JPS6054998A - 気相成長炭素繊維の製造方法 - Google Patents

気相成長炭素繊維の製造方法

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JPS6054998A
JPS6054998A JP58162606A JP16260683A JPS6054998A JP S6054998 A JPS6054998 A JP S6054998A JP 58162606 A JP58162606 A JP 58162606A JP 16260683 A JP16260683 A JP 16260683A JP S6054998 A JPS6054998 A JP S6054998A
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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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、気相中で炭素繊維を製造する方法に関し、更
に詳細には、炭素供給源としての炭素化合物のガスと触
媒並びに炭素供給源を兼ねる有機遷移金属化合物とキャ
リヤガスとの混合ガスを600℃から1300℃の範囲
で加熱することを特徴とする気相成長炭素繊維の製造方
法に関する。
〔従来技術とその問題点〕
気相成長炭素繊維は、高強度、高弾性、高導電性、高耐
食性、高生体適合性などの優れた特性を有17、特に機
械的特性を例にとれば、すでに商品化されているPAN
系炭素炭素繊維ッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維性
能を遥かに陵駕するものであシ、理想的素材と畦える。
従来、気相成長炭素繊維は、電気炉内にアルはすなどの
磁器、黒鉛などの基板を置き、これに炭素成長核、鉄、
ニッケルなどの超微粒子触媒を形成せしめ、この上にベ
ンゼンなどの炭化水素のガスと水素、キャリヤガスの混
合ガスを導入し、1010℃〜1500℃の温度下に炭
化水素を分解せしめることにより、基板上に炭素繊維を
成長させる方法が知られている。
基板上に上記炭素成長核、超微粒子触媒を形成させる方
法は、基板に、鉄、ニッケルまたはそれらの合金の10
0A程度の超微粒子を懸濁させたアルコール懸濁液をス
プレーするかまたは塗布して乾燥することである。また
、前記懸濁液に代えて硝酸鉄水溶液を基板に塗布して乾
燥させてもよい1次いで、前記基板を電気炉内の反応管
に入れ、ベンゼンや水素を加えて1100℃〜1300
℃に加熱すれば、還元と成長が進行する。
しかし、このような方法では、■基板表面の微妙な温度
ムラや2周囲の繊維の密生度によって長さの不均一が起
勺易いこと、また■炭素の供給源としてのガスが反応に
よって消費されることによシ反応管の入口に近い所と出
口に近い所で繊維径が相当異なること、■基板表面での
み生成が行たわれるため、反応管の中心部分は反応に関
与せず収率が悪いこと、■超微粒子の基板への分散、還
元、成長1次いで繊維の取出しという独立に実施を必要
とするプロセスがあるため、連続製造が不可能であり、
従って生産性が悪いなどの問題点を有する。そのため、
コスト面において、すでに商品化されているPAN系炭
素炭素繊維ッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維に対抗
するととけ、特殊な用途を除いて不可能と言える。
〔発明の目的〕
それ故、この発明の一般的な目的は、上述の問題点を除
去し、生産性を高めることのできる気相成長炭素繊維の
連続製造方法を提供するにある。
本発明の別の目的は、気相成長炭素411mの需要を大
幅に伸し、気相成長炭素繊維が′炭素繊維の主役を占め
ることを可能にすることである。
〔発明の要点〕
この目的を達成するため、この発明に係る気相成長炭X
繊細の製造方法は、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ヤガスとの混合ガスを加熱すること
を特徴とする。
また、別法として、有機遷移金属化合物のガスとキャリ
