JPH09273059A - 炭素繊維の３次元構造体及びその製造方法 - Google Patents

炭素繊維の３次元構造体及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強靱性、耐摩擦・磨耗性、化学的安定性に優
れるという炭素繊維の特性を生かし、かつ単に原材料と
しての炭素繊維自体では決して得られない適度な弾力
性、圧縮反発性、圧縮耐久性など有する炭素繊維積層構
造体を案出し、もって人間の感性と密接に関連する用途
で使用できる、炭素繊維を主構成材料とする新規素材を
提供する。 【解決手段】 繊維全体に対し５０重量％以上の炭素繊
維を含み、繊維全体の５０〜１００重量％が卷縮繊維で
組成された繊維集合体と、熱硬化性樹脂および／または
熱融着性繊維からなる結着剤とで構成され、前記結着剤
により繊維相互の接触点が結着されて３次元的網目構造
の形成された炭素繊維の３次元構造体であって、嵩密度
が２０〜８０Ｋｇ／ｍ3 、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ
2 としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９であるこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭素繊維を主構成
要素とする３次元構造体に関するものであり、更に詳し
くはクッションや布団等の主構成材料として好適な特性
を有する炭素繊維の３次元構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭素繊維は、軽くて強靱であり、耐熱性
に優れるとともに化学的に安定である。このような優れ
た特性を持つ炭素繊維は、近年では軽量かつ耐久性が要
求される各分野において広範に使用されており、例えば
竹や木材などの天然材料に代えて釣竿やラケットなどの
構造材料として使用されている。また、鉄等の金属材料
に代えて自動車や航空機などの構造材料として使用され
ている。更にはプラスチックやコンクリート材などの強
化材料として使用されている。
【０００３】しかしながら、このような優れた特性を持
つ炭素繊維も、例えば座り心地や寝心地など微妙でソフ
トな反発力が要求されるクッションや布団などの素材と
しては殆ど利用されていない。この理由は、これらの素
材には適度なふくらみや微妙な弾力性などのソフトな感
触が要求されるが、炭素繊維を用いた場合、綿や羊毛或
いはポリエステル繊維など従来より用いられている素材
が与えるソフトな感触が得られず、使用感が悪いという
問題があるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、炭素繊維に
おける上述の問題点を解消するためになされたものであ
って、強靱性、耐摩擦・磨耗性、化学的安定性に優れる
という炭素繊維の特性を生かし、かつ単に原材料として
の炭素繊維自体では決して得られない適度な弾力性、圧
縮反発性、圧縮耐久性など有する炭素繊維積層構造体を
案出し、もって人間の感性と密接に関連する用途で使用
できる、炭素繊維を主構成材料とする新規素材を提供し
ようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、卷
縮繊維を含む、炭素繊維の集合体を特定の結着剤で結合
すると、ソフトで好適な圧縮反発力を有する３次元構造
体が得られることを見い出し本発明を完成させた。
【０００６】即ち、請求項１の発明は、繊維全体に対し
５０重量％以上の炭素繊維を含み、繊維全体の５０〜１
００重量％が卷縮繊維で組成された繊維集合体と、熱硬
化性樹脂および／または熱融着性繊維からなる結着剤と
で構成され、前記結着剤により繊維相互の接触点が結着
されて３次元的網目構造の形成された炭素繊維の３次元
構造体であって、嵩密度が２０〜８０Ｋｇ／ｍ3 、最大
荷重を１００ｇｆ／ｃｍ2 としたときの圧縮硬さＬＣが
０．７〜０．９であることを特徴とする。
【０００７】請求項２の発明は、請求項１記載の炭素繊
維の３次元構造体において、嵩密度が２０〜４０Ｋｇ／
ｍ3 、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ2 としたときの圧縮
硬さＬＣが０．７〜０．８、圧縮回復率ＲＣが６５％以
上、２５％圧縮時応力に対する６５％圧縮時応力の比が
１０以上、８万回圧縮後の残留歪率が５％未満であるこ
とを特徴とする。
【０００８】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
炭素繊維の３次元構造体において、結着剤が熱硬化性の
樹脂を５０重量％以上含むものであり、繊維全体に対す
る前記結着剤の含有量が１０〜４０重量％であることを
特徴とする。
【０００９】請求項４の発明は、請求項１、２、又は３
記載の炭素繊維の３次元構造体において、前記卷縮繊維
の繊維長が、０．１〜１０ｃｍであることを特徴とす
る。請求項５の発明は、請求項１、２、３、又は４記載
の炭素繊維の３次元構造体において、前記卷縮繊維が、
炭素繊維からなるものであることを特徴とする。
【００１０】請求項６の発明は、請求項１、２、３、
４、又は５記載の炭素繊維の３次元構造体において、前
記炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であることを特徴とす
る。
【００１１】請求項７の本発明製造方法は、嵩密度が２
０〜８０Ｋｇ／ｍ3 、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ2 と
したときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９である炭素繊
維の３次元構造体の製造方法であって、繊維全体に対し
５０重量％以上の炭素繊維を含み、繊維全体の５０〜１
００重量％が卷縮繊維で組成された綿状繊維シートの両
面に熱硬化性樹脂液を噴霧しつつ、長手方向にジグザグ
に折り畳み複数層に重ね合わせた後、熱硬化性樹脂を加
熱硬化し、又は綿状繊維シートが熱融着性繊維を含む場
合においては熱融着繊維を熱融着すると共に熱硬化性樹
脂を加熱硬化して、炭素繊維相互及びシート相互間を結
着することを特徴とする。
【００１２】請求項８の本発明製造方法は、請求項７記
載の炭素繊維の３次元構造体の製造方法において、前記
卷縮繊維の繊維長が、０．１〜１０ｃｍであることを特
徴とする。
【００１３】請求項９の本発明製造方法は、請求項７又
は８記載の炭素繊維の３次元構造体の製造方法におい
て、前記卷縮繊維が、炭素繊維であることを特徴とす
る。
【００１４】請求項１０の本発明製造方法は、請求項
７、８、又は９記載の炭素繊維の３次元構造体の製造方
法において、炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であること
を特徴とする。
【００１５】上記構成の３次元構造体は、炭素繊維（他
の繊維も含むことあり）相互の接触点が結合剤で強固に
結着され、炭素繊維の３次元的なネットワークが形成さ
れたものである。したがって、この構造体に外部から圧
力が加わった場合、その圧力は３次元的なネットワーク
を介して構造体全体に拡散し吸収される一方、個々の炭
素繊維のもつ曲げ弾性力（弾性反発力）が３次元的なネ
ットワークを介して集合され、全体として一の圧縮反発
力（即ち上記所定の物性値）を与える。後記するが、こ
の物性値をもつ構造体は、人間にとって心地よいソフト
な圧縮反発力を有するものであり、炭素繊維の単なる集
合体では決して得ることができない。即ち、本発明によ
れば、人間にとって心地よいソフトな圧縮反発力を醸し
だすことのできる新素材が提供できることになる。
【００１６】ここで、上記構造体の諸物性値は次のよう
に定義されるものである。即ち、圧縮硬さＬＣは、無荷
重時の厚みを初期厚みとし、最大荷重１００ｇｆ／ｃｍ
2 まで圧縮するに要するエネルギーを、荷重−歪み曲線
が線形（一直線）に変化した場合に要する仕事エネルギ
ーで割った値である。圧縮回復率ＲＣは、最大荷重１０
０ｇｆ／ｃｍ2 まで圧縮するのに要したエネルギー量
で、圧縮状態から無荷重の状態に戻るまでの回復過程に
おけるエネルギー量を割り、これに１００を掛けた値で
ある。圧縮応力比は、２５％圧縮した時の応力で、６５
％圧縮した時の応力を割った値である。８万回圧縮後の
残留歪率は、元厚の５０％厚まで圧縮した後、復元させ
るというサイクルを８万回繰り返し、８万回後の変位量
を求め、〔変位量／元厚〕×１００から算出した値であ
る。なお、いずれの物性値も、１２５ｍｍ×１２５ｍｍ
角の試料を用いて測定した値である。
【００１７】上記構成において、卷縮繊維は、炭素繊維
からなるものであってもよく、炭素繊維以外の繊維から
