WO1998038140A1 - Sound absorbing and heat insulating material, and method of manufacturing same - Google Patents

Description

吸音断熱材及びその製造方法 技 術 分 野

こ の発明は、 炭素繊維を用 いた吸音断熱材に関 し、 詳 し く は非電 食性の極細の炭素繊維を用 いた吸音断熱材に関する。

こ の発明にい う 吸音断熱材は、 吸音断熱を 目的と する ものに限 ら れず、 専ら吸音を 目的 とする吸音材と して、 ま たは専 ら断熱を 目的 とする断熱材と して も使用で き る。 背 景 技 術

吸音断熱材は、 省エネルギー型の快適な居住空間を作る ための部 材と して、 或い は厳 し い外部環境か ら人や器機等を保護する ための 部材と して益々 重要性が高ま っ てい る。 吸音断熱材には、 従来、 天 然繊維や合成樹脂が使用 さ れていたが、 これ らの繊維は一般に可燃 性であ り 、 火災の と き有毒ガスを発生する。 よ っ て、 安全性に問題 があ る。

こ のため、 こ れ らの素材に代えて今日では無機質材料が用 い られ る よ う にな っ て き てお り 、 特にガラ ス繊維は火災に対する安全性や 成形性 · 施工性が良いため、 吸音断熱材の素材と して広 く 使用 さ れ る よ う にな っ ている。

しか し、 ガラ ス繊維は比重が 2 . 4 〜 2 . 6 g / c m ³ 程度と 大 き い。 こ のため、 ガラ ス繊維を用いた吸音断熱材は、 単位重量当た り の吸音断熱性が十分ではな い と い う 問題があ る。 ま た、 ガラ ス繊 維は吸湿する こ と によ り徐々 に劣化する と共に、 機械的強度 も弱い 。 よ っ て、 ガラ ス繊維を用いた吸音断熱材は、 耐久性が十分でない と い う 問題があ る。 その一方、 今日では安全で高性能な吸音断熱材に対する必要性が 益々増大 している。 例えば高速鉄道車両、 航空機、 宇宙船等の高速 輸送手段においては、 高速性、 快適性等を追求する必然と して、 高 度な安全性、 耐久性、 軽量性等を備えた吸音断熱材が要求されてい る。 具体的には、 優れた吸音断熱性能に加え、 ①軽量である こ と、 ②耐炎性に優れる こ と、 ③火災のと き有毒ガスを発生しないこ と、 ④構造部材に対する腐食性.がないこ と 、 ⑤機械的強度や圧縮復元性 に優れる こ と、 ⑥耐磨耗性に優れる こ と、 ⑦吸湿性がす く ないこ と 、 ⑧施工性がよいこ と などが要求されている。

然るに、 上記のごと く 、 ガラ ス繊維製の吸音断熱材を含め従来の 吸音断熱材は、 これらの用途において十分な信頼性を も つて使用で き る ものではない。 このため、 上記の用途において高い信頼性を も つて使用でき る吸音断熱材の開発が待たれている。 発 明 の 開 示

本発明は、 上述に鑑み、 炭素繊維を用いて吸音性や断熱性に優れ る こ と はも と よ り、 耐久性、 機械的強度や圧縮復元性、 軽量性、 化 学的安定性、 難燃性、 火災時において有毒ガスを発生しない性質、 吸湿しに く い性質に優れ、 かつ非電気腐食性や非導電特性に も優れ た吸音断熱材を提供しょ う とする ものである。

と ころで、 炭素繊維は一般に電気導電性が高 く 制電特性に優れ、 また比較的起電力が大きい。 よ って、 このよ う な炭素繊維の特性は 、 従来よ り帯電防止等に活用されている。 しかしながら、 炭素繊維 の こ の特性は、 吸音断熱材の素材と しては好ま し く ない。

なぜな ら、 電気導電性の高い素材を用いて吸音断熱材を構成 した 場合、 吸音断熱材自体が電気短絡の原因となる と共に、 吸音断熱材 から脱落 し浮遊する素材片が電気回路等の内部に入り こ み内部短絡 の原因となる。 また、 起電力を有する素材である と、 その周囲の他 の部材との間で電気化学反応を生 じ、 結果と して他の部材を電気腐 食する恐れがあるからである。

しか して、 本発明は高速鉄道車両や航空機等に実装可能な吸音断 熱材を提供する こ とを目的とする。 と ころが、 高速鉄道車両等は一 般に金属を主構成材料と しており 、 また電気配線の多い構造物であ る。 よ って、 単にガラ ス繊維に代えて炭素繊維を用いて吸音断熱材 を組成 しても、 本発明の課題が解決できない。

そ こ で、 本発明者らは、 炭素繊維を用いて上記課題を達成 し得る 手段について鋭意研究した。 そ の結果、 炭素繊維の炭化処理温度を 適正に設定する こ と によ り 、 吸音断熱材の強度や吸音断熱性能を向 上させ、 同時に電気腐食性を も改善でき る こ とを見出 した。 また、 炭素繊維を素材とする吸音断熱材による電気腐食は、 吸音断熱材の ガルバニ ッ ク電流を 1 0 A以下とする こ と によ り実質的に防止で き る こ とを見出 した。 こ の知見に基づいて、 下記構成の一群の本発 明を完成 した。

なお、 電気導電性の良否と電気腐食性と は、 必ず し も一義的な関 係にない。 よって本発明で規定するガルバニ ッ ク電流値は、 電気腐 食を起こ さない吸音断熱材となす要件と して極めて重要な意義を有 する。

—群の本発明は次の構成を有する。

( 1 ) 第 1 の発明は、 平均繊維直径 0 . 5 m〜 5 m、 平均繊維 長 1 m m〜 1 5 m mの炭素繊維からなる綿状炭素繊維集合体の繊維 相互が熱硬化性樹脂で接合されている こ とを特徴とする吸音断熱材 である。 ( 2 ) 第 2 の発明は、 上記第 1 の発明において、 前記吸音断熱材 を一方電極と し、 アル ミ ニ ウ ム板を他方電極と し、 0 . 4 5 重量％ 塩化ナ ト リ ゥム水溶液を電解液とするガルバニッ ク セルにおけるガ ルバニ ッ ク電流が 1 0 A以下である こ とを特徴とする。

( 3 ) 第 3 の発明は、 上記第 1 または第 2 の発明において、 前記 吸音断熱材の嵩密度が S K g Zm ³ 以上、 1 O K g Z m ³ 以下であ る こ とを特徴とする。

( 4 ) 第 4 の発明は、 上記第 1 ない し第 3 の発明において、 前記 吸音断熱材の最大引張強度が 1 . O g Z m m ² 以上である こ とを特 徵とする。

( 5 ) 第 5 の発明は、 上記第 1 ない し第 4 の発明において、 前記 吸音断熱材の圧縮復元率が 7 0 %以上である こ とを特徴とする。

( 6 ) 第 6 の発明は、 上記第 1 ない し第 5 の発明において、 前記 吸音断熱材の最大引張強度方向に直交する方向における最小引張強 度が前記最大引張強度の 0 . 0 4 倍以上であ り、 かつ前記最大引張 強度方向と前記最小引張強度の方向の双方に直交する方向の引張強 度が前記最大引張強度の 0 . 7 6 倍以上である こ と を特徴とする。

( 7 ) 第 7 の発明は、 上記第 1 ない し第 6 の発明において、 前記 吸音断熱材の熱伝導率が 0 . 0 3 9 W/ m · °C以下である こ とを特 徴とする。

( 8 ) 第 8 の発明は、 上記第 1 ない し第 7 の発明において、 前記 吸音断熱材の 2 5 m m厚における周波数 1 0 0 0 H z での垂直入射 吸音率が 4 8 %以上である こ とを特徴とする。

( 9 ) 第 9 の発明は、 上記第 1 ない し第 8 の発明において、 前記 炭素繊維が縮合多環炭化水素を重合して得た異方性ピッ チからなる ものである こ とを特徵とする。

( 1 0 ) 第 1 0 の発明は、 縮合多環炭化水素を重合 して得た異方 性ピッ チを加熱溶融し、 こ の溶融物を紡糸ノ ズルから吐出する と と もに、 前記紡糸ノ ズルの周囲から前記溶融物の吐出方向と同方向に 加熱ガスを噴出させる こ と によ っ て紡糸する紡糸工程と、 紡糸 した 繊維を不融化した後、 6 5 0 °C以上、 7 5 0 °C未満の温度で炭化処 理して非電食性炭素繊維を作製する炭素繊維作製工程と、 前記非電 食性炭素繊維を熱硬化性樹脂液を噴霧 しながら平面上に綿状に堆積 する噴霧堆積工程と、 噴霧堆積 した ものを加熱成形する加熱成形ェ 程と、 を備える吸音断熱材の製造方法である。

