JP3102009B2 - 円筒型炭素繊維成型断熱材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は主として非酸化性雰囲気下高温炉用の断熱材
として使用される円筒型炭素繊維成型断熱材の製造方法
に関する。

（従来の技術） 炭素繊維は非酸化性雰囲気においては2500℃以上の高
温においても損耗せず、また高い強度を保つので熱硬化
性樹脂をバインダーとして円筒型や板状に成型し、これ
を炭化、さらには黒鉛化して得られる成型体は炭素繊維
相互の絡みによって生ずる微細な空孔を持つので高温炉
用の保形性を有する断熱材として好適に使用することが
出来る。

炭素繊維を成型して製造する断熱材としては、炭素繊
維を粉砕し、これにバインダーとなる熱硬化性樹脂を混
合した後、型込め成型し、その後炭化、黒鉛化して得る
タイプのものもあるが、成型の容易さや、大型のものを
製造しやすいといった点で、バインダーを付着させた炭
素繊維のフェルト、ウェッブ、不織布あるいはペーパー
等を芯材上に巻付けた後に、あるいは金型中に配列した
後に加圧成型して成型体を得る方法のほうが優れてい
る。

後者の方法により円筒形の成型体を製造する従来の技
術としては、例えばまず円柱あるいは円筒状の芯材上に
熱硬化性樹脂を付着させた炭素繊維のフェルト、ウェッ
ブ、不織布あるいはペーパー等を巻き付け、ついでこの
ものを、例えば半割りにした円筒状の外型２つの間に挟
み込み加圧して所望の肉厚になるまで絞めつける。いわ
ゆるモルドチューブ方式や、また、ホットロール、圧力
ロールにより熱硬化性樹脂を付着させた炭素繊維のフェ
ルト等を芯材上に巻付けていくロールドチューブ方式等
がある。

（発明が解決しようとする課題） しかし、炭素繊維で構成されたフェルト、ウェッブ、
不織布あるいはペーパーの様な比較的嵩高いものをこの
様な方式で成型した場合、特に成型体の肉厚が大の場合
にはモールドチューブ方式では芯材上に巻付け積層した
フェルト等が外型の絞め込み時に摺曲し、後の炭化黒鉛
化の際に変形あるいは積層間の剥離等を起こす原因とな
る。さらに得られる円筒形成型体外表面にしわを生じる
といった問題点もある。

一方、ロールドチューブ方式ではその様な問題は起り
にくいものの、フェルト等（尚、以下炭素繊維で構成さ
れたフェルト、ウェッブ、不織布あるいはペーパーの様
な比較的嵩高いものを総称してフェルト等と呼ぶ）の嵩
高いものの場合には成型速度を遅くしないと熱圧着が不
充分になりロールに挟まれた部分以外では成型の圧力が
解放されてしまい、巻付けたフェルト等が膨らんでしま
って歪んだ形の成型体になってしまう。また、成型体の
密度のコントロールが難しく、かつ高密度のものは作り
難いという課題を有する。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、鋭意検討の経過、成型の際に芯材の外
周に沿って緊張させたベルトを走行させ、芯材とベルト
の間にフェルト等を巻き込みながら均一に成型していく
方法により、かかる課題が解決されることを見出し本発
明に到達した。すなわち本発明の目的は、変形が生じに
くく、かつ望みの密度の円筒型炭素繊維成型断熱材の製
造方法を得ることであり、かかる目的は、熱硬化性樹脂
を付着させた炭素繊維を芯材上に捲回積層して円筒型成
型体となし、次いで熱硬化性樹脂を熱硬化させた後炭
化、必要に応じて黒鉛化を行なって実質上炭素繊維だけ
からなる円筒型炭素繊維成型断熱材を製造する方法にお
いて、円筒型成型体を成型する際に芯材の外周に沿って
緊張を与えたベルトを走行させ、該炭素繊維を芯材とベ
ルトの間に巻き込み緊張したベルトにより所定の圧力を
与えながら芯材上に均一に捲回積層することを特徴とす
る円筒型炭素繊維成型断熱材の製造方法により達成され
る。

以下本発明をより詳細に説明する。

本発明に用いる炭素繊維はどの様な原料物質から製造
されてもよく、具体的にはポリアクリロニトリル系（PA
N系）炭素繊維、ピッチ系炭素繊維およびフェノール系
炭素繊維等が挙げられる。また炭素繊維の種類として
は、特に限定されないが、成型後の炭化、黒鉛化処理の
際の、繊維の収縮の生じにくい、高温で炭化処理をした
炭素繊維または黒鉛化繊維が好ましい。炭素繊維は公知
の方法によりフェルト、ウェッブ、不織布あるいはペー
パー状に加工した後、熱硬化性樹脂を付着させる。この
時用いる熱硬化性樹脂としては、炭化しやすく炭化収率
の高い樹脂を用い、好ましくはフェノール樹脂、フラン
樹脂であり、特にフェノール樹脂が取り扱いの容易さ
や、経済性からより好ましい。