なるものであってもよいが、好ましくは炭素繊維からな
る卷縮繊維と他の繊維の併用がよく、より好ましくは炭
素繊維のみからなる卷縮繊維とするのがよい。炭素繊維
以外のものは炭素繊維に比較し耐熱性が劣り、また化学
的安定性などが劣る場合があるからである。
【００１８】繊維全体に対する卷縮繊維の量は、５０重
量％以上であれば充分に３次元的網目構造を形成でき
る。但し、より嵩密度が大きく圧縮反発性の大きい構造
体とするのには卷縮繊維の量を多くするのがよい。卷縮
繊維量が５０重量％未満であると良好な３次元的網目構
造が形成できないので、圧縮反発性が不足することにな
る。
【００１９】また、卷縮繊維の繊維長は、０．１〜１０
ｃｍにするのがよい。卷縮繊維の繊維長が０．１ｃｍ未
満であるとネットワークの足が短すぎるために、嵩密度
が過小になり良好な圧縮反発性が得られない。その一
方、繊維長が１０ｃｍを越えると足が長すぎるために、
繊維相互の接触点が少なくなり、良好な圧縮反発性を与
える３次元的網目構造が形成できなくなる。なお、卷縮
繊維の卷縮率や、卷縮数は特に限定されないが、卷縮率
が１０％以上、卷縮数が１回／ｃｍ以上程度が好まし
い。
【００２０】構造体を組成する繊維全体に対する炭素繊
維量としては、少なくとも５０重量％以上とすればよ
い。５０重量％以上であれば、炭素繊維の曲げ弾性特性
が構造体の圧縮特性を概ね支配し、また不燃性や化学的
安定性等の炭素繊維のもつ好適な特性が支配的になるか
らである。但し、炭素繊維の占める割合が多いほど、炭
素繊維のもつ好適な特性を兼ね備えた３次元構造体とで
きるので、炭素繊維量を多くするのが好ましい。
【００２１】なお、本発明では、各種の炭素繊維が使用
でき、その種類は限定されない。例えばポリアクリロニ
トリル、フェノール樹脂、レーヨンなどの高分子、石油
ピッチ、石炭ピッチなどのピッチを原料とし、炭化また
は黒鉛化された炭素繊維が使用可能であるが、このうち
汎用のピッチ系炭素繊維を使用するのが、強制加熱下で
の発生ガスの毒性や加工性、コストなどの点で好まし
い。
【００２２】結着剤としては、熱硬化性樹脂や熱融着性
繊維が使用でき、それぞれを単独で使用してもよく、ま
た両者を併用してもよい。具体的には結着剤中の熱硬化
性樹脂繊維の割合を５０重量％以上とし、この結着剤を
繊維全体に対して１０〜４０重量％添加するのが好まし
い。そして、より強固なネットワークを形成させるため
に、好ましくは熱硬化性樹脂を繊維全体に対し５〜２０
％使用するのがよい。なお、熱硬化性樹脂の繊維全体に
対する割合を、５重量％未満とすると結着されない繊維
接触点が多くなり、圧縮反発力の弱い粗なネットワーク
とできるので、３次元構造体の使用用途に応じてこの範
囲を選択するのもよい。
【００２３】本発明で使用できる熱硬化性樹脂として
は、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエス
テル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、熱硬化性アクリル
樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミドなどが使用でき
る。このうち好ましくは耐熱性、難燃性の点からフェノ
ール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン樹脂を使
用するのがよく、より好ましくは、強制加熱下での発生
ガスの毒性が少ないことからフェノール樹脂を用いるの
がよい。
【００２４】また、熱融着性繊維としては、ポリエステ
ル繊維、ナイロン繊維が使用でき、好ましくはコストの
面から、ポリエステル繊維を使用するのがよい。
【００２５】更に、結着剤としての上記熱融着性繊維
は、通常、炭素繊維等の他の繊維と共に繊維集合体に配
合されるが、配合に際しては他の繊維と充分に均一に混
ざり合うようにするのがよい。他の繊維との接触点（絡
み合い）が多いほど、加熱融着により良好な繊維３次元
ネットワークが形成できるからである。
【００２６】他方、上記熱硬化性樹脂は、水やアルコー
ル等の溶剤に溶解した状態で繊維集合体に噴霧する方法
で添加するのがよい。溶液状態で噴霧する方法である
と、熱硬化性樹脂が綿状繊維シート全体に均一に行き行
き渡る共に、行き渡った熱硬化性樹脂溶液が表面張力の
作用により繊維相互の接触点付近に集まり、繊維相互の
接触点が効率的かつ強固に結着される。よって、強固な
３次元網目構造を形成できる。このような炭素繊維の３
次元網目構造物では、前記したごとく、外部から圧力が
加わった場合、その圧力は３次元的なネットワークを介
して構造体全体に拡散し吸収される一方、個々の炭素繊
維のもつ曲げ弾性力（弾性反発力）は３次元的なネット
ワークを介して集合され、全体としてソフトな圧縮反発
力を生じる。したがって、炭素繊維の単なる集合体では
決して得ることのできない、人間にとって心地よい圧縮
特性をもった構造体とできる。
【００２７】図１、２および表１に基づいて、本発明構
造体が人間にとって心地よいソフトな圧縮特性を持つこ
とを詳説する。
【００２８】図１、２は本願発明にかかる炭素繊維の３
次元構造体および従来の弾性構造体の圧縮荷重と圧縮変
形量との関係（ヒステリス特性）を示すグラフである。
図１の「本発明Ａ」は、厚さ４０ｍｍ、嵩密度３０Ｋｇ
／ｍ3 の本発明にかかる炭素繊維３次元構造体であり、
「ウレタン」は、厚さ２０ｍｍ、嵩密度４０Ｋｇ／ｍ3
の発泡ウレタン構造体（従来品）である。また、図２の
「本発明Ｂ」は、厚さ３０ｍｍ、嵩密度２４Ｋｇ／ｍ3
の本発明にかかる炭素繊維３次元構造体であり、「ポリ
エステル」は、融点の異なる２種類のポリエステル繊維
を混ぜて熱融着した厚さ３５ｍｍ、嵩密度３４Ｋｇ／ｍ
3 のポリエステル３次元構造体（従来品）である。図
１、２の右上がりの矢印は圧縮荷重を徐々に増加させた
場合を示し、左下がりの矢印は圧縮荷重を徐々に減少さ
せた場合を示す。なお、測定は、荷重面積２ｃｍ2 、最
大荷重１００ｇｆ／ｃｍ2 の条件で行い、図１にはそれ
ぞれ３回の測定結果が示してある。
【００２９】図１、２において、本発明Ａ、Ｂは、圧縮
荷重−圧縮変形量との関係がなだらかな曲線で描かれて
いおり、このことは、変化する荷重に対する沈み込み
（圧縮）や反発応力が連続的かつソフトであることを意
味する。したがって、本発明構造体を用い構成された、
例えば敷布団、マットレス、椅子などではソフトかつ安
定感のある反発応力が得られ、快適な寝心地や座り心地
が得られることになる。これに対し、発泡ウレタン構造
体では、圧縮荷重−圧縮変形量の関係が直線的でかつ急
激なものとなっており、初期圧縮及び終期圧縮（負荷が
小さいとき）に対しては強い抵抗を持ち圧縮変形量が極
めて小さい。その一方、途中（荷重が大きくなった場
合）から急に（不連続に）変化する。したがって、この
ような特性の構造体で構成した敷布団や椅子などでは、
ゴツゴツした感触となり、座り心地の安定感が悪いもの
となる。
【００３０】上述のことは、表１における本発明構造体
Ａ、Ｂと発泡ウレタン構造体との６５％／２５％圧縮応
力比の比較からも明らかになる。即ち、本発明構造体
Ａ、Ｂの６５％／２５％圧縮応力比（それぞれ１２．
９、１１．７）は、発泡ウレタン構造体（２．５）に比
べ顕著に大きい。この比較から、本発明構造体は、安定
した反発弾性を有するものであることが判る。
【００３１】他方、本発明構造体とポリエステル繊維の
３次元構造体との比較から、本発明構造体Ａ、Ｂはポリ
エステル３次元構造体より小さい嵩密度で、同等の圧縮
回復率ＲＣが実現できると共に、より優れた６５％／２
５％圧縮応力比が実現できることが判る（１２．９及び
１１．７に対し後者は８．４）。更に、本発明構造体
Ａ、Ｂの５０％８万回圧縮残留歪率が、それぞれ１．
３、０．９であるのに対し、ポリエステル３次元構造体
のそれは９であり、本発明構造体が顕著に優れている。
このことから、本発明構造体の３次元網目構造は、ポリ
エステル３次元構造体より強靱であることが判る。な
お、本発明構造体のこのような優れた反発弾性特性は、
炭素繊維の曲げ弾性と３次元網目構造の堅固さを反映す
るものとも考えられる。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【００３４】次に本発明構造体の製造方法について説明
する。
【００３５】本発明構造体は、下記方法で作製すること
ができる。即ち、繊維全体に対し５０重量％以上の炭素
繊維を含み、繊維全体の５０〜１００重量％が卷縮繊維
で組成された繊維集合体として綿状繊維シートの両面に
熱硬化性樹脂溶液を噴霧しつつ、シートを長手方向に折
り畳み重ね合わせた後に、熱硬化性樹脂を加熱硬化させ
ることにより、繊維相互の接触点が結着され炭素繊維の
３次元網目構造が形成される。なお、前記繊維集合体に
