JPH02264018A - 活性炭素繊維およびその製造方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は強度および耐久性に優れ、吸脱着特性の優れた
活性炭素繊維およびその製造方法に間する０本発明の活
性炭素＊＆１は高弾性率、高強度の芯を有しているため
、繊維単体として強いばかりでなく、布等の集合体とし
て引っ張り、引き裂き、衝撃、磨耗、折り曲げ等に強く
、圧縮や振動等に対する形態安定性に優れている。

本発明の活性炭素繊維は織物、不織布等の布構造の形態
で、一般の吸着剤として使用することが出来る。吸着す
る物質としては種々の気体、液中に溶解する種々の溶質
等である。活性炭素繊維の使用される形態としては、種
々の工業用吸着剤、ガスマスク、浄水器、冷蔵庫や靴等
の脱臭剤、空ｒＡ設備用の脱臭フィルター等である。

本発明の活性炭素繊維はそのほかに、触媒担体、炭素分
子に対するイオンのインターカレーション電位を利用す
る蓄電池、キャパシター　コンデンサー等に用いられる
。

（ロ）従来の技術 活性炭素繊維は、ＰＡＮ、セルロース、フェノール樹脂
、ＰＶＡ、ピッチ等の繊維から作られた炭素繊維を水蒸
気、二酸化炭素を含有する雰囲気中、あるいは酸化性の
雰囲気中で賦活することにより製造される。

セルロース系の活性炭素繊維について特公昭羽−１２３
７６号等に開示されている方法は、２５０〜５００°Ｆ
（１２１〜２６０℃）の不活性気体中で８分以上熱処理
して再生セルロース繊維を軽度に炭化させた後、高温の
水蒸気中で賦活するものである。この方法は賦活に高温
、長時間を要するので、特公昭５３−３０８１０号に開
示されているように、リン化合物をあらかじめ付着させ
ておく方法が広く行なわれる。

ＰＡＮ系の活性炭素繊維の場合には、ＰＡＮの融着を防
ぐため、まず不融化処理が必要である。

不融化、炭化処理の閏の寸法変化や製品品質に対して、
処理時の張力の影響が大きいため、通常ある程度の緊張
下で処理される。この条件については特公昭５８−３６
０９５号等に開示されている。

ピッチ類からの活性炭素繊維の場合にも、ＰＡＮＫ系と
同様に、不融化処理が必要である。ピッチ繊維の不融化
、炭化処理時に緊張を与えることは困難であるため、通
常の場合には無緊張処理される。この場合にはピッチ類
の品質に問題があり、良好な製品品質を与える原料ピッ
チの品質、製法が特公昭６２−１５６４４号、特開昭６
０−１６７９２９号等に開示されている。

このような活性炭素繊維は賦活処理により、極度に多孔
質になるため強度が低下し、特に非常に脆くなる傾向が
ある。また圧縮により形態が変化し易くなり、摩耗にも
弱くなる傾向がある。また、摩耗、振動、衝撃の繰り返
しにより粉化する傾向があり、粉末が繊維集合体から離
れて移動し、種々のトラブルを起こす、また繊維重量の
減少を生じ、活性炭素繊維の能力低下を起こす。

このため強度の大きい繊維を混合して布を作り、活性炭
素繊維の低強度をカバーする事が行われているが、補強
用に用いた繊維の吸着している成分が活性炭素繊維に移
行し、吸着能力を減殺することが多く、また多くの補強
用繊維が活性炭素繊維より耐熱性が低いため、特に活性
炭素１維の再生条件に関して制約を与えることが多い。

この問題を解決するために、特開昭６０−２３１８４３
号には活性化特性の異なる炭素繊維２種の混合物からな
る布を作り、賦活の容易な方の炭素繊維のみを活性化す
る技術が開示されている。

この方法は炭素繊維の混合物を作る際に、最も混合が容
易な段階を選択出来るため、他種の補強用繊維を混合す
るよりも繊維の損傷が少ない利点があるが、例示されて
いる補強用繊維は元来強度の小さいタイプの炭素繊維で
あり、賦活処理により更に多くの欠陥部を生じるため繊
維が脆く、補強効果が不十分である。

