JPH03213545A - 導電性炭素繊維マット及びその製造方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は導電性に優れた炭素繊維のマット及びその製造
方法に間する。

本発明の導電性炭素繊維マットは高導電性、高弾性率、
高強度の炭素繊維を高密度に絡合させているため、マッ
トの面方向ばかりでなく厚さ方向にも高い導電性を示す
とともに、繊維集合体として引っ張り、引き裂き、衝撃
、摩耗、折り曲げ等に強く、圧縮や振動等に対する耐久
性および形態安定性に優れている。なお、ここで言うマ
ットとは、シート状物のことでニードルパンチ等の処理
によるいわゆるフェルトをも含む。

本発明の導電性炭素繊維マットは繊維強化したプラスチ
ック、金属、炭素繊維複合材料等の補強用材料に用いて
、優れた性能を発揮する。また本発明の炭素繊維のマッ
トはそのままあるいは複合材料として、優れた強度、耐
熱性、耐衝撃性、形態安定性、導電性を有しており、濾
過材料、断熱材、触媒担体、電磁波遮蔽材、帯電防止材
、電極材料、抵抗発熱体等に用いて優れた性能を発揮す
る。

（ロ）従来の技術 従来の炭素繊維マットは、炭素繊維の長繊維を一定長に
切断した後、梳綿機、抄紙用ビータ−等により開繊し、
シート状に成形し、繊維間を絡合もしくは接着して製造
されることが多い。

また別の方法として、前駆体繊維でシート状物を作った
後、炭化処理を行うことが行われる。ピッチ系の炭素繊
維の場合、スパンボンド法やメルトブローン法により、
ピッチ繊維のシート状物を製造した後、不融化および炭
化処理を行い炭素繊維マットとする。

この際に炭素繊維間を絡合することは、有機繊維の絡合
に比へて著しく困難である。この理由は炭素繊維あるい
はその前駆体繊維の多くがほとんど捲縮を持たず、また
特に炭素繊維の場合には自己湿潤性を有するため繊維の
集束性が良く、開繊および絡合が非常に困難であるため
と推察される。

従来の炭素繊維はほとんど捲縮を持っていないため、繊
維束の側面から圧縮した場合に、繊維間が密着し易く、
繊維加工機械の針等が通り難く、また繊維間を繊維が通
り抜は難いことから、繊維の混合及び絡合は極めて困難
である。炭素繊維は軟化点を示さないため、一般の合成
繊維のように機械的に捲縮を与えることは困難である。

炭素繊維の導電性を利用して導電性マットを製造するに
は、炭素繊維間の接触点を増加し、マットとしての電気
抵抗を小さくする必要があり、さらにマットの厚さ方向
の電気抵抗を小さくする必要がある。このような炭素繊
維間の絡合の難しさから、マットの面方向の電気抵抗を
小さくすることは可能でも、厚さ方向の電気抵抗を小さ
くすることは概して困難であった。

このような問題の解決策として、合成繊維での例から類
推するならば、前駆体繊維の状態で少しでも繊維を絡合
し、それを核として絡合が進行すれば良いと考えられる
のであるが、ピッチ繊維の強度は極めて低く、このよう
な絡合は実質的に不可能と考えられて来た。

（ハ）発明が解決しようとする課題 本発明は炭素繊維マットの中の炭素繊維間の絡合を十分
に行うことが困難で、そのため導電性に優れたマットを
製造することが困難である問題を解決することを目的と
する。

炭素繊維の場合には、繊維が硬く脆い上、繊維がほとん
ど捲縮を有していないため繊維の開繊が難しく、そのた
め繊維間の絡合を十分に絡合をす　− ることが極めて難しい。

本発明者らはこの問題を解決するために種々検討の結果
、炭素繊維の前駆体のピッチ繊維をメルトブローン法に
よって製造し、ピッチ繊維が空中に浮遊している段階で
、まず第一段階の絡合を行い、引き続き不融化工程で第
２段階の絡合を行い、要すれば更に絡合あるいは圧搾を
行うことにより、絡合の程度の進んだ密度の高い導電性
炭素繊維マットの製造方法に到着したものである。

（ニ）課題を解決する手段 本発明は、ＪＩＳ　Ｋ−６９１１に基づく体積抵抗率Ｙ
（Ω印）と、炭素繊維の体積含有率Ｘ（％）との関係が
次式（１）に示す値を有する不定長の短繊維で構成され
る導電性炭素繊維マットにある。