( 1 1 ) 第 1 1 の発明は、 上記第 1 0 の発明において、 前記噴霧 堆積工程が、 前記非電食性炭素繊維を綿状に堆積する堆積工程と、 この綿状の炭素繊維堆積物に熱硬化性樹脂液を噴霧する噴霧工程と からなる こ とを特徴とする。

( 1 2 ) 第 1 2 の発明は、 上記第 1 0 または第 1 1 の発明におい て、 前記噴霧堆積工程または前記堆積工程における堆積方法が、 空 気で開繊 した炭素繊維を少な く と も 1 0 0 c m以上の高さから平面 上に落下させて行う こ とを特徴とする。

( 1 3 ) 第 1 3 の発明は、 上記第 1 1 または第 1 2 の発明におい て、 前記綿状の炭素繊維堆積物の嵩密度が 1 . 3 K g m ³ 以下で ある こ とを特徴とする。 こ こ で、 上記における引張強度は、 定速緊張型引張試験機を用い

、 引張速度 2 0 m m / m i n、 試料長 5 0 m m、 試料サイ ズ 5 0 m m X 5 0 m m x 2 5 m m厚 （図 1 5 、 図 1 6 参照） で測定 した値で ある。 引張試験方法の詳細は、 後記の 〔引張強度の測定条件〕 の通 り であ る。

熱伝導率は、 A S T M C - 5 1 8 (American Society for Tes ting and Material ； 熱流計法） に従い温度 2 2 °Cで測定 した値で ある。

垂直入射吸音率は、 J I S A— 1 4 0 5 に従い測定 した値であ る。

圧縮復元率は、 1 0 O m m x 1 0 O m m X厚み 2 5 m mの吸音断 熱材試料片に対し、 厚み方向から直径 7 6 mmの圧荷子で 0 . 7 K / c m ² の加重を 3 0 分間加え、 抜重する と いう サイ ク ルを 2 4 回繰り返した後の厚みを測定 し、 当初の厚み （ 2 5 m m ) に対する 百分率で表示 した ものである。

更に、 ガルバニッ ク電流と は、 セルダィ アグラムが炭素繊維電極 I 0. 4 5重量％塩化ナ 卜 リ ゥ ム水溶液 I アル ミ ニ ウ ム電極で表さ れるガルバニ ッ クセルで測定 したと きにおける電流値をい う。 詳細 は後記する。 図 面 の 簡 単 な 説 明

図 1 は、 炭素繊維の炭化処理温度と ガルバニ ッ ク電流及び電気腐 食の関係を示すグラ フである。

図 2 は、 炭素繊維の炭化処理温度と単繊維の引張強度との関係を 示すグラ フである。

図 3 は、 炭素繊維の炭化処理温度と、 こ の炭素繊維を用いた吸音 断熱材の引張強度との関係を示すグラ フである。

図 4 は、 炭素繊維 （異方性ピ ッ チ及び等方性ピッ チ） の炭化処理 温度と単繊維の引張強度との関係を示すグラ フである。

図 5 は、 炭素繊維 （異方性ピッ チ及び等方性ピッ チ） の炭化処理 温度と、 こ の炭素繊維を用いた吸音断熱材の引張強度と の関係を示 すグラ フである。

図 6 は、 炭素繊維の繊維直径と吸音断熱材の熱伝導率との関係を 示すグラ フである。

図 7 は、 炭素繊維の繊維直径と吸音断熱材の 1 0 0 0 H z におけ る垂直入射吸音率との関係を示すグラ フである。

図 8 は、 炭素繊維を主構成材料とする吸音断熱材の吸音特性を示 すグラ フである。

図 9 は、 炭素繊維を主構成材料とする吸音断熱材の嵩密度と断熱 性 （ 1 /ス ） の関係を示すグラ フである。

図 1 0 は、 炭素繊維を主構成材料とする吸音断熱材の嵩密度と単 位嵩密度当たりの断熱性能■ ( ( 1 / λ ) I ρ ) の関係を示すグラ フで ある。

図 1 1 は、 後記実施例 1 ~ 6 、 比較例 1 ~ 2 で用いた炭素繊維前 駆体の繊維直径の分布図である。

図 1 2 は、 ガルバニッ クセルの概略見取り図である。

図 1 3 は、 電気腐食試験を説明するための説明図である。

図 1 4 は、 C F製吸音断熱材を構成する炭素繊維相互の接合伏態 (接合点 · ） を示す概念図である。

図 1 5 は、 引張強度の測定方法 （幅方向、 長手方向） を説明する ための図である。

図 1 6 は、 引張強度の測定方法 （厚み方向） を説明するための図 5ある 発明を実施するための最良の形態

実験及び実験結果を示す図 1 〜図 1 3 に基づいて、 本発明の内容 を具体的に説明する。 こ の説明で本発明構成の作用効果が明 らかに な る。

以下の実験では、 特に明示のない限 り 、 平均繊維直径 1 . 3 m (繊維直径 0 . 5 111 ~ 3 '. 5 m ) 、 平均繊維長 5 m m (繊維長 1 m m〜 1 5 m m ) の異方性 ピ ッ チを原料とする炭素繊維を使用 し 、 ま た こ の炭素繊維を熱硬化性樹脂で接合 してな る嵩密度 4 . 8 K g /m ³ の吸音断熱材 （炭素繊維 3 次元構造体のみで構成） を使用 した。 なお、 こ の吸音断熱'材の製法等の詳細については後記する。 ま た、 以下では炭素繊維相互の交点を熱硬化性樹脂で接合 してな る 吸音断熱材を 「 C F 製吸音断熱材」 と し、 ガラ ス繊維か ら な る従来 の吸音断熱材をガラ ス繊維製吸音断熱材 （図中では G F ) と称する 初めに実験方法を説明する。

ガルバ二 ッ ク 電流の測定方法

図 1 2 にガルバニ ッ ク電流の測定装置を示す。 図 1 2 中、 1 は炭 素繊維電極 （一方電極） であ る。 こ の炭素繊維電極 1 は、 炭素繊維 自体のガルバニ ッ ク 電流を測定する場合に は、 炭素繊維 1 0 0 m g を厚み l m m、 幅 4 O m m、 高さ 5 0 m mの集合体と な し こ れを炭 素繊維電極と した。 ま た、 C F 製吸音断熱材のガルバニ ッ ク 電流を 測定する場合に は、 上記と 同サイ ズ.に調製 した C F製吸音断熱材を 炭素繊維電極と した。

2 は、 厚さ l m m、 幅 4 0 m m、 高さ約 5 0 m mのアル ミ ニ ウ ム 合金 2 0 2 4 か ら な る アル ミ ニ ウ ム電極 （他方電極） であ る。 3 a は、 炭素繊維電極 1 と アル ミ ニ ウ ム電極 2 と の距離を規制する ため に、 両電極の間に介在させた 0 . 2 m m厚のガラ ス ク ロ スであ る。 4 はガラ ス板であ る。 こ のガラ ス板 4 は、 炭素繊維が脱落 しな いよ う にガラ ス ク ロ ス 3 b ( 0 . 2 m m厚） を介 して炭素繊維電極 1 の 他方面を押さ え る役割を担っ てい る。

5 は、 0 . 4 5 重量％の塩化ナ ト リ ウ ム水溶液 （ 2 0 0 m l ) か ら な る電解液であ る。 7 は、 無抵抗電流計 （北斗電工 （株） 製、 H M— 1 0 4 ) であ る。 8 はガラ ス製 ビーカ （ 3 0 0 m l ) であ る。 更に、 1、 2、 3 a、 3 b .、 4 か らな る電極群 9 は電解液 5 に浸漬 さ れ、 電極 1 及び 2 はその上端に取付け られた リ ー ド線 6 を介 して 無抵抗電流計 7 に接続さ れてい る。

上記のよ う な構造のガルパニ ツ ク 電流測定装置を用 い、 電解液 5 に電極群 9 を浸漬 した後、 1 時間後に電流計 7 で電流値を読み取 り 、 こ の電流値をガルバニ ッ ク 電流と した。 電気腐食性の判定方法

