JPH03141170A - 断熱材及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高温熱処理時に好適に使用される断熱祠及び
その製造方法に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとする課題］セラミッ
クス焼成炉、真空蒸貰炉、半導体単結晶成長炉等の高温
炉用断熱材としての断熱性は、嵩密度と密接な関係があ
る。すなわち、一般に、断熱性を高めるには、低温域で
は低い嵩密度が、高温域では高い嵩密度が必要とされる
。しかしながら、炭素繊維製フェルト単体では、嵩密度
が０゜０７　ｇ　／　ｃｒＡ程度と小さいため、低温域
における断熱性はよいが、高温断熱性が十分でない。従
って、高温域での高温断熱性を高めるには、炭素繊維製
フェルトを圧縮する必要がある。また加熱炉への装着等
を容易にするため、適度な硬度を有する断熱材が必要と
される場合がある。

そこで、炭素繊維を用いた断熱材の製造方法として、炭
素繊維フェルトに炭化又は黒鉛化可能な樹脂溶液を含浸
する含浸工程と、樹脂溶液中の溶剤を乾燥して除去する
乾燥工程と、樹脂を含浸したフェルトを必要に応じて積
層した後、圧縮した状態で硬化させる成形硬化工程と、
成形物を炭化又は黒鉛化処理する焼成工程に供する方法
が提案されている（特公昭５０−３５９３０号公報参照
）。

しかしながら、この方法では、樹脂溶液を用いるので、
作業性が低下すると共に、有機溶媒の処理や、成形硬化
工程でプレス装置を必要とする。

また多くの工程を経るので、多大の労力を必要とし、生
産性が低下する。しかも、含浸工程で樹脂の含浸むらが
生じ易く、均一性、ひいては断熱性が低下する。また圧
縮成形しているため、得られた断熱材は、弾力性及び緩
衝性に乏しく、加工時や炉への装着時に欠損し易い。さ
らには、含浸樹脂に起因して、加工又は使用時に粉が発
生し易く、発生した粉は、高温炉内の被加熱処理物を汚
染する虞がある。

本発明の目的は、含浸樹脂を含むことなく、所望の嵩密
度と適度な硬度を有し、均一性、断熱性、緩衝性に優れ
ると共に、被加熱処理物の汚染を防止できる断熱材を提
供することにある。

本発明の他の目的は、含浸工程、乾燥工程、及び成形硬
化工程を経ることなく、上記の如き優れた特性を有する
断熱材を効率よく製造できる断熱材の製造方法を提供す
ることにある。

［発明の構成］ 本発明者らは、炭素繊維、炭素繊維化可能な繊維又はこ
れらの混合繊維（以下、特に断りがない限り、これらを
炭素繊維等と総称する）と、炭素繊維化可能な熱融着性
繊維（以下、熱融着性繊維という）とを混紡し、機械的
に接合した後、焼成することにより、樹脂を含浸するこ
となく、均一性などに優れると共に、適度な硬度を有す
る炭素繊維性フェルトが得られることを見いだし、本発
明を完成した。すなわち、本発明は、炭素繊維が機械的
に接合していると共に、炭素繊維間が、融着状態で炭素
繊維化された炭素繊維で接合している断熱材により、上
記課題を解決するものである。

また本発明は、炭素繊維等と、熱融容性繊維とを混紡し
、機械的に接合した後、焼成する断熱材の製造方法によ
り、上記課題を解決するものである。

なお、本明細書における用語の定義は次の通りである。

炭素繊維とは炭化又は黒鉛化された繊維を言う。

炭化とは、炭素繊維化可能な繊維や熱融着性繊維等を、
例えば、４５０〜１５００℃程度の温度で焼成処理する
ことを言う。黒鉛化とは、例えば１５００〜３０００℃
程度の温度で焼成処理することを言い、黒鉛の結晶構造
を有していないときでも黒鉛化の概念に含める。

耐炎化処理とは、ピッチ系繊維以外の繊維を、例えば、
酸素存在下、２００〜４５０℃程度の温度で加熱して表
面に耐熱層を形成し、焼成時の溶融を防止する処理を言
う。不融化処理とは、例えば、ピッチ系繊維を、酸素存
在下、２００〜４５０℃程度の温度で加熱して表面に耐
熱層を形成し、焼成時の溶融を防止する処理を言う。

本発明の断熱材に含まれる炭素繊維としては、例えば、
ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、フェノール樹脂
系、セルロース系、ピッチ系などの炭素繊維が例示され
る。これらの炭素繊維は、一種又は二種以上の混合繊維
として使用できる。

炭素繊維は、機械的絡み合いにより接合し、フェルトを
構成している。そして、互いに絡み合った炭素繊維間は
、従来のように含浸樹脂ではなく、融着状態で炭素繊維
化された炭素繊維によって接合している。従って、従来
のように、樹脂の含浸むらなどに起因する均−性及び断
熱性の低下がなく、緩衝性、被加熱処理物の非汚染性に
優れる。