Ｙ≦ｌｏ３／　　Ｘ”９　　　　　　　（＋）なお、こ
こで云う不定長の短繊維とは紡糸時に形成された繊維長
数ミリメーターないし数十センチメーターの短繊維であ
り、概して広い繊維長分布を有するものである。

さらに本発明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メ
ルトブローン法により紡糸を行い、形成されるピッチ繊
維を直ちに多孔質ベルト上へ採取し、得られたシート状
物をベルトに向かって圧縮する方向に３　ｍ　／秒置上
の流速の酸化性気体を吹き付けながら不融化処理し、炭
化処理することを特徴とする導電性炭素繊維マットの製
造方法にある。

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、導電性に優れた易黒鉛
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等方性ピ
ッチとしたもの等である。

本発明の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、好ましくは１０
０％メソフェーズのピッチである。

メルトブローン法と通称される紡糸方法は、溶融紡糸に
おいて、紡糸孔の近傍から噴出する気流によって溶融し
た繊維原料を牽引して細化し、繊維化するものである。

メルトブローン法によるピッチの溶融紡糸においては、
溶融したピッチの温度は一般的にはピッチの軟化点より
も１０〜７０℃高温にする。また紡糸孔の近傍から噴出
させる気体の温度は、−船釣には溶融したピッチの温度
と同温度ないし２００℃高温にする。しかし本発明にお
いては、紡糸温度は好ましくはピッチの軟化点より５０
〜２５０℃高い温度とし、紡糸孔を出る時の粘度が５０
ボイズ以下である条件で紡糸する。紡糸孔の近傍から噴
出させる気体は、好ましくは空気、水蒸気もしくは燃焼
廃ガスである。流速は吐出孔もしくはスリットで測定し
て、好ましくは音速の０．１〜１倍である。

このような条件を採用することにより、紡出されるピッ
チは溶融状態で空中を長い距離運動するため、細く引き
伸ばされ、また気流の渦によりより多くの縫れや絡みを
持つようになる。これによリピッチ繊維の持つ弛みやル
ープが増加し、シート状に採取した後の絡合の進行が容
易になる。

ピッチ繊維の採取は多孔質ベルトによって実施する。繊
維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。

本発明においてメルトブローン法により得られたシート
状物は、ベルトに向かって圧縮する方向に３　ｍ　／秒
置上の流速の酸化性気体を吹き付けながら不融化処理す
る。この気流によりシート状物の中の比較的自由な状態
の繊維が気流に平行な方向に配列する。これにより炭化
後の炭素繊維マットの厚さ方向の導電性が改善される。

本発明の不融化後のピッチ繊維のシート状物は好ましく
は、５００〜８５０℃で軽度の炭化を行なった後、ニー
ドルバンチ、高速の流速あるいは高速の気流による絡合
を行う。この絡合により炭化後の炭素繊維マットの厚さ
方向の導電性が改良されるとともに、マットの嵩比重が
大きくなり引き裂　− き強度等が増大する。

得られた炭素繊維マットは常法による炭化により高い導
電性が得られるが、好ましくは炭化時において、１０〜
１０００ｇ　／　ｅ＋ｎ　２の加圧を行う。これにより
炭素繊維間の接触抵抗が減少し導電性が改良される。

本発明の炭素繊維のマットあるいはその中間製品である
ピッチ繊維のシート状物は、そのままの形で使用あるい
は加工することが出来、取り扱いを容易にするために糸
でキルテイング状に縫い付けたり、硬化前の樹脂で粘着
させたりして、仮の成形をした形で使用あるいは加工す
ることが出来る。また接着もしくは融着によりマットあ
るいはシート状物を筒状あるいは箱状等の形態に成形す
ることができる。

（ホ）作　用 本発明の炭素繊維のマットは面方向ばかりでなく厚さ方
向にも高い導電性を有する。これは本発明の炭素繊維の
マットの繊維の絡合の程度が大きく、繊維間の密着性が
良いためと推定される。ま０　− た本発明のマットは引っ張り、引き裂き、衝撃、摩耗、
折り曲げ等に強く、圧縮や振動等に対する形態安定性に
優れている。

本発明の導電性炭素繊維マットは電気的性質及び機械的
性質の両方に優れており繊維強化したプラスチック、金
属、炭素炭素複合材料等の補強用材料に用いて、優れた
性能を発揮する。

