JPH11350259A - 炭素繊維フェルトの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 前駆体フェルトにニードルパンチングを施し
ても繊維の過剰な切断や粉化が抑制され、かつ炭素化処
理を施す前に前駆体フェルトの耐炎化処理を施す必要の
ない炭素繊維フェルトの製造方法の提供。 【解決手段】 酸素含有率が4wt%以上7wt%未満であるポ
リアクリロニトリル系耐炎繊維を主成分とする前駆体フ
ェルトを不活性雰囲気下、高温で焼成する炭素繊維フェ
ルトの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池として電
力貯蔵に用いられるナトリウム−硫黄電池用の電極とし
て有用に用いうる炭素繊維フェルトの製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年電力需要の増加に伴って、夜間余剰
電力の利用を図るために、活物質の利用率が高く、充放
電反応の効率が良いナトリウム−硫黄電池が研究されて
いる。このナトリウム−硫黄電池においては、陽極室内
に陽極活物質としての硫黄が含浸された電極用フェルト
が収容されている。このフェルトは通常炭素繊維よりな
り、湾曲形成されて陽極室内に複数個収容される。そし
て炭素繊維表面での電子授受により、充放電における電
池反応が進行する。前記炭素繊維フェルトは一般に次の
ようにして作られている。すなわち、ポリアクリロニト
リル系耐炎繊維を主成分としてフェルトを成形し、この
フェルトにニ−ドルパンチを施したものを、不活性雰囲
気中1200℃以上2500℃以下程度の高温で焼成される。

【０００３】ところが通常用いられるポリアクリロニト
リル系耐炎繊維は、その耐炎性を確保するため、酸素含
量が7wt%以上のものを用いるが該耐炎繊維は、その抗折
強度が低く、耐炎繊維フェルトにニードルパンチを施す
際に粉化しやすく、炭素繊維フェルトの歩留まりが低下
する、という問題があった。このような問題に対し、例
えば特開平7-326384号では、耐炎繊維の原料である未耐
炎化ポリアクリロニトリル系繊維を板状体に成形し、こ
の板状体にその厚さ方向にニードルパンチを施してフェ
ルトとした後、このフェルトを加熱酸化し、耐炎化処理
を施したフェルトを不活性雰囲気下、高温焼成し炭素繊
維フェルトとする発明が開示されている。ここで用いる
ポリアクリロニトリル系繊維は酸素架橋による耐炎化が
なされていないため、その抗折強度が高くフェルトへの
加工は耐炎繊維を用いる場合に比べ容易であり、前駆体
フェルトの形成という意味での歩留まりは高くなるが、
その耐炎化処理、炭素化処理による炭素繊維フェルトの
製造工程では種々のトラブルを生じる難点がある。

【０００４】また、特開昭53-57197号にはあらかじめ5
乃至15秒程度220乃至310℃の酸化性雰囲気中で熱処理し
た低酸素架橋熱変性アクリル繊維をフェルトなどの繊維
構造物に形成した後、耐炎化処理、炭素化処理を施して
炭素繊維フェルトなどの炭素繊維構造物を製造する方法
が開示されている。このような熱変性を施したアクリル
系繊維は通常の耐炎繊維を用いる場合に比べ、やはりそ
の抗折強度が高く、フェルトなどの構造物の形成が容易
である。また、この方法によればアクリル系繊維が物理
的な収縮をするため、その分炭素化後の収縮による変形
が小さいという特徴を持つ。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらポリアク
リロニトリル系繊維は耐熱性に乏しいため、特開平7-32
6384号開示されているように、ポリアクリロニトリル系
繊維フェルトの炭素化に際しては、あらかじめ前駆体フ
ェルトの耐炎化処理が必要となる。しかしながら、フェ
ルト状に嵩高くなったポリアクリロニトリル系繊維を耐
炎化するのは容易ではない。すなわち、耐炎化処理は発
熱反応であり、除熱操作が必須となる。ところがポリア
クリロニトリル系繊維がフェルト状に嵩高くなるとその
耐炎化工程で蓄熱しやすくなり、除熱が困難になる。従
って反応が徐々に進むような雰囲気温度で処理し、暴走
を防ぐことが必要であり、フェルトの耐炎化処理に長時
間を要することになり、工業的には生産性を著しく悪化
させるため好ましくない。