図 1 3 に示す試験体 1 2 を用い電気腐食性の有無を判定 した。 図 1 3 中、 1 0 は、 縦 4 0 1!1 111 横 4 0 111 11 厚み 2 0 111 111の大き さ に調製 した綿状炭素繊維集合体ま たは同様な形状に調製 した C F 製 吸音断熱材か ら な る試験片であ る。 他方、 1 1 は、 表面を鏡面状に 磨き 、 更に 2 % C r 0 ₃ と 2 % H ₃ P 0 , と か ら な る溶液で表面を 処理 し た縦 4 O m m x横 4 O m m x厚み l m mのアル ミ 合金 2 0 2 4 の板であ る。 1 2 は、 試験片 1 0 の両側をアル ミ 合金板 1 1 で挟 んだ試験体であ る。

上記試験体 1 2 を相対湿度 9 0 % 温度 4 0 °Cの部屋に 2 4 時間 放置 し、 2 4 時間後に今度は通常の室内 （温度 1 8〜 2 7 °C、 相対 湿度 4 0 ~ 7 0 % ) に移 し、 こ こで 2 4 時間放置する。 そ して、 2 4 時間後に再び相対湿度 9 0 % s 温度 4 0 °Cの部屋に戻すと い う サ イ ク ルを 1 5 回 （ 3 0 日 間） 繰 り 返 した。 1 5 回後 （ 3 0 日後） にアル ミ ニ ウ ム鏡面を肉眼観察 し、 アル ミ ニ ゥ ム鏡面が当初のま ま であ る場合を 「電気腐食な し （一） 」 、 ァ ル ミ ニ ゥ ム鏡面にやや曇 り が認め られる場合を 「電気腐食少 しあ り (土） 」 、 アル ミ ニ ウ ム鏡面が明 らかに腐食さ れてい る塲合を 「電 気腐食あ り （十） 」 と判定 した。

吸音断熱材の引張強度、 熱伝導率、 垂直入射吸音率、 圧縮復元率 は、 前記 し た方法によ り 測定 した。 他方、 単繊維の引張強度は、 J I S R— 7 6 0 1 に従い測定 した。 こ の測定方法の詳細は当該箇 所に記載す る。

次に図に基づいて順次実験結果を説明する。 カ ルバニ ッ ク 電流と電気腐食の関係

図 1 は、 縮合多環炭化水素を重合 した異方性 ピ ッ チを平均繊維直 径 1 . 3 ί m , 平均繊維長 5 m mに紡糸 し不融化処理 した炭素繊維 前駆体に対する炭化処理温度と 、 炭化処理後の炭素繊維又は こ の炭 素繊維を用 い作製 した C F製吸音断熱材のガルパニ ツ ク 電流と の関 係、 並びに電気腐食の有無 （ † ) と の関連を示す図であ る。

図中の ·— ·は炭素繊維のガルパニ ツ ク 電流を示 し、 X — X は C F 製吸音断熱材のガルバニ ッ ク 電流を示す。 なお、 図 1 の横軸 （ガ ルバニ ッ ク 電流） は対数目盛 り で示 してあ る。

図 1 か ら明 らかな ごと く 、 炭化処理温度が上昇す る と 、 ガルバ二 ッ ク 電流が指数関数的に大き く な つ た。 他方、 「電食の有無」 と の 関連では、 ガルパニ ッ ク電流 2 0 A において電気腐食が若干認め られた ものの、 1 0 A以下では電気腐食が認め られなか っ た。 こ れ らの結果か ら、 炭素繊維のガルバニ ッ ク電流を 2 0 A以下 と し、 よ り 好ま し く は 1 0 A以下とすれば、 実質的に電気腐食を 防止で き る こ と が判る。 ま た、 横軸と 「電食の有無」 と の対応関係 か ら、 電気腐食を生 じ さ せな い炭素繊維と成すためには、 炭化処理 温度を 8 0 0 °C以下、 よ り 好ま し く は 7 5 0 °C以下と すれば良い こ と が判る。

こ こ において、 炭素繊維前駆体を十分に炭化する ためには、 5 5 0 °C以上の温度を必要と し、 5 5 0 °C未満であ る と 炭化処理が不充 分と な る恐れがあ る。 こ の こ と 力、 ら、 炭化処理温度と しては、 5 5 0 °Cか ら 8 0 0 °C以下、 よ り 好ま し く は 了 5 0 °C以下とするのがよ い o

と こ ろで、 図 1 の実験において、 炭素繊維のガルバニ ッ ク 電流が 2 0 A において若干の電気腐食が認め られたが、 上記電気腐食試 験は、 相対湿度 9 0 % . 温度 4 0 °Cの条件を繰 り 返す過酷な条件で の測定結果であ る。 然る に、 吸音断熱材の使用条件は通常こ れほ ど 過酷ではない。 したが っ て、 ガルバニ ッ ク 電流を 2 0 A未満と す れば、 電気腐食の発生が防止で き る と考え られる。

ま た、 炭素繊維自体 （暴一書） のガルバニ ッ ク電流と 、 こ の炭素 繊維を用いた C F 製吸音断熱材 （ X — X ) のガルバニ ッ ク 電流に は 若干のズ レがあ るが、 こ のズ レ は、 C F 製吸音断熱材に含ま れる熱 硬化性樹脂の影響と 考え られる。 すなわち、 熱硬化性樹脂がガルバ ニ ッ ク 電流を低下さ せる よ う に作用する。 こ の こ と 力、 ら、 ガルバ二 ッ ク電流が 2 0 A以下の炭素繊維を使用 して C F 製吸音断熱材を 作製すれば、 実質的に電気腐食を生 じない C F 製吸音断熱材が得 ら れる もの と考え られる。 但 し、 上記 した ごと く 、 よ り 好ま し く はガ ルバニ ッ ク電流を 1 0 A以下と するのがよ い。 炭化処理温度と 引張強度、 伸度 と の関係 図 2 に炭化処理温度と単繊維の引張強度 （ K g m m ² ) 及び伸 度との関係を示す。 また、 図 3 上側に C F製吸音断熱材の長手方向 の引張強度 （ g / m m ² ) と こ の C F製吸音断熱材を組成する炭素 繊維の炭化処理温度との関係を示 し、 図 3 下側に上記 C F製吸音断 熱材の圧縮復元率 （％ ) を炭化処理温度との関係を示す。

なお、 単繊維の引張強度は J I S R - 7 6 0 1 に従い測定した 値であるが、 繊維直径 0 . 5 m〜 3 . 5 m (平均繊維直径 1 . 3 u m ) の極細の繊維の引張強度を測定する こ とが困難である。 そ こで、 繊維直径以外の条件を同一と して、 繊維直径 1 0 〜 1 3 a m の炭素繊維を作製し、 この繊維を用い引張強さを測定し測定結果を 単位断面積当た り に換算して示 した。 また、 C F製吸音断熱材は、 炭素繊維 3 次元構造体 （嵩密度 4 . 8 K / m ³ ) のみで構成 した ものを用い、 後記 〔引張強度の測定条件〕 に記載 した条件で測定 し た値である。

図 2 から明らかな ごと く 、 炭素繊維自体の引張強度は、 炭化処理 温度が高 く なるに従い一次関数的に大き く なつた。 これに対 し、 伸 度は、 6 5 0 °C付近に極大値を有していた。 ま た、 6 2 5 °C〜 8 0 0 °Cで大き く 、 8 0 0 °C以降では変化しないと い うパタ ー ンを示 し た。

他方、 図 3 から明らかなごと く 、 C F製吸音断熱材の引張強度は 、 7 0 0 °C付近に極大値、 8 0 0 °C付近に極小値を有していた （図 3 上側） 。

また、 C F製吸音断熱材の圧縮回復率と炭化処理温度の関係も、 上記引張強度曲線と炭化処理温度との関係と同様な挙動を示 してい た （図 3 下側） 。

これらの結果から、 概ね 6 2 5 "C ~ 8 0 0 °Cの範囲の温度で炭化 処理する こ と によ り 、 伸度の大き い炭素繊維が得られ、 こ の炭素繊 維を用いて C F製吸音断熱材を作製する と、 1 . O g Z m m ² 以上 の引張強度を有する C F製吸音断熱材となすこ とができ、 こ の C F 製吸音断熱材は圧縮復元率に優れる こ とが判る。

こ こで、 図 2、 3 において、 炭素繊維 （単繊維） の引張強度と炭 化処理温度との関係が一次関数的であ る のに対し、 この炭素繊維を 用いて作製 した C F製吸音断熱材の引張強度と炭化処理温度との関 係、 及び圧縮復元率と炭化処理温度との関係が、 予想に反して極大 値と極小値を有する 2 次関数曲線とな ったのは、 炭素繊維の伸度が C F製吸音断熱材の引張強度や圧縮復元率に大き く 影響するためと 考え られる。 次にこのこ とを考察する。