（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２７５℃、光学異方性分率１００％の石油系ピッ
チを原料とし、幅３　ｍｍのスリットの中に直径０．３
　ｍｍの紡糸孔を一列に６８０個有する口金を用い、ピ
ッチ繊維を製造した。ピッチの噴出量３００　ｇ／ｎｉ
ｎ、ピッチ温度３６０℃、加熱空気温度３９０℃、加熱
空気の圧力１．１　Ｋｇ／ｃｍ２Ｇであった。

紡出したピッチ繊維をネットコンベヤーの上に吸引して
採取した後、直ちに昇温速度１．５℃／分で３００℃ま
で昇温させつつ不融化処理を行なった。

ざらに昇温速度１０℃／分で　１０００℃まで昇温し、
炭化処理を行なった。得られた炭素繊維はマットは、目
付け　１５０　ｇ／ｍ２平均繊維直径７μ、平均繊維長
３０　ｍｍであった。

得られた炭素繊維マット及び市販炭素繊維フェルトをマ
トリックスとしてエポキシ樹脂を用い厚さ３■のＦＲＰ
板を作製した。

ＪＩＳ　　Ｋ−６９１１に基づきＦＲＰ板の体積抵抗率
を測定した。繊維含有率と抵抗率の関係の結果を表−１
に示す。

表−１ 繊維含有率と体積抵抗率 このように、実施例の体積抵抗率は、従来にない優れた
電気伝導性を示した。参考例の値は従来の製造方法によ
って得られた試料について測定した値である。

実施例　２ 軟化点２８６℃、光学異方性分率１００％の石油系ピッ
チを用い、溶融ピッチを吐出する管状ノズルの周辺から
加熱空気を噴出させる紡糸孔を有する３− 口金により、紡糸を行った。管状ノズルの内径は０．２
５ｍｍ、ピッチ温度は３５０℃、ピッチの粘度は３０ボ
イズ、加熱空気の温度は４２０℃、紡糸孔の数は４００
０であった。

紡出したピッチ繊維を直ちにネットコンベヤーの上に吸
引して採取した。得られたピッチ繊維シートを、ネット
コンベヤーに接触していない面から５ｍ／秒の速度でシ
ートに貫通するように加熱空気を送って、昇温速度１．
５℃／分で３００℃まで昇温させつつ不融化処理した。

得られたシート状物を昇温速度１０℃／分で６３０℃ま
で昇温し、軽度の炭化を行った。得られた炭素繊維は繊
維直径の平均１０μｍ、平均繊維長１１５關、最大繊維
長３５０ｍｍ、最小繊維長１０ｍｍを有していた。この
シート状物に対して７５バンチ／（イ）２のパンチ密度
でニードルパンチを行いシート状物を絡合させた。

得られて炭素繊維のシート状物をさらに不活性気体中で
２５０　ｇ　／　ｅ＋ｎ　２の加圧下に、昇温速度５℃
／分で１５００℃まで昇温させつつ熱処理し、炭化を４
− 行った。得られた炭素繊維マットは繊維含有率５％５．
＋１Ｓ　Ｒ７６０１に基く面方向の体積抵抗率３　Ｘ　
１０−２Ω・印、厚さ方向の体積抵抗率７　Ｘ　１０”
　Ω・叩であった。

得られた炭素繊維マットを幅３０叩に切り、溶融ピッチ
に浸漬した後、螺旋状に巻いて円筒を作り加熱して炭化
させた。得られた炭素炭素繊維複合材料の円筒の一端に
電極を取り付け、補強のために内部にＰＶＣ管を挿入し
たものを地中に埋設し、電気防食用の電極として＋３０
Ｖの直流電圧を印加して１年間の耐久試験を行った。試
験後の電極にはほとんど変化が認められなかった。なお
対照として従来の孔あき鋼管を用いる電極の場合、約ｌ
θ％の重量減が認められる。

実施例　３ 実施例１のメルトブローン法により採取したピッチ繊維
のシート状物を酸化性気体の流速を変えて不融化処理し
た。酸化性気体の流れる方向はシートのネットコンベヤ
ーに接触していない面からシートを貫通する方向である
。なお酸化性気体を逆に流すと、ネットコンベヤーの上
でシートの形態が不安定になるので好ましくない。

