JPS58180615A - 気相法による炭素繊維の製造方法 - 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】 本発明は炭素繊維に関するものでＴｏり、より詳しく述
べるならば、炭化水素の熱分解による気相法によって炭
素繊維を製造する方法に関するｔのでｂる。

炭Ｘ繊維は高強度、高弾性等の優れ友性質を有するため
に、一般に樹脂、セラミック、金属等との各檜複合材料
に使用されている。このような複合材料は、近年は軽量
にして高強度、高弾性の材料として各方向で注目され、
その用途も拡大している。便乗、炭素繊維は主としてポ
リアクリロニトリル等の合成繊維、ビ、チ繊維、セルロ
ール繊維等のＶ＊織繊維炭化することによって製造され
ているが、ペンゼ／、メタン等の炭化水嵩を熱分解して
生成する炭素繊維も知られている。後者の気相法炭素繊
維は結晶欠陥が極めて少なく、かつ結晶子の配向性が良
好なため１ＭｒＩＪＬ、弾性率とも有機繊維炭化炭素繊
維に比べて著しく優れているのが特徴でるる。一般ｙｃ
結品性にすぐれ（多くは単結晶）、欠陥が少ない短かい
繊維はホイスカーとも呼ばれる０本発明における炭素繊
維にはこのホイスカーも含む。

気相法による炭素繊維の製造方法は檀々提案されており
、例えば、特開昭４８−４１０３８号公報、゛特開昭５
０−６４５２７号公報、特公昭５１−３３２１０号公報
、特開昭５２−１０３５２８号公報および％開閉５５−
１６２４１２号公報にて提某されている。特に％開閉５
２−１０３５２８号公報は、不発間者が気相法炭素繊維
の生成に耐熱性（高融点）の金属等の微粒子（微粉末）
が関与することを見出して特許出願し友ものでめり、場
しｙｃ本不発間者この特許出願の発明を基礎にして特願
昭５６−３１４９号（昭和５６年１月１４日出１ｉｉｊ
ｌ）の「気相法Ｖこよる炭素繊維のｌｌ１ｉ造法」およ
び特願昭５６−３１５０号（昭和５６年１月１４日出Ｍ
）の１分枝を有する炭素繊維の製造法ｊヶ発明した。

これらの金属等の微粉末を利用し九気相法炭嵩繊維の製
造方法においては、黒鉛、石英、各攬セラミックス等の
耐熱性基板に又はすでに形成した炭素繊維に金属等の微
粉末を付着させたものを反応管内へ装入してから炭素繊
維を成長させている。

この場合には繊維の生成の反応域は二次元であり、また
生長終了後の繊維は基板から掻＊＊る等の・母ｙデ操作
が入ってくるので生産性の上で不利である。筐九キャリ
アがスと共に反応管内へ流入する炭化水素のうち基板近
＜ｔａれるものは有効に利用できるが、そうでないもの
は有効に利用されずに流出してしまう。

本発明の１的は、気相法による炭素繊−の製造ノロセス
において、反応域を三次元にすること、流動床形式で連
続化を図ることにより、生＊性と収率を高めることであ
る。

本発明の目的は、枝のある（分校を有する）炭素繊維Ｊ
！ｒも製造することでおる。

これらの目的が、炭化水嵩の熱分解による気相法によっ
て炭素繊維を製造する方法において、高融点金属あるい
はその化合物の超微粉末を炭化水嵩の熱分解帯域に浮遊
させることによって遍成される。

高融点金属は炭化水素の熱分解の温度である９５０ない
し１３００℃において気化しない金属であって、ＴＩ　
　、　Ｚｒ等の一期体表の第４１族、ｖ。

Ｎｂ等の第５ａｌｉ、Ｃｒ　＋　Ｍｏ　勢の尾６ａ族、
Ｍｎ婢の第７ａ族、Ｆ・　＋ＣＧ等の第８朧の元素が適
し、時に望ましいのはＦｓ　＊　ｃｏ　＋　Ｎｌ＊　Ｖ
　＊　Ｎｂ　＊Ｔａ　、　Ｔｉ　、　Ｚｒでめる。そし
て、かかる金属の化合物にはその酸化物、窒化物、その
他塩類がめる。

