JP5833466B2 - 炭化用原料シート、その製造方法および製造装置、炭化物 - Google Patents

Description

本発明は、炭化用原料シート、その製造方法および製造装置、炭化物に関する。さらに詳しくは、植物繊維を用いた炭化用原料シート、その製造方法および製造装置に関する。また、植物繊維由来の炭化用原料シートで作成された炭化物に関する。

炭化した繊維を含む炭化シートは、電池の負極材や、電磁遮蔽材など様々な用途のあることが知られている。そこで、従来より炭化シートを得る技術が開発されている。
従来から炭素繊維には、ＰＡＮ系とピッチ系の２種類の炭素繊維があるが、これらの炭素繊維を用いた炭化シートの製法としては、炭素繊維をいったん繊維として紡糸した後、不溶化工程を経て、１０００℃以上の温度で焼成することで炭化するものである。これをシート化するにはさらにシートに織り上げる工程が必要である。
しかるに、この方式は、高強度の炭素繊維が得られる反面、不溶化工程が必要であり、焼成化工程が複雑であるために製造コストが嵩むという問題がある。

一方、植物繊維の焼成・炭化温度は約３００℃から３０００℃までと広範囲にわたるが、植物繊維が約３００℃以上で炭素化することは既知のことである。この既知の加熱条件に基づき、特許文献１の従来技術では、植物繊維を原料とする糸で製作した織物地または編物地を８００℃から２０００℃の間で炭化して電磁波を遮蔽する炭化シートとしている。
しかるに、この製法で得た炭化シートは、そのままの状態では破損する恐れがあるので、表裏両面を織物等の補強材で被覆補強し、使用に供するようにしている。このように、補強工程が必要なことから、やはり製造コストが高くなる。しかも、この補強や被覆は炭化シートが破損する恐れの高い状態で実行しなければならないので、注意深い操作と複雑高価な設備を必要とし、やはり製造コストは高いものとなる。

一方、被覆や補強工程を避けようとすれば、シートに予め補強部材等を混入しておけばよいとの発想になるが、従来技術では、熱融着繊維や接着剤を使用するため、焼成・炭化時にこれらの合成樹脂物が軟化・溶融することとなって、シート自体の炭化は不可能であった。

特開２００５−２６８５７９号公報

本発明は上記事情に鑑み、植物繊維を用いた炭化シートを簡易に低コストで製造するための炭化用原料シート、その製造方法および製造装置を提供することを目的とする。また、炭化用原料シートで作成された炭化物を提供することを目的とする。

第１発明の炭化用原料シートは、植物繊維層と、該植物繊維層の表裏両面に積層された植物系再生繊維層とからなり、前記植物繊維層と前記植物系再生繊維層は、厚さ方向に通された植物系再生繊維により互いに絡められ、前記植物繊維は、繊維長が１〜２０ｍｍの短繊維を主成分とし、前記植物系再生繊維は、繊維長が３０〜７０ｍｍの範囲から選択されたものであることを特徴とする。
第２発明の炭化用原料シートは、第１発明において、前記植物繊維が竹繊維であること
を特徴とする。
第３発明の炭化用原料シートの製造方法は、繊維長が１〜２０ｍｍの短繊維を主成分とする植物繊維からなる植物繊維層を作る芯層工程と、繊維長が３０〜７０ｍｍの範囲から選択されたものである植物系再生繊維からなる植物系再生繊維層を作る上下層工程と、前記植物繊維層の表裏両面に前記植物系再生繊維層を積層する積層工程と、前記植物系再生繊維層の植物系再生繊維の一部を厚さ方向に通して、前記植物繊維層と前記植物系再生繊維層を互いに絡める絡め工程とを実行することを特徴とする。
第４発明の炭化用原料シートの製造装置は、繊維長が１〜２０ｍｍの短繊維を主成分とする植物繊維からなる植物繊維層を作成する芯層作成部と、繊維長が３０〜７０ｍｍの範囲から選択されたものである植物系再生繊維からなる植物系再生繊維層を作成する上下層作成部と、前記植物繊維層に前記植物系再生繊維層を積層する積層機構と、積層された上下層における植物系再生繊維の一部を厚さ方向に通す絡め部とを備えることを特徴とする。
第５発明の炭化物の製法は、請求項１記載の炭化用原料シートを任意の形状に加工し、
これを３００〜１０００℃で加熱して焼成することを特徴とする。
第６発明の炭化物は、請求項１記載の炭化用原料シートを任意の形状に加工し、これを
焼成して炭化したことを特徴とする。

