JPH02169725A - 炭素繊維およびその製造方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は高強度、高弾性率の炭素繊維の短繊維およびそ
の製造方法に関する６本発明の炭素繊維の短１！維は従
来のものに比べて低コストであるため、従来の炭素繊維
ではコスト的に使用困難であった用途にも使用可能と考
えられる。

本発明の炭素繊維はシート状の集合体として成形するこ
とが容易であり、繊維シートもしくは不織布の形でプラ
スチック、炭素成形物、金属、セメント類の補強用繊維
、あるいは腐食性物質、高温ガス等の濾過材料、あるい
は保温材、断熱材、パツキン、ガスケット類、固体潤滑
剤、導電材料、電磁波シールド材料、電池や電解槽の電
極材料、触媒担体等に用いることが出来る。

本発明の炭素繊維は短く切断した後、プラスチック、炭
素成形物、金属、セメント類の補強用繊維あるいはパツ
キン、ガスケット類の補強用繊維等に用いることが出来
る。

本発明の炭素繊維はそのままの形もしくは短く切断した
後、紡績工程を通して糸にすることが出来る。この糸は
織物、編物、あるいは組紐に成形した後、パツキン、ガ
スゲット等に用いることが出来る。

（ロ）従来の技術 従来から高弾性率、高強度の炭素繊維の長繊維束を切断
して、製紙用あるいは繊維強化用の短繊維が製造されて
いる。この場合、炭素繊維の製造に際して、合成繊維の
製造の場合のように、長繊維に比べて格段に太い繊維束
で処理することが困難であるため、長繊維のコストより
も短繊維のコス１−がむしろ高い問題がある。

炭素！Ｊ！維を太い繊維束で処理する際に、処理が不均
一になる問題がある。この理由は、炭素繊（１［の光線
吸収能力が高いため、繊維束内部への放射伝熱が抑制さ
れること、ならびに比較的高純度の不活性気体で密封状
態で炭化処理する必要があるため、気体流速を大きくし
て伝熱を良くすることが困難であることであると推定さ
れる。

また従来から高弾性率、高強度の炭素繊ｘ・能から不織
布あるいは紡績糸が製造されているが、この場合も、ま
ず高弾性率、高強度の炭素繊維のフィラメント糸を製造
し、このフィシメン１〜糸を一定長に切断した後、カー
ド等により開繊し、さらに不織布あるいは紡績糸に加工
されている。

この方法の問題点は、炭素繊維に捲縮が付与し難いため
、カード機、線条機、ニードルパンチ機等の針を用いる
繊維加工装置に通し難いことである。このため炭素繊維
は開繊工程を通っても集束状態を保つ部分が多く、均一
な不織布や紡績糸を得ることが困難である。

この問題点の解決の一つの有力な方法として、前駆体繊
維の段階で開繊してしまうことが考えられる。この場合
には前駆体繊維の種類に応じて特有の問題を生じる。Ｐ
ＡＮ系の場合には、開繊を行うことにより、不融化およ
び炭１ヒ処理時に緊張を与えることが困難になる。この
結果、高弾性率、高強度を得ることが事実上不可能にな
る。ピッチ系の場合には前駆体繊維の強度が極めて低い
ため、前駆体繊維の段階での開繊は炭化完了後よりもは
るかに困難である。

ピッチ系の炭素繊維の場合には、前駆体繊維の製造が溶
融紡糸によるものであるため、スパンボンド法の利用が
考えられる。しかし有機合成繊維の場合と異なり、紡糸
速度は高くできず、また冷却速度を大きくする必要があ
るなど、得られた繊オ・１の取り扱いも概して困難であ
る。このためピッチ系の炭素繊維スパンボンドの製造コ
ストは概して高い問題がある。

このような特性を有する繊維の取り扱いの別の方法とし
て、従来から他の無機繊維、例えばアスベストでは、木
綿、レーヨン等の有８！繊維を混合した後、開繊し、紡
績を行っている。この方法の問題点は紡績を行った後、
有機繊維を焼却除去する必要があることで、製造コスト
がやはりかなり高いことである。

（ハ）発明が解決しようとする課題 本発明は従来の炭素繊維の短繊維が、前駆体繊維から製
造される過程で、一般の合成繊維と異なり、非常に太い
繊維束で処理することが困難であるため、長繊維に比べ
宅コストが比較的高い問題を解決することを目的とする
。