図 1 4 に、 C F製吸音断熱材を構成する炭素繊維相互の接合状態 (接合点 ， ） を示す概念図を示す。 図 1 4 において、 C F製吸音断 熱材を矢印方向に引 っ張っ た場合、 網目を構成する各線分が引 っ張 り方向を向 く よ う に網目の形状が変化するが、 引張方向に対する線 分長がそれぞれ異なる。 したがっ て、 特定の辺を構成する線分によ り大き い引張力が掛かるので、 その線分が切断されるか、 ま たはそ の線分を接着 している接合点 「 · 」 が外れる こ と にな る。

こ こ において、 網目が伸度の大き い線分 （炭素繊維） で構成され ている場合には、 特定の辺 （線分） によ り大き い引張力が掛かる と 、 その辺が伸びる結果、 他の辺と合力された抗力によ って引張力に 抗する こ とができ るよ う になる。 つま り、 網目がネ ッ 卜 ワー ク と し て抗カでき る よ う にな るので、 線分の切断や接合点 「 · 」 の外れが 減少し、 全体と しての引張強度が大き く なる。 そ して、 このよ う な ネ ッ 卜 ワーク と しての引張強度は、 単繊維の伸度と引張強度が好適 にバラ ンス したと き に最も大き く なる と考え られる。 すなわち、 図 2 、 図 3 の結果は、 7 0 0 °Cで炭化処理 した場合に 単繊維の引張強さ と 伸びと が最 も好適にバラ ンス し、 全体と しての 引張強度 （ C F 製吸音断熱材の引張強度） が大き く な り 、 ま た こ れ によ つ て C F 製吸音断熱材の圧縮復元率が高ま る こ と を示す もので あ る。 等方 ピ ッ チ と 異方 ピ ッ チと の差異

図 4 に、 縮合多環炭化水素を重合 した異方性 ピ ッ チを原料 と する 炭素繊維と 、 石炭タ ールか ら な る等方性 ピ ッ チを原料と する 炭素繊 維の炭化処理温度と 引張強度の関係をそれぞれ示す。 ま た図 5 に、 こ れ ら の炭素繊維で構成 した C F 製吸音断熱材 （嵩密度 4 . 8 K g / m ³ ) について、 炭素繊維の炭化処理温度と C F 製吸音断熱材の 引張強度 （長手方向の引張強度） と の関係を示す。

図 4 か ら明 らかな ごと く 、 異方性 ピ ッ チを原料と する炭素繊維は 、 等方性 ピ ッ チを原料とする炭素繊維に比べ引張強度が格段に大き かっ た。 ま た図 5 か ら、 等方性 ピ ッ チを原料とする炭素繊維を用 い た じ F 製吸音断熱材の引張強度は、 異方性 ピ ッ チの場合におけ る よ う な極大値、 極小値を有さ なか っ た。 こ の実験結果か ら、 極大、 極 小値の存在は、 縮合多環炭化水素を重合 した異方性 ピ ッ チを原料と す る 炭素繊維におけ る特有の特性であ る と いえ る。 それゆえ極大、 極小値の存在は、 本発明にかかる C F製吸音断熱材の性能及び生産 効率を高め る上で極めて重要な意義を有する。

以上、 図 1 〜図 5 の実験結果か ら次の こ と が結論でき る。 炭素繊 維の伸度 （粘 り 強さ ） 及び C F 製吸音断熱材と した と き の引張強度 の面か ら、 炭素繊維前駆体と しては、 縮合多環炭化水素を重合 して な る異方性 ピ ッ チを原料と する のがよ い。 ま た、 電気腐食性及び引 張強度、 伸度の面から、 炭素繊維前駆体の炭化処理温度は 5 5 0 °C 以上、 8 0 0 °C未満、 好ま し く は 5 5 0 〜 7 5 0 °C、 よ り好ま し く は 6 5 0 °C ~ 7 5 0 °Cとする。 6 5 0 °C〜 7 5 0 °Cで炭化処理した 炭素繊維を用いて C F製吸音断熱材を構成すれば、 1 . O g /m m r ³ 以上の引張強度を有し、 且つガルバニ ッ ク電流が 1 0 A以下の C F製吸音断熱材を得られる。 こ の C F製吸音断熱材は、 実質的に 電気腐食を生じない。 繊維直径と熱伝導率、 垂直入射吸音率の関係

] 0 図 6 に、 C F製吸音断熱材 （嵩密度 4 . 8 K g / m ³ 、 厚みは 2

5 m m ) の熱伝導率 λ ( W / m - °C ) と、 当該吸音断熱材を組成す る炭素繊維の平均直径との関係を示す。 また、 図 7 に同上 C F製吸 音断熱材の炭素繊維の平均直径と 1 0 0 0 H Z における垂直入射吸 音率の関係を示す。 更にまた、 図 6 及び図 7 には、 比較基準と して _] 5 ガラス繊維 （ G F ) を用いた従来の吸音断熱材 （嵩密度 4 . 8 K g /m ³ 、 平均繊維直径 1 m、 平均繊維長 1 O m m) の熱伝導率ま たは垂直入射吸音率を併記する （プロ ッ 卜 X ) 。

なお、 製造された炭素繊維の直径は、 図 1 1 のよ う に分布するの で、 ある定ま っ た平均直径の C F製吸音断熱材を製造する のは、 製 2 0 造上種々 の工夫及び測定上の手間を要する。 よ って、 図 6 、 図 7 は 、 ト ラ イ ア ン ドエラーによ り得た。

図 6 において、 炭素繊維の直径が大き く なるに従い熱伝導率が增 加するが、 平均直径が 5 m以下の炭素繊維を用いた C F製吸音断 熱材であれば、 平均直径 1 mのガラ ス繊維製吸音断熱材 （熱伝導 5 率 0 . 0 3 9 W Z m · °C ) と同等以上の断熱性能が得られる こ とが 判る。 つま り 、 平均直径 5 mの数値限定の内と外では、 C F製吸 音断熱材が、 平均直径 1 mの ガラ ス繊維製吸音断熱材と同等以上 の断熱性能を保持し得るのか、 保持し得ないのかを区別する意義が ある。 そ して、 図 6 において、 ガラス繊維の平均直径に比較 し、 よ り大きな平均直径の炭素繊維を用いても、 ガラ ス繊維製吸音断熱材 _Γ よ り も良好な断熱性能が得られたと いう事実は、 太い炭素繊維の方 が製造容易である こ とから、 予想外の好都合な実験結果であ った。 一方、 図 7 から、 炭素繊維の平均直径が大き く なるに従い垂直入 射吸音率が低下するが、 概ね平均直径 2 m以下の炭素繊維を用い れば、 従来のガラス繊維製吸音材 （ X ) と同等以上の垂直入射吸音 ₀ 率 （ 2 5 m m厚で 4 8 %以上） が得られる こ とが判る。 つま り、 平 均直径 2 μ mの数値限定の内と外では、 C F製吸音断熱材が、 平均 直径 1 mのガラス繊維製吸音断熱材と同等以上の吸音性能が得ら れるか、 得られないかを区別する意義がある。 そ して、 図 7 におい て、 ガラス繊維の平均直径に比較 し、 よ り大きな平均直径の炭素繊 5 維を用いても、 ガラ ス繊維製吸音断熱材よ り も良好な吸音率が得ら れたと い う事実は、 太い炭素繊維の方が製造容易である こ とから、 予想外の好都合な実験結果であった。

以上から、 炭素繊維の平均直径と しては、 5 m以下、 よ り好ま し く は吸音率の点から 2 m以下がよ いが、 平均繊維直径 0 . 5 0 m未満の炭素繊維を製造する こ と は現在のと こ ろむづか しい。 よ つ て、 炭素繊維の平均直径と しては、 0 . 以上、 5 m以下、 よ り好ま し く は 2 / m以下とする。

他方、 炭素繊維の長さ （繊維長） については、 平均繊維直径 0 . 5 m ~ 5 /z mの極細の炭素繊維について 1 5 m mを超える平均繊 5 維長の ものを製造するのは容易でない。 また、 1 5 m mを超える長 い繊維である と、 炭素繊維集合体を作製する際に繊維の向きが 2 次 元的に配向 し易いので、 好ま し く ない。 一方、 平均繊維長 1 m m未 満の短い炭素繊維である と、 繊維同志の絡み合いが生 じに く いので 、 良好な 3 次元構造体を形成できないと共に、 構造体から炭素繊維 が脱落し易 く 、 脱落 した炭素繊維が、 例えば周囲にある電気回路内 に入り込み電気器機を故障させる等の問題を生じる。 これに対し、 3 mm〜 8 mmの平均繊維長である と、 製造し易 く 、 また 3 次元的 に配向させ易い。

