JPH04245922A - 気相成長炭素繊維の製造装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属化合物を分解し
て基板にシーディングし、そこで原料ガスを分解して炭
素繊維を生成させるための炭素繊維の連続製造装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の気相成長炭素繊維の製造
方法として、流動法と基板法（シーディング法）とが知
られている。

【０００３】前者の流動法としては、本出願人が先に提
案したもので、例えば、■硫黄および炭素含有ケイ素化
合物のガスとキャリアガスとの混合ガス、■硫黄含有ケ
イ素化合物のガスとキャリアガスと炭素化合物のガスと
の混合ガス、■炭素含有ケイ素化合物のガスとキャリア
ガスと硫化水素ガスとの混合ガス、或いは■ケイ素化合
物のガスとキャリアガスと硫化水素ガスと炭素化合物の
ガスとの混合ガスを、温度コントロールした反応帯域に
連続的に導入し、７００℃〜１３００℃の範囲の所定温
度に加熱することにより、浮遊状態で炭素繊維を生成さ
せ、これを連続的に加熱域から流出させるよう構成した
ものが知られている（特開昭６０−５４９９９号公報）
。

【０００４】また、後者の基板法は、電気炉内にアルミ
ナ等の磁器、黒鉛等の基板を置き、これに炭素繊維の成
長の核となる鉄、ニッケル、コバルトの超微粒子触媒を
形成し、この上にベンゼン等の炭化水素のガスと水素キ
ャリアガスの混合ガスを導入し、１０００〜１３０００
℃の温度下に炭化水素を分解させることにより、基板上
に炭素繊維を成長させるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
流動法によれば、炭素繊維の生産性においては優れてい
るが、生成される繊維の長さがせいぜい数１００μｍで
ある。しかるに、今日、気相成長炭素繊維の用途は種々
あるが、特に補強のための用途としては分散性に問題が
なければ、繊維の長さは長い方が有効である。従って、
この場合、繊維長さが長い気相成長炭素繊維を得るには
、基板法が有利である。なお、基板法によれば、条件に
よっては３０ｃｍ以上の繊維長さのものが得られるとい
われている。

【０００６】しかるに、基板法は、一般的に次のような
製造工程からなる。 １．基板に金属微粒子を担持。 ２．炉の昇温。 ３．炉内の空気を不活性ガスに置換。 ４．基板の挿入。 ５．キャリアガス置換。 ６．原料ガス注入。 ７．キャリアガス、原料ガス注入を停止し、不活性ガス
置換。 ８．炉の冷却（必要に応じて）。 ９．基板の取出し。 １０．繊維を基板から掻き取る。

【０００７】ここでキャリアガスとしては、普通水素含
有ガスが使用されるので、第９の工程で基板を炉から取
出す時に空気が炉内に侵入して水素と酸素の混合ガスを
生成して危険であるので、第３の工程と第７の工程の不
活性ガス置換が必要となる。また、第１の工程で基板に
担持された金属微粒子は、空気中では表面が直ぐに酸化
され、触媒能を失うので、第５の工程により粒子を完全
に還元する必要がある。従来は、基板１枚毎に、このサ
イクルを繰り返さなければならなかった。

【０００８】かくして、これら１０の工程で、実際に炭
素繊維を製造しているのは、第６の工程のみであり、非
常に生産性が悪く、実験室的にはともかく工業的な基板
法による生産は未だなされていない。

【０００９】そこで、本発明の目的は、基板法による気
相成長炭素繊維の製造において、従来では外部でシーデ
ィングした基板を炉に投入し、バッチ式で繊維を得てい
たものを、１つの炉内でシーディングと繊維の成長を連
続方式で行うことにより、基板法における繊維の長さを
維持したまま流動法並の生産性が得られる気相成長炭素
繊維の製造装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る気相成長炭
素繊維の製造装置は、Ｌ字形に交差連結する縦型炉と横
型炉とを備えた炉の構成とし、前記縦型炉の上部に金属
化合物のガスとキャリアガスを供給するための第１の注
入手段を設け、前記横型炉には炭素繊維生成のための原
料ガスを供給するための第２の注入手段を設け、前記横
型炉の内部に前記縦型炉との連結部より他端部へ生成さ
れた炭素繊維を移送するための搬送手段を設け、さらに
前記縦型炉と横型炉との連結部に基板供給手段を設ける
と共に前記横型炉の他端部に基板取出し手段とガス排出
手段とを設け、前記炉内への雰囲気ガスの侵入を防止す
る機能を有するよう構成することを特徴とする。