本発明はまた、従来の炭素繊維の短繊維が捲縮をほとん
ど持たず、開繊が困難であるため、カード機、線条機、
ニードルパンチ機等の針を使用する繊維加工装置に通し
難い問題点、ならびに繊ｔＩＩ加工装置を通過した後に
おいても、開繊が不十分で、集束状態を保つ部分が多く
、均一な不織布や紡績糸を得ることが困難な問題点を解
決することを目的とする。

本発明は従来の技術では均一な開繊が困難である炭素繊
維の短繊維を、前駆体繊維の段階で均一に開繊し、不織
布や紡績糸の原料として好適な形態とすることを目的と
する。

（ニ）課眩を解決する手段 本発明は弾性率Ｘおよび強度Ｙと最高の炭化処理温度Ｔ
との関係が次式（ｉ）および（ｉｉ）に示す値を有する
不定長の短繊維であることを特徴とするピッチ系の炭素
繊維である。

−３６７０＋　１．５７Ｘ　ｌ０ＩＴ　−８，２９Ｘ　
１０−コＴ　”＋　２．９８Ｘ　ｔｏ−’Ｔ　’　　≦
　Ｘ　≦　−３５８００＋９．９５ｘ　１０’Ｔ　−４
，１８Ｘ　１０−２７　’＋７．８６ｘ　ｔｏ−”ｒ　
’　　　　　（ｉ　）−１３６＋　３．６０Ｘ　ｔｏ−
ＩＴ　−１Ｔ−１．５８Ｘ　１０−’Ｔ　”＋　２．７
０Ｘ１０−２Ｔり≦Ｙ≦−３８０＋１．１３７−５．３
６ｘ１０−’Ｔ　”＋９．３３Ｘ　１０−＠Ｔ　’　　
　　　　　　　（ｉｉ）単位はｋｇ４／ｍｅ”である、
また不定長の短繊維とは紡糸時に形成された繊維長数＋
ｕａないし数十ｅｌｌの短繊維であり、概して広い繊維
長分布を有するものである。これらの式は本発明の炭素
繊維の！ａ維性能に関する実験値の存在する領域の限界
線を三次方程式で近似したものである。

本発明の炭素繊維は、従来の炭素繊維の短繊維のように
、炭化処理後の極めて硬くなった状態で切断するために
、刃物の摩耗が大きい問題がなく、また炭化処理以前の
極めて脆い状態で切断し、繊維の微扮砕が生じる問題も
ない利点を有する。しかも広い繊維長分布を有するため
、切断端力士局所的に集中することがなく、繊維集合体
としての欠陥を生じない利点を有する。

さらに本発明の炭素繊維は切断端が局所的に集中してい
ないことから、繊維気合体として概して嵩高く、補強用
繊維としてはマトリックス樹脂の含浸が容易である利点
があり、シート状で使用する場合にはクツション性や保
温力が大きい利点がある。

弾性率Ｘが（ｉ）式の範囲よりも小さいものは、従来か
ら良く知られている。また強度Ｙが（置）式の範囲より
も小さいものも、従来から知られている。このような炭
素繊維はＩ’ｌｌ　１４補強用としては性能が劣り、ま
たその他の資材用繊維としても性能が不十分である。

（ｉ）式の範囲よりも弾性率Ｘが大きいものは、ピッチ
分子が極めて高度に配向するような条件で紡糸したもの
であり、三次元的に過大な配向を示すため、特定方向に
ひび割れを生じ易い欠点があり、かなりコストが高い、
これは本発明の目的に反するものであ・す、好ましくな
い、またに１）式の範囲よりも強度Ｙが大きいものは、
製造の際原料を極めて高度に精製する必要があり、好ま
しくない。

不発゛郡の炭素繊維の製造方法は、光学異方″−性ピッ
チもしくは軽度の熱処理により容易に光学異方性に転化
するピッチを、紡糸孔の近傍から噴出する気流によって
牽引することにより繊維化し、不融化、炭化処理するも
のである。

また本発明の炭素繊維の別の製造方法は、光学異方性ピ
ッチもしくは軽度の熱処理により容易に光学異方性に転
１ヒするピッチを高速回転するボットもしくは皿から遠
心力により散布して！！維化し、不融化、炭化処理する
ものである。

光学異方性ピッチもしくは軽度の熱処理により容易に光
学異方性に転化するピッチは、繊維化した後、不融化お
よび炭化処理を行うことにより、易黒鉛化炭素繊維を生
成するものである。このようなピッチとしては通常の流
れ模様を持つ光学異方性ピッチのほか、重質油やピッチ
類から溶剤抽出により、容易に光学異方性に転化する成
分を集めたもの、あるいは光学異方性ピッチを還元して
、容易に光学異方性に転化するＷ方性ピッチにしたもの
等である。