第１発明によれば、植物繊維層と植物系再生繊維層は、接着剤や熱融着繊維を用いずに植物系再生繊維のみで絡めているので、焼成しても繊維間の結合力が失われない。このため、焼成するだけで炭化シートが得られるので、製造が簡単となり、製造コストを低減できる。
また、植物系再生繊維の繊維長が、植物繊維層を植物系再生繊維層の間で絡めるに充分な長さを有しているので、植物系再生繊維の一部を厚さ方向に通すだけで、植物繊維層を植物系再生繊維層に対し固定できる。このため、製造が簡単となり、製造コストを低減できる。
加えて、製品用途に応じた形状に加工する際にも、表裏両面を長繊維の植物系再生繊維層で挟まれているため丈夫であり、加工時に炭化用原料シートが損壊することはない。
第２発明によれば、植物繊維として竹繊維を用いているので、竹繊維由来の抗菌性・抗臭性、電磁波遮断性、遠赤外線放射性を発揮する炭化シートを製造できる。
第３発明によれば、芯層工程と上下層工程で作った植物繊維層と植物系再生繊維層を積層工程で、その順に積層しておくと、絡め工程で植物系再生繊維の一部を厚さ方向に通すだけで、植物繊維層を植物系再生繊維層に対して絡めて固定できる。このように簡単な工程で炭化用原料シートを製造できるので、製造コストを低減できる。
第４発明によれば、芯層作成部で植物繊維層を作成でき、上下層作成部で植物系再生繊維層を作成できるので、積層機構で植物繊維層の両側に植物系再生繊維層を積層するだけで、絡め工程実行の準備ができる。絡め部では、植物系再生繊維の一部を厚さ方向に通すという単純な作業だけで芯層を上層および下層に絡めることができるので、製造が早く能率よく行える。このため、製造コストを低減できる。
第５発明によれば、植物繊維層と植物系再生繊維層は、接着剤や熱融着繊維を用いずに植物系再生繊維のみで絡めているので、焼成しても繊維間の結合力が失われない。このため、焼成するだけで炭化シートが得られるので、製造コストを低減できる。また、焼成後に追加して被覆や補強を要することなく、丈夫な炭化物が得られる。
第６発明によれば、植物繊維層と植物系再生繊維層のいずれも植物由来であり、これらの織物が炭化すると抗菌性・抗臭性、電磁波遮断性、遠赤外線放射性を発揮することができる。

本発明の一実施形態に係る炭化用原料シートの概略断面図である。 炭化した植物系再生繊維の一種であるレーヨン繊維を示す写真である。 本発明に係る炭化用原料シートの製造方法の説明図である。 本発明に係る炭化用原料シートの製造装置の概略図である。 本発明に係る炭化用原料シートから炭化物を得る工程の説明図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（炭化用原料シート）
図１に示す炭化用原料シートＡは、芯層として植物繊維層１を用い、この植物繊維層の表裏両面に植物系再生繊維層２．２を積層したものである。
また、植物繊維層１と表裏両面の植物系再生繊維層２．２とは、植物系再生繊維層２中の一部の植物系再生繊維２ａを用いて、互いに絡められ、固定されている。

植物繊維層１は、植物の繊維を積層したもので、原材料としては、竹繊維、木質繊維、ジュート、麻、ケナフ、バガスなどを例示できる。
また、この植物繊維層１は、繊維長が１〜２０ｍｍの短繊維を主成分とするものである。すなわち、全繊維量（重量比）の５０％以上を１〜２０ｍｍの短繊維で占めている。短繊維が１００％に近いほどより望ましいが、製造技術上、２０ｍｍを越える繊維長の繊維がある程度混入することは避けられないので、５０％以上を短繊維で占めていれば、本明細書にいう主成分を占めているものとする。

