JP7341038B2 - Method for manufacturing silicon nitride fiber - Google Patents

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本発明は窒化ケイ素繊維の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing silicon nitride fibers.

窒化ケイ素は高熱伝導性を有する材料であることが知られている。そのため、窒化ケイ素からなる組成物(例えば繊維や粒子など)は放熱材などの様々な産業用途に使用されている。 Silicon nitride is known to be a material with high thermal conductivity. Therefore, compositions (for example, fibers and particles) made of silicon nitride are used in various industrial applications such as heat dissipation materials.

このような窒化ケイ素組成物の製造方法として、例えば、特開平9-30900号公報(特許文献1)には、窒化ケイ素ウイスカーの製造方法が開示されている。 As a method for manufacturing such a silicon nitride composition, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-30900 (Patent Document 1) discloses a method for manufacturing silicon nitride whiskers.

特開平9-30900号公報Japanese Patent Application Publication No. 9-30900

しかし、特許文献1に記載の窒化ケイ素ウイスカーの製造方法は、有機ケイ素高分子化合物と固体炭素を混合して得られた成形体を加熱処理することで有機ケイ素高分子化合物の分解ガスが発生し、この分解ガスと窒素ガスが反応することでウイスカーを得ていることから、ガス同士の反応時の環境によってウイスカーの繊維径がばらつきやすく、結果としてウイスカーを放熱フィラーとして樹脂に複合した時に分散性が悪く、熱伝導率のばらつきが大きく十分な性能が発揮できないものであった。 However, in the method for producing silicon nitride whiskers described in Patent Document 1, decomposition gas of the organosilicon polymer compound is generated by heating a molded product obtained by mixing an organosilicon polymer compound and solid carbon. Since whiskers are obtained by the reaction between this decomposed gas and nitrogen gas, the fiber diameter of the whiskers tends to vary depending on the environment in which the gases react with each other, and as a result, when the whiskers are combined with resin as a heat dissipation filler, the dispersibility is low. The thermal conductivity was poor, and the thermal conductivity varied widely, making it impossible to exhibit sufficient performance.

本発明はこのような状況下においてなされたものであり、繊維径が均一な窒化ケイ素繊維の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made under these circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for producing silicon nitride fibers having uniform fiber diameters.

本発明は、「(i)ケイ素アルコキシド溶液を用意する工程、(ii)前記ケイ素アルコキシド溶液中のケイ素アルコキシドを加水分解させ縮重合させることにより、曳糸性ゾル溶液を調製する工程、(iii)前記曳糸性ゾル溶液を用いて、静電紡糸法により酸化ケイ素繊維を調製する工程、(iv)前記酸化ケイ素繊維を、アンモニアガス又は窒素ガス雰囲気下、焼成する工程、を含む、窒化ケイ素繊維の製造方法。」である。 The present invention comprises: "(i) a step of preparing a silicon alkoxide solution; (ii) a step of preparing a stringable sol solution by hydrolyzing and condensing the silicon alkoxide in the silicon alkoxide solution; (iii) A silicon nitride fiber comprising the steps of: preparing a silicon oxide fiber by electrospinning using the spinnable sol solution; (iv) firing the silicon oxide fiber in an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere. ``Production method.''

本発明に係る窒化ケイ素繊維の製造方法は、曳糸性ゾル溶液を用いて、また静電紡糸法により酸化ケイ素繊維を調製していることから、酸化ケイ素繊維の繊維径が均一になりやすく、また、前記酸化ケイ素繊維をアンモニアガス又は窒素ガス雰囲気下で焼成することで生成する窒化ケイ素繊維の繊維径も均一になりやすい。 The method for producing silicon nitride fibers according to the present invention uses a spinnable sol solution and prepares silicon oxide fibers by electrospinning, so the fiber diameter of the silicon oxide fibers tends to be uniform. Furthermore, the fiber diameter of silicon nitride fibers produced by firing the silicon oxide fibers in an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere tends to be uniform.

静電紡糸装置の模式的断面図Schematic cross-sectional view of electrostatic spinning device 静電紡糸法により形成した酸化ケイ素繊維シートにおける酸化ケイ素繊維の配置状態を模式的に表す平面図A plan view schematically showing the arrangement of silicon oxide fibers in a silicon oxide fiber sheet formed by electrostatic spinning. 静電紡糸以外の方法により形成した酸化ケイ素繊維シートにおける酸化ケイ素繊維の配置状態を模式的に表す平面図A plan view schematically showing the arrangement of silicon oxide fibers in a silicon oxide fiber sheet formed by a method other than electrostatic spinning.

本発明の窒化ケイ素繊維の製造方法について、以下に詳細を説明する。 The method for producing silicon nitride fibers of the present invention will be described in detail below.

まず、(i)ケイ素アルコキシド溶液を用意する工程、について説明する。 First, the step (i) of preparing a silicon alkoxide solution will be explained.

前記ケイ素アルコキシド溶液は、溶媒[例えば、有機溶媒(例えば、エタノールなどのアルコール類、ジメチルホルムアミド)]、前記ケイ素アルコキシド溶液に含まれるケイ素アルコキシドを加水分解するための水、及び触媒(例えば、塩酸など)を含んでいることができる。 The silicon alkoxide solution contains a solvent [for example, an organic solvent (for example, an alcohol such as ethanol, dimethylformamide)], water for hydrolyzing the silicon alkoxide contained in the silicon alkoxide solution, and a catalyst (for example, hydrochloric acid, etc.). ) may contain.