熱可塑性樹脂をフェルト等に付着させる方法として
は、樹脂溶液中にフェルト等を浸漬する方法、樹脂溶液
を塗布あるいは吹付ける方法が挙げられるが、操作の容
易さや、樹脂量の制御しやすさより、浸漬する方法が好
ましい。浸漬法を用いる場合、フェルト等の内部に樹脂
が迅速かつ均一に含浸される様に樹脂溶液の粘度を10co
s以下、好ましくは4cps以下にすることがのぞましい。

樹脂溶液を付着させたフェルト等は次いで所定の樹脂
量とするためローラー等の間を通して余分の樹脂溶液を
絞りとる。樹脂量としては、最終的に得る成型体の密度
にもよるが、炭素繊維と、炭化あるいは黒鉛化された後
の樹脂の重量比で6:4〜9:1となる様にするのが好まし
く、特に7:3〜8:2の範囲であるのが好ましい。樹脂量が
上記割合より多い場合には、樹脂が炭化、黒鉛化される
際に大きな収縮を示すため、成型体としても収縮、大き
な変形をするし、また、逆に樹脂の量が少ない場合もフ
ェルト等の接着能力が不足するため成型が出来なかった
り、炭化、黒鉛化の際に成型体が変形したりする。所定
量の樹脂溶液を付着させたフェルト等は次いで乾燥を行
ない溶剤等の除去を行なうが、この際フェルト等に残す
所定の樹脂量に対して５〜35％重量比の溶剤等を残すこ
とが、成型を均一に行ない、かつフェルト等の接着を良
好に行なうために、好ましい。これ以上の溶剤等が残る
と成型体中で樹脂の偏折が起り好ましくない。

樹脂液付着、絞り、乾燥を行なったフェルト等は引続
いて連続して成型を行なっても良いが、一般には樹脂付
着させたフェルト等を製造する速度と成型の速度とは異
り、また成型はバッチ作業となるので一旦、ロール等に
仮巻きするのが好ましい。この場合、フェルト等同士が
付着することを防ぎ、また成型設備へスムーズにフェル
ト等を供給するために離型紙あるいはプラスチックフィ
ルム等を介してロールへ巻取ることが望ましい。また、
ロール等に巻取った樹脂付着させたフェルト等は樹脂の
変質を防ぎ、かつ溶剤等の揮散を防ぐため、実際に成型
に供されるまでは冷凍庫等で低温で保存することが望ま
しい。

ロール等に仮巻きされた樹脂付着させたフェルト等は
次いで成型設備にセットされる。成型設備の１例を図１
に示す。成型設備は芯材１が装着される可動軸２、芯
材、成型体を出し入れするための移動ロール３、芯材の
周囲を覆う形で走行するベルト４、ベルトの駆動ロール
５、ベルトに所定の張力を与えるための油圧装置６、ベ
ルトの張力検出器７、その他ベルトの蛇行を防ぐための
調心装置８、フェルト等の巻付け厚さ検出器９、離型紙
等10の巻取りロール11等で構成される。

樹脂付着されたフェルト等12は仮巻ロール13よりくり
出され芯材１とベルト４の間に装入される。ベルトを走
行させておけば以後樹脂含浸されたフェルト等は自動的
に芯材上に巻き込まれ積層されてゆく。離型紙あるいは
プラスチックフィルム等10を使用した場合は芯材上を一
周した後排出し、以後巻取ロールに巻取ってゆく。油圧
装置３により所定の張力をベルト４に与えながらベルト
４を走行させ芯材１上に積層されてゆく樹脂付着フェル
ト等12が所定の厚さになった所でフェルト等の供給を停
止する。以後今後は離型紙あるいはガラスクロス等を積
層成型された樹脂付着フェルトの上に巻き付け、末端を
接着剤等で固定した後移動ロール３を開き成型体を芯材
１ごと取り出す。次いでこの物を加熱し、樹脂を熱硬化
させ、その後芯材２を抜き取ることにより円筒形の成型
体を得ることが出来る。

成型中のベルト４の速度に制約はないが、あまりに速
度が早いと樹脂付着されたフェルト等12をきれいに芯材
２上に巻付け積層してゆくことが難しくなり、最終的に
得られる成型体に歪みを生じたりする。また供給される
フェルト等12の破断を招いたりする。逆に速度が遅い場
合には生産性が上らず不経済である。通常２〜15m/min
の速度でベルトを走行させることが好ましい。

また、得られる成型体の密度は油圧装置６によってベ
ルトに与えられる張力によってコントロールされる。何
時どれほどの張力をベルトに与えるかは芯材２の径、そ
の時既に芯材２上に巻付けらている樹脂付着フェルト等
12の厚さ、さらには樹脂付着フェルト等12自体の性状、
例えばフェルト等の目付（単位面積あたりの重量）、樹
脂付着量等様々な条件で異なってくるので予めそれぞれ
の条件下でのベルト張力と成型体密度との関係を求めて
おく必要がある。

熱硬化の終了した成型体は次いで常法に従い不活性ガ
ス雰囲気下または真空下で炭化処理を行ない、さらに必
要ならば黒鉛化処理を行なって実質上炭素繊維だけから
なる、真円状の、均一な密度の円筒形炭素繊維成型断熱
材とすることができる。

