JPH0360479A - 炭素繊維成型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、炭素繊ｗ１．威型断熱材及びその製造方法に
関するものである。

〈従来の技術〉 炭素繊維成型断熱材は、熱伝導率が極めて低く、また熱
容量が小さいという特性を有するので、金属の熱処理、
セラミックスや金属の焼結、あるいは半導体単結晶の製
造などに用いられる真空炉や非酸化性雰囲気炉用の炉材
として利用されている。

しかも、この成型断熱材は、断熱効果に優れるだけでな
く、自立性（形態保持性）があるため、それぞれの炉に
適合した複雑な曲面を含む任意の形状のものをつくるこ
とができるので、最近ではフェルトにかわって使用され
るようになっている。

ところで、このように優れた特性を有する炭素繊維成型
断熱材の製造方法としては、短繊維で溝底されるマット
、フェルトなどに炭化率の高いフェノール樹脂等の熱硬
化性樹脂を用いて、平板状、円板状あるいは円筒状もし
くは箱型に高圧含浸し、ホントブレスにより加圧・成型
し硬化さセたあと、その成型体を炭化処理して炭素成型
体とする方法が一般的である。特開昭６４−５９８４号
公報には、マトリックスとして上記に示したフェノール
樹脂が記載されているが、その他エポキシ、フランなど
の熱硬化性樹脂が一般に用いられている。

しかし、この熱硬化性樹脂を用いた場合、賦形が容易と
いう利点はあるものの値段が高く、更にはこの樹脂を炭
素繊維に高圧含浸させた後、加熱硬化させるプロセスに
おいて、かなり厳密な温度コントロールが必要であり、
またこのプロセス自体粘度を低下させるために溶剤を使
用する等工程が？！！雑であり、多大の労力と時間を要
し、その為に炭素繊維成型断熱材が非常に高価なものに
なっていた。

〈発明が解決しようとする！ｉ題〉 そこで本発明の目的は、安価でかつ断熱特性の優れた炭
素繊維成型断熱材を提供することであり、また他の目的
はマトリックスとしてフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂
の替わりにより安価な代替物を用いて、更には熱硬化性
樹脂を用いるが故に複雑となる成型断熱材の製造プロセ
スをより簡単化した製造方法を提案することである。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、マット状又はフェルト状の炭素繊維を基材と
しコールタール及び／又は石油系タールの炭化・黒鉛化
物をマトリックスとし嵩密度が０．０５〜０．６０ｇ／
ｃｄの範囲にあることを特徴とする炭素繊維成型断熱材
であり、更にはマツ）状又はフェルト状の炭素繊維にコ
ールタール及び／又は石油系タールを含浸させた後、８
００〜３０００℃の温度で炭化・黒鉛化処理することを
特徴とする炭素繊維成型断熱材の製造方法であり、好ま
しくはコールタール及び／又は石油系タールは、２０℃
における比重が１．００〜１．２５、ベンゼン不溶分の
含有量が２〜２０ｗ　Ｌ％である。

く作　用〉 次に本発明の内容を詳細に説明する。

本発明で使用される基材としての炭素繊維は、短繊維か
ら構成されるマット状およびフェルト状のものをフィラ
ーとしている。炭素繊維の種類は原料で大別してポリア
クリロニトリル系、レーヨン系、ピッチ系であるが、い
ずれの炭素繊維を用いてもよく、また低弾性糸、高強度
糸、高弾性糸のいずれであってもよい。

またマトリックスとなる炭素材の原料は、安価なコール
タール及び／又は石油系タールを用いる。

高温乾留タールは芳香族性に冨み、炭化率、真比重が大
きく、またその割りには粘性が低いという特性を有して
いるので、成型断熱材の原料マトリックスとして適して
いる。因みにコールタールは代表的な熱可塑性樹脂で、
分子量及び化学構造が異なる有機物の混合物であり、こ
のコールタールの槽底成分によって種々の残炭率（１０
００℃まで不活性ガス雰囲気中で熱処理した時に、コー
クスとして残存する量を残炭率とする）を有するコール
タールが調製可能である。このコールタールの炭素化機
構はよく調べられていて、室温で１００〜２０００　ｃ
ｅｎｔｉ　ｐｏｉｓｅの粘度の値を持つコールタールは
温度を上昇させると１０　ｃｅｎｔｉ　ｐｏｉｓｅ以下
の粘性を示し、更に温度を上げると５００〜６００℃の
温度において、コークス化（炭素化）のために粘度が上
昇し、ついには固化する。