その他、前記ケイ素アルコキシド溶液には、酸化ケイ素繊維と反応するヒドラジン、ジエタノールアミンなどの窒化物、柔軟性調整などの各種機能を付与するための有機化合物(例えば、ポリビニルピロリドン)、ヒドロキシアパタイトなどの無機成分、あるいは染料等の添加剤を含んでいてもよい。なお、これらの添加剤は、後述する加水分解を行う前、加水分解を行う際、あるいは加水分解後に添加することができる。 In addition, the silicon alkoxide solution contains nitrides such as hydrazine and diethanolamine that react with silicon oxide fibers, organic compounds (for example, polyvinylpyrrolidone) for imparting various functions such as flexibility adjustment, and inorganic components such as hydroxyapatite. , or may contain additives such as dyes. Note that these additives can be added before, during, or after the hydrolysis described below.

さらに、前記ケイ素アルコキシド溶液は、無機系又は有機系の微粒子を含んでいてもよい。前記無機系微粒子としては、例えば、酸化イットリウム、酸化チタン、二酸化マンガン、酸化銅、活性炭、金属(例えば、白金)を挙げることができ、有機系微粒子としては、色素又は顔料などを挙げることができる。また、微粒子の平均粒径は特に限定されるものではないが、好ましくは0.001~1μm、より好ましくは0.002~0.1μmである。 Furthermore, the silicon alkoxide solution may contain inorganic or organic fine particles. Examples of the inorganic fine particles include yttrium oxide, titanium oxide, manganese dioxide, copper oxide, activated carbon, and metals (e.g., platinum), and examples of the organic fine particles include dyes or pigments. . Further, the average particle diameter of the fine particles is not particularly limited, but is preferably 0.001 to 1 μm, more preferably 0.002 to 0.1 μm.

次に、(ii)前記ケイ素アルコキシド溶液中のケイ素アルコキシドを加水分解させ縮重合させることにより、曳糸性ゾル溶液を調製する工程、について説明する。 Next, the step (ii) of preparing a stringable sol solution by hydrolyzing and polymerizing the silicon alkoxide in the silicon alkoxide solution will be described.

ケイ素アルコキシド溶液に含まれるケイ素アルコキシドを加水分解するための水の量は、ケイ素アルコキシドの分子構造によって異なり、特に限定するものではないが、例えば、テトラエトキシシラン場合、曳糸性ゾル溶液とすることができるように、水の量はアルコキシドの2倍モル以下であるのが好ましい。 The amount of water for hydrolyzing the silicon alkoxide contained in the silicon alkoxide solution varies depending on the molecular structure of the silicon alkoxide and is not particularly limited, but for example, in the case of tetraethoxysilane, it should be a stringable sol solution. The amount of water is preferably at most twice the mole of the alkoxide so that the amount of water can be reduced.

なお、「曳糸性」の有無は、以下の(判定法)に示す条件で判断できる。
(判定法)
アースした金属板に対し、水平方向に配置した金属ノズル(内径:0.4mm)から紡糸溶液(固形分濃度:10~50wt%)を吐出する(吐出量:0.5~1.0g/hr)と共に、ノズルに電圧を印加(電界強度:1~3kV/cm、極性:プラス印加又はマイナス印加)し、ノズルの先端に溶液の固化を生じさせることなく、1分間以上連続して紡糸し、金属板上に繊維を集積させる。
この集積した繊維の走査電子顕微鏡写真を撮り、観察し、液滴がなく、繊維の平均繊維径(50点の算術平均値)が5μm以下、アスペクト比(平均繊維長/平均繊維径)が100以上の繊維を製造できる条件が存在する場合、その紡糸溶液は「曳糸性あり」と判断する。これに対して、前記条件(すなわち、濃度、押出量、電界強度、及び/又は極性)を変え、いかに組み合わせても、液滴がある場合、オイル状で一定した繊維形態でない場合、平均繊維径が5μmを超える場合、あるいは、アスペクト比が100未満の場合(例えば、粒子状)で、前記繊維を製造できる条件が存在しない場合、その紡糸溶液は「曳糸性なし」と判断する。なお、本発明の平均繊維径は50本の繊維断面の繊維径の平均値をいい、繊維断面が真円でない場合は、繊維の断面積から断面が真円であるときの直径に換算し、繊維径とする。また、平均繊維長は50本の繊維の繊維長の平均値をいう。
The presence or absence of "stringiness" can be determined under the conditions shown below (determination method).
(Judgment method)
A spinning solution (solid content concentration: 10 to 50 wt%) is discharged from a metal nozzle (inner diameter: 0.4 mm) arranged horizontally to a grounded metal plate (discharge rate: 0.5 to 1.0 g/hr ), a voltage is applied to the nozzle (electric field strength: 1 to 3 kV/cm, polarity: positive application or negative application), and spinning is continued for 1 minute or more without causing solidification of the solution at the tip of the nozzle, Fibers are accumulated on a metal plate.
A scanning electron micrograph of the accumulated fibers was taken and observed. There were no droplets, the average fiber diameter (arithmetic mean of 50 points) was 5 μm or less, and the aspect ratio (average fiber length/average fiber diameter) was 100. If the conditions that allow the production of the above fibers exist, the spinning solution is determined to have "spinning properties." On the other hand, no matter how the conditions (i.e., concentration, throughput, electric field strength, and/or polarity) are varied and combined, if there are droplets, if the fiber morphology is not oily, and if the fiber morphology is not constant, the average fiber diameter exceeds 5 μm, or when the aspect ratio is less than 100 (for example, in the form of particles), and conditions for producing the fiber do not exist, the spinning solution is determined to be "not spinnable." In addition, the average fiber diameter of the present invention refers to the average value of the fiber diameters of 50 fiber cross sections, and if the fiber cross section is not a perfect circle, convert the cross section of the fiber to the diameter when the cross section is a perfect circle, Fiber diameter. Moreover, the average fiber length refers to the average value of the fiber lengths of 50 fibers.