よ って、 平均繊維長と しては、 1 m m以上、 1 5 m m以下、 よ り 好ま し く は 3 m m以上、 8 m m以下とする。

なお、 図 8 に平均繊維径 1 . 3 mまたは 1 3 mの炭素繊維を 用いて作製 した C F製吸音断熱材の周波数 -垂直入射吸音率曲線を 示す。 両者の比較から、 平均繊維径 1 . 3 mの極細の炭素繊維を 用いた C F製吸音断熱材は、 特に高周波数領域における吸音性がよ いこ とが判る。 嵩密度と断熱性

嵩密度のみを変化させた種々の C F製吸音断熱材を作製 し、 これ らの C F製吸音断熱材の熱伝導率 λ ( λ = W / m · °C ； Wはヮ ッ ト） を測定 した。 図 9 に、 測定結果を嵩密度と 1 / λ (断熱性） と の関係で表 した。 こ の図に基づいて、 C F製吸音断熱材の嵩密度と 断熱性 （ 1 ノス ） との関係を説明する。 なお、 図 9 には、 C F製吸 音断熱材 （厚みは 2 5 m m ) における結果 （秦ー ·） と、 平均繊維 直径 1 . 0 mまたは 2 . 5 m、 平均繊維長 5 〜 1 5 m mの従来 の吸音断熱材 （ X ) の双方が表示 してある。

図 9 から、 嵩密度が大き く なるに従い断熱性 （ 1 / λ ) が良 く な るが、 その向上程度は嵩密度が大き く なるに従い縮小する こ とが判 る。 ま た、 同一嵩密度での比較において、 C F製吸音断熱材の断熱 性がガラ ス繊維製吸音断熱材よ り も遙に優れている こ とが判る。 つ ま り、 C F製吸音断熱材は、 ガラ ス繊維製吸音断熱材よ り も軽量な もので同等の断熱性が得られる。 更に、 嵩密度が 3 K g m ³ 以上 の C F製吸音断熱材であれば、 平均繊維直径 1 . 0 mのガラ ス繊 維製吸音断熱材と同等乃至それ以上の断熱効果が得られる こ とが判 る。

図 1 0 に横軸に嵩密度を取り 、 断熱性 （ 1 I ) を嵩密度 p で除 した値 （ （ 1 ノス ） / p ) を縦軸に取っ た図を示す。 こ の図によ り 吸音断熱材の単位嵩密度当たり の断熱性 （重量当たり断熱性能） が 明 らかになる。 すなわち、 図 1 0 において、 嵩密度が大き く なる に 従いほぼ直線的に単位嵩密度当た り の断熱性が低下 しており 、 嵩密 度が小さ いほど重量当た り の断熱性能が良いこ とが判る。 ま た、 C F製吸音断熱材は、 ガラ ス繊維製吸音断熱材 （ X ) に比べ重量当た り断熱性能 （ （ 1 / λ ) / ρ ) に優れる こ とが判る。

更に、 嵩密度 1 O K g / m ³ の C F製吸音断熱材の重量当た り断 熱性能と、 嵩密度 6 . 7 K g / m ³ のガラ ス繊維製吸音断熱材 （ X ) の重量当た り断熱性能とが略同等である。 この結果から、 C F製 吸音断熱材の嵩密度を 1 0 K g / m ³ 以下とすれば、 少な く と も従 来よ り用い られている代表的な吸音断熱材であるガラ ス繊維製吸音 断熱材 （嵩密度 6 . 7 K g / m ³ ) と同等以上の断熱性能が保証で き る こ とが判る。

以上から、 C F製吸音断熱材の嵩密度と しては、 好ま し く は 3 K g Z m ³ 以上、 1 0 K g Z m ³ 以下とする。 圧縮復元率 圧縮復元率は、 C F製吸音断熱材の機械的強度を反映する特性の 一つである。 圧縮復元率の小さ い吸音断熱材を、 例えば振動や振動 に伴う 圧縮力が作用する条件下で使用 した場合、 短期間の う ちに初 期の吸音断熱効果が得られな く なる。 なぜな ら、 圧縮復元率の悪い ものである と、 振動や圧縮を受ける と次第に嵩が小さ く なる。 嵩が 小さ く なる と内部空隙が減少する ので、 吸音断熱材自体の性能が低 下する。 また、 嵩の縮小によ り実装空間に隙間ができ るからである こ こで、 本発明の目的の一つは、 従来品であるガラ ス繊維製吸音 断熱材と同等以上の性能を有する C F製吸音断熱材を提供する こ と にある。 よ って、 少な く と もガラ ス繊維製吸音断熱材と同程度の圧 縮復元率が確保されねばな らない。 従来よ り用い られている代表的 なガラ ス繊維製吸音断熱材 （嵩密度 6 . 7 K / m ³ ) の圧縮復元 率は、 7 0 %である （後記表 4 の比較例 4 参照） 。

よ って、 C F製吸音断熱材の圧縮復元率と しては、 少な く と も 7 0 %以上が好ま し く 、 よ り好ま し く は 8 5 %以上とする。 圧縮復元 率が 8 5 %以上であれば製造時や実装時における外力に耐える こ と ができ、 恒常的に振動や圧縮力がかかる状況でも使用可能だか らで ある。

3 軸方向の引張強度比率

本発明の C F製吸音断熱材の更なる限定要素を説明する。 本発明 は、 極細の炭素繊維を用い軽量で高性能な C F製吸音断熱材の提供 を目的と し、 かつ高速鉄道車両や航空機などにおけるよ う な恒常的 に振動や圧縮力がかかる用途で使用可能な ものを提供しょ う とする が、 極細の繊維を用い、 嵩密度の小さい C F製吸音断熱材を作製し た場合、 中太の繊維を用いた嵩密度の大きな ものに比べ、 機械的強 度が小さ く なる。 このため、 取扱性、 施工性、 耐久性に劣ものとな り易い。

特に、 縦方向、 横方向、 厚み方向の 3 方向の強度に極端に差があ る と、 強度の弱い方向から崩壊し易いが、 極細の繊維を用い且つ嵩 密度の小さ い ものとする以上、 各方向の絶対的強度をそれ程大き く する こ と にはできない。 よ って、 軽量で嵩密度が小さ く 、 しかも取 扱性、 施工性、 耐久性、 圧縮復元率に優れた C F製吸音断熱材と成 すためにには、 3 次元座標における X、 Y、 Ζ軸 （以下、 3 軸と い う ） の各方向の引張強度の差を小さ く する必要がある。

以上から、 本発明の好ま しい形態と しては、 吸音断熱材の最大引 張強度方向に直交する方向における最小引張強度を前記最大引張強 度の 4 %以上と し、 前記最大引張強度方向と前記最小引張強度の方 向の双方に直交する方向の引張強度を前記最大引張強度の 3 5 %以 上とする。

以下、 この数値の根拠を表 1 、 表 2 に基づいて説明する。 表 1 は 、 嵩密度のみを変えた吸音断熱材について、 長手方向、 幅方向、 厚 み方向の 3 軸の各方向から引張強度を測定した結果である。 表 2 に 、 最大引張強度方向の引張強度に対する最少引張強度方向の引張強 度及び中間引張強度方向の引張強度の比率、 並びに中間引張強度方 向の引張強度に対する最少引張強度方向の引張強度の比率 （百分率 で表示） を示す。

なお、 通常、 最少引張強度方向は厚み方向であ り、 最大引張強度 は長手方向又は幅方向となる。 また、 中間引張強度方向と は、 最大 引張強度と最少引張強度の中間に位置する引張強度の方向であ り 、 通常では幅方向が中間引張強度方向となる。 〔引張強度の測定条件〕

定速緊張型引張試験機を用い、 次の条件で測定 した。

( 1 ) 幅方向、 長手方向の引張強度

引張ス ピー ド 2 0 m m Z m i n

スパン （試料長） 5 0 m m

試料サイズ 縦横 5 O m m、 厚み 2 5 m m (図 1 5 参照）

( 2 ) 厚み方向の引張強度

引張ス ピ一 ド 2 0 m m m n

スパ ン （厚み） 2 5 m m

試料サイ ズ 縦横 6 0 m m、 厚み 2 5 m m (図 1 6 参照）

こ こで、 厚み方向の引張強度は、 C F製吸音断熱材の両面 （図 1 6 の引張しろ部分） に板を張りつけ、 こ の板を矢印方向に引 っ張る 方法によ り測定した。 比較対象と したガラ ス繊維製吸音断熱材は、 平均繊維直径 1 μ m、 平均繊維長 1 0 m mのガラ ス繊維からなる も のである。