マント又はフェルトを使用して成型断熱材を製造する場
合、特性の均質な成型断熱材を製造するためには、この
マトリックスであるコールタールが炭素繊維マットある
いはフェルトに充分に浸透することが重要であり、その
ためには、コールタールは粘度が充分に低く表面張力の
小さい特性を持つのが望ましい。コールタールはコーク
ス製造時において、石炭の乾留で得られるが、乾留工程
で１０００〜１３００℃の高温熱履歴を受けているため
に、タールの熱分解が起き、コールタールは低分子成分
より構成されている。そのためにコールタールは低粘度
を示す。

ここでコールタールは、炭化処理によって熱分解あるい
は低分子成分の揮発により重量が減少し、炭化終了後ピ
ッチコークスとなる。このピッチコークスとなる割合（
残炭率）は、コールタールの特性によって決まってくる
が、一般にはコールタ−ルの比重が大きいもの程、また
粘度が大きいもの程残炭率が大きい。成型断熱材の断熱
特性を決める熱伝導率は、成型断熱材の嵩密度と密接な
関係があり、一般には成型断熱材の嵩密度が大きい程、
熱伝導率は大きくなる。従って本発明においては、マト
リックスとして種々の残炭率の値を有するものを用いる
ことによって、成型断熱材の嵩密度を任意に変えられる
。

炭素繊維マット又はフェルトにコールタールが充分に浸
透するには、このマトリックスであるコールタールの粘
度が充分に低い（１０ｃｅｎｔｔ　ｐｏｔｓｅ以下）こ
とが必要である。この時コールタールの含浸温度と、こ
の温度におけるコールタールの粘度が重要となってくる
。含浸温度が高くなれば、コールタールの粘度がそれだ
け低くなり炭素繊維への浸透という点では望ましいが、
この温度が高ければ高い程、コールクールそれ自体に熱
変質（高分子化）などの好ましくない反応が起き、コー
ルタールの粘度が増加する３以上のことを考慮して、コ
ールタールの熱変質が起こらない温度で、かつこの温度
において充分に低い粘度を示すような含浸温度を選ぶ必
要がある。一般にコールタールは１００℃から２００℃
の温度においてヱＯｃｅｎｔｉ　ｐｏｉｓｅ以下の粘度
を示すので、本発明ではこの温度を含浸温度とすること
ができる。また通常コールタールの熱による変Ｉｒ（反
応）は３５０℃以上で起こるので、上記の含浸温度では
熱による高分子化が起こらず、従ってコールタールの粘
度増加は見られず、コールタールの特性は安定している
。

この含浸処理は常圧でも減圧でも或いは加圧下いずれで
行ってもよい。

更に詳しく説明すると、マット状またはフェルト状の炭
素繊維にコールタールを含浸させるが、この含浸処理は
、このマトリックスであるコールタールが充分に低い粘
度（ＩＱ　ｃｅｎｔｔ　ｐｏｉｓｅ以下）を呈する温度
で行うことが望ましく、通常この含浸温度は１００℃か
ら２００″Ｃである。ここでコールタールは２０℃にお
ける比重が１．００〜１．２５、ベンゼン不溶分の含有
量が２〜２０ｗｔ％の特性を持つものが望ましい、これ
らの特性を有するコールタールは１０００℃までの残炭
率が２〜２５吋％である。コールタールの特性が２０℃
における比重が１．００未満、ベンゼン不溶分が２ｗＬ
％未満だとコールタールの残炭率が２ｗｔ％未満と非常
に少なくなり、成型断熱材の持つ自立性が損なわれるの
で好ましくない。