また固体熱伝導に寄与する含浸樹脂の焼成物を含まない
ので、樹脂を含浸し、焼成した同一嵩密度の成形断熱材
に比較して、−届所熱性がよい。さらに、炭素繊維間が
、融着状態で炭素繊維化された炭素繊維で三次元的に接
合されているためか、接合密度や繊維の混合割合などを
、Ｍ整することにより、断熱材の硬度を制御できる。

このようなフェルトからなる断熱材の嵩密度とその厚み
は、炭素繊維間の接合密度や繊維の混合割合などを調整
することにより、所望する断熱性能等に応じて設定でき
る。断熱材の嵩密度は、通常０　、０３〜０　、３　ｇ
　／　ｃａｌ、好ましくは０．　１〜０．３ｇ／ｃｆｆ
ｌ程度である。嵩密度が０．０３ｇ／ｃｄ未満であると
、断熱性、硬度が小さく、０．３ｇ　／　ｃａｔを越え
ると、一般に緩衝性などが低下する。

また断熱材の厚みは、通常５〜６０　ｍｍ程度である。

なお、断熱材は、必要に応じて、接着剤を塗布して、積
層してもよく、接着剤は炭化又は黒鉛化していてもよい
。

本発明の断熱材は、樹脂の含浸工程などを経ることなく
、前記炭素繊維等と、前記熱融着性繊維とを混紡する混
紡工程と、混紡繊維を機械的に接合する機械的接合工程
と、焼成工程とを経ることにより、製造できる。

混紡工程で使用される炭素繊維等のうち、炭素繊維化可
能な繊維としては、不融化処理されたピッチ系繊維、耐
炎化処理されたポリアクリロニトリル系、レーヨン系、
フェノール樹脂系繊維、未処理のフェノール樹脂系繊維
などが例示される。

これらの炭素繊維化可能な繊維も、一種又は二種以上の
混合繊維として使用できる。

熱融着性繊維は、高温処理により軟化又は溶融して炭素
繊維等と、又は熱融着性繊維と融着し、かつ焼成工程に
供することにより、炭素繊維化する。熱融着性繊維は、
通常、不融化又は耐炎化処理されていない炭素繊維化可
能な繊維で構成されている。このような熱融着性繊維と
しては、例えば、ポリアクリロニトリル繊維、レーヨン
繊維、ピッチ繊維などが挙げられる。これらの熱融着性
繊維は一種又は二種以上使用できる。

なお、フェノール樹脂系繊維を用いる場合には、焼成工
程での重量減少が少なく、嵩密度の大きな断熱材が得ら
れる。すなわち、フェノール樹脂系繊維を用いると、焼
成工程を経ても嵩密度が低下せず、むしろ大きくなる。

この理由としては、焼成−Ｌ程で、フェノール樹脂系繊
維が、収縮しながら炭素繊維化し、他の炭素繊維を引き
締めるように働くためと考えられる。フェノール樹脂系
繊維としては、例えばノボラック型フェノール樹脂から
なるノボロイド繊維等が挙げられる。

炭素繊維等や熱融着性繊維の繊維径は、通常、５〜３０
μ厘程度である。

炭素繊維等と、熱融着性繊維との混紡割合は、所望する
断熱性に応じた嵩密度、硬度、曲げ強度などに応じて決
定できる。炭素繊維等と熱融着性繊維との混紡割合は、
通常、炭素繊維界／熱融着性繊維−５／９５〜９５１５
、好ましくは２５／７５〜７５／２５重量部程度である
。熱融着性繊維が５重量部未満であると、炭素繊維等を
均一に接合し、硬度を高めるのが困難であり、９５重量
部を越えると、焼成工程で重量減少が大きくなり、断熱
材の嵩密度を大きくするのが困難である。

混紡繊維は、通常、シート状にした混紡ウェブ、又は複
数の混紡ウェブを積層した混紡ラップとした後、機械的
接合工程に供される。混紡ウェブ、混紡ラップは、従来
慣用の方法、例えば紡績用カードを用いる方法等により
作製できる。

機械的接合工程では、混紡ウェブ又は混紡ラップを機械
的に接合圧縮し、フェルトの嵩密度を大きくする。この
工程で、炭素繊維等同士、熱融着性繊維同士の絡み合い
と、炭素繊維等と熱融着性繊維との絡み合いが生じる。

機械的接合手段としては、ステッチ法等であってもよい
が、ニードルパンチ法が好ましい。ニードルパンチ法に
よると、炭素繊維等と熱融着性繊維とを機械的に均一に
絡ませ、接合することができる。またニードリングの針
密度等を調整することにより、フェルトの圧縮度、嵩密
度を容易に制御できる。