ヤガスとの混合ガスを加熱することを特徴とする。
本発明における炭素供給源としての炭素化合物とは、有
機鎖式化合物または有機鎖式化合物からなる有機化合物
全般が対象となるが、特に高い収率を得るには脂肪族炭
化水素、芳香族炭化水素である。しかし、炭化水素化合
物以外に窒素、酸素、硫黄、弗素、塩素、臭素、沃素、
燐、砒素の内の一種類以上の元素を含む本のも使用でき
る。これらの元素は含まない方が良好であるが、@に硫
黄については問題が少ないため、炭素と水素と硫黄との
組合せからなる場合には好適である。具体的な個々の化
合物の例を挙げると、メタン、エタン等のアルカン化合
物、エチレン、ブタジェン等のアルケン化合物、アセチ
レン等のアル中ン化合物、ベンゼン、トルエン、スチレ
ン等のアリール炭化水素化合物、インデン、ナフタリン
、フェナントレン等の縮合環を有する芳香族炭化水素、
シクロプロパン、シクロヘキサン等のシクロパラフィン
化合物、シクロペンテン、シクロへΦ七ン等のシクロオ
レフィン化合物、ステロイド等の縮合環を有する脂環式
炭化水素化合物、メチルチオール、メチルエチルスルフ
ィド、ジメチルチオケトン等の金儲脂肪族化合物、フェ
ニルチオール、ジフェニルスルフィド等の金儲芳香族化
合物、ベンゾチオフェン、チオフェン等の金儲複’J[
式化合物等である。また、以上の化合物の2種以上を混
合し九混合物を使用することも可能である。
本発明におけるガスとは、純ガス体以外にガス体に固体
または液体の微粒子を包含する煙霧質も含める広義のガ
ス体を意味するものとする。
キャリヤガスとしては1周期律表0族のアルゴン、ヘリ
ウム等の希ガスおよび水素、窒素またはこれらの混合ガ
スの中から選択されるガスを主体とし、水素ガスが最も
好ましい。主体とするという意味は、上記以外に他のガ
スを含むことが許されることを意味し、その割合はキャ
リヤガス成分中20優以内である。この種の少量成分ガ
スとしては、硫化水素および/もしくは二硫化炭素が好
ましい。実験によれば、ハ四ゲン、ハロゲン化水素、水
蒸気は共に収率を低下させる原因となる。水素ガス以外
のガスをキャリヤガスとして使用する場合、一般に炭素
化合物の熱分解が促進されすぎ、かえって炭素繊維の生
成を阻害する要因になるため、炭素化合物の濃度を大幅
に低下させる必要性がでてくる。
本発明における有機遷移金属化合物とは、アルキル基と
金属が結合したアルキル金属、アリル基と金属が結合し
たアリル錯体、炭素間2重結合や3重結合と金属とが結
合したπ−コンプレックスとキレート型化合物等に代表
される有機遷移金属化合物である。また、ここで遷移金
属としては、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロ
ム、マンガンJ鉄、コバルト、ニッケル、イツトリウム
、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、0
ジウム、パラジウム、タンタル、タングステン、レニウ
ム、イリジウム、白金を指すものであるが、これらの内
特に周期律表■族に属するもの、その内で特に鉄、ニッ
ケル、コバルトが好適であって、鉄が最も好適である。
有機遷移金属化合物の具体的例を挙げると。
アルキル金属として(c4n、>4Ti 、C1t2=
IC2LT51゜I+’elJr−(C2115)Fe
Br、 ; アリル錯体として (C,H,)、PtI
 ; π−コンプレックスとして(05H1)2F6 
、 (CdHd)2MOI CQ)(,4” #CC3
H3Fe(CO)2.)2 、 (C5H5Fe(CO
)2〕C1。
(C,H,Fe(CO) 2〕CN 、 H2O−’T
’−CHO。
Fe (CO) 5 て @N、、co、 等である。
ad また、これらの混合物の使用も可能である。
本発明の方法を具体的に説明すると、炭素化合物のガス
と有機遷移金属化合物のガスと0〜20%の少量ガスを
含むキャリヤガスとの混合物を好ましくは600℃〜1
600℃、更に好適には1050℃〜1200℃に加熱
する。炭素化合物、有機遷移金属化合物がガス状ならば
そのtま、液体または固体の場合は加熱蒸発または昇華
させて得られるガスを使用し、炭素化合物のガスおよび