本明細書にいう植物系再生繊維とは、天然に存在する繊維素（セルロースともいう）を原料として再生させた繊維をいう。その成分はセルロースそのものであり、綿（コットン）や麻と同じである。
植物系再生繊維には、様々なものがあるが、主として製法で分類すると、以下のものを例示できる。
１）レーヨン
木材パルプを原料とし、天然セルロースを繊維状に再生したものである。具体的には、セルロースを水酸化ナトリウムと二硫化炭素で処理したものを硫酸液中に紡糸したものを例示できる。
２）ポリノジック
レーヨンの中の高級品であり重合度、即ち結晶度の高いものをいう。湿潤強度に優れる糸である。
３）キュプラ
銅アンモニア法によって作られたレーヨンである。具体的には、銅アンモニア溶液にセルロースを溶解させた後、酸性液中に紡糸して作られる。
４）リヨセル
セルロースそのものを溶剤に溶解させた溶液を紡糸したものである。具体的には、セルロースをメチルモルホリンオキシド溶液に溶解した後、同液の希薄液中に紡糸したものを例示できる。
５）アセテート
セルロースに酢酸を反応させたアセチルセルロースから作る繊維である。アセチル基の数によりジアセテートとトリアセテートとがある。

本発明の植物系再生繊維層２は、植物系再生繊維を積層したものである。また、植物系再生繊維層とは、繊維長が３０〜７０ｍｍの範囲の中でいずれかの繊維長を選択して使用するものであるが一般的に長繊維であるほど繊維相互が交絡しやすくシートの強度は向上する。

図２の写真（Ａ）、（Ｂ）には植物系再生繊維の一種であるレーヨン繊維のシート状の布を炭素化したものを示す。（Ａ）が５０倍、（Ｂ）が１００倍である。繊維が単独で炭素化することが解る。写真（Ｃ）は植物系再生繊維の一種である竹繊維を炭素化したもので、倍率は２００倍である。これらの写真から人造的に製造された植物系再生繊維も植物繊維も繊維組織が崩れることなく、焼成前の状態を保ってきれいに炭素繊維化していることが解る。

また、これらの写真が示すように繊維組織が壊れずに交絡した状態がそのまま保たれているので、植物繊維の硬いシートであれば、硬い炭素化ボードが得られ、柔らかいシートであれば柔らかい炭素化シートが得られることも分る。したがって、植物繊維由来、たとえば竹由来の繊維（１〜３ｍｍ長さ）に植物系再生繊維の長繊維（２０〜５０ｍｍ長さ）を混合したシートであれば、焼成に耐えるのである。
このように、植物繊維由来（天然繊維も再生繊維も含む）のシートを作成し、そのシートを直接的に焼成することで従来の不溶化・焼成工程、織物工程を省き、簡便的に植物繊維炭素化シートを製造することができる。これが、本発明の技術原理である。

上記の炭化用原料シートＡは、その構造上、つぎの長所がある。
（１）生産速度が早い
本発明の炭化用原料シートＡは、長繊維と短繊維の積層方式であり、生産速度として最大３０ｍ／ｍｉｎは確保できるので生産性が高い。
（２）シート厚さの調整が容易
本発明の炭化用原料シートＡは、３層構造の内の芯層２の植物繊維量を変更するだけで、容易に厚さを調整できる。シートの厚さを容易に調整できるというのは、多方面にわたり活用するにあたって必要不可欠である。
（３）高い電磁波遮断率が可能
本発明の炭化用原料シートＡは、植物繊維を積層してシートを形成する方法であるので、目付量を増やすことは容易であり、必然的に空隙率は低くなる。結果として、１ｍ^２あたりの植物性の炭素繊維含有量を多くすることが容易となり、電磁波遮断率も高くなる。
（４）追加工程が不用
長繊維の植物系再生繊維層２．２で植物繊維層１を挟んだ構造であるので、強度が高く、そのまま炭化しても更に強度確保のための被覆等の追加工程をする必要がない。このため低コストで製造できる。

（本発明の製造方法）
本発明の製造方法を、図３に基づき説明する。
同図に示す植物繊維層１および植物系再生繊維層２．２は、それぞれの製造工程で製造されているものである（なお、各製造工程の詳細は後述する）。植物繊維層１の表裏両面に植物系再生繊維層２．２が重ねられた状態で、絡め工程を実行する絡め部５０に送り込まれる。
絡め部５０では、植物系再生繊維層２の中の一部の長繊維を厚さ方向に通す絡め工程が実行される。この絡め工程には、長繊維を炭化用原料シートＡの厚さ方向に通す装置が用いられるが、この装置には、ニードルパンチ機５０Ａやウォータージェット機、ステッチボンド機などが例示できる。