次に、(iii)前記曳糸性ゾル溶液を用いて、静電紡糸法により酸化ケイ素繊維を調製する工程、について説明する。 Next, (iii) the step of preparing silicon oxide fibers by electrostatic spinning using the spinnable sol solution will be described.

この静電紡糸法は紡糸原液に対して電界を作用させることにより、紡糸原液を延伸し、繊維化する方法である。 This electrostatic spinning method is a method in which an electric field is applied to the spinning solution to stretch the spinning solution and form it into fibers.

静電紡糸法について、特開2005-194675号公報に開示の静電紡糸装置の模式的断面図である図1をもとに、簡単に説明する。 The electrostatic spinning method will be briefly explained based on FIG. 1, which is a schematic cross-sectional view of an electrostatic spinning apparatus disclosed in JP-A No. 2005-194675.

図1の静電紡糸装置は、紡糸原液をノズル2へ供給できる紡糸原液供給装置1、紡糸原液供給装置1から供給された紡糸原液を吐出するノズル2、ノズル2から吐出され、電界によって延伸された酸化ケイ素繊維を捕集するアースされた捕集体3、ノズル2とアースされた捕集体3との間に電界を形成するために、ノズル2に電圧を印加できる電圧印加装置4、ノズル2と捕集体3とを収納した紡糸容器6、紡糸容器6へ所定相対湿度の気体を供給できる気体供給装置7、及び紡糸容器6内の気体を排気できる排気装置8を備えている。 The electrostatic spinning device of FIG. 1 includes a spinning dope supply device 1 that can supply a spinning dope to a nozzle 2, a nozzle 2 that discharges the spinning dope supplied from the spinning dope supply device 1, and a spinning dope that is discharged from the nozzle 2 and stretched by an electric field. A grounded collector 3 that collects silicon oxide fibers, a voltage application device 4 that can apply a voltage to the nozzle 2 to form an electric field between the nozzle 2 and the grounded collector 3, and the nozzle 2. The apparatus includes a spinning container 6 containing a collector 3, a gas supply device 7 capable of supplying gas at a predetermined relative humidity to the spinning container 6, and an exhaust device 8 capable of exhausting the gas inside the spinning container 6.

このような静電紡糸装置の場合、紡糸原液は紡糸原液供給装置1によってノズル2へ供給される。この供給された紡糸原液はノズル2から吐出されるとともに、アースされた捕集体3と電圧印加装置4によって印加されたノズル2との間の電界による延伸作用を受け、繊維化しながら捕集体3へ向かって飛翔する。そして、この飛翔した酸化ケイ素繊維は直接、捕集体3上に集積する。 In the case of such an electrospinning device, the spinning dope is supplied to the nozzle 2 by the spinning dope supply device 1 . The supplied spinning stock solution is discharged from the nozzle 2, and is subjected to a stretching action by the electric field between the grounded collector 3 and the nozzle 2 applied by the voltage application device 4, and is transferred to the collector 3 while being turned into fibers. fly towards. Then, the flying silicon oxide fibers are directly accumulated on the collector 3.

紡糸原液の一種である曳糸性ゾル溶液を静電紡糸法により紡糸する際の曳糸性ゾル溶液の粘度は、効率よく静電紡糸できるように、0.01~10Pa・sであるのが好ましく、0.05~5Pa・sであるのがより好ましく、0.1~3Pa・sであるのが更に好ましい。粘度が10Pa・sを超えると、静電紡糸を行う際に細い繊維を紡糸しにくく、0.01Pa・s未満になると繊維形状自体が得られなくなる傾向があるためである。なお、曳糸性ゾル溶液の紡糸を、ノズルを用いて行う場合には、ノズル先端部分における雰囲気をケイ素アルコキシド溶液の溶媒と同様の溶媒ガス雰囲気とすることにより、粘度が10Pa・sを超える曳糸性ゾル溶液であっても紡糸可能な場合がある。 The viscosity of the spinnable sol solution, which is a type of spinning stock solution, is preferably 0.01 to 10 Pa·s in order to perform electrostatic spinning efficiently. It is preferably 0.05 to 5 Pa·s, more preferably 0.1 to 3 Pa·s. This is because if the viscosity exceeds 10 Pa·s, it is difficult to spin thin fibers during electrostatic spinning, and if the viscosity is less than 0.01 Pa·s, the fiber shape itself tends to be difficult to obtain. In addition, when spinning a stringable sol solution using a nozzle, by setting the atmosphere at the tip of the nozzle to the same solvent gas atmosphere as the solvent of the silicon alkoxide solution, it is possible to spin a stringable sol solution with a viscosity exceeding 10 Pa. Even a filamentous sol solution may be able to be spun.