【００１１】前記の気相成長炭素繊維の製造装置におい
て、縦型炉と横型炉とは、それぞれ炉の温度を独立に制
御可能に構成することができる。

【００１２】また、縦型炉を通過したガスを炉外に排除
する手段を設けることができる。

【００１３】さらに、搬送手段は、基板の炉内滞在時間
を可変に設定し得るよう構成することができる。

【００１４】

【作用】本発明に係る気相成長炭素繊維の製造装置によ
れば、縦型炉で金属化合物を分解して、横型炉を移動し
ている基板にシーディングし、横型炉を移動しつつ炭素
繊維を成長させることができる。

【００１５】本発明の製造装置によれば、基板を連続的
に炉に供給し、基板に連続的にシーディングし、連続的
に炭素繊維を成長させ、炭素繊維の生えた基板を連続的
に炉から取出すことができ、これにより生産性が非常に
高められる。

【００１６】また基板法であるため、得られる繊維が長
く、金属化合物や原料ガスの種類や濃度、温度、横型炉
滞在時間等の組合せを選ぶことによりセンチメータ（ｃ
ｍ）オーダの長さの炭素繊維が得られる。

【００１７】本発明において、金属化合物としては、気
相成長炭素繊維の生成を開始するものとして知られたも
のを限定なしに使用することができる。特に、金属とし
ては、鉄、コバルト、ニッケルが好適であり、またそれ
らのペンタジエニル化合物、カルボニル化合物がガス化
し易いという点で好ましい。

【００１８】また、キャリアガスとしては、水素もしく
は水素と不活性ガスとの混合物を使用することができる
。繊維を生成する横型炉では、チオフェン、硫化水素等
の硫黄化合物の含有が好ましい。

【００１９】さらに、原料ガスとしては、メタン、エタ
ン、エチレン、アセチレン、天然ガス等の脂肪族炭化水
素、ベンゼン、トルエン、ナフタレン等の芳香族炭化水
素、一酸化炭素等を使用することができる。

【００２０】

【実施例】次に、本発明に係る気相成長炭素繊維の製造
装置の実施例につき、添付図面を参照しながら以下詳細
に説明する。

【００２１】図１は、本発明に係る気相成長炭素繊維の
製造装置の一実施例を示す概略構成図である。図１にお
いて、参照符号１０は縦型炉、１２は横型炉をそれぞれ
示し、これら縦型炉１０と横型炉１２とは一端部におい
てＬ字形に交差連結されている。前記縦型炉１０と横型
炉１２との外周部にはそれぞれ独立した加熱バレル１４
と１６を配設し、各炉に対して独立して温度条件等を調
整し得るよう構成している。

【００２２】しかるに、炉の構造は、一般的に断面円形
の円筒形とし、炉の内壁は、炉温（１０００〜１３００
℃）に耐え、炭素繊維生成の触媒となる鉄、ニッケル、
コバルトその他の遷移金属を含有しない石英ガラス、セ
ラミックス、金属を使用する。また、炉の長さは、製造
条件によって異なるが、通常縦型炉１０の長さは、出口
（横型炉１２の入口）で触媒の活性が２割以下にまで低
下する程度の長さに設定すれば好適である。

【００２３】そして、横型炉１２の内部には、縦型炉１
０との結合部から他端部に延在する無端コンベヤ等の搬
送手段１８を設ける。この場合、搬送手段１８としての
コンベヤの構造は、前記炉の内壁と同様に、炉温（１０
００〜１３００℃）に耐え、炭素繊維生成の触媒となる
鉄、ニッケル、コバルトその他の遷移金属を含有しない
石英ガラス、セラミックス、金属を使用することができ
る。例えば、セラミックの板をセラミックチェーンで連
結したベルトコンベヤとして構成し、図示のように炉の
内部で回動させてもよいが、あるいは他端部において炉
の外へ出て、炉の外側を戻るように構成することもでき
る（図３参照）。

【００２４】しかるに、炉の内部でコンベヤを回動させ
る場合には、炉内に設置されるローラやベアリング等の
材質についても触媒となる金属成分を含まず耐熱性に優
れたものである必要がある。しかし、環路が炉外となる
場合、キャリアガスとして水素が使用される際には、炉
の出入口から炉内に空気が入り込まないように不活性ガ
スカーテンを設けたり、戻りコンベヤに対しても水素気
流中にシールする等の手段が必要である。

