JPH04272229A - 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、金属粒子を担持した
基板を横型炉内に連続的に供給し、そこで原料ガスを分
解して基板に担持された金属粒子に炭素繊維を生成しか
つ成長させつつ炉内を搬送してこれを連続的に回収する
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、■有機遷移金属化合物のガスとキャリア
ガス、■炭素化合物のガスと有機遷移金属化合物のガス
とキャリアガス、■前記いずれかに硫黄含有化合物のガ
スを加えたもの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、１０００〜１３００℃
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、予めシーディングした
基板を順次連続的に炉内に供給し、この基板を移動させ
つつ繊維の生成と成長とを行ってこれを連続的に回収す
ることにより、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、一端部に金属粒子を担持させた基
板を供給する手段を設けると共に他端部に繊維が成長し
た前記基板を取り出す手段を設けた横型炉を備え、前記
横型炉内における基板を順次移動させる手段を設け、横
型炉の一端部側にキャリアガスと原料ガスの注入手段を
設け、横型炉の他端部側にガス排出手段を設け、さらに
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、横型炉は、金属粒子を担持させた基板を供給する一
端部側に金属粒子を還元するためのキャリアガスを導入
する還元層を形成し、次いで繊維生成を行うための原料
ガスを導入する繊維生成層を形成することができる。

【００１２】また、横型炉の一端部に金属粒子を担持さ
せた基板を順次炉内へ送り出すための密閉可能な隔室を
備えた基板供給手段を設け、前記隔室にキャリアガスを
導入しかつ排出する手段を設けることができる。

【００１３】さらに、炉内へ導入する基板を無端ベルト
状に形成して連続的に供給するよう構成することもでき
る。

【００１４】この場合、炭素繊維を生成させる横型炉の
前段に、基板の表面に金属粒子を担持させるための金属
化合物ガスとキャリアガスまたは金属粒子の懸濁液を導
入するよう構成した第２の横型炉を設けることができる
。

【００１５】さらにまた、横型炉の繊維生成層を長さ方
向に複数に分割し、これら分割された各部の炉の温度を
独立に制御可能に構成することができると共に、この場
合、分割された横型炉の各部に原料ガスおよび必要に応
じてキャリアガスの供給を行う注入手段を設けることが
できる。

【００１６】

【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、金属粒子を担持させた基板を順次横型炉内を移動
させつつ炭素繊維を成長させることができる。

【００１７】すなわち、本発明の製造装置によれば、基
板を連続的に炉に供給し、この基板に連続的に炭素繊維
を成長させ、そして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、これにより炭素繊維の生産性が
非常に高められる。

【００１８】また基板法であるため、得られる繊維が長
く、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（ｃｍ）オーダの
長さの炭素繊維が得られる。

【００１９】本発明において、金属粒子としては、気相
成長炭素繊維の生成を開始する種として知られたものを
広く使用することができる。特に、直径１００オグスト
ローム以下の鉄、コバルト、ニッケル等が好適である。

【００２０】また、基板としては、セラミック、黒鉛、
ガラス等の板など公知のものを使用することができる。 なお、板はそれぞれ独立して炉の一端部より押圧手段等
により順次押圧されて炉内を移動するように構成したり
、あるいは互いに耐熱材料からなる鎖で連結して移動す
るように構成してもよい。

【００２１】一方、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
。また、少量の硫黄化合物の含有が好ましい。

【００２２】そして、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。

【００２３】

【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。

【００２４】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は横型炉を示し、この横型炉１０の
外周部には加熱バレル１２が設けられ、炉の温度条件等
を適宜調整し得るよう構成されている。

【００２５】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。なお、炉の長さは、製造
条件によって異なる。

【００２６】横型炉１０の一端部には、基板供給手段１
４を設けて、前記炉内へ金属粒子を担持させた基板１６
を順次供給するよう構成する。すなわち、基板１６は、
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〕からなり、これら基板１６を並べて、こ
れを横型炉１０の一端部に設けた基板供給手段１４にお
いて、プッシャ等の押出し手段１８により１枚づつ横型
炉１０の他端部側へ押出し移送する。そして、横型炉１
０の他端部側において押出された基板１６を順次基板取
出し手段２０へ移送し、そこで繊維の回収を行うように
構成する。