機械的接合工程では、（１）混紡割合が異なる複数の混
紡ウェブ又は混紡ラップを積層してニードリングする方
法、（２）同じ混紡割合の混紡ウェブや混紡ラップを積
層してニードリングする際、厚み方向のニードリングの
針深度や針密度を調整する方法などにより、厚み方向に
連続的又は段階的に嵩密度が分布したフェルトを得ても
よい。

機械的接合工程により得られたフェルトの形状及び大き
さは、加熱炉の種類に応じて、例えば、平板状、円板状
などの板状、中空筒状などに形成できる。なお、中空筒
状フェルトは、例えば、混紡ウェブ又は混紡ラップを針
刺機の円筒状ベットに巻き付け、ニードリングすること
により作製できる。

そして、機械的接合工程で得られたフェルトを焼成工程
で焼成することにより、断熱材が得られる。焼成工程で
の炭化及び黒鉛化は、通常、真空下又は不活性雰囲気中
で行なわれる。該不活性雰囲気の不活性ガスとしては、
窒素、ヘリウム、アルゴン等が例示される。なお、焼成
温度は、断熱材が適用される加熱炉の温度に応じて任意
に設定できる。焼成温度は、通常１５００〜２５００℃
程度である。

この焼成工程における炭素繊維等と熱融着性繊維との接
合は、次のようにして起るものと思われる。すなわち、
熱融着性繊維は、昇温に伴い軟化又は若干溶融し、炭素
繊維等や熱融着性繊維との接触部で融着する。さらに昇
温することにより、熱融着性繊維の形状を保持したまま
炭化又は黒鉛化され、熱分解反応、架橋反応により、炭
素繊維化する。この炭化又は黒鉛化処理で融百部も同時
に炭化又は黒鉛化され、炭素繊維間を接合した状態とな
り、硬度が向上する。

本発明の断熱材は、断熱材以外の用途、例えば、ガラス
、アルミニウム等からなる高温加熱状態の成形物の耐熱
クツション材や、Ｎａ−３型等の２次電池の電極材料と
しても有用である。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の断熱材は、含浸樹脂を含むこと
なく、炭素繊維が機械的に接合していると共に、炭素繊
維間が、融着状態で炭素繊維化された炭素繊維で接合し
ているので、均一性、断熱性、緩衝性に優れると共に、
所望の嵩密度と適度な硬度を有し、被加熱処理物の汚染
を防止できる。

また本発明の断熱材の製造方法によれば、従来のように
含浸工程、乾燥工程、及び成形硬化工程を経ることなく
、混紡工程、機械的接合工程及び焼成工程に倶すればよ
いので、生産性及び作業性を低下させることなく、上記
の如き優れた特性を有する断熱材を効率よく製造できる
。

［実施例］ 以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する
。

実施例 ピッチ系炭素繊維（■ドナツク製、商品名ドナカーボ５
２０１）と、フェノール樹脂系繊維（■日本カイノール
製、商品名カイノール）と、アクリロニトリル繊維（三
菱レーヨン■製、商品名ボンネル、糸径３デニール）と
を、１：１：１の重量比で混紡し、紡績用カードを用い
て混紡ラップを形成した。次いで、ニードルパンチによ
り、厚み約３５ｍｍ、嵩密度０．１６ｇ／ｃｊのフェル
トを作製した。そして、フェルトを、窒素ガス雰囲気中
で、１℃／分の昇温速度で昇温し、２０００℃到達した
後、同温度で３時間保持して焼成し、常温まで自然冷却
した。得られた断熱材は、厚み３０　ｍｍ、嵩密度０．
１５ｇ／ａｎ！であった。また曲げ強度は０．０３ｋｑ
／ｍ（であり、実用に耐える強度を有していた。さらに
、この断熱材の２０００℃における熱伝導度を測定した
ところ、０．７５Ｋｃａｌ／ｍ−ｈｒ−℃であった。

比較例 実施例のピッチ系炭素繊維製フェルトに、レゾール型フ
ェノール樹脂のメタノール溶液を固形分換算で６０重量
％含浸させ、乾燥した。次いで、含浸フェルトを圧縮成
形した状態で、フェノール樹脂を硬化させ、上記実施例
と同様の条件下で焼成することにより、断熱材を得た。

得られた断熱材は、嵩密度０．１５ｇ／ｃｒＡ、２００
０℃における熱伝導度１．．　０Ｋｃａｌ　／ｍ−ｈｒ
・’Ｃであった。

実施例の断熱材は、比較例の断熱材と比較して、焼成工
程や後加工一り程で、粉の生成が殆どなく、弾力性、緩
衝性に優れ、断熱材が欠落することがなかった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．炭素繊維が機械的に接合していると共に、炭素繊維
   間が、融着状態で炭素繊維化された炭素繊維で接合して
   いることを特徴とする断熱材。
2. ２．炭素繊維、炭素繊維化可能な繊維、又はこれらの混
   合繊維と、炭素繊維化可能な熱融着性繊維とを混紡し、
   機械的に接合した後、焼成することを特徴とする断熱材
   の製造方法。