紡糸孔の近傍から噴出する気流によって〜牽引すること
により繊維化する方法は、メルトブロー法と呼ばれるも
のであって、管状の吐出孔から溶融したピッチを押し出
し、該吐出孔の周囲から溶融したピッチとほぼ等しい温
度ないしそれよりも高温の気体を噴出させ、溶融ピッチ
を引き伸ばして固化し、繊維とするものである。

メルトブロー法としては楔状の断面を持ち、該Ｆ状の先
端部に一列ないし数列の紡糸孔を有する口金を用い、紡
糸孔列の両側に設けたスリットから高温の気体を噴出さ
せ、溶融ピッチを引き伸ばして固化し、［１維とする方
法も用いることができる。

メルトブロー法による溶融紡糸においては、溶融ピッチ
の温度は好ましくはピッチの軟化点よりも１０〜７０℃
高温にし、紡糸孔の周辺から噴出させる気体の温度は、
好ましくは溶融ピッチの温度とほぼ同温度ないし２００
℃高い温度にする。

紡糸孔の周辺から噴出させる気体は、好ましくは空気、
水蒸気もしくは燃焼廃ガスであり１、流速は吐出口で測
定して、好ましくは音速の０．１〜１ｆｔＢである。

高速回転するポットもしくは皿から遠心力により散布し
て繊維化する方法は、−ｍに遠心紡糸法と呼ばれるもの
である。

遠心紡糸されたピッチ繊維は、好ましくは凝固を完了し
ない間に、ピッチの軟化点とほぼ等しい温度ないし２０
０℃高い温度の、高速の気流に乗せて送り、引き続いて
高速気流に巻き込まれる低温の気流もしくは別に導入さ
れる気流により冷却しで凝固させ、繊ｔ、ｆｉ　Ｉヒし
た後、採取装置に送られる。

紡出されたピッチ繊維は、引き続き多孔質ベルト上もし
くはケンス中に採取される。繊オ・］ｔの採取に当たっ
ては採取装置の背面から吸引することが好ましく、繊維
を移送するために気体噴流の使用、あるいはアスピレー
タ−の使用が好ましい多孔質ベルト上に採取する場合、
比較的均一なシート状の形態に成形することができ、−
適宜に切断して成形綿として使用することができる。ま
た繊維間を接着もしくは絡合して不織布として使用する
ことができる。また紐状に採取することら可能である。

不融化および炭化に際し、多孔質ベルトはピッチ１！維
を支持する機能を示し、繊維の損傷や繊維集合体の変形
を防止する。

ケンス中に採取する場合、紐状の形磨２に成形すること
ができ、その後の成形や単繊ｔ・１［へのＵＪ断等に有
利である。ケ〉′スもピッチ繊ｌｉｔを支持する機能を
有しており、繊維の損傷や繊イ１［集合体の変Ｊ［ニを
防止するが、繊維を比較的コンパクトにまとめるｂ１能
を有しているため、不融化炉や炭化炉の容積効率が良好
である。ＬＡ）Ｌ気体の流通が悪いため、不融化処理時
には熱がこもり易い欠点があり、炭化処理時には発生す
るガスが更に熱分解して、微粉末状炭素を生成し易い問
題がある。このため比較的低温度で長時間の炭化処理を
行うことが好ましい。

不融化工程は常法に従って空気酸化による方法が好まし
いが、炭素繊維の長繊維の場合に比べて若干昇温速度を
小さくすることが好ましい。

本発明の炭素繊維の製造の際に、原料のピッチは通常１
種類が使用されるが、紡糸の際に不織布製造の際にバイ
ンダーを形成する成分を導入し、不融化、炭化の過程で
接着もしくは融着により繊維間を固定することが可能で
ある。

（ホ）作用 本発明は高強度、高弾性率の炭素繊維の短繊維およびそ
の製造方法に関する８本発明の炭素繊維の短繊維はメル
トブロー法または遠心紡糸法によって製造出来るため、
従来のものに比べて低コストである。この炭素繊維は、
従来のものではコスト的に使用困難であった用途にも使
用可能と考えられる。