本発明において高融点金属又はその化合物による炭素繊
維の生成憬構については上ｌ［１２％許出願に記載した
通りであり、その粉末（粒子）の大きさは３ｔＪ　ＯＸ
以Ｆでおることが望ましい、このような超微粉末を第１
図に示すような反応管内Ｏ熱分′ｐｓ域Ｖヒ入れるには
、この超微粉末金アルコールなどの揮発性分散媒体に懸
濁させてスダレ−等によって入れるのが１筐しい、アル
コールなどは９５０ないし１３００℃のＩｉ４温ンこて
すぐに揮発するのでＭｉ倣粉木が反応管内ｔ−浮遊する
ことになり、この超微粉末を触媒として炭素繊維が成長
する。ｔた微小ノズルから超微粉末のみｔｔｍ級に反応
管内に落トさせて浮遊させることもできる。そして、炭
素繊維が成長すれば、菖くなって反応管の下側内壁上に
落下する。或いはキャリアーガスの流速を！４整するこ
とにより糸外捕集も可能である０反応域Ｆ部に落Ｆした
炭素繊維はそこで成長を続ける。

また、成長し九炭素繊維に超Ｗｋ粉末が付着すればそこ
から枝状に炭素繊維が成長することｅこよって分枝を有
する炭素繊維が形成できる。この分枝を有する炭素繊維
の生成は超微粉末の使用量、ガスの流速前１ｃよってコ
ントロールされる。

史にま友反応管の下側内壁上に耐熱性基板（ガえば、黒
鉛、石英等の基＆）を配置しておくことができ、この基
板に上述した超微粉末を散布しておいて（例えば、揮発
性分散媒体に超欽粉末ｔｍ濁したｔｏｔスグレー等で基
板に歓那し、乾燥してｆ４倣粉末ｔ−基板に付着させて
おいて）から反応管内へ装入することによってＩＲ１Ａ
繊−の製造収率がよシ向上させることができる。ま九、
予め基板上に炭嵩繊ｍ（黒鉛繊ａｔ含む）を用意し、こ
れを反応管内へ装入することによって、この炭素繊維に
比較的早く落下し次浮遊微粉末が付着しそこから枝状に
炭素繊維の成長を微粉末の浮遊下における炭素繊維の成
長と同時に行なうことができる。

このような分校を有する炭素繊維は複合材料との組合せ
に適している。

気相法炭素繊維の製造条件には既に提案されている製造
方法での条件を用いることができる。一般的には９５０
〜１３００℃の炉内にペンぜン、トルエン、メタン、エ
タン等の炭化水素ガス會キャリアｊスと共に流すことに
よって炭化水嵩が分解し、超微粉末の高融点金属又はそ
の化合物を触媒として炭素繊維が生成する。炭化水素が
メタン等低分子の場合には、上述したｍ区範囲で＾ｌの
温度（１２１ＪＯ〜１３００℃）がよく、分子量が大き
くな／）をこつれて低温へ蜂何して、脂肪族高分子ふ・
↓び芳食族炭化水木の場合には、低目のａ匿（９５０−
１１００℃）が最適でろる。キャリアガスには、水＄／
／スあるいはアルゴー／、窒素ガス等の不活性ガスを使
用することができる。さらに条件によってはＣＯＯ１２
ＣＯ２ガス等を用いることもできる。この場合、超微粉
末が化合物でるる場合は、ｌ１２がス、或−はＨ２ガス
含有雰囲気が好ましい。その化合物を還元して金属とす
ることが好ましいからでろる。炭化水素とキャリアガス
との混合は、炭化水素が混合温度で気体なら１．ばその
ままキャリアがスと混合することによって行なわれ、ま
た炭化水素が液体であるならば液体温ｔｔ過切ｉｌ！度
に上けると共にその液体中でキャリアガスを・マプリン
グすることによって行なわれる。そして、混合ｉｆス（
炭化水素とキャリアガス）の反応管内の流速は浮遊する
超微粉末と成長しつつある炭素繊維の反応域への涌城時
間を考慮し決定される。

息子−１添付図面を＃照して本発明をさらに説明する。

　　　　＝　、 纂１図および第２図は本発明に係る気相法炭素繊維の製
造方法を実施する装置の概略断向図である。

第１図に示した横型式の炭素繊維製造装置は、水平な反
ｉ’ｆ７ｊＬ加熱ヒータ２、スル−３からなり、反応管
】には入口ｉ！４および出口管５が設けられている。ｔ
た、反応管ｌ内には耐熱性基板６が装入されており、分
枝炭素繊維製造後にはこの基板６を取出すことができる
。スフレ−３内には超微粉末の＾融点金属ないしその化
合−ｔ−懸濁した揮発性媒体７が収容されており、３ス
！レーのノズル８すらこの揮発性一体７が反樽管１内に
スダレ−さ９るようにな？１てす虎。耐熱性基板６の上
述上次装置に２℃では、加讐ヒータ２によ・て反応管、
１　、’；、９５０ないし１３００℃に岬熱保持し、こ
の反比４１内へ炭化水素およびキャリアガスを入１」′
＃４から矢印Ａに入れ、同時にスダレ−３０つノズル８
から超微粉末を揮発性媒体７の噴射によって反応管１内
へ入れる。揮発性媒体はすぐに揮’ｉｂして超微粉末が
反応管１内を浮遊することになる。超微粉末の−ｔｉｌ
ｌは基板６の表面に付着することもある。通常は、反応
域で炭化水素が熱分解し浮遊している超微粉末９が触媒
となって炭素繊維１０が成長する。そして、基板６上に
落下し次炭本繊維】１は、基板上でも引続いて成長する
。