表 1

(引 »J ; g/mm² ) 表 2

百分率 表 1 で明らかと なるよ う に、 同一の嵩密度で比較 した場合、 C F 製吸音断熱材の方がガラ ス繊維製吸音断熱材よ り も大きな引張強度 であ つ た。 特に両者の幅方向及び厚み方向の引張強度に大き な差が 認め られた。 具体的には、 C F製吸音断熱材の厚み方向の引張強度 方向は、 嵩密度 5 K g m ³ でガラス繊維製吸音断熱材の 8 . 5 倍 であ り 、 嵩密度 1 0 K gノ m ³ でガラス繊維製吸音断熱材の 1 5 倍 であった。

他方、 表 2 において、 最少/最大、 中間 Z最大、 最少/中間の各 引張強度比率 （百分率） を同一嵩密度で比較 した場合、 C F製吸音 断熱材の方が、 ガラ ス繊維製吸音断熱材 （従来品） よ り も各数値が 大き く 、 それだけ各軸方向の引張強度に差が少ないこ とが半 ijる。 特 に C F製吸音断熱材の長手方向と幅方向の差が極めて小さ い こ とが 判る。 具体的には、 C F製吸音断熱材の中間引張強度方向 Z最大引 張強度方向の比率は、 嵩密度 3 K g /m ³ ~ 1 0 K g / m ³ におい て、 8 6 %以上であった。 また、 最少引張強度方向/最大引張強度 方向の比率は、 嵩密度 3 K g /m ³ 〜 7 K g Zm ³ において、 5 . 4 以上であ っ た。

と こ ろで、 吸音断熱材の製造時や実装時における取扱性や耐久性 等を考慮する と、 3 軸の各方向の引張強度差が小さ いほどよいが、 製造上の理由から引張強度差を無く すこ と は困難である。 なぜな ら 、 炭素繊維を堆積 して綿状の炭素繊維集合体を作製する製法を採用 した場合、 堆積に際して繊維が重力に対 しよ り安定な配向状態にな ろ う とする ので、 堆積物を組成する繊維の多 く は重力と直交する方 向に配向する。 つま り、 長手方向又は幅方向に配向 し易いので、 こ のよ う な配向状態の繊維を接合 してなる吸音断熱材では、 長手方向 又は幅方向の引張強度が過大にな り、 厚み方向の引張強度が過少に なる傾向がある。

但し、 C F製吸音断熱材の引張強度差が従来品以下であれば、 少 な く と も従来品と同等以上の取扱性、 耐久性が確保でき る こ と にな る。 すなわち、 前記表 2 から して、 最少 最大の比率を 4 %以上と し、 中間 最大の比率を 3 5 %以上とすれば、 従来品と同等以上の 取扱性、 施工性、 耐久性が確保でき る。 そ して、 前記表 2 の結果か ら、 嵩密度が 3 K g / m ³ ~ 7 K / m ³ の C F製吸音断熱材であ れば、 こ の条件を満たすこ とができ る。

次に、 以上で述べてきた諸物性を具備する C F製吸音断熱材の作 製方法について説明する。

先ず、 公知の方法 （特開昭 6 3 - 1 4 6 9 2 0 公報） で縮合多環 炭化水素を重合 した異方性ピッ チを作製する。 次いで、 こ の ピ ッ チ を加熱溶融し、 紡糸ノ ズルから吐出させ、 同時に紡糸ノ ズルの周囲 から加熱ガスを前記吐出方向と同 じ方向 （好ま し く は吐出方向と平 行方向） に噴出させて紡糸繊維を作製する。 この加熱ガスは吐出物 が直ちに冷却するのを防止 し、 かつ適当な長さの繊維を得る役割を 担っている。

上記の紡糸繊維は、 例えばネ ッ 卜で捕集し、 不融化処理 （酸化処 理） を施す。 こ れによ り炭素繊維前駆体を作製でき る。 こ の炭素繊 維前駆体を、 不活性ガス中で 6 5 0 °C ~ 7 5 0 °Cの温度で炭化処理 して、 炭素繊維となす。

上記製法において、 紡糸ノ ズルの吐出口の直径を 0 . 5 m m〜 0 . 2 m mの範囲で可変し、 また ピッ チの加熱溶融温度及び吐出速度 、 並びに加熱ガスの温度、 噴出速度を調節する こ と によ り、 紡糸繊 維の平均直径や平均繊維長を任意に変化させる こ とができ る。

なお、 不融化処理や炭化処理によ り若干繊維径ゃ繊維長が変化す るが、 測定誤差を考慮 した場合、 紡糸繊維のサイ ズ と 炭素繊維のサ ィ ズに実質的な差がな く 、 平均繊維径、 平均繊維長に も実質的に差 が生 じな い。

上記炭素繊維を用 い次のよ う に して本発明にかかる C F製吸音断 熱材を作製する。

先ず、 ネ ッ ト 等で捕集 した炭素繊維を、 空気を吹き つけ る方法等 で開繊 し、 これを落下させ熱硬化性樹脂液を噴霧 し なが ら堆積する 方法 （噴霧堆積法） 、 ま た は、 開織 した炭素繊維を平面状に落下 し 堆積 して粗な綿状の集合体を形成 し、 こ の集合体に熱硬化性樹脂液 を噴霧す る方法 （堆積一噴霧法） で、 熱硬化性樹脂の噴霧 した炭素 繊維集合体 （噴霧堆積物） を作製する。

次に、 前記噴霧堆積物に対 し、 通常、 厚み方向か ら 2 枚の押圧板 で軽 く 圧縮 し、 こ の状態で加熱 して熱硬化性樹脂を硬化する。 こ れ によ り 、 炭素繊維相互の交点が熱硬化性樹脂で接着さ れた炭素繊維 3 次元構造体が形成さ れる。 なお、 厚み方向 と 直交する方向か ら押 圧板を当てがつ て も よ い。

こ こ で、 本発明にかかる C F製吸音断熱材は、 上記炭素繊維と 熱 硬化性樹脂のみか ら組成さ れる ものであ っ て も よ く 、 ま た上記炭素 繊維を主材 と して こ れに吸音断熱性を損なわない範囲で他の繊維を 含めた ものであ っ て も よ い。 こ のよ う な繊維と しては、 例えばガラ ス繊維、 ポ リ エステル繊維、 セ ラ ミ ッ ク ス繊維な どが例示で き る。 上記製法をよ り 具体的に.説明する と 、 熱硬化性樹脂の添加量を b K g Z m ³ と した場合、 例えば少な く と も炭素繊維集合体の嵩密度 を （ 3 — b ) K g ^/m ³ 以上、 （ 1 0 — b ) K g Zm ³ 未満と する こ と によ り 、 3 K g /m ³ 以上で 1 O K g Zm ³ 未満の C F製吸音 断熱材と する こ と ができ る。

こ の場合、 好ま し く は炭素繊維集合体の嵩密度 （ b を除 く 嵩密度 ) を 1 . 3 K g m ³ 未満と して、 加熱成形に際 し上記 2 枚の押圧 板の間隔を調整 して所望の嵩密度の成形物 （炭素繊維 3 次元構造体 ) と成すのがよ い。 なぜな ら、 1 . 3 K g Z m ³ 未満の粗な嵩密度 の集合体と した場合、 繊維が十分にラ ン ダム に配向する。 よ っ て、 繊維相互の交点のみが接着さ れた嵩高い （嵩密度の小さ い） 炭素繊 維 3 次元構造体が得 られ、 こ のよ う な構造体であ る と 、 3 轴の各方 向の引張強度がよ り 均一にな る。

ま た、 上記噴霧堆積物の作製において は、 好ま し く は開繊 し た炭 素繊維を 1 0 0 c mの高さ か ら平面上に落下さ せる のがよ い。 こ の 方法であ る と特別な装置を用 い る こ と な く 、 繊維をラ ン ダム配向で き る。 なぜな ら、 平均繊維直径 0 . 5 m〜 2 m、 平均繊維長 3 m m〜 8 m mの軽量な炭素繊維であ る と 、 1 0 0 c mの高さ か ら落 下さ せた場合、 空気抵抗によ り 、 あ る も のは重力方向に配向 し、 ま たあ る もの は重力方向 と 直交する方向に配向するか らであ る。 つま り 、 無秩序な方向に配向 した嵩高い炭素繊維の堆積物 （綿状繊維集 合体） が得 られる。 よ っ て、 こ の堆積物に熱硬化性樹脂液を噴霧す れば、 ラ ン ダム配向 した炭素繊維 3 次元構造体が得 られる。