コールタールの特性が、比重が１．２５超、ベンゼン不
溶分が２０ｗｔ％超だと、残炭率が２５ｗｔ％超となり
、その結果として成型断熱材の嵩密度が大きくなり、断
熱効果に劣るものとなるので好ましくない。

マット状又はフェルト状の炭素繊維にコールタールを含
浸させた後、引き続いて不活性雰囲気化において、８０
０〜３０００℃の温度で炭化・黒鉛化処理することによ
りマトリックスは炭素化し、ピッチコークスとなり自立
性のある炭素繊維成型断熱材が得られる。この炭化・黒
鉛化処理は昇温を３０〜６００℃／ｈｒという比較的速
い速度で行うことができる。炭化処理温度が８００“Ｃ
未満だと、マトリックスの炭素化が充分ではなく、成型
断熱材に自立性がなくなる。３０００℃を超える処理温
度だと、マトリックスの黒鉛化が進みすぎて成型断熱材
に大きいクラックが生成したり、層状割れが発生して好
ましくない、このように８００〜３０００℃の温度で処
理することにより、嵩密度が０．０５〜０．６０　ｇ　
／ｃｒ１で熱伝導率が０．０５〜１．．００　ｋｅｅｌ
／　ｍ−ｈ　・”Ｃ（１０００℃での値）の断熱特性が
優れた炭素繊維成型断熱材を得ることができる。

以上はマトリックスとして高温乾留によるコールタール
について主に説明してきたが、これに限るものではなく
石炭を低温乾留（７００−１０００℃）して得られるコ
ールタール、更には石油系のタールについても同一方法
で成型断熱材が製造できる。

〈実施例〉 実施例１ 厚さ５ｃ１１のマット状の炭素繊維（使用糸石炭ピッチ
系の短繊維の焼成品、繊維径１５μｍ引張強度８０　ｋ
ｇ　／　ｘｉ　、引張弾性率４．６ｔ／−）を含浸槽に
装入し、１５０℃に溶融させたコールタール（２０℃に
おける比重１．２０．ベンゼン不溶分ｔｓ、ｈｔ％、こ
のタールの特性の測定はＪ　Ｉｓ　　Ｋ　２４２５に従
った。

以下同じ）を常圧下で含浸槽に注入し、炭素繊維マット
にコールタールを含浸させた。

この含浸させたマットを含浸槽より取り出した後、引き
続いて常圧下において昇温速度２００℃／ｈｒで窒素ガ
ス雰囲気中１５００″Ｃまで炭化・黒鉛化して成型断熱
材を得た。

得られた成型断熱材は嵩密度０．４８ｇ／ｃｊ、熱伝導
率０．５５　ｋｃＪ／ｍ　−ｈ　−”Ｃ（１０００℃で
の４１）の特性を持ち自立性のあるものであった。この
特性試験における試験片は１２０Ｘ８０Ｘ３０＋ｓ　（
長さ×幅×高さ）の直方体であり、嵩密度は試験片の乾
燥重量及び寸法から求めた。熱伝導率の測定はＪＩＳＲ
２６１８に従い、測定温度は１ｏｏｏ℃である（以下測
定法に関しては同し）。

実施例２ 厚さ４ｃｍのフェルト状の炭素繊維（使用糸は実施例１
と同し）を含浸槽に装入し、１２０℃に溶融させたコー
ルタール（２０℃における比重１．０５．ベンゼン不溶
分３．２ｗｔ％）を減圧下１００ｗ１１ｇで含浸槽に注
入し、炭素繊維フェルトにコールタールを含浸させた。

この含浸させたフェルトを含浸槽より取り出した後、引
き続いて常圧下において昇温速度２００℃／ｈｒで窒素
ガス雰囲気中１８００℃まで炭化・黒鉛化して自立性の
ある成型断熱材を得た。