また、超微粉末が成長した炭素繊維１０上に付着すれば
、そこから枝状の炭素繊維が成員して分校を有する炭素
繊維１２が得られることになる。浮遊しこいる炭素繊維
１０．１２は適当なガス流速を選ぶことにより出口管５
から系外に出し、捕集ｒることができる。

第２図Ｑこ不ｌ−友竪型式の炭素繊維製造装置は、鉛直
な反Ｌｂ管２１、加熱ヒータ２２、反応管の上／ＪＫ＆
ｌ’；れたスル−２３からなり、反応管ｌのド熾には人
口″＃２４がそして上熾に川口１ｔ２５が備えられてい
る６反応管２１の下部には捕集用の受皿２７が置かれて
いる。スフレ−２３内には前述した超砿粉末ｔ−懸濁し
次揮発性媒体２８が収容されており、スグレーのノズル
２９からＦ同へ噴射されるようになっている。超微粉末
は人口管２４からの矢印Ｂ方向への上昇ガス流による浮
力と重−力を受けるが、ガス流速を成長を妨げない範囲
で調整し、ノズル２５から超微粉末ｔＰｊｒ賛の時間浮
遊させることができ、この間に炭素繊維が生成するので
その重力によって、成長しながらｉｉｉ’Ｈさせること
ができる。第１図での横型式の装置と同様にして反応域
にあらかじめ表面に超微粉末を付着さ、ｔた円筒基板（
図示せず）ｆｔ設置することにより、分枝を有する炭素
繊維を基板４Ｒ面に生成させることができる。

本発明の方法において、超微粉末の連続供給（噴射）と
生成繊維の抜き出しを適宜行うことによや連続化４．　
ｃｉｌ能でろる。

また炭素繊維は、超微粉末を少なくし、肴留成喪時間を
長くすればかなり長い繊維とすることもロ」吐であるが
、特に本発明方法は短繊維ｔつくるのに遣している。

夾鬼例 ｍ２図にボし次竪型式の炭素繊維製造装置の構造のよう
に電気環状炉内にアルミナ質反応管ｔ″喬直に配置し、
この反応官にスグレーと入口管とを備え曳アルミナ５Ｉ
Ｌ１ｉｉ金取付ける。スグレー内には鉄（Ｆ・）の超微
粉末（２００〜３００Ｘの大き場）１０１９をエチルア
ルコール１００ＣＨの割合で分散させ九弾元性媒体を用
意する。反応管をｉｏｏ。

℃の温度に加熱保持する。そして、ベンゼン蒸気τ１０
容量％首む水嵩ガスを毎分３００ｃｃ（常温）の童で入
口管から反応管へ流す、この炭化水嵩を含む水素ブスの
流入と同時にスグレーのノズルがら鉄超倣粉を含むエチ
ルアルコール１ｌＯｃｃ噴射する。この噴射は１分毎に
０．１　（Ｕの断続噴射で１００回行なう。）４続噴射
で行なってもよい、この間１００分間であり、その後１
０分間炭化水嵩含有水嵩ガスを流してから１ｉ１累ガス
に切換えて冷却する。そして反応管から摘果用受皿を堆
出したところ分枝を有する炭素繊維管含む短繊維が得ら
れ、その長さは２■以下であり、全体の縦索繊維量は２
ｇでめる。

なお、金属微粉散布方法Ｌ＠渭液とぜｒ、黴細なノズル
８又は２９に振動を与えて、微粉を少量ずつ連続的に落
下させることもできる。

【図面の簡単な説明】

纂１図は本発明に係る炭素繊維の製造方法を実施するた
めの横型式の炭素繊維製造装置の概略断面図でＴｏす、 第２図は本発明に係る製造方法を実施する丸めの竪型式
の炭素縁＃［造装置の概略断面図である。 １・・・反応管、２・・・加熱ヒータ、３・・・スグレ
ー、６・・・基板、７・・・超微粉末を懸濁し九揮発性
媒体、８・・・ノズル、９・・・超微粉末、１０．１１
．１２・・・炭素繊維。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｌ　炭化水嵩の熱分解による気相法によって炭素繊維を
   製造する方法において、高融点金属あるいは該金属の化
   合物の超微粉末を炭化水素の熱分解帯域に浮遊するよう
   に存在させることｔＩ！Ｉ＃像とする気相法による炭素
   繊維の製造方法。