繊維の繊維径の５０％を越えてはならない。ポリマＢの各粒子の平均直径が１５００ｎｍ以下であると有利であり、特に８００ｎｍ以下が望ましい。この繊維の炭化後に形成され、部分的に満たされる細孔は、平均の最小直径を超えてはならない。この最小直径は約３０ｎｍである。
【００１６】
微細に分散した残渣の分布は、ポリマＢがＰＡＮ紡糸溶液中で殆ど又は全く溶解しないときに得られる。湿式又は乾式紡糸プロセス用の通常のＰＡＮ紡糸溶液は溶剤を含む。従って本発明では、溶剤として不溶性ポリマＢが適する。
【００１７】
ポリマＢは、混合繊維の酸化処理温度より高い融点を有するべきである。不溶性の化合物に網状化する樹脂やポリマが適する。かかる有機系ポリマＢの例は、特にポリエステル、フェノール樹脂、ポリアミド、ポリアラミド、共重合アラミド、パラアラミド又はセルロースである。
【００１８】
有機金属系ポリマとは、金属原子が直接鎖状ポリマ内に組込まれるもの、また金属原子が錯体、即ちＯ又はＮのような特にヘテロ原子に結合されているような化合物のことである。後者の場合、特にカルボキシル基、カルボニル基及びイミン基が形成される。これらの有機金属系ポリマには、本発明においては、高分子の形に凝集されて存在する錯体の有機金属塩も含まれている。本発明による有機金属系ポリマには、とりわけポリアセテート、シクロペンタジエニル系ポリマ又はアルコラート系又はアセチルアセトネート系ポリマが含まれている。
【００１９】
有機金属系ポリマに適する金属成分は、遷移金属、特にその第１系列の遷移金属と白金金属である。これらは原子の形で、又は炭化化合物として高い化学活性を特徴とし、部分的に極めて選択度の高い吸着能の根拠となる。有機金属化合物又は錯体の有機化合物には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｂ又はＰｔの元素が特に有利である。
【００２０】
本発明のもう１つの有利な実施形態では、有機金属系ポリマＢが他の金属を元素の形で含み、それより繊維の活性範囲の含有量を更に高められる。その際元素Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ又はＰｔを樹脂で結合した金属の微粉末が特に使用される。
【００２１】
有機金属化合物の炭化による残渣は、典型的には炭素、金属及び炭化金属を様々に組み合わせた組成の混合物からできている。使用される化合物の炭化による残渣が２５重量％以上、特に３５重量％以上存在すると特に有利である。
【００２２】
混合物をポリマＡ及びポリマＢから成る混合繊維に紡糸する場合、公知の湿式又は乾式紡糸法が使用される。特に、有機金属のポリマＢを有機の錯塩の形で含む紡糸混合物を使用する場合、乾式紡糸が適する。それに対して湿式紡糸の場合、紡糸浴（凝固溶液）が繊維から再び金属化合物を更に溶出させる恐れがある。
【００２３】
本発明による混合繊維の紡糸プロセス後の直径は２００μm以下であり、従来の炭素繊維の前駆体材料としてＰＡＮ繊維に一般的な１０〜３０μmの範囲好適である。約６０μm以上の太い繊維は、場合により異形材繊維としても形成できる。その表面積が更に増大するからである。
【００２４】
安定化に続く処理工程中に、混合繊維を不溶化する。これは２３０〜３００℃の温度での酸化により行うとよい。この際公知の方法で、分子レベルの脱水素化と環化とでポリアクリロニトリルを不溶化及び炭化する安定化処理を行う。
【００２５】
ポリマＢも、少なくともこの処理工程の後、不溶性の形で存在する。場合によっては安定化をもたらすポリマＢの網状化も、同様にまずこの処理工程中に行われる。後網状化は、例えばポリエステル又はフェノール樹脂の場合に観られる。安定化に有利な熱処理は、空気を２３０℃に加熱し、約１４０分の保持時間、約５℃／分の加熱率で行われる。更に処理時間の短縮は、例えば約２７０℃で約６０分間のより高い温度水準で可能となる。
【００２６】
有機金属化合物をポリマＢとして用いる場合、できるだけ低温で等温の温度分布を選ぶ。即ち酸化条件下での繊維の過熱は、有機金属化合物の酸化が概して不所望な金属酸化物を生じる恐れがあり、回避せねばならないからである。
【００２７】
この繊維の製造の最終工程で、安定化した混合繊維の活性炭素繊維への置換を行う。これは、炭化又は黒鉛化により行うが、炭化と黒鉛化との間の差異は流動的である。炭化は５００℃以上、特に９００〜１４００℃の温度、黒鉛化は更に高温で、特に１６００〜２２００℃の温度で行うとよい。この熱処理は、例えばＮ₂保護ガス雰囲気等のような酸素不含の条件下に行う。
【００２８】
５００℃より若干上の温度の場合、ごく一部だけ前駆体のポリマの炭化が行われるに過ぎず、従って部分的に炭化された繊維が得られる。一部分明らかにより高い炭化温度で得られる炭素繊維とは異なり、この部分的炭化繊維はなお比較的多くのヘテロ原子、特にニトリル基を含む。これと同じことは、窒素含有ポリマから出発した場合に、ポリマＢの分解生成物にもやはり該当する。このニトリル基は、極性基として繊維表面全体の活性化に寄与する。