は、熱融着性繊維を配合するのもよく、熱融着性繊維を
配合した場合には、繊維集合体の積層物を熱融着性繊維
の融点以上に加熱することにより、熱融着性繊維とこれ
に絡み合った炭素繊維等とを結着でき、熱硬化性樹脂と
熱融着性繊維とを併用した場合には、一層強固な３次元
的ネットワークが形成できる。
【００３６】上記において、繊維集合体としての綿状繊
維シートは、卷縮された炭素質繊維などで組成された繊
維を開繊機などの開繊手段により開繊し、カード機など
のカーディング手段によりシート状ウェブを形成するこ
とにより作製できる。このシート状ウェブの繊維の方向
性は特に制限されるものではなく、例えば前記カード機
に代え、繊維を空気流で飛ばし回転する有孔円筒上に析
出させる方法により調製したウェブは、繊維の方向性が
ないランダムなものとなるが、このようなランダムウェ
ブであってもよい。
【００３７】綿状繊維シートの折り畳み回数（積層数）
は、構造体の使用用途を考慮し２層以上において適当に
選択すればよい。例えば、構造体の嵩密度を大きくし、
圧縮反発性、保温性などを高めようとする場合には、積
層数を多くするのがよい。また、繊維集合体としての綿
状繊維シートの厚みは、特に限定されるものではなく、
所望の物性値を持つ３次元構造体を得るのに都合のよい
厚みを製造作業性を勘案して適当に設定すればよい。
【００３８】なお、シート厚みは、一般にはシートの折
り畳み回数や成形後の構成体の厚みや製造作業性などを
考慮して決められるが、嵩密度が大きく、圧縮弾性力や
保温性の良い構造体を得ようとする場合には、薄いシー
トを用いて折り畳み回数を多くするのがよい。折り畳み
回数を多くするほど、熱硬化性樹脂液を繊維全体に均一
に行き渡らせ易いので、繊維接触点の結着が強固且つム
ラなく行えるからである。
【００３９】但し、繊維相互間の接触点が全て強固に結
着された構造体が好ましいとは必ずしもいえない。なぜ
なら、構造体の使用用途によって、要求される圧縮弾性
特性等が異なり、使用用途によっては非結着接触点の存
在する構造体が好ましい場合があるからである。即ち、
結着剤の量を少なくし、または結着剤の噴霧にムラを生
じしめるなどにより、非結着接触点を多くすることが可
能であるが、このような構造体では、外部から負荷が掛
かったとき、先ず非結着接触点部分の繊維が滑動する結
果、負荷が吸収されるので初期圧縮特性の柔らかな構造
体となる。このような圧縮特性が望まれる特殊な用途も
存在する。なお、非結着接触点が多すぎると、使用時に
繊維が移動し易く、繊維の偏在化が生じるので、結着接
触点と非結着接触点のバランスを図るのが好ましい。
【００４０】前記繊維集合体は、卷縮された炭素質繊維
単独で構成してもよいが、他の繊維（卷縮された他の繊
維、非卷縮の炭素質繊維又は非卷縮の非炭素質繊維）と
組み合わせて使用することもできる。他の繊維として
は、不燃性又難燃性の種々の繊維、例えば無機繊維（ガ
ラス繊維；アルミニウムシリケート質繊維、アルミナ質
繊維、炭化ケイ素繊維などのセラミック繊維；アスベス
ト、ロックウールなどの鉱物系繊維；ステンレスなどの
金属繊維；短期炭素繊維と同様な材料を原料とした非卷
縮炭素質繊維など）、有機繊維（ビスコースレーヨン、
キュプラなどのレーヨン繊維、アセテート繊維、熱硬化
性樹脂の繊維（ノボロイド繊維などのフェノール樹脂繊
維）、ナイロン繊維、難燃性ポリエステル繊維、芳香族
ポリアミド繊維（アラミド繊維など）などの高分子繊維
など）が挙げられる。これらの繊維は２種以上を併用し
て使用することもできる。
【００４１】更に図３〜図６に基づいて本発明構造体の
製造方法を具体的に説明する。
【００４２】図５、６は、本発明にかかる炭素繊維の３
次元構造体を作製するための製造装置の例であり、この
うち図５は繊維シートの折り畳み機構を説明するための
概略斜視図（側面図）であり、図６は結合剤の噴霧機構
を説明するための概略斜視図（正面図）である。カード
機などのカーディング手段により紡出された繊維シート
１がコンベア２及び一対のベルト３により連続的に搬送
され、ベルト３ａの上部から垂直型クロスラッパー４内
に導入される。クロスラッパー４では、一対のベルト３
により挟持されながら繊維シート１が上部から下方へ搬
送される。また、繊維シート１の厚み方向に揺動可能な
スイング機構により前記繊維シートは横方向に揺動しな
がら、クロスラッパ４の下部から、昇降可能な載置台又
は前進可能なコンベア６上に供給される。繊維シート１
は、コンベア６上で複数層に折り畳まれ、積層体７が形
成される。
【００４３】スイング機構は、前記繊維シート１の厚み
方向に伸びて配設されたレール５ａと、このレール上を
左右に走行するローラ５ｂを備えている。なお、ローラ
５ｂの走行に伴って、上部のベルト３ａとレール５ａと
の間の距離が変動し、繊維シート１に外力が作用する恐
れがある。したがって、上記装置では、ローラ５ｂの走
行に伴って上部のベルト３ａの傾斜角度を変化させるこ
とにより、前記距離を一定に保ち、繊維シート１に外力
が作用するのを抑制している。
【００４４】前記スイング機構の下部には、繊維シート
１の両側においてそれぞれ繊維シート１の横方向に往復
動可能な噴霧機構が取り付けてあり、繊維シート１に結
合剤を噴霧しながら、シートを長手方向と直交する方向
に折り畳むことができるようになっている。
【００４５】図５、６に示されるように、噴霧機構は、
スイング機構の下部のうち、繊維シート１の幅よりも外
方側の両側部に取り付けられていた保持板１１と、この
保持板１１間に略平行に取り付けられた一対のレール１
２と、各レール１２に沿って移動可能な滑車１３と、こ
れらの滑車１３が取り付けられた取付け板１４と、この
取付け板１４に取付けられた中空アーム１５ａと、この
アーム１５ａの先端部に取り付けられたノズル１５とを
備えている。なお、前記アーム１５ａからの滑車１３の
脱落を防止するとともに、取付け板１４を円滑に移動さ
せるため、各レール１２にはそれぞれ２つの滑車１３が
配置れているとともに、各滑車１３にはレール１２の幅
に対応して形成された環状凹部が形成されている。ま
た、前記アーム１５ａには、熱硬化性樹脂などの結着剤
の溶液を供給するための、伸縮自在なチューブまたはホ
ース１６が接続されている。前記アーム１５ａの先端部
は折曲または湾曲し、ノズル１５は、繊維シート１の面
の方向に向いている。また、ノズル１５は、回動可能な
ヒンジ機構１５ｂにより、噴射角度が可変できるように
なっている。
【００４６】保持板１１のプレート１７の両側部には一
対の歯車１８が回転可能に取り付けられているととも
に、これらの歯車１８間にはチェーン１９が掛渡されて
いる。一方の歯車１８は、プーリ間に掛渡されたベルト
２０を介して、モータ２１により回転駆動される。
【００４７】そして、前記ノズル１５を往復運動させる
ため、取付け板１４はチェーン１９に連結れている。ま
た、プレート１７又は保持板１１のうち前記繊維シート
１の幅に対応する部位には、前記歯車１３の移動を規制
するとともに、滑車の到達を検出するためのストッパ２
２が取り付けてある。ストッパ２２による検出信号は、
モータ２１の回転方向を反転させるための反転信号とし
て利用できる。
【００４８】上述のように動作する機構を備えた装置に
より、本発明にかかる炭素繊維の積層体が生産性よく製
造される。この装置で製造された積層体（長手方向と直
交する方向に折り畳み結着したもの）を、図３に示す。
この積層体の端部を切断し、本発明にかかる炭素繊維の
３次元構造体が作製される。図４に、本発明にかかる構
造体の繊維配向状態を模式的に示した説明図である。上
記装置で製造した本発明構造体は、炭素繊維相互が接触
点で互いに結着され３次元網目構造が堅固に形成された
ものとなる。
【００４９】ところで、上記装置を用いた製造方法にお
いては、卷縮繊維の種類や卷縮率、卷縮数を変化させ、
また綿状シートの組成や、積層体の厚み（積層枚数）、
結着剤の添加量などを調整し、或いは積層体を押圧しな
がら加熱結着するなどの手法により、嵩密度が２０〜８
０Ｋｇ／ｍ3 、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ2 としたと
きの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９の範囲の特性値を有
する炭素繊維の３次元構造体を容易に得ることができ
る。つまり、本発明で規定する範囲内で条件を任意に変
化させることにより、使用用途に合致した好適な物性値
をもった３次元構造体が作製できる。
【００５０】例えば綿状繊維シートの繊維の全てを炭素
繊維からなる卷縮繊維とし、その卷縮率を２０％、卷縮
数を２回／ｃｍ、繊維長を７５ｍｍとし、綿状繊維シー
トに対するフェーノル樹脂量を１０〜２５重量％とした
場合、嵩密度；２０〜４０Ｋｇ／ｍ3 の構造体を得るこ
