JP2002201532A - コイル状炭素繊維の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 幅広い周波数帯域の電磁波の吸収が可能なコ
イル状炭素繊維を得ることができるコイル状炭素繊維の
製造方法及び製造装置を提供する。 【解決手段】 コイル状炭素繊維の製造装置には、原料
ガスを加熱分解してコイル状炭素繊維を合成する合成領
域１３と、合成領域１３に導入されるガス（原料ガスを
含む）に対して前もってプラズマ処理を行うためのプラ
ズマ処理領域１８とが備えられている。そして、合成領
域１３に導入されるガスのうちの少なくとも一部は、プ
ラズマ処理領域１８を経て合成領域１３へ導入される。
このため、合成領域１３におけるコイル状炭素繊維の合
成は、プラズマ処理により活性化されて励起状態とされ
たガスの存在下において行われることになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁波吸収材等に
使用されるコイル状炭素繊維の製造方法及び製造装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】携帯電話などから発生する電磁波による
電気・電子機器の誤動作、健康障害が近年大きな社会問
題となっている。そうした中で種々の電磁波吸収材が提
案されており、その中の一つにコイル状炭素繊維があ
る。コイル状炭素繊維に対して外部から電磁波が照射さ
れると、ファラデーの法則に従ってコイル内に誘導起電
力による誘導電流が流れてジュール熱が発生する。すな
わち、コイル状炭素繊維は電磁波を熱エネルギーへと変
換する能力を有しており、この能力により電磁波の吸収
・減衰が可能となっている。コイル状炭素繊維の製造
は、ニッケルなどの金属触媒及び硫化水素等の不純物ガ
スの存在下でアセチレンを加熱分解する化学気相蒸着
（ＣＶＤ）法により行われる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の製造
方法で得られるコイル状炭素繊維の場合、１０ＧＨｚ付
近の電磁波は特異的に吸収するが、低周波から高周波に
わたる幅広い帯域の電磁波の吸収に適した電磁波吸収特
性は備えていなかった。

【０００４】本発明は、上記のような従来技術に存在す
る問題点に着目してなされたものである。その目的とす
るところは、幅広い周波数帯域の電磁波の吸収が可能な
コイル状炭素繊維を得ることができるコイル状炭素繊維
の製造方法及び製造装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明は、コイル状炭素繊維の原
料となるガスが含まれる混合ガスの少なくとも一部をプ
ラズマ処理により活性化して励起状態とし、その励起状
態とされたガスの存在下において前記コイル状炭素繊維
の原料となるガスを加熱分解してコイル状炭素繊維を合
成することを要旨とする。

【０００６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のコイル状炭素繊維の製造方法において、前記プラズマ
処理により励起状態とされるガスが窒素又はアルゴンで
あることを要旨とする。

【０００７】請求項３に記載の発明は、請求項１又は請
求項２に記載のコイル状炭素繊維の製造方法において、
前記プラズマ処理がグロー放電プラズマで行われること
を要旨とする。

【０００８】請求項４に記載の発明は、コイル状炭素繊
維の原料となるガスが含まれる混合ガスの少なくとも一
部をプラズマ処理により活性化して励起状態とするプラ
ズマ処理領域と、前記プラズマ処理により励起状態とさ
れたガスの存在下において前記コイル状炭素繊維の原料
となるガスを加熱分解してコイル状炭素繊維を合成する
合成領域とを有することを要旨とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
形態について図面に基づき詳細に説明する。図１は、本
実施形態におけるコイル状炭素繊維の製造装置の概略を
模式的に示す図である。同図に示す製造装置には管状の
反応器１２が備えられており、この反応器１２の内部
が、コイル状炭素繊維の合成の場である合成領域１３と
なっている。合成領域１３には基材１４が配置されてお
り、コイル状炭素繊維合成の際には、この基材１４を足
場にしてコイル状炭素繊維が成長する。また、反応器１
２の周囲にはヒータ１５が設けられており、このヒータ
１５により合成領域１３の温度は任意に設定されるよう
になっている。

【００１０】反応器１２には、合成領域１３にガスを導
入するためのガス導入部１６、及び合成領域１３内のガ
スを外部に導出するためのガス導出部１７が接続されて
いる。ガス導入部１６は、このガス導入部１６を経て合
成領域１３に導入されるガスに対して前もってプラズマ
処理を行うためのプラズマ処理領域１８を有している。
ガス導入部１６には第１のガス導入口１６ａ及び第２の
ガス導入口１６ｂが設けられており、第１のガス導入口
１６ａはプラズマ処理領域１８の上流側に、第２のガス
導入口１６ｂはプラズマ処理領域１８の下流側に設けら
れている。このため、第１のガス導入口１６ａから導入
されるガスはプラズマ処理領域１８を経て合成領域１３
に導入されるのに対し、第２のガス導入口１６ｂから導
入されるガスはプラズマ処理領域１８を経ないで合成領
域１３に導入されるようになっている。