なお、紡糸原液供給装置1としては、例えば、シリンジポンプ、チューブポンプ、ディスペンサ等を使用することができる。また、ノズル2に替えて、ノコギリ状歯車、ワイヤー、スリットなどを使用することもできる。更に、図1における捕集体3はドラム形態であるが、コンベア形態であっても良い。更に、図1においては、捕集体3がアースされているが、ノズル2をアースし、捕集体3に対して電圧を印加しても良いし、ノズル2と捕集体3のいずれに対しても電圧を印加するものの、電位差を有するように電圧を印加しても良い。 Note that, as the spinning dope supply device 1, for example, a syringe pump, a tube pump, a dispenser, etc. can be used. Further, instead of the nozzle 2, a sawtooth gear, a wire, a slit, etc. can also be used. Furthermore, although the collecting body 3 in FIG. 1 is in the form of a drum, it may be in the form of a conveyor. Furthermore, in FIG. 1, the collector 3 is grounded, but the nozzle 2 may be grounded and a voltage applied to the collector 3, or both the nozzle 2 and the collector 3 may be Although a voltage is applied, the voltage may be applied so as to have a potential difference.

更に、電圧印加装置4としては、例えば、直流高電圧発生装置やヴァン・デ・グラフ起電機を用いることができ、空気の絶縁破壊を生じることなく、紡糸原液を紡糸して繊維化できるように、電界強度が0.2~5kV/cmとなるように印加するのが好ましい。また、印加する電圧の極性はプラスとマイナスのいずれであっても良いが、捕集体における酸化ケイ素繊維の拡がりを抑制できるように、紡糸原液の特性に合わせて適宜、極性を選択する。 Further, as the voltage application device 4, for example, a DC high voltage generator or a Van de Graaff generator can be used, so that the spinning dope can be spun into fibers without causing dielectric breakdown of the air. It is preferable to apply the electric field so that the electric field strength is 0.2 to 5 kV/cm. Further, the polarity of the applied voltage may be either positive or negative, but the polarity is appropriately selected according to the characteristics of the spinning stock solution so as to suppress the spreading of the silicon oxide fibers in the collector.

図1の静電紡糸装置においては、紡糸容器6に気体供給装置7(例えば、プロペラファン、シロッコファン、エアコンプレッサー、温湿度調整機能を備えた送風機など)及び排気装置8(例えば、ファン)が接続されているため、紡糸容器6内の雰囲気を一定にすることができるため、繊維径が均一な酸化ケイ素繊維シートを製造することができる。 In the electrostatic spinning apparatus shown in FIG. 1, a gas supply device 7 (for example, a propeller fan, a sirocco fan, an air compressor, a blower with a temperature and humidity adjustment function, etc.) and an exhaust device 8 (for example, a fan) are installed in the spinning container 6. Because they are connected, the atmosphere inside the spinning container 6 can be kept constant, so a silicon oxide fiber sheet with uniform fiber diameter can be manufactured.

このように静電紡糸法により形成した酸化ケイ素繊維シートは、酸化ケイ素ゾル溶液がゲル化した酸化ケイ素ゲル状繊維の状態にある。酸化ケイ素繊維シートの剛性や強度を高めるため、また、酸化ケイ素繊維シートの取り扱い性を高めるため、更には、繊維長が均一な酸化ケイ素繊維を製造しやすいように、熱処理を実施して、酸化ケイ素乾燥ゲル状繊維又は酸化ケイ素焼結繊維とするのが好ましい。この熱処理は、例えば、オーブン、焼結炉等を用いて実施することができる。 The silicon oxide fiber sheet formed by the electrostatic spinning method in this manner is in the state of silicon oxide gel-like fibers in which the silicon oxide sol solution is gelled. In order to increase the rigidity and strength of the silicon oxide fiber sheet, to improve the handling of the silicon oxide fiber sheet, and to make it easier to manufacture silicon oxide fibers with uniform fiber length, heat treatment is performed to increase the oxidation Silicon dry gel fibers or silicon oxide sintered fibers are preferred. This heat treatment can be performed using, for example, an oven, a sintering furnace, or the like.

また、酸化ケイ素繊維を調製する際は、繊維長が短く、また繊維長が均一な酸化ケイ素繊維を得られ、結果的に繊維長が短く、また繊維長が均一な窒化ケイ素繊維を得ることができることから、静電紡糸法により酸化ケイ素繊維シートを形成し、その後、酸化ケイ素繊維シートをプレス機で加圧して、酸化ケイ素繊維を調製するのが好ましい。 In addition, when preparing silicon oxide fibers, it is possible to obtain silicon oxide fibers with short fiber lengths and uniform fiber lengths, and as a result, it is possible to obtain silicon nitride fibers with short fiber lengths and uniform fiber lengths. Since this is possible, it is preferable to form a silicon oxide fiber sheet by an electrostatic spinning method, and then press the silicon oxide fiber sheet with a press to prepare the silicon oxide fiber.

繊維長が短く、また繊維長が均一な酸化ケイ素繊維を得られる理由を以下に説明する。静電紡糸法によって酸化ケイ素繊維シートを形成すると、酸化ケイ素繊維シートの平均孔径が小さく、しかも孔径が揃っている。つまり、平均孔径が小さく、しかも孔径が揃っているということは、酸化ケイ素繊維同士の交差点間の距離が短く、かつ交差点間の距離が揃っていることを意味する。 The reason why silicon oxide fibers with short fiber length and uniform fiber length can be obtained will be explained below. When a silicon oxide fiber sheet is formed by electrospinning, the average pore diameter of the silicon oxide fiber sheet is small and the pore diameters are uniform. In other words, the fact that the average pore diameter is small and the pore diameters are uniform means that the distances between the intersections of silicon oxide fibers are short and the distances between the intersections are uniform.