ニードルパンチ機５０Ａを用いた場合、図１に示すようにニードル５１が上下に昇降を繰り返すときに、ニードル先端の切欠きに植物系再生繊維層２内の植物系再生繊維２ａが引っ掛けられて上下に通されていく。つまり、植物繊維層１と植物系再生繊維層２．２の厚さ方向に植物系再生繊維２ａが通される。図３に示すように、ニードルパンチ機５０Ａには、多数のニードル５１が取り付けられているので、ニードル５１が数往復すると、図１に示すように、上下層の植物系再生繊維層２．２と芯層である植物繊維層１とを多数本の植物系再生繊維２ａで絡めてしまう。
このため、植物系再生繊維層２．２と植物繊維層１は互いに縫い合わされて固定された状態となる。

上記のように、単純な作業で植物繊維層１を植物系再生繊維層２．２に絡めることができるので、製造が早く能率よく行える。このため、製造コストを低減できる。

（本発明の製造装置）
図４に基づき、本発明の炭化用原料シートを得るに好適な製造装置を説明する。
本発明の製造装置は、主として、芯層作成部１０と上下層作成部２０、３０と積層機構４０と絡め部５０とからなる。芯層作成部１０は、繊維分散箱１１とエアーレイド機１２からなる。繊維分散箱１１内に、植物繊維１ａを入れておき、エアーレイド機１２を駆動すると、空気流を利用して短繊維にして、これを積層し、ウエブを形成する。
なお、エアーレイド機１２の手前から後述する絡め部５０にかけて、コンベヤ４１が配設されている。

上下層作成部２０、３０は、上層用の植物系再生繊維作成部２０と下層用の植物系再生繊維作成部３０とからなる。
下層作成部３０は、供給箱３１とコンベヤ３２とカード機３３とからなる。
供給箱３１に植物系再生繊維２ａを入れてコンベヤ３２に定量ずつ供給し、カード機３３でウエブを形成する。カード機３３は、大径のドラムの半周上に複数本のロールを配置した公知の装置であり、繊維がロールからロールに移るたびに繊維の方向が揃えられる。カード機３３の出側は、前記コンベヤ４１に接続されているので、方向が揃えられた植物系再生繊維は植物系再生繊維層２としてウエブ形成された状態でコンベヤ４２で移送されていく。

上層作成部２０は、供給箱２１とコンベヤ２２とカード機２３とからなる。その構成は下層作成部３０と実質同一であり、植物系再生繊維の長さを揃えた植物系再生繊維層２が得られる。カード機２３の出側から絡め部５０までは、コンベヤ１６が配設されているので、方向が揃えられた植物系再生繊維が植物系再生繊維層２として、ウエブ形成された状態で、コンベヤ４２で移送されていく。

積層機構４０は、２本のコンベヤ４１、４２からなる。
下層作成部３０で作成された下層用の植物系再生繊維層２は、コンベヤ４１にのせられて移送され、その上面に芯層作成部７０で作成された植物繊維層１がのせられ、更に上層作成部２０で作成された植物系再生繊維層２がのせられて、３層となる。この３層状態で絡め部５０へ送り込まれる。

上層、下層の植物系再生繊維層２．２はカード機でシートを製造する代わりに、市販の植物系再生繊維シートを購入して、機上に設置すれば上層、下層のカード機の代用ともなる。

絡め部５０では、既述の要領で絡め部５０内で積層体Ａが絡められる。
このようにして得られた炭化用原料シートＡは、巻取り部６０でロールＲに巻き取られるか、適度な寸法で切断されシート上で積み上げられる。

以上のように、積層機構４０で植物繊維層１の両側に植物系再生繊維層２．２を積層するたけで、絡め工程実行の準備ができる。絡め部５０では、植物系再生繊維の一部を厚さ方向に通すという単純な作業だけで植物繊維層１を植物系再生繊維層２．２にて絡めることができるので、製造が早く能率よく行える。このため、製造コストを低減できる。
（炭化シート）
図５に基づき、本発明の炭化用原料シートＡを炭化する方法を説明する。
（Ｉ）：炭化用原料シートＡは、ロールＲから巻き出したものか、予めシート状に切断したものである。
（II）：炭化用原料シートＡを、製品用途に応じた形状に加工する。Ｂ１は抗菌・抗臭用のシート状製品を示し、Ｂ２は電磁波遮蔽用ボックスを示しているが、これらは例示であり、（II）工程において必要な形状に加工される。
この加工時において、本発明の炭化用原料シートＡは、表裏両面を長繊維の植物系再生繊維層２．２で挟まれているため丈夫であり、加工時に損壊することはない。