【００１１】プラズマ処理領域１８には、内部電極１９
と外部電極２０が配設されている。内部電極１９は電源
２１に接続され、外部電極２０はアースされている。電
源２１を用いて両電極１９，２０間に電圧が印加される
とグロー放電が発生し、プラズマ処理領域１８に導入さ
れたガスがプラズマ状態とされる。尚、内部電極１９に
は、コイル状炭素繊維合成の触媒として機能する材料よ
りなるものが使用される。具体的には、ニッケル、コバ
ルトなどが好ましい。

【００１２】また、反応器１２の両端部には、反応器１
２内にパージガス（窒素など）を導入するためのパージ
ガス導入口２２が設けられている。さらに、反応器１２
には、合成領域１３の温度を測定するために熱電対２３
が配設されている。

【００１３】次に、コイル状炭素繊維の製造方法を説明
する。コイル状炭素繊維を製造する場合には、まず、反
応器１２の内部を窒素で置換させた後、ヒータ１５によ
り合成領域１３を所定の温度まで昇温させ、さらにプラ
ズマ処理領域１８において放電を開始する。そして、そ
の状態でコイル状炭素繊維の原料となるガス（以下、原
料ガスともいう。）が含まれる混合ガスをガス導入部１
６から合成領域１３へと導入する。そうすると、混合ガ
ス中の原料ガスが熱分解されて基材１４上にコイル状炭
素繊維が析出形成される。

【００１４】ここで、合成領域１３に導入される混合ガ
スのうちの少なくとも一部は、第１のガス導入口１６ａ
からプラズマ処理領域１８を経て合成領域１３へ導入さ
れ、その残りは、第２のガス導入口１６ｂからプラズマ
処理領域１８を経ないで合成領域１３へと導入される。
このため、合成領域１３では、プラズマ処理によって活
性化されて励起状態とされたガス（以下、励起ガスとい
う）の存在下においてコイル状炭素繊維の合成が行われ
ることになる。尚、原料ガスを第１のガス導入口１６ａ
から導入した場合は、原料ガス自身が励起ガスとなる。

【００１５】合成領域１３に導入される原料ガスの具体
例としては、アセチレン、メタン、プロパン、エチレ
ン、一酸化炭素などが挙げられるが、その中でもアセチ
レンが好ましい。また、混合ガスには、原料ガスの他
に、硫黄、チオフェン、メチルメルカプタン、硫化水
素、リン、三塩化リンなどの不純物ガス、窒素、アルゴ
ン、ヘリウム、水素などのシールガスが含まれる。

【００１６】尚、コイル状炭素繊維合成時の合成領域１
３の温度は、好ましくは６００〜９５０℃に設定され
る。この温度が６００℃未満又は９５０℃を超えるとコ
イル状の炭素繊維を得ることが困難となるため好ましく
ない。

【００１７】以上の方法で製造されるコイル状炭素繊維
は、例えば電磁波吸収材として使用される。その場合に
は、合成樹脂やゴム、エラストマーなどの各種マトリッ
クスに分散させて複合材料として用いられる。

【００１８】以上詳述した本実施形態によれば次のよう
な効果が発揮される。 ・ 従来のコイル状炭素繊維の製造方法で得られるコイ
ル状炭素繊維はほとんどが二重螺旋構造のものであった
が、本実施形態の場合は一重螺旋構造のコイル状炭素繊
維を得ることができる。本実施形態で得られる一重螺旋
構造のコイル状炭素繊維は、従来の製造方法で得られる
二重螺旋構造のものに比べて、幅広い周波数帯域の電磁
波を吸収できる、優れた電磁波吸収特性を有する。

【００１９】・ 従来のコイル状炭素繊維の製造方法で
得られるコイル状炭素繊維の電気抵抗はおよそ１０〜１
００Ω／μｍであったが、本実施形態の場合はおよそ１
００〜２０００Ω／μｍと電気抵抗の大きなコイル状炭
素繊維を得ることができる。このため、本実施形態のコ
イル状炭素繊維は、従来のコイル状炭素繊維に比べて、
電磁波を熱エネルギーに変換する効率に優れている。す
なわち、本実施形態のコイル状炭素繊維は、従来のコイ
ル状炭素繊維に比べて、電磁波吸収率の点で優れてい
る。

