JPH05222618A - 気相成長微細繊維の太さ成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 気相成長法による微細繊維の製造を行う装置
であって、繊維生成炉と独立させて、生成繊維を載せた
基板を、原料ガスとキャリアガス雰囲気の加熱炉内を移
動させるようにして、均一で不純物の少ない製品を高生
産性で製造することができる気相成長微細繊維の太さ成
長装置を得る。 【構成】 炉１０の一端部から順次その内部へ炉芯管２
０内を移動し得る基板１８を供給し、炉１０の他端部に
おいて前記基板１８を回収するよう構成し、前記炉１０
の一端部側に設けた供給手段２６より繊維の太さ成長に
必要な成分としての原料ガス、キャリアガス等を供給し
て、前記移動する基板１８の内部において繊維の太さ成
長を達成し、前記炉１０の他端部において順次基板１８
を回収することにより、これら基板１８に堆積した微細
繊維の回収を連続的に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、流動気相法により、
気相成長微細繊維を製造するための生産性の改善された
連続製造装置であって、特に繊維の太さ成長を行うため
の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、炭素化合物と有機金属化合物
とキャリアガスとの混合ガス、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、１０００〜１３００℃
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】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．基板の挿入。 ３．炉の昇温。 ４．炉内の空気を不活性ガスに置換。 ５．キャリアガス置換。 ６．原料ガスの注入。 ７．キャリアガス、原料ガスの注入を停止し、不活性ガ
ス置換。 ８．炉の冷却（必要に応じて）。 ９．繊維の成長した基板の取出し。 10．繊維を基板から掻き取る。

【０００６】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
担持された金属超微粒子は、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。

【０００７】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。

【０００８】一方、流動法では、加熱された炉内に、例
えばフェロセン等の金属化合物、水素を含むキャリアガ
ス、ベンゼン等の炭化水素を注入し、浮遊状態で炭素繊
維を生成させることができるが、この場合、繊維はキャ
リアガスに運ばれて炉を出ていくので、連続生産が可能
となり、基板法に比べて生産性が高い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この流動法で
生産される繊維は、直径が１μｍ以下と細く、また直径
を１μｍ以上にしようとした場合、繊維が炉芯管内に蓄
積して炉芯管を塞ぎ、すすを発生するようになるので、
時々炉の運転を停止して炉芯管内を不活性ガスで置換し
てから炉芯管内を掃除する必要があり、十分な生産性が
得られない難点がある。

【００１０】そこで、本発明の目的は、流動法による気
相成長微細繊維の製造において、炉芯管内での繊維の蓄
積を防止して、微細繊維の太さ成長を効率よく達成して
微細繊維の生産性を向上することができる気相成長微細
繊維の太さ成長装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る気相成長微
細繊維の太さ成長装置は、一端部において炉芯管内を移
動し得る基板を供給する手段を設けると共に他端部に前
記基板の出口を設けた炉を備え、前記炉芯管内に前記基
板をその供給手段から出口へ順次移動させる手段を設
け、炉の一端部側に繊維の太さ成長に必要な成分の供給
手段を設け、さらに前記炉芯管内部を外気から遮断する
手段を設けることを特徴とする。

【００１２】前記の気相成長微細繊維の太さ成長装置に
おいて、炉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。また、炉の中間部にキャリアガスおよび／または
原料ガスの供給手段を１個以上設けることもできる。さ
らに、炉は横型炉として構成することができる。

【００１３】

【作用】本発明に係る気相成長微細繊維の太さ成長装置
によれば、流動法により生成した気相成長微細繊維を基
板上に載せ、太さ成長条件に適した温度に設定し、太さ
成長に必要な原料、キャリアガスの供給手段を設けた炉
内に前記基板を供給することにより、繊維の太さ成長を
容易に行うことができる。