とができ、この構造体は、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ
2 としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．８、、圧縮
回復率ＲＣが６５％以上、６５％圧縮時応力に対する２
５％圧縮時応力の比が１０以上、８万回圧縮後の残留歪
率が５％未満のものとなる。このような物性値をもつ構
造体は、ソフトな圧縮特性（弾性反発力）を備えるの
で、布団材やクッション材に適する素材となる。
【００５１】また、上記において、綿状繊維シートに対
するフェノール樹脂量を２５〜４０重量％とした場合、
嵩密度が４０〜８０Ｋｇ／ｍ3 のものが得られ、この構
造体は、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ2 としたときの圧
縮硬さＬＣが０．８〜０．９位となる。この構造体は、
上記構造体に比べ圧縮弾性が大きいので、床下クッショ
ン材（カーペットを含む）や、床下の防震・防音材とし
て利用価値が高いものとなる。
【発明の実施の形態】以下、実施例により本発明の実施
の形態を説明する。 （実施例１）渦流法により紡糸された嵩高の卷縮された
ピッチ系汎用炭素繊維（（株）ドナック製、ドナカー
ボ、平均繊維径１３μｍ、平均繊維長７５ｍｍ）を開繊
機およびメタリックカード機（池上機械（株）製、６０
−ＭＤＫ）に順次供給し、平均７ｍｍ厚の綿状繊維シー
トを得た。この繊維シートの嵩密度は５．７Ｋｇ／ｍ3
であった。噴霧形成機（（株）岩本製作所製、垂直型ク
ロスラッパー）を用い、この繊維シートの両側に少量の
フェノール樹脂液を均一に噴霧しながら、繊維シートを
幅１．２ｍで折り畳み、３０層の積層体を形成した。な
お、前記フェノール樹脂液としては、水溶性のフェノー
ル樹脂（住友デュレズ（株）製、スミライトレジン）４
０重量部を水６０重量部に薄めて用いた。
【００５２】次いで、前記積層体を熱風循環式硬化炉に
入れ、厚調整板の間隔を４０ｍｍ、加熱温度を２３０℃
として約３０分間加熱熱硬化した後、端部を切り離して
本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体を作製した。な
お、綿状繊維シート中のフェノール樹脂の含有量は、綿
状繊維シートに対し１５重量％であった。
【００５３】この構造体の諸物性を測定したところ、厚
み４０ｍｍ、嵩密度が３０Ｋｇ／ｍ3 、最大荷重を１０
０ｇｆ／ｃｍ2 としたときの圧縮硬さＬＣが０．７６、
圧縮回復率ＲＣが６７％、２５％圧縮時応力に対する６
５％圧縮時応力の比が１３．６、８万回圧縮後の残留歪
率が１．３％であった。また、この構造体の圧縮荷重−
圧縮変形量曲線は、図１Ａのようであった。この圧縮荷
重−圧縮変形量曲線から、この構造体は、布団材料やク
ッション材料としての好ましい圧縮特性を有するもので
あることが確認できた。
【００５４】（実施例２）平均繊維径１８μｍ、平均繊
維長７５のピッチ系汎用炭素繊維を用いたこと、綿状繊
維シートの厚みを９ｍｍとしたこと、フェーノール樹脂
液の噴霧量を多くしたこと、及び厚み調製板の両側から
押圧を掛けながらの調製板の間隔を２０ｍｍとして加熱
硬化した以外は、実施例１と同様にして本発明にかかる
炭素繊維の３次元構造体を作製した。
【００５５】この構造体の諸物性を測定したところ、厚
み２０ｍｍ、嵩密度が８０Ｋｇ／ｍ3 、最大荷重を１０
０ｇｆ／ｃｍ2 としたときの圧縮硬さＬＣが０．８８、
圧縮回復率ＲＣが６９％、２５％圧縮時応力に対する６
５％圧縮時応力の比が１９．０、８万回圧縮後の残留歪
率が０．８％であった。この構造体は、実施例１の構造
体に比較して嵩密度が大きく、圧縮硬さ並びに６５％／
２５％圧縮応力比が大きいものであるので、床下防震剤
として有用である。
【００５６】（実施例３）平均繊維径１３μｍ、平均繊
維長７５ｍｍのピッチ系汎用炭素繊維７０重量部と熱融
着性ポリエステル繊維３０重量部（ユニチカ（株）製、
メルティ、デニール数４、平均繊維長３８ｍｍ）を用
い、平均厚みを６ｍｍ、密度６．７Ｋｇ／ｍ3 の綿状繊
維シートとなし、この綿状繊維シートに対し、群栄化学
（株）製・レッヂトップを２０重量部と水８０重量部か
らなる熱硬化性樹脂液を噴霧しながら、シートを３０層
に折り畳んだ。その後、この積層体を４０ｃｍの厚み調
整板に挟み、２３０℃・３０分間の加熱処理を行った。
【００５７】このようにして作製した本発明にかかる３
次元構造体は、厚み４０ｍｍ、嵩密度が３０Ｋｇ／
ｍ3 、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ2 としたときの圧縮
硬さＬＣが０．７３、圧縮回復率ＲＣが６７、、２５％
圧縮時応力に対する６５％圧縮時応力の比が１２．９、
８万回圧縮後の残留歪率が２．５％であった。この構造
体は、実施例１と同様に布団、クッション材として有用
である。
【００５８】
【発明の効果】以上から明らかなように、本発明にかか
る炭素繊維の３次元構造体は、炭素繊維が本来的に有し
ている強靱性、耐熱性、化学的安定性、不燃性、無毒性
などの優れた特質を有しており、かつ炭素繊維により３
次元的網目構造が強固に形成されたものであるので、炭
素繊維の単純集合物では決して得られない特性、即ち人
に優しい適度な弾力性、圧縮反発性、圧縮耐久性、通気
性、更には火災等に対する安全性などを兼ね備えてい
る。したがって、本発明によれば、人間の感性と密接に
関連した広範な分野で使用可能な従来にない特性をもっ
た新規な素材を提供でき、これにより炭素繊維の活用分
野を飛躍的に拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体及びウ
ラタン構造体における負荷荷重と圧縮変形量との関係を
示すグラフである。
【図２】本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体、及ポ
リエステル繊維からなる３次元構造体における負荷荷重
と圧縮変形量との関係を示すグラフである。
【図３】本発明製造方法で作製された積層体の概略斜視
図である。
【図４】本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体の繊維
配列状態を模式的に示す説明図である。
【図５】折り畳み機構を説明するための装置概略図（側
面図）である。
【図６】噴霧機構を説明するための装置概略図（正面
図）である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成８年４月１７日
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 炭素繊維の３次元構造体及びその
製造方法
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭素繊維を主構成
要素とする３次元構造体に関するものであり、更に詳し
くはクッションや布団等の主構成材料として好適な特性
を有する炭素繊維の３次元構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭素繊維は、軽くて強靭であり、耐熱性
に優れるとともに化学的に安定である。このような優れ
た特性を持つ炭素繊維は、近年では軽量かつ耐久性が要
求される各分野において広範に使用されており、例えば
竹や木材などの天然材料に代えて釣竿やラケットなどの
構造材料として使用されている。また、鉄等の金属材料
に代えて自動車や航空機などの構造材料として使用され
ている。更にはプラスチックやコンクリート材などの強
化材料として使用されている。
【０００３】しかしながら、このような優れた特性を持
つ炭素繊維も、例えば座り心地や寝心地など微妙でソフ
トな反発力が要求されるクッションや布団などの素材と
しては殆ど利用されていない。この理由は、これらの素
材には適度なふくらみや微妙な弾力性などのソフトな感
触が要求されるが、炭素繊維を用いた場合、綿や羊毛或
いはポリエステル繊維など従来より用いられている素材
が与えるソフトな感触が得られず、使用感が悪いという
問題があるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、炭素繊維に
おける上述の問題点を解消するためになされたものであ
って、強靭性、耐摩擦・磨耗性、化学的安定性に優れる
という炭素繊維の特性を生かし、かつ単に原材料として
の炭素繊維自体では決して得られない適度な弾力性、圧
縮反発性、圧縮耐久性などを有する炭素繊維積層構造体
を案出し、もって人間の感性と密接に関連する用途で使
用できる、炭素繊維を主構成材料とする新規素材を提供
しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を達成するために鋭意研究を重ねた結果、卷縮繊維を含
む、炭素繊維の集合体を特定の結着剤で結合すると、ソ
フトで好適な圧縮反発力を有する３次元構造体が得られ
ることを見い出し本発明を完成させた。
【０００６】即ち、請求項１の発明は、繊維全体に対し
５０重量％以上の炭素繊維を含み、繊維全体の５０〜１
００重量％が卷縮繊維で組成された繊維集合体と、熱硬
化性樹脂および／または熱融着性繊維からなる結着剤と
で構成され、前記結着剤により繊維相互の接触点が結着
されて３次元的網目構造の形成された炭素繊維の３次元
構造体であって、嵩密度が２０〜８０Ｋｇ／ｍ３、最大
荷重を１００ｇｆ／ｃｍ２としたときの圧縮硬さＬＣが
０．７〜０．９であることを特徴とする。
【０００７】請求項２の発明は、請求項１記載の炭素繊
維の３次元構造体において、嵩密度が２０〜４０Ｋｇ／
ｍ３、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ２としたときの圧縮
硬さＬＣが０．７〜０．８、圧縮回復率ＲＣが６５％以
上、２５％圧縮時応力に対する６５％圧縮時応力の比が
１０以上、８万回圧縮後の残留歪率が５％未満であるこ
とを特徴とする。
【０００８】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
炭素繊維の３次元構造体において、結着剤が熱硬化性の
樹脂を５０重量％以上含むものであり、繊維全体に対す
る前記結着剤の含有量が１０〜４０重量％であることを
特徴とする。
【０００９】請求項４の発明は、請求項１、２、又は３
記載の炭素繊維の３次元構造体において、前記卷縮繊維
の繊維長が、０．１〜１０ｃｍであることを特徴とす
る。請求項５の発明は、請求項１、２、３、又は４記載
の炭素繊維の３次元構造体において、前記卷縮繊維が、
炭素繊維からなるものであることを特徴とする。
【００１０】請求項６の発明は、請求項１、２、３、
４、又は５記載の炭素繊維の３次元構造体において、前
記炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であることを特徴とす
る。
【００１１】請求項７の本発明製造方法は、嵩密度が２
０〜８０Ｋｇ／ｍ３、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ２と
したときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９である炭素繊
維の３次元構造体の製造方法であって、繊維全体に対し
５０重量％以上の炭素繊維を含み、繊維全体の５０〜１
００重量％が卷縮繊維で組成された綿状繊維シートの両
面に熱硬化性樹脂液を噴霧しつつ、長手方向にジグザグ
に折り畳み複数層に重ね合わせた後、熱硬化性樹脂を加
熱硬化し、又は綿状繊維シートが熱融着性繊維を含む場
合においては熱融着繊維を熱融着すると共に熱硬化性樹
脂を加熱硬化して、炭素繊維相互及びシート相互間を結
着することを特徴とする。
【００１２】請求項８の本発明製造方法は、請求項７記
載の炭素繊維の３次元構造体の製造方法において、前記
卷縮繊維の繊維長が、０．１〜１０ｃｍであることを特
徴とする。
【００１３】請求項９の本発明製造方法は、請求項７又
は８記載の炭素繊維の３次元構造体の製造方法におい
て、前記卷縮繊維が、炭素繊維であることを特徴とす
る。
【００１４】請求項１０の本発明製造方法は、請求項
７、８、又は９記載の炭素繊維の３次元構造体の製造方
法において、炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であること
を特徴とする。
【００１５】上記構成の３次元構造体は、炭素繊維（他
の繊維も含むことあり）相互の接触点が結合剤で強固に
結着され、炭素繊維の３次元的なネットワークが形成さ
れたものである。したがって、この構造体に外部から圧
力が加わった場合、その圧力は３次元的なネットワーク
を介して構造体全体に拡散し吸収される一方、個々の炭
素繊維のもつ曲げ弾性力（弾性反発力）が３次元的なネ
ットワークを介して集合され、全体として一の圧縮反発
力（即ち上記所定の物性値）を与える。後記するが、こ
の物性値をもつ構造体は、人間にとって心地よいソフト
な圧縮反発力を有するものであり、炭素繊維の単なる集
合体では決して得ることができない。即ち、本発明によ
れば、人間にとって心地よいソフトな圧縮反発力を醸し
だすことのできる新素材が提供できることになる。
【００１６】ここで、上記構造体の諸物性値は次のよう
に定義されるものである。即ち、圧縮硬さＬＣは、無荷
重時の厚みを初期厚みとし、最大荷重１００ｇｆ／ｃｍ
２まで圧縮するのに要するエネルギーを、荷重−歪み曲
線が線形（一直線）に変化した場合に要する仕事エネル
ギーで割った値である。圧縮回復率ＲＣは、最大荷重１
００ｇｆ／ｃｍ２まで圧縮するのに要したエネルギー量
で、圧縮状態から無荷重の状態に戻るまでの回復過程に
おけるエネルギー量を割り、これに１００を掛けた値で
ある。圧縮応力比は、２５％圧縮した時の応力で、６５
％圧縮した時の応力を割った値である。８万回圧縮後の
残留歪率は、元厚の５０％厚まで圧縮した後、復元させ
るというサイクルを８万回繰り返し、８万回後の変位量
を求め、〔変位量／元厚〕×１００から算出した値であ
る。なお、いずれの物性値も、１２５ｍｍ×１２５ｍｍ
角の試料を用いて測定した値である。
【００１７】上記構成において、卷縮繊維は、炭素繊維
からなるものであってもよく、炭素繊維以外の繊維から
なるものであってもよいが、好ましくは炭素繊維からな
る卷縮繊維と他の繊維の併用がよく、より好ましくは炭
素繊維のみからなる卷縮繊維とするのがよい。炭素繊維
以外のものは炭素繊維に比較し耐熱性が劣り、また化学
的安定性などが劣る場合があるからである。
【００１８】繊維全体に対する卷縮繊維の量は、５０重
量％以上であれば充分に３次元的網目構造を形成でき
る。但し、より嵩密度が大きく圧縮反発性の大きい構造
体とするのには卷縮繊維の量を多くするのがよい。卷縮
繊維量が５０重量％未満であると良好な３次元的網目構
造が形成できないので、圧縮反発性が不足することにな
る。
【００１９】また、卷縮繊維の繊維長は、０．１〜１０
ｃｍにするのがよい。卷縮繊維の繊維長が０．１ｃｍ未
満であるとネットワークの足が短すぎるために、嵩密度
が過小になり良好な圧縮反発性が得られない。その一
方、繊維長が１０ｃｍを越えると足が長すぎるために、
繊維相互の接触点が少なくなり、良好な圧縮反発性を与
える３次元的網目構造が形成できなくなる。なお、卷縮
繊維の卷縮率や、卷縮数は特に限定されないが、卷縮率
が平均１０％以上、卷縮数が平均１回／ｃｍ以上が好ま
しい。
【００２０】構造体を組成する繊維全体に対する炭素繊
維量としては、少なくとも５０重量％以上とすればよ
い。５０重量％以上であれば、炭素繊維の曲げ弾性特性
が構造体の圧縮特性を概ね支配し、また不燃性や化学的
安定性等の炭素繊維のもつ好適な特性が支配的になるか
らである。但し、炭素繊維の占める割合が多いほど、炭
素繊維のもつ好適な特性を兼ね備えた３次元構造体とで
きるので、炭素繊維量を多くするのが好ましい。
【００２１】なお、本発明では、各種の炭素繊維が使用
でき、その種類は限定されない。例えばポリアクリロニ
トリル、フェノール樹脂、レーヨンなどの高分子、石油
ピッチ、石炭ピッチなどのピッチを原料とし、炭化また
は黒鉛化された炭素繊維が使用可能であるが、このうち
汎用のピッチ系炭素繊維を使用するのが、強制加熱下で
の発生ガスの毒性や加工性、コストなどの点で好まし
い。
【００２２】結着剤としては、熱硬化性樹脂や熱融着性
繊維が使用でき、それぞれを単独で使用してもよく、ま
た両者を併用してもよい。具体的には結着剤中の熱硬化
性樹脂繊維の割合を５０重量％以上とし、この結着剤を
繊維全体に対して１０〜４０重量％添加するのが好まし
い。そして、より強固なネットワークを形成させるため
に、好ましくは熱硬化性樹脂を繊維全体に対し５〜２０
％使用するのがよい。なお、熱硬化性樹脂の繊維全体に
対する割合を、５重量％未満とすると結着されない繊維
接触点が多くなり、圧縮反発力の弱い粗なネットワーク
とできるので、３次元構造体の使用用途に応じてこの範
囲を選択するのもよい。
【００２３】本発明で使用できる熱硬化性樹脂として
は、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエス
テル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、熱硬化性アクリル
樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミドなどが使用でき