【０００６】また特開昭53-57197号に開示されている程
度の熱処理ではポリアクリロニトリル系繊維の酸素によ
る架橋の進行による発熱を伴う化学反応はほとんど進ん
でいない。従ってこの熱処理を施したポリアクリロニト
リル系繊維フェルトの炭素化処理を施すに際しては予
め、酸化処理をすることが必要となり、かつ除熱が困難
であるため、耐炎化反応が徐々に進むような雰囲気温度
で処理し、暴走反応を防ぐため、その処理時間は長くな
らざるを得ず、工業的には生産性を著しく悪化させるた
め好ましい方法ではない。

【０００７】本発明は、このような従来技術に存在する
問題に鑑みてなされたものである。その目的とするとこ
ろは、前駆体フェルトにニードルパンチングを施しても
繊維の過剰な切断や粉化が抑制され、かつ炭素化処理を
施す前に前駆体フェルトの耐炎化処理を施す必要のない
炭素繊維フェルトの製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の炭素繊維フェルトの製造方法では、酸素含
有率が4wt%以上7wt%未満であるポリアクリロニトリル系
耐炎繊維を主成分とする前駆体フェルトを不活性雰囲気
下、高温で焼成するものである。

【０００９】本発明の炭素繊維フェルトの製造方法では
抗折強度の高い酸素含有率4wt%以上、7wt%未満の耐炎繊
維を用いるため、フェルト化時の歩留まりが高くなる。
しかも、前駆体フェルトの炭素化処理に先立つ耐炎化処
理が不要であるため炭素繊維フェルトの工業的生産性が
高くなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を更に詳しく説明す
る。本発明を実施するに際して用いるアクリロニトリル
系繊維とは、アクリロニトリルユニットを50モル％以
上、好ましくは80モル％以上有するアクリロニトリル系
重合体を、湿式紡糸法、乾−湿式紡糸法等により紡糸す
ることによって得られる繊維である。アクリロニトリル
と共重合可能な他のモノマ−としては、アクリル酸、メ
タクリル酸、イタコン酸、メタリルスルホン酸、ヒドロ
キシアルキル（メタ）アクリレ−ト、メチルアクリレ−
ト、エチルアクリレ−ト、メチルメタクリレ−ト、酢酸
ビニル、プロピオン酸ビニル、塩化ビニルなどを挙げる
ことができる。

【００１１】酸素含量が4wt%以上、7wt%未満のアクリロ
ニトリル系耐炎繊維を作るには、アクリロニトリル系繊
維を、酸素等の活性雰囲気下、約200〜300℃の温度で10
〜150分間熱処理する事によって作ることができる。酸
素含量が4wt%未満のアクリロニトリル系耐炎繊維はその
耐熱性が十分でなく、該アクリロニトリル系耐炎繊維に
て作ったフェルトは1200℃以上の炭素化処理に供する
と、発火などの不都合を生じるので好ましくない。一
方、酸素含有量が7wt%以上のアクリロニトリル系耐炎繊
維は、その耐熱性は優れているが繊維強度が低く、耐炎
化繊維フェルトの作成が難しく、かつ、該フェルトにニ
−ドルパンチを施し、フェルトの形態をしっかりしたも
のとする際、耐炎繊維の折損や粉化が起こり、耐炎繊維
フェルトの収率、更には炭素繊維フェルトの収率が低下
する。

【００１２】本発明においては酸素含量が4wt%以上、7w
t%未満のアクリロニトリル系耐炎繊維を用いるため、そ
の繊維強度は高く、耐炎繊維の捲縮工程、フェルト化工
程、フェルトのニ−ドルパンチング工程においても繊維
がダメ−ジを受けて折損したり粉体化することはほとん
どなく機械的強度に優れ、収率の高い耐炎化繊維フェル
トとすることができる。

【００１３】また本発明で用いる耐炎化繊維フェルトは
十分な耐熱性と機械的強度を備えたものであるため、更
なる耐炎化処理を施すことなく、不活性雰囲気下、1200
℃以上の高温熱処理を施すことにより炭素繊維フェルト
に置換する事ができる。かくして得た本発明の炭素繊維
フェルトはその嵩密度が0.12g/cm³と低く、かつ、前駆
体フェルトをニ−ドルパンチ処理することにより炭素繊
維フェルトの厚さ方向への炭素繊維の配向も十分に成し
得るため、炭素繊維フェルトの厚さ方向の体積抵抗率を
0.3Ω・cm以下とすることができるため、ナトリウム−
硫黄電池の電極として優れた特性を備えている。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を実施例により、更に具体的に
説明する。