炭素繊維を落下さ せる方法と しては、 自然落下させて も よ く 、 ま た落下に際 して下方向 （落下速度を減 じ る方向） ま た は上方向 （落 下速度を増す方向） か ら空気流を作用 さ せる の も よ い。 空気流を作 用 さ せる方法であ る と 、 繊維の配向を制御でき るので、 所望の嵩密 度の繊維集合体が作製 し易い。

なお、 通常、 雪を降 らすよ う に して平面上に少 しづつ 自然落下さ せた場合、 炭素繊維の個々 は 3 軸の各方向にかな り ラ ン ダ ンム配向 する。 しかし、 それでも重力と平行な方向 （長手方向又は幅方向） に配向する炭素繊維が多 く なるので、 長手方向又は幅方向に比較 し 厚み方向の引張強度が小さ く なる傾向がある。 こ のため、 特別に厚 み方向の引張強度を大き く したいよ う な場合には、 プレス機でのプ レス において、 長手方向および または幅方向から圧縮する方法を 採用するのもよい。 こ の方向からの加圧である と、 3 軸方向の引張 強度に大きな差のない ものができ る。

上記で使用する熱硬化性樹脂と しては、 例えばフ ノ ール樹脂、 メ ラ ミ ン樹脂、 シ リ コー ン樹脂が使用でき る。 また、 その使用量と しては、 通常、 C F製吸音断熱材に対し 1 0 〜 4 0 重量％、 好ま し く は 2 0 〜 3 0 重量％とする。 4 0 重量％を超える とバイ ンダー量 が多すぎるため、 炭素繊維相互の交点以外を も接着する ので好ま し く ない。 その一方、 1 0 重量％未満である と、 前記交点を十分に接 着できないので、 引張強度および圧縮復元率が過小になるからであ る。

更に、 フ ニ ノ ール樹脂の上記加熱成形時の加熱温度と しては、 1 5 0 で〜 2 5 0 °Cと し、 通常では 1 8 0 °C ~ 2 2 0 °Cとする。

以上のよ う な製法によ り、 前記 した諸物性を有する本発明の C F 製吸音断熱材を得る こ とができ る。 本発明を実施例に基づいて更に具体的に説明する。

〔実施例 1 ~ 4 〕

縮合多環炭化水素を重合 して得た軟化点 2 8 0 °Cの ピッ チを 3 2 0 °Cで溶融し、 直径 0 . 2 5 m mの吐出孔を有する紡糸ノ ズルから 溶融ピ ッ チを吐出する と と もに、 吐出孔の周囲から 3 2 0 °Cの加熱 気体を、 前記溶融ピ ッ チの吐出方向と同 じ方向でかつ吐出方向と平 行に吹き出 しながら紡糸 し繊維化してネ ッ 卜で捕集 した。 こ の炭素 繊維前駆体の直径は約 0 . 5〜 3 . 5 m (平均繊維直径 1 . 3 m ) 、 繊維長は 1 〜 1 5 m m (平均繊維長 5 m m ) であ っ た。 図 1 1 にこの条件で作製した炭素繊維の直径分布を示す。

次いでこ の繊維を空気雰囲気で 3 0 0 °C、 3 0 分間加熱し不融化 処理した後、 所定温度 （ 6 '5 0 °C、 7 0 0 °C、 7 5 0 で、 8 0 0 °C ) の不活性ガス雰囲気中で 3 0 分間加熱する方法で炭化処理 した。 こ のよ う に して炭化処理温度の異なる 4 通り の炭素繊維を得た。 こ れらの炭素繊維の直径及び.繊維長は概ね上記炭素繊維前駆体と同様 であ っ た。

上記 4 通り の炭素繊維をそれぞれ用いて 4 通り の C F製吸音断熱 材を作製 した。 具体的には、 繊維相互が絡み合っ た炭素繊維に空気 を吹きつけて開繊し、 開繊した炭素繊維を 1 0 0 c mの高さから雪 を降らすよ う に して少しづつ平面上に自然落下させて、 厚さ 1 2 0 m m、 嵩密度約 0 . 7 K g m ³ の綿状の集合体 （未結着状態） を 作製 した。

次いで、 こ の炭素繊維集合体に 2 0 w t %の フ ニ ノ ール樹脂溶液 を炭素繊維集合体に対 し 1 5 0 重量％噴霧 し、 2 枚の押圧板を備え るプ レ ス機で厚さ約 2 5 m mまで圧縮し （縦、 横方向は圧縮せず） 、 こ の状態で 2 0 0 °Cに加熱 しフ エ ノ ール樹脂を完全に硬化させた 。 こ のよ う に して、 縦 1 . 5 m、 横 0 . 5 m、 厚み 2 5 m m、 嵩密 度 4 . 8 K g / m ³ の炭素繊維 3 次元構造体 （ 4 通り ） を作製 し、 これを C F製吸音断熱材と した。

〔実施例 5 〕

炭化処理温度を 7 0 0 °Cと したこ と、 及び炭素繊維集合体の厚み を 1 0 0 m mと した こ と以外については、 前記実施例 1 ~ 4 と同様 に して、 嵩密度 4 . O K g Z m ³ の実施例 5 の C F 製吸音断熱材を 作製 した。 なお、 サイ ズ、 厚みは前記実施例 1 ~ 4 と 同様であ る。

〔実施例 6 〕

炭化処理温度を 7 0 0 °C と した こ と 、 及び炭素繊維集合体の厚み を 1 7 5 m m と した こ と以外については、 前記実施例 1 ~ 4 と 同様 に して、 嵩密度 7 . 0 K g / m ³ の実施例 6 の C F 製吸音断熱材を 作製 した。 サイ ズ、 厚みは前記実施例 1 ~ 4 と 同様であ る。

〔比較例 1 〕

炭化処理温度を 8 5 0 °C と した こ と以外については、 前記実施例 1 〜 4 と 同様に して、 比較例 1 の C F 製吸音断熱材を作製 し た。 な お、 サイ ズ、 厚み、 嵩密度については、 前記実施例 1 〜 4 と 同様で あ る。

〔比較例 2 〕

炭化処理温度を 9 0 0 °C と した こ と以外については、 前記実施例 1 〜 4 と 同様に して、 比較例 2 の C F 製吸音断熱材を作製 した。 サ ィ ズ、 厚み、 嵩密度については、 前記実施例 1 〜 4 と 同様であ る。

〔比較例 3 〕

石炭系等方性 ピ ッ チを原料と し且つ 9 5 0 °Cで炭化処理 し た繊維 直径 1 3 m、 平均繊維長 2 5 m mの炭素繊維を用いた こ と 以外は 、 実施例 1 〜 4 と 同様の方法で、 比較例 3 にかかる吸音断熱吸音材 を作製 した。

〔比較例 4 〕

平均繊維直径 1 . 0 m、 平均繊維長 1 0 m mのガラ ス繊維同志 をフ ノ ール樹脂で接合 したガラ ス繊維製吸音断熱材 （厚み 2 5 m m、 嵩密度 6 . 7 K g / m ³ ) を比較例 4 と した。

実施例 1 ~ 6 、 及び比較例 1 〜 4 の各種吸音断熱材につ いて も実 施の形態で記載 した方法と 同様な試験を行っ た。 その試験結果を炭 素繊維の製造条件と共に表 3 、 表 4 に一覧表示する。

表 3

纖の条件 3 fcdt^体の繊 m^ 平均直 平城 炭化 離度 ガルバニック 食

Kg/m³ A の有無 難例 1 1 3 5 800 4 8 1 7 土 雄例 2 1 3 5 750 4.8 1 8 難例 3 1.3 5 700 4 8 0 1 難例 4 1 3 5 650 4.8 0 難例 5 1.3 5 700 4.0 0. 1 難例 6 1.3 5 700 7.0 0. 1 赚例 1 1.3 5 850 4.8 56 + 赚例 2 1.3 5 900 4.8 1 1 0 + 腿例 3 13 25 950 12.0 36 +

1.0 1 0 / 6.7 0

98/38140

表 4

p. ；長手方向の引 «J¾ (駄引 、 p₂；

p₃ ；厚み方向の引?!^ (最少引 、 *測定 表 3 力、 ら明 らかな ごと く 、 実施例 1 ~ 6 はガルバニ ッ ク 電流 0 . 2 A〜 1 7 / Aであ り 、 ガルバニ ッ ク 電流が 1 7 〃 A の実施例 1 で電気腐食が極僅かに認め られた も のの、 実施例 2 ~ 6 では全 く 電気腐食が認め られなかっ た。