る。このうち好ましくは耐熱性、難燃性の点からフェノ
ール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン樹脂を使
用するのがよく、より好ましくは、強制加熱下での発生
ガスの毒性が少ないことからフェノール樹脂を用いるの
がよい。
【００２４】また、熱融着性繊維としては、ポリエステ
ル繊維、ナイロン繊維が使用でき、好ましくはコストの
面から、ポリエステル繊維を使用するのがよい。
【００２５】更に、結着剤としての上記熱融着性繊維
は、通常、炭素繊維等の他の繊維と共に繊維集合体に配
合されるが、配合に際しては他の繊維と充分に均一に混
ざり合うようにするのがよい。他の繊維との接触点（絡
み合い）が多いほど、加熱融着により良好な繊維３次元
ネットワークが形成できるからである。
【００２６】他方、上記熱硬化性樹脂は、水やアルコー
ル等の溶剤に溶解した状態で繊維集合体に噴霧する方法
で添加するのがよい。溶液状態で噴霧する方法である
と、熱硬化性樹脂が綿状繊維シート全体に均一に行き渡
ると共に、行き渡った熱硬化性樹脂溶液が表面張力の作
用により繊維相互の接触点付近に集まり、繊維相互の接
触点が効率的かつ強固に結着される。よって、強固な３
次元網目構造を形成できる。このような炭素繊維の３次
元網目構造物では、前記したごとく、外部から圧力が加
わった場合、その圧力は３次元的なネットワークを介し
て構造体全体に拡散し吸収される一方、個々の炭素繊維
のもつ曲げ弾性力（弾性反発力）は３次元的なネットワ
ークを介して集合され、全体としてソフトな圧縮反発力
を生じる。したがって、炭素繊維の単なる集合体では決
して得ることのできない、人間にとって心地よい圧縮特
性をもった構造体を得ることができる。
【００２７】図１、２および表１に基づいて、本発明構
造体が人間にとって心地よいソフトな圧縮特性を持つこ
とを詳説する。
【００２８】図１、２は本願発明にかかる炭素繊維の３
次元構造体および従来の弾性構造体の圧縮荷重と圧縮変
形量との関係（ヒステリス特性）を示すグラフである。
図１の「本発明Ａ」は、厚さ４０ｍｍ、嵩密度３０Ｋｇ
／ｍ３の本発明にかかる炭素繊維３次元構造体であり、
「ウレタン」は、厚さ２０ｍｍ、嵩密度４０Ｋｇ／ｍ３
の発泡ウレタン構造体（従来品）である。また、図２の
「本発明Ｂ」は、厚さ３０ｍｍ、嵩密度２４Ｋｇ／ｍ３
の本発明にかかる炭素繊維３次元構造体であり、「ポリ
エステル」は、融点の異なる２種類のポリエステル繊維
を混ぜて熱融着した厚さ３５ｍｍ、嵩密度３４Ｋｇ／ｍ
３のポリエステル３次元構造体（従来品）である。図
１、２の右上がりの矢印は圧縮荷重を徐々に増加させた
場合を示し、左下がりの矢印は圧縮荷重を徐々に減少さ
せた場合を示す。なお、測定は、荷重面積２ｃｍ２、最
大荷重１００ｇｆ／ｃｍ２の条件で行い、図１にはそれ
ぞれ３回の測定結果が示してある。
【００２９】図１、２において、本発明Ａ、Ｂは、圧縮
荷重−圧縮変形量との関係がなだらかな曲線で描かれて
おり、このことは、変化する荷重に対する沈み込み（圧
縮）や反発応力が連続的かつソフトであることを意味す
る。したがって、本発明構造体を用い構成された、例え
ば敷布団、マットレス、椅子などではソフトかつ安定感
のある反発応力が得られ、快適な寝心地や座り心地が得
られることになる。これに対し、発泡ウレタン構造体で
は、圧縮荷重−圧縮変形量の関係が直線的でかつ急激な
ものとなっており、初期圧縮及び終期圧縮（負荷が小さ
いとき）に対しては強い抵抗を持ち圧縮変形量が極めて
小さい。その一方、途中（荷重が大きくなった場合）か
ら急に（不連続に）変化する。したがって、このような
特性の構造体で構成した敷布団や椅子などでは、ゴツゴ
ツした感触となり、座り心地の安定感が悪いものとな
る。
【００３０】上述のことは、表１における本発明構造体
Ａ、Ｂと発泡ウレタン構造体との６５％／２５％圧縮応
力比の比較からも明らかになる。即ち、本発明構造体
Ａ、Ｂの６５％／２５％圧縮応力比（それぞれ１３．
６、１１．７）は、発泡ウレタン構造体（２．５）に比
べ顕著に大きい。この比較から、本発明構造体は、安定
した反発弾性を有するものであることが判る。
【００３１】他方、本発明構造体とポリエステル繊維の
３次元構造体との比較から、本発明構造体Ａ、Ｂはポリ
エステル３次元構造体より小さい嵩密度で、同等の圧縮
回復率ＲＣが実現できると共に、より優れた６５％／２
５％圧縮応力比が実現できることが判る（１３．６及び
１１．７に対し後者は８．４）。更に、本発明構造体
Ａ、Ｂの８万回圧縮残留歪率が、それぞれ１．３、０．
９であるのに対し、ポリエステル３次元構造体のそれは
９であり、本発明構造体が顕著に優れている。このこと
から、本発明構造体の３次元網目構造は、ポリエステル
３次元構造体より強靭であることが判る。なお、本発明
構造体のこのような優れた反発弾性特性は、炭素繊維の
曲げ弾性と３次元網目構造の堅固さを反映するものと考
えられる。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【００３４】次に本発明構造体の製造方法について説明
する。
【００３５】本発明構造体は、下記方法で作製すること
ができる。即ち、繊維全体に対し５０重量％以上の炭素
繊維を含み、繊維全体の５０〜１００重量％が卷縮繊維
で組成された繊維集合体として綿状繊維シートの両面に
熱硬化性樹脂溶液を噴霧しつつ、シートを長手方向に折
り畳み重ね合わせた後に、熱硬化性樹脂を加熱硬化させ
ることにより、繊維相互の接触点が結着され炭素繊維の
３次元網目構造が形成される。なお、前記繊維集合体に
は、熱融着性繊維を配合するのもよく、熱融着性繊維を
配合した場合には、繊維集合体の積層物を熱融着性繊維
の融点以上に加熱することにより、熱融着性繊維とこれ
に絡み合った炭素繊維等とを結着でき、熱硬化性樹脂と
熱融着性繊維とを併用した場合には、一層強固な３次元
的ネットワークが形成できる。
【００３６】上記において、繊維集合体としての綿状繊
維シートは、卷縮された炭素質繊維などで組成された繊
維を開繊機などの開繊手段により開繊し、カード機など
のカーディング手段によりシート状ウェブを形成するこ
とにより作製できる。このシート状ウェブの繊維の方向
性は特に制限されるものではなく、例えば前記カード機
に代え、繊維を空気流で飛ばし回転する有孔円筒上に析
出させる方法により調製したウェブは、繊維の方向性が
ないランダムなものとなるが、このようなランダムウェ
ブであってもよい。
【００３７】綿状繊維シートの折り畳み回数（積層数）
は、構造体の使用用途を考慮し２層以上において適当に
選択すればよい。例えば、構造体の嵩密度を大きくし、
圧縮反発性、保温性などを高めようとする場合には、積
層数を多くするのがよい。また、繊維集合体としての綿
状繊維シートの厚みは、特に限定されるものではなく、
所望の物性値を持つ３次元構造体を得るのに都合のよい
厚みを製造作業性を勘案して適当に設定すればよい。
【００３８】なお、シート厚みは、一般にはシートの折
り畳み回数や成形後の構成体の厚みや製造作業性などを
考慮して決められるが、嵩密度が大きく、圧縮弾性力や
保温性の良い構造体を得ようとする場合には、薄いシー
トを用いて折り畳み回数を多くするのがよい。折り畳み
回数を多くするほど、熱硬化性樹脂液を繊維全体に均一
に行き渡らせ易いので、繊維接触点の結着が強固且つム
ラなく行えるからである。
【００３９】但し、繊維相互間の接触点が全て強固に結
着された構造体が好ましいとは必ずしもいえない。なぜ
なら、構造体の使用用途によって、要求される圧縮弾性
特性等が異なり、使用用途によっては非結着接触点の存
在する構造体が好ましい場合があるからである。即ち、
結着剤の量を少なくし、または結着剤の噴霧にムラを生
じしめるなどにより、非結着接触点を多くすることが可
能であるが、このような構造体では、外部から負荷が掛
かったとき、先ず非結着接触点部分の繊維が滑動する結
果、負荷が吸収されるので初期圧縮特性の柔らかな構造
体となる。このような圧縮特性が望まれる特殊な用途も
存在する。なお、非結着接触点が多すぎると、使用時に
繊維が移動し易く、繊維の偏在化が生じるので、結着接
触点と非結着接触点のバランスを図るのが好ましい。
【００４０】前記繊維集合体は、卷縮された炭素質繊維
単独で構成してもよいが、他の繊維（卷縮された他の繊
維、非卷縮の炭素質繊維又は非卷縮の非炭素質繊維）と
組み合わせて使用することもできる。他の繊維として
は、不燃性又難燃性の種々の繊維、例えば無機繊維（ガ
ラス繊維；アルミニウムシリケート質繊維、アルミナ質
繊維、炭化ケイ素繊維などのセラミック繊維；アスベス
ト、ロックウールなどの鉱物系繊維；ステンレスなどの
金属繊維；前記炭素繊維と同様な材料を原料とした非卷
縮炭素質繊維など）、有機繊維（ビスコースレーヨン、
キュプラなどのレーヨン繊維、アセテート繊維、熱硬化