（実施例） 以下実施例および比較例により本発明をさらに詳細に
説明する。

実施例１ 石炭ピッチを原料とする炭素繊維を5cm長に切断し、
このチョップドストランドを解繊機（ランダムウェバ
ー）にかけて目付150g/m³、巾1mの、二次元ランダムに
配向したランダムウェッブを得た。

このランダムウェッブをレゾール型フェノール樹脂の
10wt％エタノール溶液（粘度1.6cps.at20℃）に浸漬
し、次いでローラーの間を通してランダムウェッブ100
部に対して樹脂液量が350部になるまで余分な樹脂液を
絞り取った。

続いてこの樹脂液が付着したランダムウェッブを、10
0℃に保持された乾燥機中を通過させ、エタノール残量
が樹脂量の30wt％になるまで乾燥させた。

解繊から乾燥までは連続して処理を行ない、最後にロ
ール上に離型紙を介して製造した樹脂付着ウェッブを巻
取った。

この樹脂付着ウェッブを巾1.2mのポリエステルベルト
を持つ図１に示す様な成型設備にセットし、3.5m/minの
ベルト速度で連転して外径280mm、長さ1.2mの金属製芯
材上に樹脂付着ウェッブを捲回積層してゆき、ウェッブ
の巻付け厚さが45mmになった時にウェッブの供給を停止
した。この間ベルトの張力を変化させてゆき、最初は5g
/cm²、最後は25g/cm²の圧力が芯材上に巻付けられてい
るウェッブに与えられる様にした。

次いで厚さ0.4mmのガラスクロスを捲回積層されたウ
ェッブ上に２周巻き付け、端部をエポキシ系接着剤で固
化させた後芯材ごと成型設備より取出し、そのまま熱硬
化設備に入れて220℃で樹脂を熱硬化させた。冷却後芯
材、ガラスクロスを取除き、内径280mm、外径370mm、密
度0.235g/cm³の成型体を得た。

この成型体を窒素ガス雰囲気中で1000℃まで加熱、炭
化し、さらにアルゴンガス雰囲気中で2400℃まで加熱し
て黒鉛化して最終的に内径286mm、外径374mm、密度0.2g
/cm³の実質的に炭素繊維だけからなる、積層の乱れ、表
面のしわ、歪み等のない真円状の成型体を得た。

比較例１ 実施例１と同様にして製造した樹脂付着ウェッブを、
実施例で使用したのと同じ量だけ、外径280mm、長さ1.2
mの金属製芯材上に、圧縮しながら手で巻付けていっ
た。巻付けの終った後の外径は約520mmとなった。この
ものを図２に示す内径が370mmとなる、長さ1.2mの半円
状の金属性外型２つの間にセットし、２つの外型がぴっ
たり合うまで外型の絞込み用ボルト14を絞め上げていっ
た。

その後芯材、外型のまま熱硬化設備に入れて樹脂を熱
硬化させた。冷却後芯材、外型を取除き内径280mm、外
径370mm、密度0.233g/cm³の成型体を得たが、図３に示
すように外型の合せ目の部分に大きなウェッブの積層乱
れ15が認められた。

次いでこの成型体を実施例と同様に2400℃まで加熱し
黒鉛化を行なった。その結果図４に示す様な成型体が得
られた。

得られた積層体は積層の乱れがあった部分を中心に歪
みを生じ楕円形（長外径380mm、短外径372mm、長内径29
3mm、短内径284mm）となってしまった。また積層の乱れ
の部分には一部積層間剥離16が認められた。

（発明の効果） 本発明の製造方法により、精度が高くかつ欠陥の少な
い円筒型炭素繊維成型断熱材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の円筒型炭素繊維成型断熱材の成型設備の
一例を示す説明図であり、図２は従来技術のモルドチュ
ーブ法に用いる外型の説明図であり、図３は比較例の黒
鉛化前の状態を示す説明図、図４は比較例の黒鉛化後の
状態を示す説明図である。 1:芯材、2:可動軸、3:移動ロール、4:ベルト、6:油圧装
置、9:巻付厚さ検出器、10:離型紙、11:巻取ロール、1
2:樹脂付着したフェルト等、14:絞り込み用ボルト、15:
積層乱れ、16:積層間剥離。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱硬化性樹脂を付着させた炭素繊維を芯材
   上に捲回積層して円筒型成型体となし、次いで熱硬化性
   樹脂を熱硬化させた後、炭化し、必要に応じてさらに黒
   鉛化を行なって実質上炭素繊維だけからなる円筒型炭素
   繊維成型断熱材を製造する方法において、円筒型成型体
   を成型する際に芯材の外周に沿って緊張を与えたベルト
   を走行させ、該炭素繊維を芯材とベルトの間に巻き込み
   緊張したベルトにより所定の圧力を与えながら芯材上に
   均一に捲回積層することを特徴とする円筒型炭素繊維成
   型断熱材の製造方法。