【００２０】・ 従来のコイル状炭素繊維の製造方法の
場合は、基材１４上にニッケルなどの触媒を担持させな
いと炭素繊維がコイル状に成長しない。しかし、本実施
形態の場合は、コイル状炭素繊維合成の触媒として機能
する材料よりなる内部電極１９をプラズマ処理領域１８
において用いることにより、基材１４上に触媒を担持さ
せなくても炭素繊維をコイル状に成長させることが可能
である。このため、前もって触媒を基材１４に担持させ
る手間を省くことができる。これは、プラズマ処理領域
１８で内部電極１９がスパッタリングされて生じる微粒
子が合成領域１３まで運ばれて、コイル状炭素繊維合成
の触媒として機能するためと考えられる。

【００２１】・ シールガスである窒素又はアルゴンを
プラズマ処理により活性化して励起状態とすることで、
一重螺旋構造のコイル状炭素繊維を収率良く得ることが
できる。

【００２２】・ プラズマ処理をグロー放電プラズマで
行うことにより、原料ガスが含まれる混合ガスを効果的
に活性化して励起状態とすることができる。また、大き
な電流量を必要としない（１〜１０ｍＡ程度）ので、プ
ラズマ処理における消費エネルギーが比較的少なく済む
という利点もある。

【００２３】・ 励起ガスの存在下においてコイル状炭
素繊維の合成を行うことにより、収率の向上を図ること
ができる。 ・ 製造装置の構成が簡単で小型であるため、コストを
安く抑えられるうえに設置スペースが嵩むおそれもな
い。

【００２４】

【実施例】次に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形
態をさらに具体的に説明する。 （実施例１）図１に示す前記実施形態のコイル状炭素繊
維の製造装置を使用してコイル状炭素繊維の製造を行っ
た。製造条件は以下の通りである。合成領域１３の温度
を７７０℃に設定し、第１のガス導入口１６ａからはシ
ールガスである窒素を１００ｍｌ／分の流量で、また第
２のガス導入口１６ｂからは、原料ガスであるアセチレ
ン、不純物ガスである硫化水素、シールガスである水素
をそれぞれ３０ｍｌ／分、０．１ｍｌ／分、１００ｍｌ
／分の流量で導入した。また、プラズマ処理領域１８に
おける内部電極１９にはニッケル電極を用い、グロー放
電プラズマ（１０ｍＡ×１０ｋＶ）でプラズマ処理を行
った。

【００２５】得られたコイル状炭素繊維は一重螺旋構造
を有し、その繊維直径は約１μｍ、コイルピッチは約２
０μｍ、コイル直径は約７μｍであった。 （実施例２〜５）グロー放電によるプラズマ処理の際の
電流及び電圧を下記の表２に示すように変更し、それ以
外は実施例１と同様に操作した。この場合も、得られた
コイル状炭素繊維はいずれも一重螺旋構造を有してい
た。

【００２６】（実施例６）窒素に代えてアルゴンを第１
のガス導入口１６ａから導入するように変更し、それ以
外は実施例１と同様に操作した。この場合も、一重螺旋
構造を有するコイル状炭素繊維を得ることができたが、
その量は実施例１の場合のおよそ１／３程度であった。

【００２７】（比較例１）全てのガスを第２のガス導入
口１６ｂから導入するように変更してプラズマ処理を省
略するとともに、基材１４上にニッケルを触媒として担
持させた。それ以外は実施例１と同様に操作した。そう
したところ、二重螺旋構造のコイル状炭素繊維が得られ
た。

【００２８】下記の表１に、実施例１及び比較例１で得
られるコイル状炭素繊維の電磁波吸収特性（反射減衰特
性）を調べた結果を示す。また下記の表２に、実施例１
〜５におけるコイル状炭素繊維の収率を示す。

【００２９】

【表１】 表１に示すように、比較例１で得られるコイル状炭素繊
維（二重螺旋）は、低周波の電磁波（１００ｋＨｚ以
下）に対する反射減衰量がやや悪いのに対し、実施例１
で得られるコイル状炭素繊維（一重螺旋）は、低周波の
電磁波に対する反射減衰量が飛躍的に向上していた。ま
た、高周波の電磁波に対する反射減衰量に関しては、実
施例１で得られるコイル状炭素繊維と比較例１で得られ
るコイル状炭素繊維とでほぼ同程度であった。このこと
から、実施例１で得られるコイル状炭素繊維は、１ｋＨ
ｚから１０００ＧＨｚというブロードバンドにおいて高
い電磁波吸収性を発揮できることが示された。

【００３０】

【表２】 表２に示す結果より、プラズマ処理の際の電流及び電圧
の変化に伴って収率が変化することが示された。また、
収率が３０％を超えることから、５ｍＡ×２０ｋＶ〜８
ｍＡ×１２．５ｋＶの範囲が好ましいことが示された。