本発明の炭素繊維は、紡糸時に短繊維化するものであり
、従来の炭素繊維の短１１　Ｋ、Ｉｔのように、炭化処
理後の極めて硬くなった状態で切断するために、刃物の
摩耗が大きい問題がなく、また炭１ヒ処理以前の極めて
脆い伏皿で１．７Ｊ断し、ＩＪ＆　ｔ−ｉｔの微粉砕が
生じる問題もない利点を有する。しかも広い繊維長分布
を有するため、切断端が局所的に集中することがなく、
繊維集合体としての欠陥を生じない利点を有する。

さらに本発明の炭素繊維は切断端が局所的にｆ１≧中し
ていないことから、繊維集８合体として概して嵩高く、
補強用繊維としては７トリツクス位１脂の含浸が容易で
ある利点があり、シート状で使用する場合にはクツショ
ン性や（ぺ温力が大きい利点がある。

本発明の炭素繊維はシート状、あるいは紐仄の集合体と
して成形することが容９てあり、不織布、紡蹟糸あるい
は一定長に切断した短繊維の原料として好適である。

（へ）実施例 次に本発明を、実施例により具体的かつ詳細に説明する
。

実施例　１ 軟化点２８６℃、光学異方性分率９９％の石油系ピッチ
を原料とし、内径０．３１外径０．６１の原料吐出用管
状ノズルを内蔵する、直径０．８ｍｎの紡糸孔を有する
口金を用い、管状ノズルの周辺から加熱空気を噴出させ
て、溶融ピッチを牽引して紡糸を行った。ピッチの吐出
量、６０１１／４００１１・分、ピッチの温度３２０℃
、口金温度３４０℃、加熱空気の流量２．０に、７分、
加熱空気の温度３４０℃、加熱空気の圧力１．５ｋＨ／
ｃｎ２Ｇであった。

紡出された繊維を、捕集部分が２０メツシユのステンレ
ス製金網であった出来たベルトの背面から吸引して、ベ
ルト上に捕集した。得られたピッチ繊維のシート状物を
常法により不は（ヒおよび炭化処理を行った。炭１ヒ処
理時の最高温度は１０００℃であった。

得られた炭素繊維は比重１４８５、単繊維の平均直径９
．６１ａ＋、引っ張り強度１４９ｋＢｆ／＋ｍ２、引ッ
張り弾性率１．３９ｘ　１０’ｋｇｆ／ｌｌｌｆｆ１”
、伸度１．０８％であツタ。

実施例　２ 実施例１の不融化処理後のピッチ繊維を、最高温度を変
えて炭化処理を行い、繊維の性賞を調べた。結果を第１
表に示す。

第１表　炭化処理時の最高温度と繊維性能実施例　３ 軟化点２８３°Ｃ１光学異方性分率９４％の石油系ピッ
チ含原料とし、幅３ＩＩＩ１１１のスリットの中に直径
０．１５ｍｍの紡糸孔を一列に１２００個有する口金を
用い、該スリットから高温の空気を噴出させてピッチ繊
維を製造した。ピッチの吐出！２００ｇ／分、ピッチ温
度３０５℃、加熱空気温度３４０℃、加熱空気の圧力１
．２ｋＨ／ｃａ＋”ｆ；であった。

紡出したピッチ繊維を実施例１と同様にして金網上に採
取し、引き続いて不Ｕｌ　ｆヒ、炭化処理を行った。得
られた炭素繊維は実施例１と同様の高弾性率、高強度の
ものであった。

実施例　４ コールタールピッチを熱処理してメソフェース小球体の
含有率を約２％とし、平均孔径１．２１１ｍの焼結合金
フィルターにより濾過して、精製ビッヂを得た。

この精製ピッチを更に熱処理して光学異方性分率９０％
、キノリンネ溶分率４５％とした後、冷却固１ヒさせ、
粉砕し、固体状で還元処理を行った。得られたピッチは
光学的には等方性を示し、Ａ−ノリン不溶分率０．２％
であったが、成形物の表面に剪断を与えることにより、
反射光に偏光を生じる。

これは典型的なドーマントメソフェースピッチの性質を
有するものと考えられる。

このピッチを原料とし、直径１１２＋ｍの回転ポットの
周辺に、−列に１２６個の直径０．７１１１１１１の紡
糸孔を設けた遠心紡糸機を用いて紡糸を行った。ピッチ
温度２８０℃、回転ポットの周辺速度６００ｍ／分、こ
の時のピッチの粘度３２ボイズであった。