有機遷移金属化合物のガスの全混合ガスに占める割合は
、好ましくは各々0〜40qb、0.01〜40チ、さ
らに好ましくは各々0.5〜10チ、0.05〜10チ
である。ここで炭素化合物の濃度が0でも良いのは、有
機遷移金属化合物中に十分な炭素を含有している場合は
、必ずしも炭素化合物のガスを必要としないという意味
である。混合ガスめ加熱方法としては電気炉による方法
が便利である。
本発明は、炭素供給源としての炭素化合物のガスと、従
来気相成長炭素繊維の生成に不可欠な触媒となっている
金属からなる有機金属化合物のガスとを反応炉内で同時
に熱分解させる方法であるが、この方法KJニジ炭素繊
維が得ら11゜たという小火から判断1−、イf機金桐
化合物の熱分解によって遊離した金属原子が衝突を繰り
返し一部触媒として機能しつる程度の金属の超微粒子に
成長し、その超微粒子を触媒として炭素繊維が生成した
ものと判断する。
また1本発明り°、鉄、ニッケル、コバルトまたはそれ
らの合金のMi微粒子や、硝酸鉄、硫酸第1鉄のように
、従来気相成長炭素繊細の成長触媒として知られていた
金Mまたは金属化合物では、下記の理由で気相触媒とし
て試みられたことがなく、今回有機金属化合物を気相成
長炭素繊維の触媒として試み、その可能性を発見したも
のである。すなわち、従来の触媒では、鉄の超微粒子を
気相中に分散させる場合、第−rc超微粒子を定l的に
微少量送るフィーダを設けることが技術的に困雌であり
、第二に前記超微粒子の供給が可能であっても超微粒子
はエネルギ的に安定な凝集二次粒子を作るため、炉内に
入ると直ちに焼結し、触媒効果を発揮できないような大
きな粒子になること、第三に超微粒子は表面エネルギが
高いため非常に活性で、酸化鉄の状態にあるため還元の
必要性があるが、炭素供給化合物のガスと共存すると、
還元前に炭素の表面沈着が起勺実質的に触媒として機能
しなくなる等の理由で使用不可能である。硝酸鉄や硫酸
第一鉄の場合蒸気を得ることが容易でなく、鉄のように
超微粒子を作成する方法が考えられるが、超微粒子にす
ると鉄の場合と同様の問題に直面し、使用不可能となる
有機金属化合物を使用し、それを蒸発して気相中で金属
触媒を作成するといり新しい手法によって、従来の触媒
の基板への分散と還元という2つの操作の省略を可能と
したもので、すなわち気相中で炭素源としての炭素化合
物のガスと触媒源としての有機遷移金属化合物のガスと
を熱分解することによ)、触媒と炭素繊維を連続的に生
成させることが可能となった。
本発明によれば、従来のように反応が基板表面だけでな
く全域にわたっているため高収率が得られ、気相中で生
成している炭素繊維は、浮遊運動を1−2ているため各
繊維は平均的に同一の条件で生成していると薯えてよく
、生成炭素繊維はアスペクト比の均一なものが得られ、
″また本発明によれば装置の大きさや、ガスの線速度、
電気炉の温度を制御−することによりアスペクト比を変
えることが容易である。火線によると、1100℃以下
では主として長さ成長が起シ、1100℃ を越える温
度では径の成長速麿が目立ってくる。また、長さの成長
範囲においては。
生成する炭X繊細の長さが混合ガスの炉内の滞留時間に
ほぼ比例する念め、11ooc以下の加熱炉と1100
℃以上の加熱炉を直列につ々ぐことによって希望する径
、長さの炭素繊維を連続的に生成することが可能である
。特に従来の炭素繊維からは得ることのできなかった長
さ0.2μ〜2000μ、径0.05μ〜10μの範囲
のアスペクト比一定の短い炭素繊維を高収率で連続的に
製造することが可能である。また短繊維をランダムに充
填する複合材料という用途を検討した場合、高強度高弾
性でアスペクト比100〜200が好ましいといりこと
が言われておシ1本発明がアスペクト比を自由にコント
ロール可能であシ、特にアスペクト比100〜200は
極めて容易に作成でき、気相成長炭素繊維の高強度高弾
性という機械的特性を有するという点で複合材料には理
想的素材と言える。
〔発明の実施例〕
次に、この発明に係る気相成長炭素繊維の製造方法の好
適な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。