これに対 し比較例 1 (炭化処理温度 8 5 0 で、 ガルバニ ッ ク 電流 5 6 A ) 、 比較例 2 (炭化処理温度 9 0 0 °C、 ガルバニ ッ ク 電流 1 1 0 μ A ) 、 比較例 3 (炭化処理温度 9 5 0 °C、 ガルバニ ッ ク 電 流 3 6 a A ) では電気腐食が認め られた。 なお、 比較例 4 で電気腐 食が認め られなかっ たのは、 ガラ ス繊維はガルバニ ッ ク 電流を生 じ ないか らであ る。

表 4 において、 本発明にかかる実施例 1 ~ 6 の引張強度比率 （百 分率） は、 p ₂ / p , - 8 2 - 1 0 0 s P a / P 1 = 5 . 0 ~ 6 . 3 であ っ た。 こ れに対 し、 比較例 4 では P ₂ / P , = 3 3 、 P a / P , = 2 . 5 であ り 、 本発明の C F製吸音断熱材に比較 し 3 軸の各 方向の引張強度差が顕著に大き か っ た。

ま た、 熱伝導率 （W/m * °C ) は、 嵩密度 4 . 8 K g Zm ³ の実 施例 1 〜 4 力く 0 . 0 3 5 ~ 0 . 0 3 7 、 嵩密度 4 . O K g Zm ³ の 実施例 5 が 0 . 0 3 7 、 嵩密度 7 . O K g Zm ³ の実施例 6 力《 0 . 0 3 3 であ っ た。 こ れに対 し、 嵩密度 6 . 7 K g / m ³ の比較例 4 (ガラ ス繊維製吸音断熱材） の熱伝導率は 0 . 0 3 9 であ っ た。 こ の結果か ら、 本発明にかかる C F製吸音断熱材は、 ガラ ス繊維製吸 音断熱材に比べ小さ い嵩密度で、 よ り 高い断熱性能が得 られる こ と が実証さ れた。 なお、 熱伝導率の大小と 断熱性能の良否 と は逆の関 係にあ る。

更に、 2 5 m m厚におけ る 1 0 0 0 H Z垂直入射吸音率 （％ ) は 、 嵩密度 4 . S K g Zm ³ の実施例 1 〜 4 が 5 2 〜 5 5 、 嵩密度 4 . O K g Zm ³ の実施例 5 が 5 0 、 嵩密度 7 . O K g Zm ³ の実施 例 6 力く 6 0 であ っ た。 これに対 し、 嵩密度 6 . 7 K g / m ³ の比較 例 4 (ガラ ス繊維製吸音断熱材） の 2 5 m厚におけ る 1 0 0 0 H Z垂直入射吸音率 （％ ) は 4 8 であ っ た。 こ の結果か ら、 上記と 同 様、 本発明にかかる C F製吸音断熱材は、 ガラ ス繊維製吸音断熱材 に比べ、 小さ い嵩密度でよ り 優れた防音効果が得 られる こ と が実証 できた。 産業上の利用可能性

以上に説明 したよ う に、 本発明構成によれば、 本発明の各課題を 十分に達成する こ とができ る。 すなわち、 優れた断熱性、 吸音性に 加え、 引張強度や圧縮復元性に も優れた吸音断熱材が実現でき る。 また、 本発明の吸音断熱材は、 炭素繊維を主構成材料とする もので あるので、 炭素繊維が備える好適な特性、 即ち軽量性、 化学的安定 性、 難燃性、 火災時において有毒ガスを発生しない性質、 吸湿 しに く い性質を も兼ね備えている。 更に本発明の吸音断熱材は、 炭素繊 維からなる吸音断熱材の弱点である電気腐食性や非導電特性が改善 してあ り 、 さ らに引張強度や圧縮復元率等の機械的特性も格段に向 上させてある。

こ の よ う な吸音断熱材である と、 実装当初における吸音断熱性能 が優れる こ と は勿論のこ と、 長期間の使用によ って も吸音断熱性能 が劣化 しない。 また、 吸音断熱材が実装された周囲の部材を電気腐 食 しない。 加えて、 吸音断熱材本体や本体から脱落 した繊維が電気 回路をシ ョ ー 卜 させる恐れもない。

よ っ て、 本発明によれば、 住宅等の省エネルギー化を実現する部 材と して使用でき る こ と は勿論、 恒常的な振動が存在し、 かつ金属 素材が多 く 用い られ、 更に多様な電気機器が搭載された例えば航空 機、 高速鉄道車両、 宇宙船等において も好適に使用でき る C F製吸 音断熱材が提供でき る。 よ って、 本発明の産業上の意義は大である

Claims

請 求 の 範 囲

( 1 ) 平均繊維直径 0 . 5 m~ 5 m、 平均繊維長 l m m〜 l 5 m mの炭素繊維からなる綿状炭素繊維集合体の繊維相互が熱硬化 性樹脂で接合されている吸音断熱材。

( 2 ) 前記吸音断熱材を一方電極と し、 アル ミ ニ ウ ム板を他方電 極と し、 0 . 4 5 重量％塩化ナ ト リ ウ ム水溶液を電解液とする ガル バニ ッ クセルにおけるガルバニ ッ ク電流が 1 0 〃 A以下である こ と を特徴とする、 請求項 1 記載の吸音断熱材。

( 3 ) 前記吸音断熱材の嵩密度が 3 K g / m ³ 以上、 1 0 K g m ³ 以下である、 請求項 1 ま たは 2 記載の吸音断熱材。

( 4 ) 前記吸音断熱材の最大引張強度が 1 . O g /m m ² 以上で ある、 請求項 1 ない し 3 記載の吸音断熱材。

( 5 ) 前記吸音断熱材の圧縮復元率が 7 0 %以上である、 請求項 1 ない し 4 記載の吸音断熱材。

( 6 ) 前記吸音断熱材の最大引張強度方向に直交する方向におけ る最小引張強度が前記最大引張強度の 0 . 0 4 倍以上であ り 、 前記 最大引張強度方向と前記最小引張強度の方向の双方に直交する方向 の引張強度が前記最大引張強度の 0 . 7 6 倍以上である、 請求項 1 ない し 5 記載の吸音断熱材。

( 7 ) 前記吸音断熱材の熱伝導率が 0 . 0 3 9 Wノ m · °C以下で ある、 請求項 1 ない し 6 記載の吸音断熱材。

( 8 ) 前記吸音断熱材の 2 5 m m厚における周波数 1 0 0 0 H z での垂直入射吸音率が 4 8 %以上である、 請求項 1 ない し 7 記載の 吸音断熱材。

( 9 ) 前記炭素繊維が縮合多環炭化水素を重合 して得た異方性ピ ツ チか らな る ものであ る 、 請求項 1 ない し 8 記載の吸音断熱材。 ( 1 0 ) 縮合多環炭化水素を重合 して得た異方性 ピ ッ チを加熱溶 融 し、 こ の溶融物を紡糸 ノ ズルか ら吐出する と と も に、 前記紡糸 ノ ズルの周囲か ら前記溶融物の吐出方向 と 同方向に加熱ガスを噴出 さ せる こ と によ っ て紡糸する紡糸工程と 、

紡糸 した繊維を不融化 した後、 6 5 0 °C以上、 7 5 0 °C未満の温 度で炭化処理 して非電食性炭素繊維を作製する炭素繊維作製工程と 前記非電食性炭素繊維を熱硬化性樹脂液を噴霧 し なが ら平面上に 綿状に堆積する 噴霧堆積工程と 、

噴霧堆積 し た も のを加熱成形する加熱成形工程と 、

を備え る吸音断熱材の製造方法。

( 1 1 ) 前記噴霧堆積工程が、 前記非電食性炭素繊維を綿状に堆 積する堆積工程と 、 こ の綿状の炭素繊維堆積物に熱硬化性樹脂液を 噴霧する噴霧工程と か らな る こ と を特徴と する 、 請求項 1 0 記載の 吸音断熱材の製造方法。

( 1 2 ) 前記噴霧堆積工程ま た は前記堆積工程におけ る堆積方法 が、 空気で開繊 し た炭素繊維を少な く と も 1 0 0 c m以上の高さ か ら平面上に落下さ せて行う こ と を特徴と する 、 請求項 1 0 ま た は 1 1 記載の吸音断熱材の製造方法。

( 1 3 ) 前記綿状の炭素繊維堆積物の嵩密度が 1 . 3 K g m ³ 以下であ る こ と を特徴と する、 請求項 1 1 ま た は 1 2 記載の吸音断 熱材の製造方法。