【００３１】なお、前記実施形態を次のように変更して
構成することもできる。 ・ 前記実施形態においては、コイル状炭素繊維合成の
触媒として機能する材料よりなる内部電極１９を用いた
が、コイル状炭素繊維合成の触媒として機能しない材料
よりなる内部電極に変更してもよい。ただし、この場合
は、基材１４上に予めニッケルなどを触媒として担持さ
せておくことが必要である。

【００３２】・ 本実施形態におけるコイル状炭素繊維
を各種マトリックスに分散させて電磁波吸収材として用
いる際に、従来の二重螺旋構造を有するコイル状炭素繊
維を併用してもよい。このように構成すれば、本実施形
態のコイル状炭素繊維（一重螺旋構造）が備えるブロー
ドバンドの電磁波吸収特性と、従来の二重螺旋構造を有
するコイル状炭素繊維が備える周波数特異的な電磁波吸
収特性とを兼ね備える電磁波吸収材が得られる。本実施
形態のコイル状炭素繊維と従来の二重螺旋構造を有する
コイル状炭素繊維の混合比は、必要に応じて任意に設定
すればよいが、例えば１：１に設定した場合には、それ
ぞれのコイル状炭素繊維を単独で用いたときの結果を足
し合わせたような結果が得られる。

【００３３】次に、前記実施形態から把握できる技術的
思想について以下に記載する。 ・ 前記プラズマ処理において用いられる電極が、コイ
ル状炭素繊維合成の触媒として機能する材料よりなるこ
とを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に
記載のコイル状炭素繊維の製造方法。このように構成に
すれば、コイル状炭素繊維の成長の際に足場となる基材
に、前もって触媒を担持させておく必要がないので、そ
の手間を省くことができる。

【００３４】・ 前記混合ガスが、コイル状炭素繊維の
原料となるガス、不純物ガス及びシールガスからなる請
求項１から請求項３のいずれか一項に記載のコイル状炭
素繊維の製造方法。このように構成すれば、コイル状炭
素繊維を確実に得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成されている
ため、次のような効果を奏する。請求項１及び請求項４
に記載の発明によれば、幅広い周波数帯域の電磁波の吸
収が可能なコイル状炭素繊維を得ることができる。

【００３６】請求項２に記載の発明によれば、幅広い周
波数帯域の電磁波の吸収が可能なコイル状炭素繊維を収
率良く得ることができる。請求項３に記載の発明によれ
ば、コイル状炭素繊維の原料となるガスが含まれる混合
ガスをプラズマ処理により効果的に活性化して励起状態
とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 コイル状炭素繊維の製造装置の概略を模式的
に示す図。

【符号の説明】

１３…合成領域、１８…プラズマ処理領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 元島 栖二 岐阜県岐阜市福光東１丁目23−23 (72)発明者 河辺 憲次 岐阜県各務原市須衛町四丁目179番地の１ テクノプラザ 内 シーエムシー技術開 発 株式会社内 (72)発明者 菱川 幸雄 岐阜県各務原市須衛町四丁目179番地の１ テクノプラザ 内 シーエムシー技術開 発 株式会社内 (72)発明者 坂本 富士夫 東京都八王子市下柚木２丁目10番地の１ 株式会社ヒューズ・テクノネット内株式会 社プラネットジャパン内 Ｆターム(参考） 4L037 CS03 CT05 FA05 PA08 PA26 UA02 5E321 AA24 BB34 BB44 GG05 GG11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイル状炭素繊維の原料となるガスが含
   まれる混合ガスの少なくとも一部をプラズマ処理により
   活性化して励起状態とし、その励起状態とされたガスの
   存在下において前記コイル状炭素繊維の原料となるガス
   を加熱分解してコイル状炭素繊維を合成することを特徴
   とするコイル状炭素繊維の製造方法。
2. 【請求項２】 前記プラズマ処理により励起状態とされ
   るガスが窒素又はアルゴンである請求項１に記載のコイ
   ル状炭素繊維の製造方法。
3. 【請求項３】 前記プラズマ処理がグロー放電プラズマ
   で行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記
   載のコイル状炭素繊維の製造方法。
4. 【請求項４】 コイル状炭素繊維の原料となるガスが含
   まれる混合ガスの少なくとも一部をプラズマ処理により
   活性化して励起状態とするプラズマ処理領域と、前記プ
   ラズマ処理により励起状態とされたガスの存在下におい
   て前記コイル状炭素繊維の原料となるガスを加熱分解し
   てコイル状炭素繊維を合成する合成領域とを有すること
   を特徴とするコイル状炭素繊維の製造装置。