（III）：焼成部Ｃで加工品Ｂ１、Ｂ２などを焼成する。加熱温度は、３００〜１０００℃であるが、このような高温にさらしても、熱融着繊維や接着剤を一切用いていないため、繊維間の結合が失われることはない。このため、前工程での加工形状がそのまま保たれる。

（IV）：焼成を終えると炭化物Ｄ１、Ｄ２が完成する。
このようにして得られた炭化物は、下記のように抗菌性・抗臭性、電磁波遮断性、遠赤外線放射性を発揮することができる。

植物繊維が竹繊維であれば、とくに次のような利点がある。
竹炭素繊維の特徴は、多孔質であるため、空気中の汚れや臭いを吸着したり、湿度を調整する機能があるほか、遠赤外線効果による身体をあたためる機能がある。また、電磁波を遮断し、導電性が高いという特徴もある。
竹炭素繊維シートは家庭向きの汎用用途として、抗菌性・抗臭性・電磁波遮断性・遠赤外線効果を活かした寝具、服飾品、家電品カバー、携帯電話ケースなどへの利用が可能であり、軽量材料でありながら、電磁波シールド特性を有している。
電磁波は、電界と磁界の両方の特性を有するため、電界シールド（通電性のよいもの）で囲んでアースして電気を逃す。一方、磁界シールドは有効な厚みを有する磁性体で囲むようにしている。したがって、電磁シールド材としては導電金属、金属メッシュ板、導電塗料、メッキがある。これに近いものが炭素繊維であり、しかもこの炭素繊維は導電性ばかりでなく多孔質であるため電磁波を吸収消滅させるという特性を有するので、電磁波遮断用ボックス等には有効である。

１ 植物繊維層
２ 植物系再生繊維層
１０ 芯層作成部
２０ 上層作成部
３０ 下層作成部
５０ 絡め部
Ａ 炭化用原料シート

Claims (6)

1. 植物繊維層と、
   該植物繊維層の表裏両面に積層された植物系再生繊維層とからなり、
   前記植物繊維層と前記植物系再生繊維層は、厚さ方向に通された植物系再生繊維により互いに絡められ、
   前記植物繊維は、繊維長が１〜２０ｍｍの短繊維を主成分とし、
   前記植物系再生繊維は、繊維長が３０〜７０ｍｍの範囲から選択されたものである
   ことを特徴とする炭化用原料シート。
2. 前記植物繊維が、竹繊維であることを特徴とする請求項１または２記載の炭化用原料シート。
3. 繊維長が１〜２０ｍｍの短繊維を主成分とする植物繊維からなる植物繊維層を作る芯層工程と、
   繊維長が３０〜７０ｍｍの範囲から選択されたものである植物系再生繊維からなる植物系再生繊維層を作る上下層工程と、
   前記植物繊維層の表裏両面に前記植物系再生繊維層を積層する積層工程と、
   前記植物系再生繊維層の植物系再生繊維の一部を厚さ方向に通して、前記植物繊維層と前記植物系再生繊維層を互いに絡める絡め工程とを実行する
   ことを特徴とする炭化用原料シートの製造方法。
4. 繊維長が１〜２０ｍｍの短繊維を主成分とする植物繊維からなる植物繊維層を作成する芯層作成部と、
   繊維長が３０〜７０ｍｍの範囲から選択されたものである植物系再生繊維からなる植物系再生繊維層を作成する上下層作成部と、
   前記植物繊維層に前記植物系再生繊維層を積層する積層機構と、
   積層された上下層における植物系再生繊維の一部を厚さ方向に通す絡め部とを備える
   ことを特徴とする炭化用原料シートの製造装置。
5. 請求項１記載の炭化用原料シートを任意の形状に加工し、これを３００〜１０００℃で
   加熱して焼成することを特徴とする炭化物の製法。
6. 請求項１記載の炭化用原料シートを任意の形状に加工し、これを焼成して炭化したこと
   を特徴とする炭化物。