得られたシートは実施例１と同様にしてさらに炭化処理
および絡合加工した。得られた炭素繊維マットの性状を
表１に示す。流速が小さい場合、繊維の移動および絡合
が少なくなるため、ニードルパンチの際に開繊が難しく
、繊維の切断が生じて強度の低下と電気抵抗の増加が起
こるものと推定される。

第１表 不融化時の酸化性気体の流速とマットの性能酸化性気体
の　　　０．３　２．５　４．０　８．０　４０．０流
速（ｍ／秒） 目　　　付　（ｇ／ｃＷ１２）　　　　２４８　　　２
５３　　　２５０　　　２４４　　２５７引張強度（ｋ
ｇｆ／ｅ＋ｎ）　９．８　１５．４　２６．２　２５．
９　２８．１固有電気抵抗　　１２．６　９．３　２．
７　４．１　１．８（１０−２Ω＊ｅｍ） 伸　　度　（％）　　　　　０．９８　０．６２　０．
４９　０．４２　０．４８実施例　４ 原料ピッチとして軟化点２８２℃、光学異方性分率９５
％の石油系ピッチ、トルエン抽出法によって得た軟化点
２４５℃、３５０℃の熱処理により１００％メソフェー
スを生じる石油系の等方性ピッチを用いたところ、実施
例１と同様に優れた導電性の炭素繊維マットが得られた
。

比較例　１ 実施例１と同様のピッチを用い、通常の溶融紡糸口金を
用いて紡糸した後、直ちにアスピレータ−によって吸引
し、ネットコンベヤーの上に堆積させて、いわゆるスパ
ンボンド法によりピッチ繊維シートを製造した。

得られたピッチ繊維のシートを実施例１と同様にして不
融化、絡合加工、炭化処理を行ったが、炭素繊維の絡合
は進み難く、得られた炭素繊維マットの厚さ方向の導電
性は良好でなかった。

（ト）発明の効果 本発明は導電性に優れた炭素繊維のマット及びその製造
方法に関する。

本発明の導電性炭素繊維マットは高導電性、高７　− 弾性率、高強度の炭素繊維を高密度に絡合させているた
め、マットの面方向ばかりでなく厚さ方向にも高い導電
性を示すとともに、繊維集合体として引っ張り、引き裂
き、衝撃、摩耗、折り曲げ等に強く、圧縮や振動等に対
する耐久性および形態安定性に優れている。

本発明の導電性炭素繊維マットは繊維強化したプラスチ
ック、金属、炭素炭素複合材料等の補強用材料に用いて
、優れた性能を発揮する。また本発明の炭素繊維のマッ
トはそのままあるいは複合材料として、優れた強度、耐
熱性、耐衝撃性、形態安定性、導電性を有しており、濾
過材料、断熱材、触媒担体、電磁波遮蔽材、帯電防止材
、電極材料、抵抗発熱体等に用いて優れた性能を発揮す
る。

以　　上

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＪＩＳＫ−６９１１に基づく体積抵抗率Ｙ（Ωｃ
   ｍ）と、炭素繊維の体積含有率Ｘ（％）との関係が次式
   （ｉ）に示す値を有する不定長の短繊維で構成される導
   電性炭素繊維マット。 Ｙ≦１０＾３／Ｘ＾０＾．＾９（ｉ）
2. （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メルトブローン法に
   より紡糸して、形成されるピッチ繊維を直ちに多孔質ベ
   ルト上へ採取し、得られたシート状物をベルトに対して
   圧縮する方向に流速３ｍ／秒以上で酸化性気体を吹き付
   けながら不融化処理し、炭化処理することを特徴とする
   請求項１に記載の導電性炭素繊維マットの製造方法。
3. （３）メルトブローン法による紡糸温度がピッチの軟化
   点より５０〜２５０℃高い温度で、紡糸孔を出る時の粘
   度が５０ボイズ以下である条件で紡糸することを特徴と
   する請求項２記載の導電性炭素繊維マットの製造方法。
4. （４）ピッチ繊維のシート状物に不融化処理を行った後
   、５００〜８５０℃で軽度の炭化を行い、ニードルパン
   チ、高速の液流あるいは高速の気流による絡合を行うこ
   とを特徴とする請求項２又は３のいずれかの一方法に記
   載の導電性炭素繊維マットの製造方法。
5. （５）炭素繊維マットの炭化において、１０〜１０００
   ｇ／ｃｍ＾２の加圧を行うことを特徴とする請求項２又
   は４のいずれかの一方法に記載の導電性炭素繊維マット
   の製造方法。