性樹脂の繊維（ノボロイド繊維などのフェノール樹脂繊
維）、ナイロン繊維、難燃性ポリエステル繊維、芳香族
ポリアミド繊維（アラミド繊維など）などの高分子繊維
など）が挙げられる。これらの繊維は２種以上を併用し
て使用することもできる。
【００４１】更に図３〜図６に基づいて本発明構造体の
製造方法を具体的に説明する。
【００４２】図５、６は、本発明にかかる炭素繊維の３
次元構造体を作製するための製造装置の例であり、この
うち図５は繊維シートの折り畳み機構を説明するための
概略斜視図（側面図）であり、図６は結合剤の噴霧機構
を説明するための概略斜視図（正面図）である。カード
機などのカーディング手段により紡出された繊維シート
１がコンベア２及び一対のベルト３により連続的に搬送
され、ベルト３ａの上部から垂直型クロスラッパー４内
に導入される。クロスラッパー４では、一対のベルト３
により挟持されながら繊維シート１が上部から下方へ搬
送される。また、繊維シート１の厚み方向に揺動可能な
スイング機構により前記繊維シートは横方向に揺動しな
がら、クロスラッパ４の下部から、昇降可能な載置台又
は前進可能なコンベア６上に供給される。繊維シート１
は、コンベア６上で複数層に折り畳まれ、積層体７が形
成される。
【００４３】スイング機構は、前記繊維シート１の厚み
方向に伸びて配設されたレール５ａと、このレール上を
左右に走行するローラ５ｂを備えている。なお、ローラ
５ｂの走行に伴って、上部のベルト３ａとレール５ａと
の間の距離が変動し、繊維シート１に外力が作用する恐
れがある。したがって、上記装置では、ローラ５ｂの走
行に伴って上部のベルト３ａの傾斜角度を変化させるこ
とにより、前記距離を一定に保ち、繊維シート１に外力
が作用するのを抑制している。
【００４４】前記スイング機構の下部には、繊維シート
１の両側においてそれぞれ繊維シート１の横方向に往復
動可能な噴霧機構が取り付けてあり、繊維シート１に結
合剤を噴霧しながら、シートを長手方向と直交する方向
に折り畳むことができるようになっている。
【００４５】図５、６に示されるように、噴霧機構は、
スイング機構の下部のうち、繊維シート１の幅よりも外
方側の両側部に取り付けられていた保持板１１と、この
保持板１１間に略平行に取り付けられた一対のレール１
２と、各レール１２に沿って移動可能な滑車１３と、こ
れらの滑車１３が取り付けられた取付け板１４と、この
取付け板１４に取付けられた中空アーム１５ａと、この
アーム１５ａの先端部に取り付けられたノズル１５とを
備えている。なお、前記アーム１５ａからの滑車１３の
脱落を防止するとともに、取付け板１４を円滑に移動さ
せるため、各レール１２にはそれぞれ２つの滑車１３が
配置されているとともに、各滑車１３にはレール１２の
幅に対応して形成された環状凹部が形成されている。ま
た、前記アーム１５ａには、熱硬化性樹脂などの結着剤
の溶液を供給するための、伸縮自在なチューブまたはホ
ース１６が接続されている。前記アーム１５ａの先端部
は折曲または湾曲し、ノズル１５は、繊維シート１の面
の方向に向いている。また、ノズル１５は、回動可能な
ヒンジ機構１５ｂにより、噴射角度が可変できるように
なっている。
【００４６】保持板１１のプレート１７の両側部には一
対の歯車１８が回転可能に取り付けられているととも
に、これらの歯車１８間にはチェーン１９が掛渡されて
いる。一方の歯車１８は、プーリ間に掛渡されたベルト
２０を介して、モータ２１により回転駆動される。
【００４７】そして、前記ノズル１５を往復運動させる
ため、取付け板１４はチェーン１９に連結されている。
また、プレート１７又は保持板１１のうち前記繊維シー
ト１の幅に対応する部位には、前記歯車１３の移動を規
制するとともに、滑車の到達を検出するためのストッパ
２２が取り付けてある。ストッパ２２による検出信号
は、モータ２１の回転方向を反転させるための反転信号
として利用できる。
【００４８】上述のように動作する機構を備えた装置に
より、本発明にかかる炭素繊維の積層体が生産性よく製
造される。この装置で製造された積層体（長手方向と直
交する方向に折り畳み結着したもの）を、図３に示す。
この積層体の端部を切断し、本発明にかかる炭素繊維の
３次元構造体が作製される。図４に、本発明にかかる構
造体の繊維配向状態を模式的に示した説明図である。上
記装置で製造した本発明構造体は、炭素繊維相互が接触
点で互いに結着され３次元網目構造が堅固に形成された
ものとなる。
【００４９】ところで、上記装置を用いた製造方法にお
いては、卷縮繊維の種類や卷縮率、卷縮数を変化させ、
また綿状シートの組成や、積層体の厚み（積層枚数）、
結着剤の添加量などを調整し、或いは積層体を押圧しな
がら加熱結着するなどの手法により、嵩密度が２０〜８
０Ｋｇ／ｍ３、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ２としたと
きの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９の範囲の特性値を有
する炭素繊維の３次元構造体を容易に得ることができ
る。つまり、本発明で規定する範囲内で条件を任意に変
化させることにより、使用用途に合致した好適な物性値
をもった３次元構造体が作製できる。
【００５０】例えば綿状繊維シートの繊維の全てを炭素
繊維からなる卷縮繊維とし、その卷縮率を２０％、卷縮
数を２回／ｃｍ、繊維長を７５ｍｍとし、綿状繊維シー
トに対するフェーノル樹脂量を１０〜２５重量％とした
場合、嵩密度；２０〜４０Ｋｇ／ｍ３の構造体を得るこ
とができ、この構造体は、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ
２としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．８、圧縮回
復率ＲＣが６５％以上、２５％圧縮時応力に対する６５
％圧縮時応力の比が１０以上、８万回圧縮後の残留歪率
が５％未満のものとなる。このような物性値をもつ構造
体は、ソフトな圧縮特性（弾性反発力）を備えるので、
布団材やクッション材に適する素材となる。
【００５１】また、上記において、綿状繊維シートに対
するフェノール樹脂量を２５〜４０重量％とした場合、
嵩密度が４０〜８０Ｋｇ／ｍ３のものが得られ、この構
造体は、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ２としたときの圧
縮硬さＬＣが０．８〜０．９位となる。この構造体は、
上記構造体に比べ圧縮弾性が大きいので、床下クッショ
ン材（カーペットを含む）や、床下の防震・防音材とし
て利用価値が高いものとなる。
【発明の実施の形態】以下、実施例により本発明の実施
の形態を説明する。 （実施例１）渦流法により紡糸された嵩高の卷縮された
ピッチ系汎用炭素繊維（（株）ドナック製、ドナカー
ボ、平均繊維径１３μｍ、平均繊維長７５ｍｍ）を開繊
機およびメタリックカード機（池上機械（株）製、６０
−ＭＤＫ）に順次供給し、平均７ｍｍ厚の綿状繊維シー
トを得た。この繊維シートの嵩密度は５．７Ｋｇ／ｍ３
であった。噴霧形成機（（株）岩本製作所製、垂直型ク
ロスラッパー）を用い、この繊維シートの両側に少量の
フェノール樹脂液を均一に噴霧しながら、繊維シートを
幅１．２ｍで折り畳み、３０層の積層体を形成した。な
お、前記フェノール樹脂液としては、水溶性のフェノー
ル樹脂（住友デュレズ（株）製、スミライトレジン）４
０重量部を水６０重量部に薄めて用いた。
【００５２】次いで、前記積層体を熱風循環式硬化炉に
入れ、厚調整板の間隔を４０ｍｍ、加熱温度を２３０℃
として約３０分間加熱硬化した後、端部を切り離して本
発明にかかる炭素繊維の３次元構造体を作製した。な
お、綿状繊維シート中のフェノール樹脂の含有量は、綿
状繊維シートに対し１５重量％であった。
【００５３】この構造体の諸物性を測定したところ、厚
み４０ｍｍ、嵩密度が３０Ｋｇ／ｍ３、最大荷重を１０
０ｇｆ／ｃｍ２としたときの圧縮硬さＬＣが０．７６、
圧縮回復率ＲＣが６７％、２５％圧縮時応力に対する６
５％圧縮時応力の比が１３．６、８万回圧縮後の残留歪
率が１．３％であった。また、この構造体の圧縮荷重−
圧縮変形量曲線は、図１Ａのようであった。この圧縮荷
重−圧縮変形量曲線から、この構造体は、布団材料やク
ッション材料としての好ましい圧縮特性を有するもので
あることが確認できた。
【００５４】（実施例２）平均繊維径１８μｍ、平均繊
維長７５ｍｍのピッチ系汎用炭素繊維を用いたこと、綿
状繊維シートの厚みを平均９ｍｍとしたこと、フェーノ
ール樹脂液の噴霧量を多くしたこと、及び厚み調製板の
両側から押圧を掛けながらの調製板の間隔を２０ｍｍと
して加熱硬化した以外は、実施例１と同様にして本発明
にかかる炭素繊維の３次元構造体を作製した。