【００１４】繊維の太さは、温度、原料供給量、原料濃
度、基板の炉内滞在時間を調節することにより、適宜制
御することができる。

【００１５】また、炉を長さ方向に複数に分割してそれ
ぞれ複数のヒータブロックを構成し、これら複数のヒー
タブロックの温度を独立に温度調節することにより、繊
維の太さ成長にそれぞれ適した温度設定が可能になり、
繊維の太さの管理を行うことができる。

【００１６】さらに、炉の中間部に原料ガス注入手段お
よび必要によりキャリアガス注入手段を長さ方向に複数
追加することにより、原料のガス濃度もそれぞれ繊維の
太さ成長に合せて設定することができる。

【００１７】なお、繊維の生成と太さ成長とを同一炉ま
たは連続炉で行うと、太さ成長部分に触媒成分のガスが
存在し、その部分でも繊維の生成反応が起り、これによ
り繊維の太さムラ、炉壁に付着した繊維の生成、すすの
混在等が生じる。この場合、炉壁付着繊維を放置すると
すすの生成が増加するため、炉壁付着繊維のクリーニン
グが必要であり、このクリーニングを行うことにより生
産性が低下する。しかるに、本願発明においては、繊維
生成炉と独立した太さ成長炉を設けて、太さ成長部に触
媒成分ガスが入り込まないようにして、繊維の生産性を
向上するものである。

【００１８】

【実施例】次に、本発明に係る気相成長微細繊維の太さ
成長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。

【００１９】図１は、本発明に係る気相成長微細繊維の
太さ成長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１
０の外周部にはそれぞれ独立したヒータ１２と１４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
う構成する。

【００２０】しかるに、炉の構造は、一般的に断面円形
もしくは断面正方形ないしは矩形の筒形とし、炉の内壁
は、炉温（１０００〜１３００℃）に耐え、例えば炭素
繊維等の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。

【００２１】横型炉１０の一端部には、基板供給手段１
６を設けて、例えば炉芯管の内壁全面にほぼ密接して移
動し得る基板１８に、太さ成長させる気相成長微細繊維
を載せたものを順次供給するよう構成する。すなわち、
基板１８は、図２に示すように、断面矩形の炉に適応す
るよう断面溝形にして、炉芯管２０の内壁のほぼ全面に
接し得る相似形状とし、炉芯管２０の内壁面に対し僅か
の隙間を設けて移動可能に構成する。また、基板１８の
材質は、前記炉の内壁と同様に、炉温（１０００〜１３
００℃）に耐え、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、金属を使用した構成とすることができる。
これら基板１８は、これを横型炉１０の内部に並べると
共に横型炉１０の一端部に設けた基板供給手段１６にお
いて、プッシャ等の押出し手段２２により１個づつ横型
炉１０の他端部側へ押出し移送する。そして、横型炉１
０の他端部において押出された基板１８を順次基板取出
し手段２４へ移送し、そこで繊維の回収を行うように構
成する。

【００２２】なお、基板１８は、前述した実施例が好ま
しい態様の１つではあるが、炉内に触媒成分ガスが存在
しないだけでも炉壁への繊維付着はかなり減少するた
め、前記実施例に限定されることなく、単なる板状、上
面を除いた直方型の容器（炉の断面が矩形の場合）、上
面を切欠いた円筒体（炉の断面が円形の場合）、ボート
型等、種々の形状のものが使用可能である。

【００２３】基板供給手段１６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１８を押出し手段２
２で炉１０内へ押出す。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１８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２２により基板１８を炉１０内へ押出すと共に、
既に炉１０内にある基板１８をその１個分だけ基板取出
し手段２４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。

【００２４】前記隔室は開閉シャッタにより外気と十分
に遮断されていることが望ましい。この遮断が不十分で
あると、一方のシャッタを開いた時に隔室内のガスが上
昇気流となって外気へ逃げ、基板取出し手段２４から炉
内に空気が侵入して危険な状態となる。従って、基板取
出し手段２４の取出し口に、基板１８の落下運動量によ
り、あるいは基板１８の落下を検出して自動的に、開閉
する蓋を設けるのも好ましい態様である。

