JPS6290321A - 超高伸度炭素材の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超高伸度炭素材の製造方法に関する〇 〔従来の技術〕 近年、石炭系もしくは石油系重質油や、ピッチを原料と
した炭素材の製造法について多数報告さｎている〇 たとえば、品質化した原料から高密度・高強度炭素材を
製造する方法が特公昭５３−１８３５９号公報に、また
ピッチ系高性能炭素繊維な製造するに当り、メソフェー
ズピッチを溶融紡糸する方法が特公昭４９−８６３４号
公報に、光学的に等方性のピッチを溶融紡糸する方法が
特開昭５７−１００１８６号公報にそｎぞｎ記載さｎて
いる〇 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記炭素材の伸度（強度と弾性率との比
）はきわめて小さい０たとえば、電極用黒鉛で０．３係
程度、ブラシ用黒鉛で約１．３係、ガラス状炭素で約０
．７％、高密度炭素材で約０．７係である。伸度が小さ
いということは、伸び難いことであるが、曲り難くもろ
いということでもある。したがって、薄板や細い棒状の
炭素材は製造過程での取扱いが困難であるため現状では
製品化さｎていない。

一方、炭素繊維はアスペクト比（長さと直径の比率）の
きわめて大きい炭素材であるが、ピッチ系汎用炭素繊維
の伸度が約２，４係であり、ピッチ系高性能炭素繊維の
伸度が約１．６係程度で、現在の石油系および石炭系重
質油やピッチ類を原料とした炭素材の中で最も伸度が高
い。

しかし、こｎらのピッチ系炭素繊維の製造においては、
ピッチ類を紡糸して得らｎたピッチ繊維を不融化、炭化
する工程が必要となる。しかも、こｎら紡糸以降の工程
では、ピッチ繊維の伸度が小さい、つまり折れ易いので
細心の注意が必要である。こｎらの理由によって、連続
長繊維の工業的製造が非常に困難な状況にある。

本発明は、上記のことがらに鑑みて研究開発されたもの
であシ、その目的とするところは、炭ｉ前駆体の伸度が
極めて高く、従って、製造工程での取扱いが容易である
ので薄板、繊維状炭素も容易に製造でき、さらに得ら扛
る製品の伸度が極めて高い新規な物性を持つ炭素材の製
造法を提供することにある〇 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的達成のための本発明の要旨は、ピッチ類をその
軟化点以上の温度に加熱した後、１０万０７ｓｅｃ以上
の速度で前記軟化点以上の温度にまで急冷し、この急冷
ピッチ類を炭化あるいは、さらに黒鉛化することを特徴
とする超高伸度炭素材の製造方法である。

〔作用〕

本発明者らは、ピッチ系高性能炭素繊維の製造方法の研
究を行なってきた０その際、意外な現象を見い出した０
すなわち、ピッチを溶融紡糸する際、紡糸口金から紡出
するピッチ繊維に液体Ｎ２蒸気等を吹き付けて急冷する
ことによって、硬くて、折ｆ難いピッチ繊維が得らｎる
こと、さらには、このピッチ繊維から通常の不融化炭化
方法で製造した炭素繊維の伸度が、液体Ｎ２蒸気を吹付
けない場合に比べて著しく大きくなることである。この
事実をさらに発展させて紡糸するピッチ繊維を液体Ｎｚ
中に紡出すると、ピッチ繊維の伸度が液体Ｎ２蒸気を吹
き付けた場合よりさらに一段と向上することが見い出さ
ｎた０また、前述のピッチ繊維を製造する時に使用する
紡糸の口金の形状をスリット状にして、溶融したピッチ
を液体Ｎ２中に紡出すると、シート状のピッチあるいは
さらにと九を炭化したシート状炭素材はいず扛も板バネ
のように腰があることが確めらｎた。このように、本発
明による冷却ピッチ（炭素前駆体）や炭素材はこしまで
の炭素材にない新規な物性を持つものである〇このよう
な全く新しい性質が得らｎる原因は不明であるが、炭素
前駆体や炭素材中の結晶粒が極めて小さくなったためと
推定さｎる○〔発明の具体例〕 本発明をさらに詳しく説明する。

本発明法に用いらｎるピッチ類は石炭系および石゛油系
のいずｆでも良く、−！り光学的に等方性でも異方性で
もよく、望１しくは灰分の含有率が１００　ｐｌ）ｍ以
下のピッチ類が好適である０このピッチ類をそのピッチ
類の軟化点以上の温度で加熱溶融する○その後、１０万
℃／ＳｅＣ以上という速度でピッチ類の軟化点以下の温
度に１で急冷する０急冷の手段として、溶融したピッチ
類の溶融槽の底に円形、もしくは矩形の紡出口を設け、
Ｎ２等の不活性ガスの加圧力によって、ピッチ類を紡出
口から紡出口直下の液体Ｎ２、液体Ｈｅ等の冷却媒の中
に紡出させる方法が好ましく採用さ几るρこの場合の冷
却速度はピッチ類を加熱する温度と冷却媒の温度差、紡
出口と冷却媒との距離、さらにはピッチ類の紡出速度に
よって決定さｎる０冷却速度Ｖ　Ｃ’Ｃ／Ｓｅｃ　’Ｊ
は次式で定義さルる〇 ■＝△ｔ・ＶＯ／Ｘ ここで　△ｔ：溶融槽中のピッチの温度と冷却媒の温度
の差〔℃〕 ｖＯ：ピッチの紡出速度繻／５ｅｃ Ｘ　：紡出口金と冷却様間の距離〔朋〕通常は１０万℃
／ｓｅｃ以上の速度である０たとえば、軟化点２９０℃
の光学的異方性ピッチ（メソフェーズピッチと称する）
を３５０℃に加熱溶融し、液体Ｈｅ中に５００　ｍ／分
の速度で紡出口と冷却媒の距離１ｏｍｍで紡出させた場
合には、約５０万℃／ＳｅＣの冷却速度となる。また紡
出口が円形の場合には繊維状ピッチが矩形の場合にはシ
ート又はフィルム状ピッチが得らｎる０この急冷ピッチ
は折ｎにくく、空気、ＮＯｘ。