まず、本発明における気相成長炭素繊維を製造するため
に使用した装置につき、その概略を示せば、第1図およ
び第2図に示す通りである。
第1図において、参照符号10,12.14はガスボン
ベを示し、それぞれボンベ10には高純度水素ガス、ボ
ンベ12には窒素ガス、ボンベ14には硫化水素ガスが
充填される6ボンベ10.12は、それぞれ流l・計1
6.18およびパルプ20,22を介してステンレスパ
イプ24に接続されている。このパイプ24け、パルプ
26を介【−てベンゼンを充填した原料ガス発生器28
に連通している。また、この原料ガス発生器2Bからス
テンレスバイブロ0が導出され、このパイプ30けフェ
ロセンを充填したガス発生器32に連通している。さら
にこのガス発生器62からステンレスパイプ34が導出
され、このバイブロ4Fi、パルプ36を介して反応管
3日に連通している。しかるに、この反応管3日に連通
ずる前記パイプ34の一部に、前記ボンベ14が流量針
40およびパルプ42を介して接続されている。なお、
前述したパイプ24からパルプ26より両ガス発生器2
8.32およびパルプ36を介して反応管3Bに接続さ
れるパイプ34に至る系に対し、ステンレスバイパスパ
イプ44をそれぞれパルプ46.48を介して接続する
反応管38は1例えば内径22闘、長さ1000關の石
英管で構成し、その長さ約600龍に亘つてこれを電気
炉50内に設置する。この電気炉50の温度は、熱電対
52と6回路PiD温度制御器54とからなる制御系で
制御し、この温度は温度記録計56で記録する↓う構成
する。
そして、前記反応管38の終端部にはステンレス繊維フ
ィルタ58を介して排気バイブロ0禿連通する。
このように構成した装置は、運転に際し、最初ボンベ1
2から供給される窒素ガスをバイパスパイプ44を介し
て反応管3日に供給し1反応管3日内部を窒素ガスで置
換して爆発の危険を防止する。次いで、ボンベ10よシ
水素ガスを両ガス発生器28.32に順次供給して水素
−ベンゼン−フェロセンの混合ガスとなし、これをさら
に硫化水素と混合して反応管3日に導入し、電気炉50
の作用下に反応管38内に予め収納した触媒に対し炭素
繊維の気相成長が行われ、得られた炭素繊維はステンレ
ス繊維フィルタ5日に捕集される。
第2図は、第1図に示す装置にさらに付加し祷る装置を
示すものである。すなわち、第2図において、参照符号
62は第2の反応管を示し、この第2の反応管62は内
−径85朋、長さ約1700111の石英管で構成し、
@1図に示す第1の反応管38に直結したものである。
この場合、第2の反応管620入ロ部に対し、アセチl
ノンガスをさらに混合し得るように構成する。
このため、アセチレンガスを充填したガスボンベ64を
設け、このボンベを流普針66およびパルプ68を介し
て前記反応管620入ロ部に設けた栓部材70に接続す
ゐ。また、第2の反応管62は、第1の反応管3Bと同
様に、電気炉72.熱電対74,3回路1) I D温
度制御器76、a度記録計78.ステンレス繊維フィル
タ80および排気パイプ82を設ける。なお、この場合
、第1の反応管6Bに対しては、ステンレス繊維フィル
タ58および排気バイブロ0が省略されることは勿論で
7+る。
実施例1 第1図に示す装置において、ボンベ10に高純度水素ガ
ス、ボンベ14に硫化水素ガス、原料ガス発生器2日に
ベンゼン、有機金属化合物のガス発生器32に7エロセ
ンを入れて、先づ原料ガス発生器28と有機金属化合物
のガス発生器32を加熱してベンゼンと7エロセンのガ
スを生成させ、パルプ20 # 42を調節して流量計
16.40によ〕所定流量の水素、硫化水素を流す。水
素ガスはステンレスパイプ24よりパルプ26を経て原
料ガス発生器2日に入〕。
ベンゼンガスと混合されてステンレスパイプ30を経て
有機金属化合物のガス発生器32に入夛、ここにて水素
−ベンゼン−フェロセンの混合ガスを生成し、ステンレ
スパイプ34よジノ<ルプ36を経て硫化水素と混合さ
れて反応管38に入る。ベンゼンやフェロセンがパイプ
内に凝縮しないようにステンレスパイプ30は200℃
に加熱した。混合ガスの組成は水素:硫化水素:ベンゼ
ン:7エロセン=qto : 2.7 : ts:4.