この点について、静電紡糸法により形成した酸化ケイ素繊維シートにおける酸化ケイ素繊維の配置状態を模式的に表す平面図である図2と、静電紡糸法以外の方法により形成した酸化ケイ素繊維シートにおける酸化ケイ素繊維の配置状態を模式的に表す平面図である図3をもとに説明すると、静電紡糸法によれば、図2に示すように、平均孔径が小さく、かつ孔径の揃った酸化ケイ素繊維シートを形成できるため、酸化ケイ素繊維同士の交差点間の距離が短く、かつ交差点間の距離が揃っている。例えば、繊維同士の交差点であるc5を基準として見た場合、c5に隣接する酸化ケイ素繊維同士の交差点であるb5、c4、c6及びd4との距離は比較的短く、しかも距離がほぼ同じである。これに対して、静電紡糸法以外の方法により形成した酸化ケイ素繊維シートは、図3に示すように、孔径のバラツキが大きい。例えば、繊維同士の交差点であるC5を基準として見た場合、C5に隣接する酸化ケイ素繊維同士の交差点であるB5、C4、C6及びD4との距離はバラツキが大きい。 Regarding this point, FIG. 2 is a plan view schematically showing the arrangement of silicon oxide fibers in a silicon oxide fiber sheet formed by an electrostatic spinning method, and FIG. Referring to FIG. 3, which is a plan view schematically showing the arrangement of silicon oxide fibers, the electrospinning method produces oxidized fibers with small average pore diameters and uniform pore diameters, as shown in FIG. Since a silicon fiber sheet can be formed, the distance between the intersections of silicon oxide fibers is short and the distances between the intersections are uniform. For example, when looking at c5, which is the intersection point between fibers, the distances to b5, c4, c6, and d4, which are the intersection points between silicon oxide fibers adjacent to c5, are relatively short, and the distances are almost the same. . On the other hand, silicon oxide fiber sheets formed by methods other than electrospinning have large variations in pore diameter, as shown in FIG. For example, when looking at C5, which is an intersection between fibers, as a reference, the distances from B5, C4, C6, and D4, which are intersections between silicon oxide fibers adjacent to C5, vary widely.

次いで、この酸化ケイ素繊維シートをプレス機により加圧し、粉砕する。静電紡糸法により形成した酸化ケイ素繊維シートは、前述の通り、平均孔径が小さく、しかも孔径の揃った、酸化ケイ素繊維同士の交差点間の距離が短く、かつ交差点間の距離が均一な状態にあるため、この状態の酸化ケイ素繊維シートに対して、酸化ケイ素繊維の配向を変動させないように、プレス機により加圧すると、酸化ケイ素繊維同士の交差点が強く加圧され、酸化ケイ素繊維は剛性が高く、変形しにくいことも相俟って、酸化ケイ素繊維同士の交差点で破断されやすいため、繊維長が短く、また繊維長が均一な酸化ケイ素繊維を製造できる。つまり、酸化ケイ素繊維同士の交差点は酸化ケイ素繊維同士が重なって、微視的には、酸化ケイ素繊維シートの厚さが厚くなった箇所に相当するため、プレス機による圧力は酸化ケイ素繊維同士の交差点に対して優先的に作用する。したがって、繊維長が短く、かつ繊維長が均一な酸化ケイ素繊維を製造できる。 Next, this silicon oxide fiber sheet is pressed and pulverized using a press. As mentioned above, the silicon oxide fiber sheet formed by electrospinning has a small average pore diameter, uniform pore diameters, short distances between the intersections of silicon oxide fibers, and uniform distances between the intersections. Therefore, when the silicon oxide fiber sheet in this state is pressurized with a press to prevent the orientation of the silicon oxide fibers from changing, the intersections of the silicon oxide fibers are strongly pressed, and the silicon oxide fibers become stiff. Coupled with the fact that it is high and difficult to deform, it is easy to break at intersections between silicon oxide fibers, so it is possible to produce silicon oxide fibers with short fiber lengths and uniform fiber lengths. In other words, the intersection of silicon oxide fibers overlaps each other, and microscopically corresponds to a point where the thickness of the silicon oxide fiber sheet becomes thicker, so the pressure from the press is applied to the intersection between silicon oxide fibers. It acts preferentially on intersections. Therefore, silicon oxide fibers with short fiber length and uniform fiber length can be produced.

この点について、静電紡糸法により形成した酸化ケイ素繊維シートにおける酸化ケイ素繊維の配置状態を模式的に表す平面図である図2と、静電紡糸法以外の方法により形成した酸化ケイ素繊維シートにおける酸化ケイ素繊維の配置状態を模式的に表す平面図である図3をもとに説明すると、例えば、図2における、繊維同士の交差点a1~a3、b1~b5、c1~c6、d1~d6及びe1~e5では、2本の酸化ケイ素繊維が交差した状態にあるため、交差していない箇所と比較すると、約2倍の厚さを有する。そのため、図2の酸化ケイ素繊維シートに対してプレス機により加圧すると、繊維同士の交差点a1~a3、b1~b5、c1~c6、d1~d6及びe1~e5に対して優先的に圧力が加わり、酸化ケイ素繊維の剛性も相俟って、繊維同士の交差点a1~a3、b1~b5、c1~c6、d1~d6及びe1~e5で酸化ケイ素繊維が破断する。そのため、繊維長が短く、繊維長が均一な酸化ケイ素繊維を製造することができる。 Regarding this point, FIG. 2 is a plan view schematically showing the arrangement of silicon oxide fibers in a silicon oxide fiber sheet formed by an electrostatic spinning method, and FIG. Referring to FIG. 3, which is a plan view schematically showing the arrangement of silicon oxide fibers, for example, the intersections a1 to a3, b1 to b5, c1 to c6, d1 to d6, and the intersections between fibers in FIG. At e1 to e5, the two silicon oxide fibers intersect, so the thickness is approximately twice as thick as the area where they do not intersect. Therefore, when the silicon oxide fiber sheet in FIG. 2 is pressurized by a press, the pressure is preferentially applied to the intersections a1 to a3, b1 to b5, c1 to c6, d1 to d6, and e1 to e5 between the fibers. In addition, due to the stiffness of the silicon oxide fiber, the silicon oxide fiber breaks at the intersections a1 to a3, b1 to b5, c1 to c6, d1 to d6, and e1 to e5 between the fibers. Therefore, silicon oxide fibers with short fiber length and uniform fiber length can be manufactured.