オゾン等の酸化性ガスやＨＮＯａ　、Ｎ２　Ｓ　０４等
酸化性溶液により容易に不融化でき、取扱いも容易であ
る。この不融化処理ピッチはＮ２　、Ａ　ｒ　＋　Ｈｅ
等の不活性ガス中、あるいは真空中で炭化あるいはさ・
らに黒鉛化するという公知の方法で炭素材となし得る。

〔実施例〕

以下実施例について述べる。

（実施例１） コールタールを、遠心力３０００Ｇで２０分間遠心分離
した上澄液を０．５μｍのフィルターでｒ過したところ
、灰分が４０１）ｐｍのコールタール重質油が得らｎた
０このコールタール重質油を５０　ｍｍＨｇの減圧下、
３５０℃で６０分間熱処理して軟化点が１７５℃で灰分
含有量ｓ　ｏ　ｐｐｍの光学的に等方なコールタールピ
ッチを得た０このコールタールピッチを直径０．５　ｍ
ｍの紡出口を有する溶解槽で２４０℃に加熱溶融させな
がら５　ｋｌｉ’／にＩｊ　ＧのＮ２加圧によって、紡
出口直下５關の液体Ｈｅ中に１００ｍ／分の速度で紡出
させたＯこの時紡出さｎるピッチ繊維の冷却速度は１７
１０００℃／ＳＣＣであった。このピッチ繊維は直径２
０μｍで、曲率半径０．５　ｍＮの円形にしても折汎な
かったＯ このピッチ繊維を２．４係のＮｏ中で２５０　Ｔ；で３
０分間保持して不融化した後、Ｎ２中で１０００℃で炭
化して炭素繊維を製造した。この炭素繊維は引張強度が
９２　ｋｌ？／ｍ４．引張弾性率が２ｔｙＬ／ｍｙｉｓ
伸度が４．６係で、曲率半径０．２　ｍｍの円形にして
も折ｎなかった。

（実施例２） 石油の流動接触ボトム油を実施例１と同様に遠心分離し
た後沢過し、さらに４０ｍｍＨｇの減圧下で４２０℃で
３Ｈｒ熱処理したところ、軟化点が３３０℃で灰分含有
量２０　ｐｐｍの石油系メンフェーズピッチが得らｎた
０この石油系メンフェーズピッチを幅１ｍｍ５長さ４０
０　ａｍの矩形の紡出口を有する溶解槽で３７８℃に加
熱溶融させなから１０ｋｇ／ｄＧのＮ２加圧によって、
紡出口直下５闘の液体Ｈｅ槽中に４００　ｍ１分の速度
で紡出した。この時紡出さｎ、る石油系メソフェーズピ
ッチシートの冷却速度は８６万℃／ｓｅｃテアった０得
らｎた石油系メンフェーズピッチシートは厚さ０．２間
、幅２７０＋＋ｍで、引張強度６１ｋｇ／ｍａｓ引張弾
性率１．０５　ｔ／ｍｍ、伸度５．８係であった。

このメンフェーズピッチシートを空気中３００℃で１５
分間保持して不融化した後、真空中１０００℃で３０分
間炭化、さらには、Ａｒ中２５００°Ｃで１０分間黒鉛
化した。炭化したシートの引張強度１２２に９／ｍＡ、
引張弾性率３．　ｌ　ｉｎｎ、　／　ｚ４、伸度３．９
係であった。

黒鉛化したシートハ引張強度８７ｋｊｉＪ／ｍｍ、引・
張弾性率４．２　ｔｏｎ　／　ｚ４、伸度２，１係であ
った〇（比較例１） 実施例１のコールタールピッチを実施例１と同一の装置
を用いて実施例１と同一の条件下でピッチ繊維を大気中
に紡出させた０この時のピッチ繊維の冷却速度は５００
０°Ｃ／ｓｅｃであった。このピッチ繊維は直径２０μ
ｍで曲率半径１．５關の円形にしたところ折損しｆｌｃ
このピッチ繊維を実施例１と全く同一の条件で不融化炭
化した炭素繊維は引張強度７５ｋｇ／ｍ４、引張弾性率
３．４ｔｔｙｎ　／　７　、伸度２，２係であった〇〔
発明の効果〕 以上説明したように、本発明によｎば、如何なるピッチ
類にも適用でき、冷却速度を上げるという簡略な手法に
よって超高伸度を示すという全く新規な性質を有する炭
素材の製造法が提供さ几る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピッチ類をその軟化点以上の温度に加熱した後、
   １０万℃／ｓｅｃ以上の速度で前記軟化点以下の温度に
   まで急冷し、この急冷ピッチ類を炭化あるいは黒鉛化す
   ることを特徴とする超高伸度炭素材の製造方法。