（ハ）発明が解決しようとするｆｆ、１１本発明は従来
の活性炭素繊維が、極度に多孔質であるため強度が低く
、特に非常に脆い傾向がある欠点を改善することを目的
とする。従来の活性炭素繊維は圧縮により形態が変化し
易く、摩耗にも弱い傾向を持つ、また摩耗、振動、衝撃
の繰り返しにより粉化する傾向があり、粉末が繊維集合
体から離れて移動し、種々のトラブルを起こす。

また粉化により繊維重量の減少を生じ、活性炭素繊維の
能力低下を起こす。

本発明はまた、活性炭素繊維の持つ非常に脆い欠点を改
善するために、補強用繊維を混合する方法の問題点であ
る、補強用繊維が吸着している成分が活性炭素繊維に移
行し、吸着能力を減殺する欠点、ならびに多くの補強用
繊維が活性炭素ｍ　！１より耐熱性が低いため、特に活
性炭素繊維の再生条件に間して制約を与える欠点を改善
することを目的とする。

（ニ）！！題を解決する手段 本発明は実質的に気体を吸着する気孔を有しない芯部と
、多孔質で気体等を吸着するように賦活された鞘部とを
有することを特徴とする活性炭素繊維である。

本発明の活性炭素繊維の、好ましい実施態様は第１図に
示すような、気孔を有しない芯部が繊維断面積の１０〜
９０％を占める単一の芯であるものである、鞘ｌと芯２
との位置間係は、第１図に示すように同心円状であって
も良く、芯２が鞘１に対して偏心していても良い。

芯部の断面積が繊維断面積に対して大きい割合を占める
場合、活性炭素繊維としての有効な体積が少なくなるの
で好ましくない、また小さい割合を占める場合、芯部の
存在による強度の改善効果が小さくなるので好ましくな
い。

本発明においてａ　ＩＩの断面形状は、通常実質的に円
形であることが望ましいが、円形に限定するものではな
い、また繊維内に存在する芯部の形状は円形であっても
、多葉形あるいはその他の異形であっても良い。また第
２図に示すように、気孔を有しない芯部が多数に分れて
＊　Ｉ！断面内に存在するものであっても良い、芯部の
断面積は好ましくは総合計で繊維断面積の１０〜９０％
を占めるものである。芯２は第２図に示すように３個に
分かれていても良いが、２個あるいは４個以上であって
も良い、芯２の鞘１に対する位置間係は、第２図に示す
ように点対称の間係にあっても良く、また不規則に存在
していても良い、また芯２の大きさは均一であっても良
いが、種々の大きさのものが混在していても良い。

芯部の形状が多葉形である場合には、特に繊維側面から
の圧縮や衝撃に強く、耐久性にも富んでいる０本発明に
好適に用いられる繊維およびその芯部の断面形状を、第
１図ないし第８図に例示する。

芯部の総合計の断面積が繊維断面積に対して大きい割合
を占める場合、活性炭素繊維としての有効な体積が小さ
くなるので好ましくない、また小さい割合を占める場合
、芯部の存在による強度の改善効果が小さくなるので好
ましくない。

本発明の活性炭素繊維は、光学異方性ピッチもしくは軽
度の熱処理により容易に光学異方性に転化するピッチを
芯成分とし、等方性ピッチを鞘成分として複合紡糸し、
少なくともその鞘成分が不融化する条件で不融化処理し
、賦活処理することにより製造する。不融化処理の後好
ましくは炭化処理を実槌する。炭化処理の温度はあまり
高温である場合、コストが上昇するうえ、賦活処理が進
み難くなり、あまり低温である場合や省略した場合、コ
スト的には有利であるが、繊維強度が低く賦活処理時に
損傷を受は易い、炭化処理の温度は６００〜１２００℃
であることが好ましい。

芯成分の、光学異方性ピッチもしくは軽度の熱処理によ
り容易に光学異方性に転化するピッチは、繊維化した後
、不融化および炭化処理を行、うことにより、易黒鉛化
炭素繊維を生成するものである。

このようなピッチとしては通常の流れ模様を持つ光学異
方性ピッチのほか、重質油やピッチ類から溶剤抽出によ
り、容易に光学異方性に転化する成分を集めたもの、あ
るいは光学異方性ピッチを還元して、容易に光学異方性
に転化する等方性ピッチとしたもの等である。この光学
異方性ピッチもしくは軽度の熱処理により容易に光学異
方性に転化するピッチは石油系のものであっても、石炭
系のものであっても良い。