これに対して、図3における、静電紡糸法以外の方法により形成した酸化ケイ素繊維シートも同様に、繊維同士の交差点A1~A3、B1~B5、C1~C7、D1~D6及びE1~E5では、2本の酸化ケイ素繊維が交差した状態にあるため、交差していない箇所と比較すると、約2倍の厚さを有する。そのため、図3の酸化ケイ素繊維シートに対してプレス機により加圧すると、繊維同士の交差点A1~A3、B1~B5、C1~C7、D1~D6及びE1~E5に対して優先的に圧力が加わり、酸化ケイ素繊維の剛性も相俟って、繊維同士の交差点A1~A3、B1~B5、C1~C7、D1~D6及びE1~E5で酸化ケイ素繊維が破断する。そのため、繊維長が均一な酸化ケイ素繊維を製造することができない。 On the other hand, in the case of the silicon oxide fiber sheet formed by a method other than the electrospinning method in FIG. Since the two silicon oxide fibers intersect with each other, the thickness is approximately twice as thick as that of the part where they do not intersect. Therefore, when the silicon oxide fiber sheet in FIG. 3 is pressurized by a press, the pressure is preferentially applied to the intersections A1 to A3, B1 to B5, C1 to C7, D1 to D6, and E1 to E5 between the fibers. In addition, due to the stiffness of the silicon oxide fiber, the silicon oxide fiber breaks at the intersections A1 to A3, B1 to B5, C1 to C7, D1 to D6, and E1 to E5 between the fibers. Therefore, silicon oxide fibers with uniform fiber length cannot be manufactured.

なお、プレス機によりプレスする際の加圧力は、特に限定するものではなく、実験により、加圧力と繊維長及び繊維長のCV値を確認し、適切な加圧力を選択する。 Note that the pressing force when pressing with a press machine is not particularly limited, and an appropriate pressing force is selected by confirming the pressing force, fiber length, and CV value of the fiber length through experiments.

最後に、(iv)前記酸化ケイ素繊維を、アンモニアガス又は窒素ガス雰囲気下、焼成する工程、について説明する。 Finally, (iv) the step of firing the silicon oxide fiber in an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere will be described.

この焼成は、例えば、オーブン、焼成炉を用いて実施することができる。焼成温度が低いと窒化ケイ素の結晶の成長を抑制でき、柔軟で取り扱い性の良い窒化ケイ素繊維が実現できることから、焼成温度は1600℃以下が好ましく、1500℃以下がより好ましく、1400℃以下が更に好ましい。焼成温度の下限は、窒化ケイ素が生成できれば特に限定されるものではないが、酸化ケイ素繊維に含まれる有機成分が分解されるように、1000℃以上が好ましい。焼成時間は、十分に窒化ケイ素を生成させ、優れた熱伝導性を発揮できるように、また、窒化ケイ素の結晶が成長しすぎ、柔軟性の低い窒化ケイ素にならないように適宜調整するが、具体的には、1~5時間であるのが好ましい。この焼成工程の際に、酸化ケイ素と反応する窒化物や、酸化ケイ素から窒化ケイ素への反応を促進することを目的としたカーボンなどの触媒を含んでいてもよい。 This baking can be carried out using, for example, an oven or a baking furnace. If the firing temperature is low, the growth of silicon nitride crystals can be suppressed and silicon nitride fibers that are flexible and easy to handle can be realized. preferable. The lower limit of the firing temperature is not particularly limited as long as silicon nitride can be produced, but it is preferably 1000° C. or higher so that the organic components contained in the silicon oxide fibers are decomposed. The firing time is adjusted appropriately to generate sufficient silicon nitride and exhibit excellent thermal conductivity, and to prevent silicon nitride crystals from growing too much and resulting in silicon nitride with low flexibility. Specifically, it is preferably 1 to 5 hours. During this firing step, a catalyst such as a nitride that reacts with silicon oxide or carbon for the purpose of promoting the reaction from silicon oxide to silicon nitride may be included.

