JPH01292118A - 気相法炭素繊維の連続製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複合材料などに利用するに適した炭素繊維を製
造する方法に関する。

〔従来の技術〕

炭素繊維は軽量で機械的強度が優れ、また導電性も良好
なところから、金属やプラスチックスあるいは炭素材料
などを組合わせて複合材料とし、各種の応用分野に利用
されている。また、炭素繊維を高温処理することにより
黒鉛化物とし、あるいはまた、その黒鉛化物に対して種
々の物質を結合させて層間化合物とし、導電材料として
用いることも知られている。

かかる炭素繊維を製造する方法としては、炭素質化合物
を紡糸したのち熱分解する方法が知られており、たとえ
ばピッチの溶融紡糸を利用したり、合成繊維を炭化して
炭素質フィラメントを製造する方法がある。しかし、こ
のような方法で得られる繊維は比較的に太くて長いもの
であって、複雑な形状に自由に成形することができる合
成樹脂組成物に対する補強用配合剤などに用いるために
は、短く切断する必要があり、またそのような目的に対
しては径が太すぎる。

これに対して、複合材料などに配合して用いるに適した
径と長さを有する炭素質ウィスカを製造する方法として
炭化水素類を高温下に気相熱分解する方法が知られてお
り、この場合に炭素繊維成長の触媒核として鉄、ニッケ
ルなどの金属の超微粒子が用いうろこと（特公昭５８−
２２５７１など）、また硫黄化合物の存在下に生成した
炭化ケイ素の微細結晶も生長触媒核となること（特開昭
５６−１１８９１３、特開昭６０−５４９９９など）、
も知られている。

そして、これらの気相法炭素繊維の製造法はいずれもバ
ッチ式であって生産性が低いために、触媒核を熱分解炉
中に浮遊させることにより原料炭化水素類と触媒核との
接触時間を延長して１バツチ毎の生産量を増加させ、あ
るいは生成炭素繊維の連続取出しを行なうこと（特開昭
５８−１８０６１５）によって生産効率を高める方法や
、あらかじめ金属超微粒体を付着させた炭素モノフィラ
メントを円筒状電気炉中に導き、ベンゼンと水素の混合
ガスを熱分解して分岐を有する炭素繊維を連続的に得る
方法（特開昭５９−１１８８６）が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これら公知の従来技術のうち、炭素繊維を浮遊させなが
ら原料と触媒核とを連続的に送入しかつ生成した炭素繊
維を連続的に取り出す方法は、製品の形状および品質に
おいて不充分であるうえ、均質性や生産性にも限度があ
った。そしてまた、触媒核を付着させた炭素モノフィラ
メントを用いて生成した炭素繊維を連続的に取り出す方
法は、前述の技術のような欠点はないものの分岐形状の
繊維が得られ、複合材料に配合するに適した形状および
性質を有する均質の炭素繊維を製造するには適当でなか
った。

そこで本発明においては、複合材料用に導電性繊維など
として配合するに適した形状および性質をそなえた均質
の炭素繊維を、高生産能率で製造する手段を提供するこ
とを目的とした。

〔課題を解決するための手段〕

前述のような本発明の目的は、有機ケイ素°化合物また
は有機ケイ素化合物と炭化水素化合物との混合物を、イ
オウ化合物を含有する還元性または不活性のキャリヤガ
スの存在下に高温で気相熱分解することによって炭素繊
維を生成させるに当り、前記の熱分解帯域中を連続的に
通過する炭素繊維糸上で前記の炭素繊維を成長させると
共に成長した該炭素繊維を該炭素繊維糸と共に連続的に
該熱分解帯域より取り出すことを特徴とする気相法炭素
繊維の連続製造□法によって達成される。

本発明の製造法が利用できる反応系は、触媒核として炭
化ケイ素の微粒子を利用するものであるが、その中で有
機ケイ素化合物または有機ケイ素化合物と炭化水素化合
物とのガス状混合物をイオウ化合物の存在下に熱分解す
る系であることが必要である。かかる反応系においては
気相中において触媒核が生成し、続いて気相中で炭素繊
維が成長しながら近傍に存在する基材上に沈着し、更に
径と長さの成長がおこる。

本発明の製造法において用いられる有機ケイ素化合物は
、ケイ素−炭素結合を有するシラン類またはシロキサン
類などが用いられる。このうちシラン類としてはトリエ
チルシラン、テトラエチルシラン、ヘキサメチルジシラ
ン等のアルキル置換シラン類、テトラメトキシシラン、
テトラエトキシシラン等のアルコキシ置換シラン類、芳
香族置換シラン類などがあげられ、またシロキサン類と
してはヘキサメチルジシロキサン、ジメチルポリシロキ
サン、メチルフェニルポリシロキサン等があげられる。

この他、トリメチルシラノールなどのシラノール類、ア
ルコキシ置換シロキサン類等も用いることができ、これ
らの混合物または誘導体などもガス化が可能であれば使
用可能である。

本発明において有機ケイ素化合物と混合して原料として
用いられる炭化水素化合物は、メタン、エタン、プロパ
ン等の脂肪族炭化水素類、ベンゼン、トルエン等の芳香
族炭化水素類が用いられるが、少量であれば酸素などの
他種の元素を含んでいても差支えない。