【００１５】〔実施例１〕アクリロニトリル96モル％、
メタクリル酸2モル％、アクリル酸メチル2モル％なるア
クリロニトリル系共重合よりなる単糸繊度1.1dtex、構
成フィラメント数12000本の繊維を、空気雰囲気中240℃
で30分間熱処理して熱変性繊を作製した。得られた熱変
性繊維の元素分析を行ったところ、酸素の含有量は5.2w
t%であった。得られた熱変性繊維に捲縮処理を施し切断
長50mmのステープルファイバーを得た。本ステープルフ
ァイバーを用い、公知の方法でウエッブを作製しこれを
積層しニードルパンチングして、厚さ30mm、嵩密度0.13
g/cm³の前駆体フェルトを作製した。熱変性繊維の投入
量に対するフェルト化収率は97%であった。得られた前
駆体フェルトを窒素ガス雰囲気中で室温より1300℃まで
20℃/minで昇温し、一時間保持した後、600℃まで10℃/
minで降温し、以降室温まで自然冷却させた。得られた
炭素繊維フェルトの炭素化収率は、48%であった。

【００１６】〔実施例２〕実施例１で用いたポリアクリ
ロニトリル系繊維を用い、240℃で60分間熱処理して熱
変性繊維を作製した。得られた熱変性繊維の元素分析を
行ったところ、酸素の含有量は6.7wt%であった。実施例
１と同様にして上記熱変性繊維を用いて前駆体フェルト
を作製したところ、熱変性繊維の投入量に対するフェル
ト化収率は90%であった。この前駆体フェルトを実施例
１と同様の条件で炭素化したところ、炭素化収率は52%
であった。

【００１７】〔比較例１〕実施例１で用いたポリアクリ
ロニトリル系繊維を、240℃で10分間熱処理して熱変性
繊維を作製した。得られた熱変性繊維の元素分析を行っ
たところ、酸素の含有量は2.0wt%であった。これに倦縮
処理を施し切断長50mmのステープルファイバーを得た。
本ステープルファイバーを用い、公知の方法でウエッブ
を作製しこれを積層しニードルパンチングして、厚さ30
mm、嵩密度0.13g/cm³の前駆体フェルトを作製した。熱
変性繊維の投入量に対するフェルト化収率は97%であっ
た。得られた前駆体フェルトを窒素ガス雰囲気中で室温
より1300℃まで20℃/minで昇温し、一時間保持した後、
600℃まで10℃/minで降温し、以降室温まで自然冷却さ
せた。前駆体フェルトを構成する繊維が融着したうえで
炭化し、フェルト形状の炭化物を得ることができなかっ
た。

【００１８】〔比較例２〕比較例１で作成した前駆体フ
ェルトを得た後に、空気気流中220℃で加熱したとこ
ろ、10分後に発火した。そこで、雰囲気温度を210℃ま
で下げたところ、発火せずに耐炎化することができた
が、酸素含有量5%とするのに約120分を要した。得られ
た前駆体フェルトの耐炎化処理物を実施例１と同様の条
件で炭素化した。炭素繊維フェルトの炭素化収率は、48
%であった。

【００１９】〔比較例３〕実施例１と同じポリアクリロ
ニトリル系繊維を用い、240℃で120分間熱処理して熱変
性繊維を作製した。得られた熱変性繊維の元素分析を行
ったところ、酸素の含有量は8.7wt%であった。実施例１
と同様に前駆体フェルトを作製したところ、粉化が顕著
であり、熱変性繊維投入量に対するフェルト化収率は70
%であった。実施例１と同様の条件で炭素化したとこ
ろ、炭素化収率は54%であった。

【００２０】

【発明の効果】本発明の方法によれば、前駆体フェルト
作製時の歩留まりがアップするとともに、前駆体フェル
トに対し、耐炎化処理を施す必要がなく、直接炭素化処
理できるので、コスト削減、生産性向上につながる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素含有率が4wt%以上、7wt%未満の熱変
   性ポリアクリロニトリル系繊維を主原料とする前駆体フ
   ェルトを不活性雰囲気下、高温処理する事を特徴とする
   炭素繊維フェルトの製造方法。
2. 【請求項２】 前駆体フェルトとしてニ−ドルパンチを
   施した前駆体フェルトを用いることを特徴とする請求項
   １記載の炭素繊維フェルトの製造方法。