以下、実施例によって本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be explained below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
オルトケイ酸テトラエチル、水及び塩酸を1:2:0.0025のモル比で混合し、温度80℃で15時間加熱撹拌した。そして、エバポレータにより、酸化ケイ素濃度が44wt%になるまで濃縮した後、粘度が200~300mPa・sになるまで増粘させて、酸化ケイ素ゾル溶液を得た。
その後、前記酸化ケイ素ゾル溶液を用い、次の紡糸条件で紡糸した後、次の脱脂条件で脱脂して、平均繊維径1μmの酸化ケイ素繊維シート(目付:26.0g/m)を得た。
(紡糸条件)
・ノズルからの吐出量:1g/時間
・ノズル先端とドラム捕集体との距離:10cm
・紡糸容器内の温湿度:25℃/30%RH
・ノズルへの印加電圧:+10kV
(脱脂炉での脱脂条件)
・500℃/2時間
次いで、この酸化ケイ素繊維シートを約1g量取り、酸化ケイ素繊維シートを重ねて1.5cmの厚さとした後、プレス機により、2MPaの圧力で30秒間加圧することにより粉砕して、平均繊維径1.0μm、繊維径のCV値0.189、平均繊維長99.2μm、繊維長のCV値0.186、アスペクト比99.0の酸化ケイ素短繊維を調製した。
更に、この酸化ケイ素短繊維と触媒としてカーボンを焼成炉で、窒素雰囲気下、1400℃で5時間焼成を行い、更にカーボンを除去するために大気雰囲気下、650℃で5時間焼成を行い、平均繊維径0.8μm、繊維径のCV値0.189、平均繊維長92.3μm、繊維長のCV値0.223、アスペクト比116の窒化ケイ素繊維を作製した。
なお、この繊維長及び繊維径のCV値は、繊維長又は繊維径の標準偏差を平均繊維長または平均繊維径で除した値である。なお、「標準偏差」は繊維50本の繊維長及び繊維径から得られる値である。
(Example 1)
Tetraethyl orthosilicate, water, and hydrochloric acid were mixed at a molar ratio of 1:2:0.0025, and the mixture was heated and stirred at a temperature of 80° C. for 15 hours. Then, the mixture was concentrated using an evaporator until the silicon oxide concentration reached 44 wt%, and the viscosity was increased to 200 to 300 mPa·s to obtain a silicon oxide sol solution.
Thereafter, the silicon oxide sol solution was used for spinning under the following spinning conditions, and then degreased under the following degreasing conditions to obtain a silicon oxide fiber sheet (fabric weight: 26.0 g/m 2 ) with an average fiber diameter of 1 μm. .
(Spinning conditions)
・Discharge amount from nozzle: 1g/hour ・Distance between nozzle tip and drum collector: 10cm
・Temperature and humidity inside the spinning container: 25℃/30%RH
・Voltage applied to nozzle: +10kV
(Degreasing conditions in a degreasing furnace)
・500℃/2 hours Next, about 1 g of this silicon oxide fiber sheet was taken, the silicon oxide fiber sheets were stacked to make a thickness of 1.5 cm, and then pulverized by pressing at a pressure of 2 MPa for 30 seconds using a press machine. Thus, silicon oxide staple fibers having an average fiber diameter of 1.0 μm, a CV value of fiber diameter of 0.189, an average fiber length of 99.2 μm, a CV value of fiber length of 0.186, and an aspect ratio of 99.0 were prepared.
Furthermore, this silicon oxide short fiber and carbon as a catalyst were fired in a firing furnace at 1,400°C under a nitrogen atmosphere for 5 hours, and further fired at 650°C for 5 hours under an air atmosphere to remove the carbon. Silicon nitride fibers with a fiber diameter of 0.8 μm, a CV value of fiber diameter of 0.189, an average fiber length of 92.3 μm, a CV value of fiber length of 0.223, and an aspect ratio of 116 were produced.
Note that the CV value of the fiber length and fiber diameter is the value obtained by dividing the standard deviation of the fiber length or fiber diameter by the average fiber length or average fiber diameter. Note that the "standard deviation" is a value obtained from the fiber length and fiber diameter of 50 fibers.

(実施例2)
実施例1と同様に作製した酸化ケイ素繊維シート(目付:26.0g/m)を約1g量取り、酸化ケイ素繊維シートを重ねて1.5cmの厚さとした後、プレス機により、10MPaの圧力で30秒間加圧することにより粉砕して、平均繊維径1.0μm、繊維径のCV値0.192、平均繊維長12.0μm、繊維長のCV値0.247、アスペクト比12.0の酸化ケイ素短繊維を調製した。
更に、この酸化ケイ素短繊維と触媒としてカーボンを焼成炉で、窒素雰囲気下、1400℃で5時間焼成を行い、更にカーボンを除去するために大気雰囲気下、650℃で5時間焼成を行い、平均繊維径0.8μm、繊維径のCV値0.208、平均繊維長10.0μm、繊維長のCV値0.286、アスペクト比12.5の窒化ケイ素繊維を作製した。
(Example 2)
Approximately 1 g of the silicon oxide fiber sheet (fabric weight: 26.0 g/m 2 ) produced in the same manner as in Example 1 was taken, the silicon oxide fiber sheets were stacked to a thickness of 1.5 cm, and then a pressure of 10 MPa was applied using a press. It was crushed by applying pressure for 30 seconds to obtain an average fiber diameter of 1.0 μm, a CV value of fiber diameter of 0.192, an average fiber length of 12.0 μm, a CV value of fiber length of 0.247, and an aspect ratio of 12.0. Silicon oxide staple fibers were prepared.
Furthermore, this silicon oxide short fiber and carbon as a catalyst were fired in a firing furnace at 1,400°C under a nitrogen atmosphere for 5 hours, and further fired at 650°C for 5 hours under an air atmosphere to remove the carbon. Silicon nitride fibers were produced with a fiber diameter of 0.8 μm, a CV value of fiber diameter of 0.208, an average fiber length of 10.0 μm, a CV value of fiber length of 0.286, and an aspect ratio of 12.5.