【００２５】なお、太さ成長すべき繊維は、基板１８が
横型炉１０に導入される前（キャリアガス置換前）に、
基板１８上に載置すればよい。また、例えば繊維生成炉
と共通の基板を使用して、繊維生成炉より出くる生成繊
維を載置した基板を、そのまま太さ成長を行う横型炉１
０に導入するように構成してもよい。そこで、繊維生成
炉から出てきた基板を、外気にさらすことなくそのまま
直接に、太さ成長を行う横型炉１０に導入することも可
能であるが、この場合には両炉の炉内ガスの遮断に注意
する必要がある。

【００２６】基板１８は、１個づつ独立して押圧移送
し、横型炉１０の他端部に設けた基板取出し手段２４で
回収し、再び横型炉１０の一端部に設けた基板供給手段
１６へ手作業により戻すようにしてもよいが、これら基
板１８を耐熱セラミックチェーンで一連に接続し、横型
炉１０の他端部において炉の外へ出て、炉の外側より連
続して基板供給手段１６側へ戻るように構成することも
できる（図３参照）。このように、基板１８の還路が炉
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、戻り基板１８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。

【００２７】前記構成からなる炉の構成体において、横
型炉１０の一端部すなわち基板１８を供給する一端部に
繊維の太さ成長に必要な成分を供給するための供給手段
２６が設けられる。そこで、この供給手段２６には、原
料、キャリアガス等の繊維の太さ成長に必要な成分を供
給するよう構成する。また、この場合、供給手段２６の
注入口１個当りの基板１８の断面積は広い方が好まし
く、また生産量を増やすとき、基板１８の断面積を大き
くして、供給手段を増やす方が同じ意味で好ましい。

【００２８】このように構成した本発明に係る気相成長
微細繊維太さ成長装置は、予めヒータ１２，１４を作動
させて、横型炉１０を所要の温度に条件に調整してお
き、次いで横型炉１０の一端部に設けた供給手段２６か
ら、原料ガス、キャリアガス等の繊維の太さ成長に必要
な成分を炉内に供給する。この結果、横型炉１０内の基
板１８の内部おいて、所定の繊維が気相成長によって太
さ成長する。そして、この基板１８の内部で成長した繊
維は基板１８上に堆積して、基板取出し手段２４まで繊
維の太さ成長を続けながら搬送される。このようにし
て、基板取出し手段２４へ搬送された基板１８は、順次
炉外へ取出されてそれぞれ基板１８に堆積された微細繊
維の回収が行われる。

【００２９】また、横型炉１０のほぼ中間部にみ、供給
手段２８を設け、その注入口から必要に応じて、原料ガ
ス、キャリアガス等の繊維の太さ成長に必要な成分を注
入するよう構成する。このように、原料ガスを補給し
て、炉内を高濃度に設定し、それぞれ独立に調整し得る
ヒータの機能と相俟って、繊維の太さ成長の最適条件を
設定することができる。このように、横型炉１０の長さ
方向に多数の供給手段を設けることにより、原料ガスの
消費分を補い、原料ガスの濃度を一定に保つのは好まし
い態様である。炉幅が広くて、幅方向の原料ガス濃度の
ムラの惧れのある時は、幅方向に複数の供給手段を設け
てもよい。原料ガスとキャリアガスを別の注入口より供
給してもよいが、同じ注入口を用いる方がすすの発生を
防止する点から好ましい。さらに、注入ガスは、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。このように
して、本発明装置によれば、ほぼ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
に太さ成長し、そして回収することができる。

【００３０】なお、本発明装置において、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、基板取出し手段２
４を形成する通路の一部にガス排出口３０を設けて、こ
のガス排出口３０でガスを燃焼させることにより、前記
通路のガス排出口３０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。なお、図３に示す実施例におい
ても、前記と同様にして、基板１８の供給側の通路の一
部にもガス排出口３０を設けて、このガス排出口３０で
ガスを燃焼させることにより、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。