5.総流量は200℃で17611/分〜352117
/分 の範囲で変化させた。電気炉50は1[]80℃
の温度に設定した。反応管38の内部の温度分布を調べ
たところ、均熱帯はパイプの中央付近300關であった
。混合ガスは連続的に供給さtL、反応管68内で連続
的に熱分解し、触媒と気相成長炭水繊維が連続的に生成
する。生成した気相成長炭素繊mFiステンレス繊維フ
ィルタ58で捕乗し重層増加分より収率を計算した。゛
また、炭素繊維の径、長さについては顕微鏡で観察した
。結果を第1表に示す。
表中滞留時間は反応管38の3001111の均熱帯を
通過する時間としてめ九。
表1 第1表よシ長さはほぼ滞留時間に比例することが示され
る。
実施例2 第2図に示す装置によシ、実施例1で生成した炭素繊維
を1160℃に加熱した第2の反応管62で更に径のコ
ントロールを行った。反応管62の1160℃における
均熱帯は600闘であった。第1の反応では炭素供給量
が少なかったので、第2図のポンベ64よりアセチレン
ガスを標準状態で10d/分送った。そのときの結果を
第2表に示す。
表2 第2表より、第2の炉では径のみが成長したことが示さ
れる。
実施例3 混合ガスとして水素:アセチレンm (C5”5 ) 
2N 1=91.0 : 5.3 : 3.7 、線流
1−11 Qsl/分(25℃換算1.1iI気炉温度
1080℃の条件で実施し、収率1.5%、炭素繊維(
径X長さ)0.15μ×3μの気相成長炭素繊維が得ら
れた。
実施例4 混合ガスとして犠索:ペンゾチオフエン=(C,H,F
e(CO)、)2= 92.4 : 5.4 : 4.
2 、線流[108117/分(25℃換算)、電気炉
温度1065℃の条件で夾施し、収率1.0係、炭素繊
維(径X長さ)[L1μ×10μの気相成長炭素繊維が
得られ友。
実施例5 混合ガスと1−でアルゴン: CJ(4: C6T11
5ScC4IT1゜0=9α9:&1:五〇、総流量1
10aj/分(25℃換算)、電気炉温度1065℃の
条件で夾施し、収率0,1俤、炭素繊維(径X長さ)0
.05μXtOμの気相成長炭素繊維が得られた。
19一 実施例6 混合ガスとして水素:チオフエン: C,、H,。Br2Zr = 92.0 : 6.1 
: 4.3 %総流量120ゴ/分(25℃換算)、電
気炉温度1080℃の条件で実施し、収率0,1係以下
、炭素繊維(径×長さ30.07μ×1.3μの気相成
長炭素繊維が得られた。
実施例7 混合ガスとして水素:ベンゼン:C1゜H7゜■=9五
0 : 3.1: 5.9.総流量110111177
分(25℃換算)、電気炉温度1080℃の条件で実施
し、収率0,7%、炭素繊維(径×長さ)0.1μ×2
゜5μの気相成長炭素繊維が得られた。
実施例8 混合ガスとして水素:アセチレン: (C,H6)2M
O=qto :5.!1 :′5.7.総流量115w
1/分(25℃換算)、電気炉温度1070℃の条件で
実施し、収率0,6饅、炭素繊維(径×長さ)0.05
μ×0,5μの気相成長炭素繊維が得られた。
20− 実施例9 混合ガスと[−て水素: CI。llB : (C5H
5)21teJ(= 94.、II : 1.9 : 
3,7 、線流針106m/分(25℃換算)、電気炉
温度1090℃の条件で実施し、収率01係以下、炭素
繊維(径×長さ)α05μ×0.5μの気相成長炭素繊
維が得られた。
実施例10 混合ガスとしC水素:硫化水素: (C,I(5)2F
e=91.8 : 3.[l : 5.2 、総流量1
09mj/分(25℃換算)、電気炉温度1065℃の
条件で実施し、収率20俤、炭素繊維(径×長さ)0.