【００２７】この場合、基板供給手段１４においては、
横型炉１０と遮断し得る隔室を形成し、この隔室を前記
炉１０と連通させて隔室内に予め配置した基板１６を押
出し手段１８で炉１０内へ押出すよう構成する。すなわ
ち、隔室を炉１０と遮断した状態において、上方の供給
口より基板１６を導入し、次いでこの隔室内を不活性ガ
スもしくはキャリアガスで置換し、その後隔室を前記炉
１０と連通させて押出し手段１８により基板１６を炉１
０内へ押出すと共に、既に炉１０内にある基板１６をそ
の１個分だけ基板取出し手段２０側に移動させる。以下
、同様の動作を繰り返すよう構成する。

【００２８】前記構成からなる炉の構成体において、横
型炉１０の一端部すなわち金属粒子を担持させた基板１
６を供給する一端部に金属粒子を還元するためのキャリ
アガスを供給する第１の注入手段２２を設ける。そして
、この第１の注入手段２２より若干離間して炭素繊維生
成に必要な成分としての原料ガスを供給するための第２
の注入手段２４を設ける。従って、炉の内部において、
前記第１の注入手段２２から第２の注入手段２４までの
間は、基板に担持された金属粒子を還元する還元層が形
成され、次いで前記第２の注入手段２４以降は繊維生成
を行うための繊維生成層が形成される。なお、各注入手
段２２、２４において、注入するガスは与熱器で完全に
気化させて炉内へ送り込むよう構成する。

【００２９】なお、キャリアガスの注入手段２２と原料
ガスの注入手段２４を分離することは、必須要件ではな
く、両者の混合物を一つの注入手段から供給しても本発
明の利益を充分得ることができるが、このように炉内を
還元層と繊維生成層に分離する方が、工程が安定し、経
時的に製品の形状、収量等の変動が減少する。

【００３０】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１２を作動させ
て、横型炉１０をそれぞれ所要の温度条件、例えば６０
０〜１３００℃の範囲内の温度に調整しておく。なお、
炉芯管の材質によっては、昇温前に炉内を不活性ガスで
置換しておく必要がある。そして、昇温が終了すれば、
まず不活性ガス、次いでキャリアガスで炉内を置換する
。その後、基板供給手段１４により、横型炉１０の一端
部より金属粒子が担持された基板１６を順次連続的に供
給する。

【００３１】なお、基板１６に対する金属粒子の担持方
法としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル等の金属粒
子をアルコール、ベンゼン等に懸濁させて、これを基板
に噴霧して乾燥させる等の公知の方法を使用することが
できる。

【００３２】炉内に供給された基板１６は、先ず第１の
注入手段２２から供給されるキャリアガスにより、基板
１６に担持された金属粒子の還元作用が行われる。次い
で、第２の注入手段２４から原料ガスが供給される位置
に到達すると、基板１６上の金属粒子に炭素繊維が生成
し、基板１６が基板取出し手段２０の位置まで到達する
間に炭素繊維の成長が行われる。

【００３３】ここで、基板取出し手段２０の位置におい
ては、基板１６と共に搬送された炭素繊維は全て自動的
に基板取出し手段２０から炉外に取出される。必要によ
り、基板取出し手段２０の外側に冷却手段を設け、繊維
および基板を冷却してから取出してもよい。なお、この
基板取出し手段２０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が設けられる。なお、このガ
ス排出手段は、必ずしも基板取出し手段２０に併設する
必要はなく、例えば基板取出し手段２０の通路の一部に
設けることも可能である。

【００３４】また、炉の内部は、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。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。なお、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、基
板取出し手段２０の出入口２６にガス排出口２８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２６のガス排出口２８の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。この場合、炎の大
きさにより、基板取出し手段２０から炉内への空気の侵
入等を検出することができる。

【００３５】また、本実施例においては、横型炉１０の
第２の抽出手段２４以降に形成される繊維生成層におい
て、炉を長さ方向に複数に分割し、分割された各部の炉
の温度を独立に制御するように構成し、しかもこれら分
割された炉の各部に原料ガスおよび必要に応じてキャリ
アガスを供給する注入手段を設けることにより、ティベ
ッツ他（Ｔｉｂｂｅｔｓ　　ｅｔ　　ａｌ．・米国特許
第４，５６５，６８４号）の行った繊維の長さ成長と太
さ成長の最適条件をそれぞれ設定して、アスペクト比を
コントロールする方法の操業性を改善することができる
。 すなわち、例えば図１に破線で示すように、横型炉１０
の第２の注入手段２４以降に形成される繊維生成層を２
つに分割して第３の注入手段２５を設け、分割された炉
の各部の温度を独立に制御し、第２の注入手段２４から
供給する原料ガス等によって繊維の長さ成長を行い、ま
た第３の注入手段２５から供給する原料ガス等によって
繊維の太さ成長を行うように設定することができる。