本発明において用いられるイオウ化合物は触媒として挙
動するもので、たとえば硫化水素、あるいはメチルメル
カプタン、エチルメルカプタン、トルエンチオール等の
メルカプタン類、またはジエチルスルフィド、チオフェ
ン等のチオエーテル類なとが用いうる。イオウ化合物が
有機イオウ化合物であるときは、原料である前記の炭化
水素化合物の一部または全部に置き換えて用いることが
できる。また、イオウ化合物がケイ素を含む有機化合物
であるときは、原料である前記の有機ケイ素化合物の少
くとも一部に置き換えて用いることができ、このような
触媒の例としてたとえばδ−メルカプトプロピル・トリ
メトキシシランなどのメルカプト変性シラン類やメルカ
プト変性ポリシロキサンなどが挙げられる。

本発明において用いられるキャリヤガスは、還元性また
は不活性のガスであり、水素、窒素、アルゴン等が挙げ
られるが、中でも水素が好ましく用いられる。

本発明の製造法を実施するた約の反応器は、反応系を１
１００〜１５００℃に維持することができるものであれ
ばよいが、特に１２００〜１４００℃となし得ることが
好ましい。かかる反応器としては、たとえば横型の管状
炉などを用いることができ、かかる炉中の反応帯域中を
一端から他端に向って炭素繊維糸を通過させることがで
きるように構成されていることが必要である。

本発明において用いられる炭素繊維糸は、高温において
強度を失わないものであればよく、モノフィラメントや
より糸、あるいは紡糸した炭素繊維などであってもよい
。かかる炭素繊維糸はボビン等に巻いたものから順次繰
り出し、たとえば５〜２０　ａｍ／ｍｉｎ程度の速度で
熱分解帯域を通過させることによって、該帯域中で生成
した炭素繊維を捕捉して出口に向って移送することがで
きる。

このようにして反応器から連続的に取り出された炭素繊
維糸から、付着した炭素繊維をたとえば連続的に削り取
って捕集し、基材となった炭素繊維糸は回収ボビンに巻
き取って回収するが、こうして得られた炭素繊維は均質
性が高く、結晶化性が良好であり、層間化合物の形成も
容易であり、また格段に生産性が高い。

〔実施例〕

内径５ｃｍ、長さ１１０印のアルミナ質反応管を横型電
気炉内に取り付け、その中央部に１３００℃の均熱帯域
が約２０ｃｍできるようにした。また、この反応管の前
端から後端までその軸心部分を通って炭素繊維糸が移動
できるように、第１図に示すような装置を組み立てた。

ここで使用した炭素繊維糸Ｃはポリアクニトリルから炭
化して得た太さ４０デニールの３０００本より糸である
。

このように構成した装置に対し、反応管Ｒの前端から、
クロルジフロロメチルシラン０．３ミリモル／１２．ベ
ンゼン１５ミリモル／β、硫化水素６ミリモル／１を含
有し、水素をキャリヤガスとする原料ガス混合物Ｇを常
温常圧換算で管内流速が５ｃｍ／ｍｉｎとなるように送
入した。また、炭素繊維糸の通過速度はｌ　Ｏｃｍ／ｍ
ｉｎとした。

こうして、トラップＴ中に捕集された炭素繊維は平均径
が２μｍ２平均長さ２ｍｍのものであり、１時間当りの
収量は３０ｇであった。

〔比較例１〕 実施例と全く同様な装置を用いて、炭素繊維糸にはあら
かじめ鉄の超微粒子を懸濁させたアルコールを塗付した
、触媒核付きのものを用い、原料ガスとしてベンゼン３
０ミリモル／（ｌを含有し、水素をキャリヤガスとした
ものを常温常圧換算で管内流速が５ｃｍ／ｍｉｎとなる
ように送入し、実施例と同様にして生成した炭素繊維を
捕集した。

得られた炭素繊維は平均径が２．５μｍ、平均長さが３
ｍｍのものであり、１時間当りの収量は１０ｇであった
。

〔比較例２〕 炭素繊維糸を通過させないほかは実施例と全く同様にし
て原料ガス混合物を反応管内に供給して炭素繊維を製造
した。

得られた炭素繊維はほとんどすべてが反応管内壁に付着
しており、平均径が１０μｍ１平均長さが１０ｍｍのも
のであった。１時間当りの収量は約１ｇであった。

〔発明の効果〕

本発明の気相法炭素繊維の連続製造法によれば従来方式
のバッチ法による炭素繊維の製造法にくらべておよそ３
０倍の生産性を示し、そして品質も低・下しない。そし
てまた、金属超微粒子触媒核を用いた連続製造法に比較
して、黒鉛化が容易でかつ黒鉛層間化合物を形成し易い
炭素繊維を高能率で生産できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の気相法炭素繊維の連続製造法を実施す
るための試験装置の概念図である。 Ｃ・・・炭素磯維糸、Ｇ・・・原料ガス混合物、Ｒ・・
・反応管、Ｔ・・・製品トラップ。 特許出願人　　　矢崎総業株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）有機ケイ素化合物または有機ケイ素化合物と炭化
   水素化合物との混合物を、イオウ化合物を含有する還元
   性または不活性のキャリヤガスの存在下に高温で気相熱
   分解することによって炭素繊維を生成させるに当り、前
   記の熱分解帯域中を連続的に通過する炭素繊維糸上で前
   記の炭素繊維を成長させると共に成長した該炭素繊維を
   該炭素繊維糸と共に連続的に該熱分解帯域より取り出す
   ことを特徴とする気相法炭素繊維の連続製造法。
2. （２）０．２〜３μｍの径および０．１〜３ｍｍの長さ
   の範囲内で均質の気相法炭素繊維を得る請求項１に記載
   の連続製造法。