(実施例3)
実施例1と同様に作製した酸化ケイ素繊維シート(目付:26.0g/m)を約1g量取り、酸化ケイ素繊維シートを重ねて1.5cmの厚さとした後、プレス機により、5MPaの圧力で30秒間加圧することにより粉砕して、平均繊維径1.0μm、繊維径のCV値0.178、平均繊維長42.3μm、繊維長のCV値0.297、アスペクト比49.0の酸化ケイ素短繊維を調製した。
更に、この酸化ケイ素短繊維を焼成炉で、アンモニア雰囲気下、1400℃で5時間焼成を行い、平均繊維径0.8μm、繊維径のCV値0.252、平均繊維長39.1μm、繊維長のCV値0.293、アスペクト比49.0の窒化ケイ素繊維を作製した。
(Example 3)
Approximately 1 g of the silicon oxide fiber sheet (fabric weight: 26.0 g/m 2 ) produced in the same manner as in Example 1 was taken, and after stacking the silicon oxide fiber sheets to a thickness of 1.5 cm, a press machine was used to press the silicon oxide fiber sheet at a pressure of 5 MPa. It was crushed by applying pressure for 30 seconds to obtain an average fiber diameter of 1.0 μm, a CV value of fiber diameter of 0.178, an average fiber length of 42.3 μm, a CV value of fiber length of 0.297, and an aspect ratio of 49.0. Silicon oxide staple fibers were prepared.
Furthermore, this silicon oxide short fiber was fired in a firing furnace at 1400°C in an ammonia atmosphere for 5 hours to obtain an average fiber diameter of 0.8 μm, a CV value of fiber diameter of 0.252, an average fiber length of 39.1 μm, and a fiber length of 39.1 μm. A silicon nitride fiber with a CV value of 0.293 and an aspect ratio of 49.0 was produced.

実施例の結果から、本願発明の構成を満たす製造方法で製造した窒化ケイ素繊維は、繊維径のCV値が低く、繊維径が均一な窒化ケイ素繊維が実現できることが分かった。また、静電紡糸法により酸化ケイ素繊維シートを形成し、その後、酸化ケイ素繊維シートをプレス機で加圧して酸化ケイ素繊維を調製すると、繊維長のCV値が低く、繊維長が均一な酸化ケイ素繊維、及び窒化ケイ素繊維が実現できることがわかった。 From the results of the Examples, it was found that the silicon nitride fibers produced by the production method satisfying the configuration of the present invention had a low CV value of the fiber diameter, and silicon nitride fibers with uniform fiber diameters could be realized. In addition, if a silicon oxide fiber sheet is formed by electrospinning, and then the silicon oxide fiber sheet is pressurized with a press to prepare silicon oxide fibers, silicon oxide fibers with a low CV value and uniform fiber length can be obtained. It has been found that fibers and silicon nitride fibers can be realized.

本発明の窒化ケイ素繊維は、繊維径が均一な窒化ケイ素繊維であり、また、窒化ケイ素は熱伝導性に優れる物質であることから、例えば窒化ケイ素を樹脂に含むフィラーとして用いることで熱伝導性に優れる樹脂複合体を実現でき、前記樹脂複合体は例えば熱を放熱する熱伝導性シートに用いることができる。 The silicon nitride fiber of the present invention is a silicon nitride fiber with a uniform fiber diameter, and since silicon nitride is a substance with excellent thermal conductivity, for example, silicon nitride can be used as a filler in a resin to improve thermal conductivity. A resin composite with excellent properties can be realized, and the resin composite can be used, for example, as a thermally conductive sheet that radiates heat.

1 紡糸原液供給装置
2 ノズル
3 捕集体
4 電圧印加装置
5 紡糸空間
6 紡糸容器
7 気体供給装置
8 排気装置
a1~a3、b1~b5、c1~c6、d1~d6、e1~e5 繊維同士の交差点
A1~A3、B1~B5、C1~C7、D1~D6、E1~E5 繊維同士の交差点
1 Spinning dope supply device 2 Nozzle 3 Collector 4 Voltage application device 5 Spinning space 6 Spinning container 7 Gas supply device 8 Exhaust devices a1 to a3, b1 to b5, c1 to c6, d1 to d6, e1 to e5 Intersections between fibers A1-A3, B1-B5, C1-C7, D1-D6, E1-E5 Intersections between fibers

Claims (1)

(i)ケイ素アルコキシド溶液を用意する工程、
(ii)前記ケイ素アルコキシド溶液中のケイ素アルコキシドを加水分解させ縮重合させることにより、曳糸性ゾル溶液を調製する工程、
(iii) 前記曳糸性ゾル溶液を用いて、静電紡糸法により繊維化し、また、熱処理することで酸化ケイ素繊維を調製する工程、
(iv)前記酸化ケイ素繊維を、アンモニアガス又は窒素ガス雰囲気下、焼成する工程、
を含む、窒化ケイ素繊維の製造方法。
(i) preparing a silicon alkoxide solution;
(ii) preparing a stringable sol solution by hydrolyzing and polymerizing the silicon alkoxide in the silicon alkoxide solution;
(iii) using the spinnable sol solution to form fibers by electrospinning and heat-treating to prepare silicon oxide fibers;
(iv) firing the silicon oxide fiber in an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere;
A method for producing silicon nitride fiber, including:
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