このようなピッチから作られた炭素繊維は賦活を行なう
際に反応速度が小さく、なかなか活性化が達成されない
が、反面、強度や伸度や弾性率の低下が少ない傾向があ
る。

鞘成分の等方性ピッチは、好ましくは軟化点が１２０℃
以上の高軟化点ピッチである。

通常の高分子物の場合には１．一方の成分が固化したと
きに、固化した成分が液状を保っている他方の成分を空
中に支えることができる。ところがピッチの場合は固化
したときの強度が極めて小さいため、液状を保っている
成分を空中に支えることが難しい、そのため本発明の複
合紡糸を行う際には、芯成分と鞘成分のピッチは軟化点
が近いことが好ましい。

鞘成分のピッチとしては、石油系、石炭系のいずれもが
用い得るが、高軟化点の等方性ピッチは概して、一般的
に石炭系の方が作り易い、その理由は恐らく次のようで
ある。

石油系の重質油は熱処理により軟化点を上げて行くと、
ある程度上昇した段階で、光学異方性化の開始と同時に
急速に軟化点が高くなる現象が認められ、軟化点が高い
等方性ピッチを製造する条件はかなり厳しく限定される
。一方石炭系の重質油は光学異方性化の速度が遅く、軟
化点の高い等方性ピッチを製造する条件は比較的幅広く
選択出来る。

（ホ）作用 本発明は強度および耐久性に優れ、吸脱着特性の優れた
活性炭素繊維およびその製造方法に間する０本発明の活
性炭素繊維は高弾性率、高強度の芯を有しているため、
繊維単体として強いばかりでなく、布等の集合体として
引っ張り、引き裂き、衝撃、摩耗、折り曲げ等に強く、
圧縮や振動等に対する形態安定性に優れている。

本発明の活性炭素繊維は二成分から成る単一の複合繊維
であるため、補強用繊維の混合などの余分な加工工程を
必要とせず、均一性が高い利点を有する。

（へ）実施例 次に本発明を、実施例により具体的かつ詳細に説明する
。

実施例　ｌ 芯成分として軟化点２８５℃、光学異方性分率１００％
の石油系ピッチ、鞘成分として軟化点２４５℃の石炭系
の等方性ピッチを用い、第１図に示すような同心円状の
形態に複合紡糸した。紡糸口金の直径は０．２−１紡糸
温度は３０５℃、複合比率は５０：５０であった。

得られたピッチ繊維を昇温速度０．３℃／分で３００℃
まで昇温させつつ不融化処理した。得られた繊維をさら
に不活性気体としてのＮ２ガス中で昇温速度５℃／分で
９００℃まで昇温させつつ熱処理し、炭化を行なった。

得られた直径１７μ鰯の炭素繊維３０００本からなるフ
ィラメントを、折込み本数１２本／１ｎｃｈで平織りに
製織した。

この炭素縁１１　Ｍｌ物を８５０℃の水蒸気中で１時間
処理し、賦活を行なった。得られた活性炭素繊維の断面
より計測した芯鞘比率は５５：４５、鞘成分の比表面積
１６３０ぜ／８、ＪＩＳ　　Ｋ　　１４７０によるメチ
レンブルー脱色試験では鞘成分換算で２２５ＩＩｇ／　
ｇであった＊　　（５５ｖｏ１％の芯成分は比表面積に
も吸着にも関与しないとして計算した）実施例　２ 芯成分として軟化点２８３℃、光学異方性分率９３％の
石油系ピッチ、鞘成分として軟化点２３８℃の石炭系の
等方性ピッチを用い、芯鞘型の複合紡糸口金で、管状ノ
ズルの周辺から加熱空気を噴出させる紡糸孔を有する口
金により、紡糸を行った。

管状ノズルの内径は０．２５ｍ５、紡糸温度は３４０℃
、複合比率は芯：鞘＝　３５　：　６５であった。

紡出したピッチ繊維を直ちにネットコンベヤーの上に採
取し、不融化および賦活を行った。得られた活性炭素繊
維ウェブをパンチ密度２５回／ＣＷｒのニードルパンチ
を行なった。

得られた活性炭素繊維不織布は優れた吸着性能および耐
久性を有していた。

実施例　３ 芯成分として軟化点２８７℃、光学異方性分率９６％の
石油系ピッチ、鞘成分として軟化点２４３℃の石炭系の
等方性ピッチを用い第２図に示すような多芯芯鞘型の複
合紡糸を行なフた。紡糸温度は加０℃、複合比率は芯：
鞘＝３０ニア０であった。