【００２９】
従って本発明のもう１つの利点は、簡単に部分炭化した活性繊維を製造できる点にある。部分炭化した繊維は、特に低い熱伝導性を有し、従って炭素繊維よりも優れた断熱性が要求される場合に有利である。このような部分炭化した繊維も以後まとめて炭素繊維と呼ぶ。
【００３０】
有機金属系ポリマＢを用いる際、黒鉛化処理は安定な結晶の金属化合物、特に炭化金属の形成を促進する。但しこのため、特に純炭素範囲の活性は低下する。
【００３１】
本発明のもう１つの形態は、この活性繊維をガス混合物の分離及びガス状物質の吸着に使用することにある。その際特にＣＯ₂の分離を図るものである。ガス 状物質、特にＣＯ₂も分離する類型的装置は、交互に吸着と脱離の機能を果たす ２つのモジュールから構成されている。その際、これらモジュールの加熱は炭素繊維の導電性を利用して簡単に行うことができる。
【００３２】
もう１つの用途は、例えば化学工業用のフィルタモジュールの形成である。この繊維材料は、同様に活性化され、場合によっては断熱を行う保護被覆の成分として使用できる。この活性繊維の使用で、保護被覆は有害物質を吸着する付加的機能を果たす。織物用には、織物の加工性及び衣服の着用を快適なものに明らかに改善できるので、部分炭化された繊維は炭素繊維に比べて有利である。

Claims (16)

1. 表面及び内部に細孔を有する多孔質炭素繊維において、前記細孔の少なくとも３０容積％が有機金属系ポリマの炭化により得られる炭素並びに金属及び／又は炭化金属で満たされたことを特徴とする多孔質炭素繊維。
2. 金属及び／又は炭化金属残渣の金属含有量が、繊維質量の２％以上であることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維。
3. 細孔が、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１つ及び／又はそれらの炭化物を含むことを特徴とする請求項１記載の炭素繊維。
4. 細孔を部分的に満たす物質が微細多孔質であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の炭素繊維。
5. 少なくとも表面の細孔が、３０ｎｍ以上の平均直径を有することを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の炭素繊維。
6. ガス混合物中のＣＯ_２の分離用に使用する請求項１乃至５の少なくとも１つに記載の多孔質活性炭素繊維の使用方法。
7. フィルタモジュール又は保護被覆の成分として使用する請求項１乃至５の１つに記載の多孔質活性炭素繊維の使用方法。
8. 表面及び内部に細孔を有する多孔質炭素繊維において、前記細孔の少なくとも３０容積％が有機金属系ポリマ粒子の炭化により得られる炭素並びに金属及び／又は炭化金属で満たされた活性炭素繊維の製造方法であって、
   ａ）ポリアクリロニトリルをベースとするポリマＡと、非酸化条件下で炭化した際に紡糸の元の重量の少なくとも２５％の炭素並びに金属及び／又は炭化金属の残渣を後に残す、炭化可能な有機金属系ポリマＢとからなる紡糸混合物を製造し、
   ｂ）この紡糸混合物をポリマＡ及びポリマＢから成る混合繊維に紡糸し、
   ｃ）混合繊維を酸化により安定化し、
   ｄ）非酸化条件下に、ポリマＢが元の重量の少なくとも２５％の炭素並びに金属及び／又は炭化金属の残渣を形成するように、この混合繊維を炭化又は黒鉛化する
   各工程を含む活性炭素繊維の製造方法。
9. ポリマＢが、元素・Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ又はＰｔの少なくとも１つの金属成分を含む有機金属系ポリマを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. ポリマＢが、金属のシクロペンタジエニル又はポリアセテートを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
11. 混合繊維の炭化又は黒鉛化を５００℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項８乃至１０の１つに記載の方法。
12. 混合繊維の安定化を、２３０〜３００℃の温度で行うことを特徴とする請求項８乃至１１の１つに記載の方法。
13. 混合繊維を乾式紡糸により製造することを特徴とする請求項８乃至１２の１つに記載の方法。
14. 混合繊維中にポリマＢを平均寸法１５００ｎｍ以下の分離析出物の形で加えることを特徴とする請求項８乃至１３の１つに記載の方法。
15. 工程ｃ）で初めて安定化された熱可塑性のポリマＢを使用することを特徴とする請求項８乃至１４の１つに記載の方法。
16. ポリマＢの含有量が混合繊維の重量の２〜５０％であることを特徴とする請求項８乃至１５の１つに記載の方法。