得られた成型断熱材は嵩密度０．１２ｇ／ｃｄ、熱伝導
率０．２５　ｋｃＪ／　ｍ　□　ｈ・℃であった。

実施例３ 厚さ４ｃｍのマット状の炭素繊維（使用糸石油ピッチ系
の短繊維の焼成品、繊維径１１−１引張強度１４０ｋｇ
／ｄ、引張弾性率１２ｔ／ｄ）を含浸槽に装入し、１８
０℃にン容融させたコールタールおける比重１．１６．
ベンゼン不溶分１０．６ｗｔ％）を常圧下で含浸槽に注
入し、炭素繊維マットにコールタールを含浸させた．こ
の含浸させたマットを含浸槽より取り出した後、引き続
いて常圧下において昇温速度２５０℃／ｈｒで窒素ガス
雰囲気中８００。

２０００、　３０００℃で炭化・黒鉛化して自立性のあ
る成型断熱材を得た．得られた成型断熱材の嵩密度。

熱伝導率はそれぞれ０．２７ｇ／ｃｄ．　０．３０　ｋ
ｃａｌ／ｍ．　−ｈ−”Ｃ（８００℃処理）　、０．２
７　ｇ　／ｃＪ，　０．３３　ｋｃａｌ／ｍ　−　ｈ　
−　”Ｃ　（２０００℃処理’）　、０．２７　ｇ’／
Ｃｄ，　０．３８　ｋ”ｌ／　ｍ−ｈ　・”Ｃ　（３０
００℃処理）であった。

比較例１ 実施例３において、最終の炭化・黒鉛化温度を７００℃
　　３０８０℃とする以外は全く同一条件で成型断熱材
を製造したが、７００℃処理ではマトリックスであるコ
ールタールが完全にコークスとならず不均質なものが得
られ、３０８０℃処理では断面方向に層状の大きいクラ
ンクが発生して良品は得られなかった。

実施例４ 厚さ４ｃ１１のフェルト状の炭素繊維（使用糸ＰＡＮ系
の短繊維の焼成品，繊維径９ー，引張強度２５　０　ｋ
ｇ　／　ｍＪ　、引張弾性率２０ｔ／ｌＪ）を含浸槽に
装入し、石油系タール（２０℃における比重１．１６，
ベンゼン不溶分１０．６ｗｔ％）を常圧下で含浸槽に注
入し、炭素繊維フェルトに石油系タールを含浸させた。

この含浸させたフェルトを含浸槽より取り出した後、引
き続いて常圧下において昇温速度２００℃／ｈｒでアル
ゴンガス雰囲気中で２０００℃で炭化・黒鉛化処理して
自立性のある成型断熱材を得た。この成型断熱材は嵩密
度０．３２ｇ／ｃｍ２．熱伝導率０．３５　ｋｃａｔ／
ｍ−ｈ・℃であった。

〈発明の効果〉 以上のように、マトリックスとして安価なコールタール
及び／又は石油系タールを使用することにより、従来の
熱硬化性樹脂を使用する方法に対して簡単なプロセスで
生産性良く、しかも安価に断熱効果に優れた炭素繊維成
型断熱材が容易に得られるので、産業への波及効果は非
常に大きいものがある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　マット状又はフェルト状の炭素繊維を基材としコー
   ルタール及び／又は石油系タールの炭化・黒鉛化物をマ
   トリックスとした嵩密度が０．０５〜０．６０ｇ／ｃｍ
   ＾２の範囲にあることを特徴とする炭素繊維成型断熱材
   。 ２　マット状又はフェルト状の炭素繊維にコールタール
   及び／又は石油系タールを含浸させた後、８００〜３０
   ００℃の温度で炭化・黒鉛化処理することを特徴とする
   炭素繊維成型断熱材の製造方法。 ３　コールタール及び／又は石油系タールは、２０℃に
   おける比重が１．００〜１．２５、ベンゼン不溶分の含
   有量が２〜２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項２
   記載の炭素繊維成型断熱材の製造方法。