【００５５】この構造体の諸物性を測定したところ、厚
み２０ｍｍ、嵩密度が８０Ｋｇ／ｍ３、最大荷重を１０
０ｇｆ／ｃｍ２としたときの圧縮硬さＬＣが０．８８、
圧縮回復率ＲＣが６９％、２５％圧縮時応力に対する６
５％圧縮時応力の比が１９．０、８万回圧縮後の残留歪
率が０．８％であった。この構造体は、実施例１の構造
体に比較して嵩密度が大きく、圧縮硬さ並びに６５％／
２５％圧縮応力比が大きいものであるので、床下防震材
として有用である。
【００５６】（実施例３）平均繊維径１３μｍ、平均繊
維長７５ｍｍのピッチ系汎用炭素繊維７０重量部と熱融
着性ポリエステル繊維３０重量部（ユニチカ（株）製、
メルティ、デニール数４、平均繊維長３８ｍｍ）を用
い、平均厚みを６ｍｍ、密度６．７Ｋｇ／ｍ３の綿状繊
維シートとなし、この綿状繊維シートに対し、群栄化学
（株）製・レッヂトップを２０重量部と水８０重量部か
らなる熱硬化性樹脂液を噴霧しながら、シートを３０層
に折り畳んだ。その後、この積層体を４０ｃｍの厚み調
整板に挟み、２３０℃・３０分間の加熱処理を行った。
【００５７】このようにして作製した本発明にかかる３
次元構造体は、厚み４０ｍｍ、嵩密度が３０Ｋｇ／
ｍ３、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ２としたときの圧縮
硬さＬＣが０．７３、圧縮回復率ＲＣが６７、、２５％
圧縮時応力に対する６５％圧縮時応力の比が１２．９、
８万回圧縮後の残留歪率が２．５％であった。この構造
体は、実施例１と同様に布団、クッション材として有用
である。
【００５８】
【発明の効果】以上から明らかなように、本発明にかか
る炭素繊維の３次元構造体は、炭素繊維が本来的に有し
ている強靭性、耐熱性、化学的安定性、不燃性、無毒性
などの優れた特質を有しており、かつ炭素繊維により３
次元的網目構造が強固に形成されたものであるので、炭
素繊維の単純集合物では決して得られない特性、即ち人
に優しい適度な弾力性、圧縮反発性、圧縮耐久性、通気
性、更には火災等に対する安全性などを兼ね備えてい
る。したがって、本発明によれば、人間の感性と密接に
関連した広範な分野で使用可能な従来にない特性をもっ
た新規な素材を提供でき、これにより炭素繊維の活用分
野を飛躍的に拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体及びウ
レタン構造体における負荷荷重と圧縮変形量との関係を
示すグラフである。
【図２】本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体、及ポ
リエステル繊維からなる３次元構造体における負荷荷重
と圧縮変形量との関係を示すグラフである。
【図３】本発明製造方法で作製された積層体の概略斜視
図である。
【図４】本発明にかかる炭素繊維の３次元構造体の繊維
配列状態を模式的に示す説明図である。
【図５】折り畳み機構を説明するための装置概略図（側
面図）である。
【図６】噴霧機構を説明するための装置概略図（正面
図）である。 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成８年６月１１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４５】図５、６に示されるように、噴霧機構は、
スイング機構の下部のうち、繊維シート１の幅よりも外
方側の両側部に取り付けられていた保持板１１と、この
保持板１１間に略平行に取り付けられた一対のレール１
２と、各レール１２に沿って移動可能な滑車１３と、こ
れらの滑車１３が取り付けられた取付け板１４と、この
取付け板１４に取付けられた中空アーム１５ａと、この
アーム１５ａの先端部に取り付けられたノズル１５とを
備えている。なお、前記アーム１５ａからの滑車１３の
脱落を防止するとともに、取付け板１４を円滑に移動さ
せるため、各レール１２にはそれぞれ２つの滑車１３が
配置されているとともに、各滑車１３にはレール１２の
幅に対応して形成された環状凹部が形成されている。ま
た、前記アーム１５ａには、熱硬化性樹脂などの結着剤
の溶液を供給するための、伸縮自在なチューブまたはホ
ース１６が接続されている。前記アーム１５ａの先端部
は折曲または湾曲し、ノズル１５は、繊維シート１の面
の方向に向いている。また、ノズル１５は、回動可能な
ヒンジ機構により、噴射角度が可変できるようになって
いる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４６】保持板１１のプレート１７の両側部には一
対の歯車１８が回転可能に取り付けられているととも
に、これらの歯車１８間にはチェーン１９が掛渡されて
いる。一方の歯車１８は、プーリ間に掛渡されたベルト
を介して、モータにより回転駆動されるようになってい
る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４７】そして、前記ノズル１５を往復運動させる
ため、取付け板１４はチェーン１９に連結されており、
プレート１７又は保持板１１のうち前記繊維シート１の
幅に対応する部位には、前記滑車１３の移動を規制する
とともに、滑車の到達を検出するためのストッパが取り
付けてある。このストッパによる検出信号は、前記モー
タの回転方向を反転させるための反転信号として利用さ
れる。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 繊維全体に対し５０重量％以上の炭素繊
    維を含み、繊維全体の５０〜１００重量％が卷縮繊維で
    組成された繊維集合体と、熱硬化性樹脂および／または
    熱融着性繊維からなる結着剤とで構成され、前記結着剤
    により繊維相互の接触点が結着されて３次元的網目構造
    の形成された炭素繊維の３次元構造体であって、嵩密度
    が２０〜８０Ｋｇ／ｍ3 、最大荷重を１００ｇｆ／ｃｍ
    2 としたときの圧縮硬さＬＣが０．７〜０．９である炭
    素繊維の３次元構造体。
  2. 【請求項２】 嵩密度が２０〜４０Ｋｇ／ｍ3 、最大荷
    重を１００ｇｆ／ｃｍ2 としたときの圧縮硬さＬＣが
    ０．７〜０．８、圧縮回復率ＲＣが６５％以上、２５％
    圧縮時応力に対する６５％圧縮時応力の比が１０以上、
    ８万回圧縮後の残留歪率が５％未満である請求項１記載
    の炭素繊維の３次元構造体。
  3. 【請求項３】 結着剤が：熱硬化性である樹脂を５０重
    量％以上含むものであり、繊維全体に対する前記結着剤
    の含有量が１０〜４０重量％である請求項１又は２記載
    の炭素繊維の３次元構造体。
  4. 【請求項４】 前記卷縮繊維の繊維長が、０．１〜１０
    ｃｍである請求項１、２、又は３記載の炭素繊維の３次
    元構造体。
  5. 【請求項５】 前記卷縮繊維が、炭素繊維からなるもの
    である請求項１、２、３、又は４記載の炭素繊維の３次
    元構造体。
  6. 【請求項６】 前記炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であ
    る請求項１、２、３、４、又は５記載の炭素繊維の３次
    元構造体。
  7. 【請求項７】 嵩密度が２０〜８０Ｋｇ／ｍ3 、最大荷
    重を１００ｇｆ／ｃｍ2 としたときの圧縮硬さＬＣが
    ０．７〜０．９である炭素繊維の３次元構造体の製造方
    法であって、 繊維全体に対し５０重量％以上の炭素繊維を含み、繊維
    全体の５０〜１００重量％が卷縮繊維で組成された綿状
    繊維シートの両面に熱硬化性樹脂液を噴霧しつつ、長手
    方向にジグザグに折り畳み複数層に重ね合わせた後、熱
    硬化性樹脂を加熱硬化し、又は綿状繊維シートが熱融着
    性繊維を含む場合においては熱融着繊維を熱融着すると
    共に熱硬化性樹脂を加熱硬化して、炭素繊維相互及びシ
    ート相互間を結着することを特徴とする炭素繊維の３次
    元構造体の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記卷縮繊維の繊維長が、０．１〜１０
    ｃｍである請求項７記載の炭素繊維の３次元構造体の製
    造方法。
  9. 【請求項９】 前記卷縮繊維が、炭素繊維である請求項
    ７又は８記載の炭素繊維の３次元構造体の製造方法。
  10. 【請求項１０】 炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維である
    請求項７、８、又は９記載の炭素繊維の３次元構造体の
    製造方法。
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