【００３１】本発明装置において、例えば気相成長炭素
繊維を製造する場合、一般に炭素生成（carburizing ）
傾向の低い条件では繊維の長さ方向の成長が主として起
り、炭素生成傾向の高い雰囲気条件では繊維表面での炭
素の沈着が激しくなって太さの成長が速くなり、長さの
成長端である金属微粒子も炭素で覆われて長さ方向の成
長は停止する。故に、本発明装置を使用すれば、炉の前
半部においては比較的低温に、気相中の原料濃度を低め
に、水素濃度を高めに設定して、金属微粒子を長時間寿
命を伸ばして長さ成長の効率を高め、一方炉の後半部で
は、逆に温度を高めに、原料濃度も高めに、水素濃度を
低めに（但し、いずれもすすを発生しない範囲で）設定
して、太さの成長の効率を高めて、総合的な生産性を上
げかつ製品のばらつきを抑えることができる。

【００３２】また、本発明装置においては、繊維の太さ
成長は流動法によるものであり、基板１８上に堆積して
いるだけであって基板から生成したものではない。従っ
て、繊維を簡単に基板１８から回収することができる。

【００３３】以上、本発明の好適な実施例について説明
したが、本発明はこれ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。例えば、ベンゼン等の炭化水素に代えて有機硅素
化合物を使用した炭素と硅素からなる微細繊維、有機硫
黄化合物や一酸化炭素を使用した炭素繊維にも応用可能
である。さらに、供給手段２６および／または供給手段
２８に用いるキャリアガスおよび／または原料に、硫化
水素、チオフェン等の硫黄化合物を使用することもでき
る。

【００３４】

【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、炉芯管の内部を移動し得る基板を設け
て、これを順次移動させつつその内部に微細繊維を太さ
成長させてこれを堆積保持することにより、内壁への繊
維付着を殆ど生じさせることなく、また炉内に蓄積させ
ることもなく、長時間に亘って連続運転を行うことがで
きる。しかも、本発明装置は、繊維の太さ成長工程を独
立して行うことから、太さ成長条件の変更を行うことが
でき、それぞれ使用する原料、キャリアガスに応じて、
温度、濃度、滞在時間等を自由に選ぶことにより、繊維
の直径を自由に設定することができる。また、太さ成長
した繊維は連続して回収することができると共に長時間
連続運転することができ、この結果高い生産性を得るこ
とができる。従って、本発明装置によれば、気相成長微
細繊維の製造に際して、例えば粒状炭素の生成の少ない
条件を選ぶことができ、製品の品質の向上並びに安定性
に寄与する効果も極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る気相成長微細繊維の太さ成長装置
の一実施例を示す概略断面図である。

【図２】図１に示す炉のＡ−Ａ線要部断面図である。

【図３】本発明装置の変形例を示す要部概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ 横型炉 １２ ヒー
タ １４ ヒータ １６ 基板
供給手段 １８ 基板 ２０ 炉芯
管 ２２ 押出し手段 ２４ 基板
取出し手段 ２６ 供給手段 ２８ 供給
手段 ３０ ガス排出口

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端部において炉芯管内を移動し得る基
   板を供給する手段を設けると共に他端部に前記基板の出
   口を設けた炉を備え、前記炉芯管内に前記基板をその供
   給手段から出口へ順次移動させる手段を設け、炉の一端
   部側に繊維の太さ成長に必要な成分の供給手段を設け、
   さらに前記炉芯管内部を外気から遮断する手段を設ける
   ことを特徴とする気相成長微細繊維の太さ成長装置。
2. 【請求項２】 炉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１記載の気相成長微細繊維の太さ成長装置。
3. 【請求項３】 炉の中間部にキャリアガスおよび／また
   は原料ガスの供給手段を１個以上設けてなる請求項１記
   載の気相成長微細繊維の太さ成長装置。
4. 【請求項４】 炉が横型炉である請求項１記載の気相成
   長微細繊維の太さ成長装置。