【００２５】前記搬送手段１８を設けた横型炉１２の他
端部には、その下方に開口２０を設けて、その下部に搬
送手段１８から落下する炭素繊維を回収するための繊維
取出し手段２２を設置する。そして、この繊維取出し手
段２２には、炉内部に導入されたガスを排出するための
ガス排出手段２４が設けられる。なお、このガス排出手
段２４は、必ずしも繊維取出し手段２２に併設する必要
はなく、例えば繊維取出し手段２２が設けられる搬送手
段１８の開口２０の近傍に設けることも可能である。ま
た、搬送手段１８のコンベヤの戻りを炉の外部に設定す
るものにおいては、コンベヤの出口部分が繊維取出し手
段およびガス排出手段を構成することになる。

【００２６】前記構成からなる炉の構成体において、縦
型炉１０の上部に炭素繊維生成に必要な成分を供給する
ための第１の注入手段２６が設けられる。そこで、この
注入手段２６には、例えば触媒としての金属化合物のガ
スをキャリアガスと混合した後与熱器で完全に気化させ
、得られた混合ガスを縦型炉１０に送り込むよう構成す
る。また、この場合、注入手段２６の注入口１個当りの
縦型炉の断面積は広い方が好ましく、注入口の数は多い
方が炉壁面積が相対的に小さくなり、金属粒子の付着が
少なくなるので好ましい。

【００２７】また、横型炉１２の縦型炉１０と結合する
一端部には、第２の注入手段２８を設け、その注入口か
ら原料ガスを注入するよう構成する。この場合、注入手
段２８としての注入口は複数設けてもよい。なお、ガス
の注入に際しては、原料の分解温度を越えない範囲で予
め予熱しておけば、炉内の温度ムラを大きく生じないの
で有効である。

【００２８】このように構成した本発明に係る気相成長
炭素繊維の製造装置は、予め加熱バレル１４，１６を作
動させて、縦型炉１０および横型炉１２をそれぞれ所要
の温度条件に調整しておき、次いで縦型炉１０の上部に
設けた第１の注入手段２６から、炭素繊維を生成する触
媒の原料である金属化合物と、金属化合物が分解して生
成する金属微粒子の表面酸化を防止するキャリアガスを
縦型炉内に供給する。この結果、縦型炉１０内で表面が
活性な金属微粒子が生成し、これら金属微粒子は横型炉
１２内に設けた搬送手段１８にら落下し、基板にシーデ
ィングされる。

【００２９】ここで、前記第２の注入手段２８から原料
ガスが注入されて、炭素繊維は繊維取出し手段２２まで
成長を続けながら搬送される。繊維取出し手段２２の位
置においては、搬送された炭素繊維は全て自動的に繊維
取出し手段２２へ回収される。

【００３０】このようにして、本発明装置によれば、略
均一な径を有する繊維が、連続的にしかも炉の内壁に付
着することなく、円滑に生成し、成長し、そして回収す
ることができる。

【００３１】図２は、本発明に係る気相成長炭素繊維の
製造装置の別の実施例を示す概略構成図である。なお、
説明の便宜上、図１に示す装置と同一の構成部分につい
ては同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する
。

【００３２】図２に示す装置は、横型炉１２内に設ける
搬送手段１８の別の実施例を示すもので、図１に示す実
施例のように触媒金属成分を含有しないチェーンが使用
できない場合に、独立したセラミックス等〔すなわち、
炉温（１０００〜１３００℃）に耐え、炭素繊維生成の
触媒となる鉄、ニッケル、コバルトその他の遷移金属を
含有しない石英ガラス、金属等〕からなる基板１９を並
べて、この基板１９を横型炉１２の一端部に設けた基板
供給手段３０より順次供給すると共に、プッシャ等の押
出し手段３２で１枚づつ横型炉１２の他端部側へ押出し
移送し、横型炉１２の他端部側において押出された基板
１９を順次基板取出し手段を兼ねる繊維取出し手段２２
へ移送し、そこで繊維の回収を行うように構成すれば、
繊維の回収を円滑に達成することができる。

【００３３】この場合、基板供給手段３０においては、
横型炉１２と遮断し得る隔室を形成し、この隔室を前記
炉１２と連通させて隔室内に予め配置した基板１９を押
出し手段３２で炉１２内へ押出し、その後、隔室を遮断
して室内を不活性ガスもしくはキャリアガスで置換して
、上方の供給口より基板１９を導入し、これを隔室内に
配置し、前述した動作を繰り返すよう構成する。

【００３４】また、本実施例において、第２の注入手段
２８は、横型炉１２の縦型炉１０との結合部の近傍であ
れば有効であり、例えば図２に示す位置に設けることも
できる。