【００３６】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。

【００３７】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
。

【００３８】図２に示す装置は、横型炉１０内に供給す
る基板を移動するための手段の別の実施例を示すもので
、横型炉１０の内部に、その一端部から他端部に延在す
る無端ベルト状基板３０として構成したものである。 この場合、無端ベルト状基板３０は、前記炉の内壁と同
様に、炉温（１０００〜１３００℃）に耐え、炭素繊維
生成の触媒となる鉄、ニッケル、コバルト等の遷移金属
を含まない石英ガラス、セラミックス、金属からなるチ
ェーンまたは連結具で基板を連結させて構成することが
できる。そして、移動手段としての駆動ロールにより、
例えば図示のように横型炉１０の他端部において炉の外
へ出て、炉の外側を経て戻るように構成する。この場合
、ベルト状基板が炉外を走行中に、該基板に対しシーデ
ィングを行う。

【００３９】このように、無端ベルト状基板３０の環路
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、戻りベルト状基板
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。なお、炉の内部は、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、無端ベルト状基板３０の出入口３２，３２にそ
れぞれガス排出口３４，３４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３２，３
２のガス排出口３４，３４の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】また、本実施例においては、無端ベルト状
基板３０の出入口等に、例えば金属ワイヤブラシ等の掻
落し手段３６を設けて、表面の剥離清掃を行うことによ
り、無端ベルト状基板３０に付着した炭素繊維が繰り返
し横型炉１０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。

【００４１】さらに、本実施例においては、無端ベルト
状基板３０が炉の外側を経て戻る搬送路の途中に、第２
の横型炉３８を設けて、この炉３８内を無端ベルト状基
板３０が通過するよう構成すると共に、この炉内に第４
の注入手段４０を設けて、この注入手段４０から金属化
合物のガスとキャリアガスとの混合ガスまたは金属微粒
子の懸濁液を供給するよう構成する。そして、第２の横
型炉３８の温度は、前者では金属化合物の分解温度以上
に、後者では懸濁媒体の沸点以上にそれぞれ保つ。これ
により、前記炉内において、基板の表面に金属粒子を連
続的に担持させることができ、炭素繊維のより一層の生
産性向上を期することができる。

【００４２】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。

【００４３】

【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、基板を連続的に移送するよう構成するこ
とにより、炭素繊維の生成工程と繊維の成長工程とを連
続的に達成し、しかも使用する触媒、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。

【符号の説明】

１０　　横型炉　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　１２　　加熱バレル １４　　基板供給手段　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　１６　　基板１８　　押出し手段　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０　　
基板取出し手段 ２２　　第１の注入手段　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　２４　　第２の注入手段 ２５　　第３の注入手段　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　２６　　出入口 ２８　　ガス排出口　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　３０　　無端ベルト状基板 ３２　　出入口　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　３４　　ガス排出口 ３６　　掻落し手段　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　３８　　第２の横型炉 ４０　　第４の注入手段

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一端部において金属粒子を担持させた
   基板を供給する手段を設けると共に他端部において繊維
   が成長した前記基板を取り出す手段を設けた横型炉を備
   え、前記横型炉内における基板を順次移動させる手段を
   設け、横型炉の一端部側にキャリアガスと原料ガスの注
   入手段を設け、横型炉の他端部側にガス排出手段を設け
   、さらに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】　　横型炉は、金属粒子を担持させた基板
   を供給する一端部側に金属粒子を還元するためのキャリ
   アガスを導入する還元層を形成し、次いで繊維生成を行
   うための原料ガスを導入する繊維生成層を形成してなる
   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】　　横型炉の一端部に金属粒子を担持させ
   た基板を順次炉内へ送り出すための密閉可能な隔室を備
   えた基板供給手段を設け、前記隔室にキャリアガスを導
   入しかつ排出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】　　炉内へ導入する基板を無端ベルト状に
   形成して連続的に供給す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。
5. 【請求項５】　　金属粒子を担持させた基板上に炭素繊
   維を生成させる横型炉の前段に、基板の表面に金属粒子
   を担持させるための金属化合物ガスとキャリアガスまた
   は金属粒子の懸濁液を導入するよう構成した第２の横型
   炉を設けてなる請求項１、２または４記載の気相成長炭
   素繊維の製造装置。
6. 【請求項６】　　横型炉の繊維生成層を長さ方向に複数
   に分割し、これら分割された各部の炉の温度を独立に制
   御可能に構成してなる請求項２記載の気相成長炭素繊維
   の製造装置。
7. 【請求項７】　　横型炉の分割された各部に原料ガス等
   の注入手段を設けてなる請求項６記載の気相成長炭素繊
   維の製造装置。