回転ポットの上方に、空気を周辺方向に噴き出ずスリッ
ト状ノズルを設け、噴出方向をピッチ繊維の吐出方向に
対して１２°の角度で交差するようにして、３３０℃の
加熱空気を９０輸／秒の速度で送って牽引し、紡糸孔か
ら約３０ｃｍの所に円筒状のカバーを設け、そのカバー
から一箇所繊維を取り出す通路を設けて、繊維を走行す
るネットコンベヤーの上に採取した。

シート状に採取したピッチ繊維を実施例１と同様にして
不融化、炭化処理を行ったところ、得られた炭素繊維は
実施例１と同様の高弾性率、高強度のものであった。

比較例　１ 実施例１と同様のピッチを用い、常法により溶融紡糸し
た後、直ちにアスピレータ−によって吸引し、ネットコ
ンベヤー上へ堆積させて、いわゆるスバ〉・ボンド法に
より繊維シートを製造した。

得られたピッチ繊維の単繊維の直径から、安定な紡糸を
継続出来るのは、紡糸速度的３０００−分と推定された
。紡糸速度３０００＋／分で採取したピッチ繊維を常法
により不融化、炭化処理を行ったところ、得られた繊維
は強度弾性率とも実施例１〜３に比べて顕著に劣ってい
た。

炭化処理時の最高温度が１５００℃の場合の強度は１０
５ｋｇｆ／ａＩＩ＋’、弾性率ハａ、ｓｘ　１０’ｋｇ
ｆ／ｍ＋ａ’、２０００℃の場合の強度は１２３ｋｇｆ
／＋ｍ２、弾性率ハ９．７×１０１ｋｇｒ／ｓｅａ”で
あった。

（ト）発明の効果 本発明の炭素繊維は従来の高弾性率、高強度の炭素繊維
にくらべて製造工程が短く、製造設備が簡単であり、従
来の炭素繊維に比してコストが低く、従来の炭素繊ｔ、
１ではコスト的に使用困難でｂつだ用途にも使用可能と
考えられる。

本発明の炭素繊維（よシート状の集合体として成形する
ことが容易であり、繊維シートもしくは不織布の形でプ
ラスデック、炭素成形物、金属、セメン１〜類の補強用
繊維、あるいは腐食性物質、高温ガス等の濾過材料、あ
るいは作温材、断熱材、パツキン、ガスケット類、固体
潤滑剤、導電材料、電磁波シールド材料、電池や７１１
Ｍ槽のＴＦ！、極材料、触媒担体等に用いることが出来
る。

本発明の炭素繊、維は短く切断した後、プラスチック、
炭素成形物、金属、セメント類の補強用繊維あるいはパ
ツキン、ガスケット類の補強用繊維等に用いることが出
来る。

本発明の炭素繊維はそのままの形もしくは短く切断した
後、紡績工程を通して糸にすることが出来る。この糸は
織物、編物、あるいは組紐に成形した後、パツキン、ガ
スケッＩ−，？過材料等に用いることが出来る。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）弾性率Ｘ（ｋｇｆ／ｍｍ＾２）および強度Ｙ（ｋ
   ｇｆ／ｍｍ＾２）と最高の炭化処理温度Ｔ（℃）との関
   係が次式（ｉ）および（ｉｉ）に示す値を有する不定長
   の短繊維であることを特徴とするピッチ系の炭素繊維。 −３６７０＋１．５７×１０＾１Ｔ−８．２９×１０＾
   −＾３Ｔ＾２＋２．９８×１０＾−＾５Ｔ＾３≦Ｘ≦−
   ３５８００＋９．９５×１０＾１Ｔ−４．１８×１０＾
   −＾２Ｔ＾２＋７．８６×１０＾−＾５Ｔ＾３（ｉ）−
   １３６＋３．６０×１０＾−＾１Ｔ−１．５８×１０＾
   −＾４Ｔ＾２＋２．７０×１０＾−＾５Ｔ＾３≦Ｙ≦−
   ３８０＋１．１３Ｔ−５．３６×１０＾−＾４Ｔ＾２＋
   ９．３３×１０＾−＾５Ｔ＾３（ｉｉ）（２）光学異方
   性ピッチもしくは軽度の熱処理により容易に光学異方性
   に転化するピッチを紡糸孔の近傍から噴出する気流によ
   って牽引することにより繊維化し、不融化、炭化処理す
   ることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維の製造方法
   。 （３）光学異方性ピッチもしくは軽度の熱処理により容
   易に光学異方性に転化するピッチを高速回転するポット
   もしくは皿から遠心力により散布して繊維化し、不融化
   、炭化処理することを特徴とする請求項１記載の炭素繊
   維の製造方法。