【００３５】以上、本発明装置の好適な実施例について
説明したが、本発明は前記実施例に限定されることなく
、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計
変更をなし得ることは勿論である。

【００３６】例えば、搬送手段１８としてのコンベヤを
多孔質とし、縦型炉１０の下部のコンベヤの下側にガス
吸引孔を設けることにより、第１の注入手段２６から注
入されて縦型炉１０を通過したガスを完全に排気して、
炭素繊維生成の触媒である有機遷移金属化合物の濃度を
横型炉１２内で実質的に０とすることにより、横型炉内
で浮遊状態での繊維の発生を防ぐことができる。すなわ
ち、コンベヤが横型炉１２を移動中に、浮遊状態で炭素
繊維が生成されると製品にムラを生じる原因になるが、
これを防止することができる。

【００３７】また、横型炉１２内での流れを乱したり、
搬送手段１８を振動させたりすることにより、搬送手段
１８上で生じる炭素繊維の成長ムラを防止することがで
きる。

【００３８】さらに、必要により搬送手段１８の出入口
等に、例えば図３に示すように、金属ワイヤブラシ等の
掻落し手段３８を設けて、表面の剥離清掃を行うことに
より、搬送手段１８に付着した炭素繊維が繰り返し横型
炉１２内を通過して太い径の炭素繊維に成長するのを防
止することができる。

【００３９】炉内部は、空気の侵入を防ぐために、内部
圧力を大気圧よりやや高めに設定することが好ましい。 また、キャリアガスとして水素等の可燃性ガスを用いる
ときは、例えば図３に示すように、搬送手段１８として
のコンベヤの出入口３４，３４にそれぞれガス排出口３
６，３６を設けて、これらガス排出口でガスを燃焼させ
ることにより、前記出入口３４，３４のガス排出口３６
，３６近傍に空気と水素の比重差による界面Ｐが形成さ
れて、空気が炉内に入り込まないように構成することが
できる。

【００４０】

【発明の効果】前述した実施例から明らかなように、本
発明によれば、炭素繊維の生成すなわち金属微粒子の生
成工程と繊維の成長工程とをそれぞれ独立に条件設定し
、しかも基板を連続的に移送するよう構成することによ
り、使用する触媒、原料、キャリアガスに応じて、温度
、濃度、炉内滞在時間等を自由に選ぶことができ、これ
により操業性の改善と共に品質の安定した炭素繊維の連
続的な生産を可能とし、炭素繊維の生産性の向上に寄与
する効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る気相成長炭素繊維の製造装置の一
実施例を示す概略断面図。

【図２】本発明装置の別の実施例を示す概略断面図。

【図３】本発明装置の変形例を示す要部概略断面図。

【符号の説明】

１０　　縦型炉　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　１２　　横型炉 １４　　加熱バレル　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　１６　　加熱バレル １８　　搬送手段　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　１９　　基板２０　　開口　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　２２　　繊維取出し手段 ２４　　ガス排出手段　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　２６　　第１の注入手段 ２８　　第２の注入手段　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　３０　　基板供給手段 ３２　　押出し手段　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　３４　　出入口 ３６　　ガス排出口　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　３８　　掻落し手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｌ字形に交差連結する縦型炉と横型炉
   とを備えた炉の構成とし、前記縦型炉の上部に金属化合
   物のガスとキャリアガスを供給するための第１の注入手
   段を設け、前記横型炉には炭素繊維生成のための原料ガ
   スを供給するための第２の注入手段を設け、前記横型炉
   の内部に前記縦型炉との連結部より他端部へ生成された
   炭素繊維を移送するための搬送手段を設け、さらに前記
   縦型炉と横型炉との連結部に基板供給手段を設けると共
   に前記横型炉の他端部に基板取出し手段とガス排出手段
   とを設け、前記炉内への雰囲気ガスの侵入を防止する機
   能を有するよう構成することを特徴とする気相成長炭素
   繊維の製造装置。
2. 【請求項２】　　縦型炉と横型炉とは、それぞれ炉の温
   度を独立に制御可能に構成してなる請求項１記載の気相
   成長炭素繊維の製造装置。
3. 【請求項３】　　縦型炉を通過したガスを炉外に排除す
   る手段を設けてなる請求項１記載の気相成長炭素繊維の
   製造装置。
4. 【請求項４】　　搬送手段は、基板の炉内滞在時間を可
   変に設定し得るよう構成してなる請求項１記載の気相成
   長炭素繊維の製造装置。