1μ×9μの気相成長炭素繊維が得られた。
【図面の簡単な説明】
第1図は気相成長炭素繊維の製造に使用した実験装置の
系統図、第2図は第1図の装置に接続する@2の気相成
長炭素繊維の製造に使用した実験装置の系統図である。 IQ、12,14.64・・・ガスボンベ16*18m
40.66 ’−”流量計20.22,26,36,4
2.46,48.68・・・パルプ24,30,64.
44・・・ステンレスパイプ28 、32・・・ガス発
生器 38・・・反応管(第1)50.72・・・電気
炉 52,74・・・熱電対54 、76・・・3回路
PID温度制御器56 、78・・・温度記録計 58 、80・・・ステンレス繊維フィルタ60.82
・・・排気バイブ ロ2・・・反応管(第2) 25− 523− 手続?ilF正書(自発 ni’T11158年10月/、/ [1特許庁長官 
若杉 和犬 殿 1、事件の表示 昭和58年特許願第1626 (16号2、発明の名称 気相成し炭素第4珈の製造方法 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 (扱 東京都渋谷区恵比寿3丁「143番2号名称 日
 機装株〒(会ン1 代表者 音 桂二部 4、代理人 6、?ii正の内容 (1) 沖販記載の通り。 補正書 1、明細書第2頁第16行 「炭素成長核、」を削除します。 2、 同 第2頁第18行 「水素、キャリヤガスの」を 「水素ガス等のキャリヤガスとの」と補正しまず。 3、 同 第3頁第2行 []−記炭素成長核、」を削除しまず。 4、 同 第3頁第10行 rlloooC」をrl O10℃」と補正しまず。 5、 同 第7頁第13行 「キレート型化合物」の次に 「、鉄カルボニル」を加入します。 6、 同 第8頁第7行 「アリル錯体」を「アリル金属」と補正します。 7、 同 第8頁下から第2行 「等である。」の前に r 、 Fe (GO)y 、 Peg(Co)’l 
、 Jを加入します。 −毛 沼に ネ市 11冊 7片(自発)昭和59年 
3月/口 特許庁長官 若 杉 和 人 殿 1、事件の表示 昭和58年 214許願 第1 (i 2606冒−2
、発明の名称 気相成1η炭素t1斃1の製造方法 3、補正をするtl 事p+との関1糸 特許出願人 41′j9i n蔚諸臘谷区忠化寿3 T’043番2
号名称 ロ6株1、(会社 代表者音 社二部 4、代理人 6、補正の内容 補正書 1、明細書第8頁第9行 [cB l114FeJを rC,tI+、4PeJと補正しまず。 特許田麩 日機装株式会社

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)炭素化合物のガスと有機遷移金属化合物のガスと
    キャリヤガスとの混合ガスを加熱することを特徴とする
    気相成長炭素繊維の製造方法・
  2. (2) 混合ガスの加熱は600℃乃至1300℃であ
    る特許請求の範囲第1項記載の気相成長炭素繊維の製造
    方法。
  3. (3)有機遷移金属化合物のガスとキャリヤガスとの混
    合ガスを加熱することを特徴とする気相成長炭素繊維の
    製造方法。
  4. (4)混合ガスの加熱a600℃乃至1300℃である
    特許請求の範囲第3項記載の気相成長炭素繊維の製造方
    法。
JP58162606A 1983-09-06 1983-09-06 気相成長炭素繊維の製造方法 Granted JPS6054998A (ja)

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