得られたピッチ繊維を、昇温速度０．５℃／分で３００
℃まで昇温させつつ不融化処理した。得られた繊維を、
さらに不活性気体としてのＮ２ガス中で昇温速度１０℃
／ｓｉｎで９５０℃まで昇温させつつ熱処理し、炭化を
行なった。

得られた直径１４■の炭素繊維３０００本からがるフィ
ラメントを、折込み本数１０．５本／１ｎｃｈで平織り
に製織した。

この炭素縁＆を織物を８００℃の水蒸気中で１時間処理
し、賦活を行なった。得られた活性炭素繊維織物は優れ
た吸着性能および耐久性を有してい゛た。

実施例　４ 芯成分として軟化点２９６℃、光学異方性分率１００％
の石炭系ピッチ、鞘成分として軟化点２４５℃の石炭系
の等方性ピッチを用い、第５図に示すような三葉形の芯
を、円形の外形横断面と同一の対称中心を有する形態に
複合紡糸した。紡糸口金は直径０．４−の紡糸孔の中に
７字形の中空断面を冑する中空針を圧入したものを用い
、中空針の中から芯成分を押し出した。紡糸温度は３１
２℃、複合比率は芯：鞘＝　８０　：　４０であった。

得られたピッチ繊維を、昇温速度０．３℃／分で３００
℃まで昇温させつつ不融化処理した。得られた繊維をさ
−らに不活性気体としてのＮ２ガス中で昇温速度５℃／
分で９５０℃まで昇温させつつ熱処理し、炭化を行なっ
た。

得られた直径１７μｍの炭素繊維３０００本からなるフ
ィラメントを、折込み本数１２本／１ｎｃｈで平織りに
製織した。

この炭素繊維織物を８５０℃の水蒸気中で１時間処理し
、賦活を行った。得られた活性炭素繊維の断面より計測
した芯鞘比率は６５　：　３５、鞘成分の比表面積１６
３（１／／ｇ、ＪＩＳ　　Ｋ　　１４７０によるメチレ
ンブルー脱色試験では鞘成分換算で２２５゜７ｇであっ
た＊　　（８５ｖｏ１％の芯細分は比表面積にも吸着に
も関与しないとして計算した） 実施例　５ 芯成分として軟化点２８３℃、光学異方性分率９３％の
石油系ピッチ、鞘成分として軟化点２３８℃の石油系の
等方性ピッチを用い、第、６図に示すような万葉形の芯
を、円形の外形横断面と同一の対称中心を有する形態に
複合紡糸した。使用した芯鞘型の複合紡糸口金は、二重
の管状ノズルから芯鞘型に２種のピッチを吐出させ、該
管状ノズルの周辺から加熱空気を噴出させる紡糸孔を有
する口金により、紡糸を行なった。二重の管状ノズルの
外管の内径は０．５鴎、内径は０．２−の等しい長さの
スリットを７２°間隔で、回転対称を有するように放射
状に配置した、異形の中空針であフた。紡糸温度は３４
０℃、複合比率は芯：鞘＝３５：６５であった。

紡出したピッチ繊維を直ちにネットコンベヤーの上に採
取し、実施例１と同様にして不融化および炭化を行った
。得られた炭素繊維ウェアをパンチ密度２５回／ＣＶ／
のニードルパンチを行った後、実施例１と同様にして賦
活を行なった。

得られた活性炭素繊維不織布は優れた吸着性能および耐
久性を有していた。

（ト）発明の効果 本発明の活性炭素繊維は織物、不織布等の布構造の形態
で、一般の吸着剤として使用することが出来る。吸着す
る物質としては種々の気体、液中に溶解する種々の溶質
等である。活性炭素繊維の使用される形態としては、種
々の工業用吸着剤、ガスマスク、浄水器、冷蔵庫や靴等
の脱臭剤、空ＩＷ設備用の脱臭フィルター等である。

本発明の活性炭素繊維はそのほかに、触媒担体、炭素分
子に対するイオンのインターカレーション電位を利用す
る蓄電池、キャパシター　コンデンサー等に用いられる
。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の活性炭素繊維の横断面を示す略図であ
る。第２図は本発明の別の実施態様である多数の芯を有
する活性炭素繊維の横断面を示す略図である。第３図な
いし第８図は本発明の更に別の実施態様である非円形断
面の芯を有する活性炭素繊維の横断面を示す略図である
。 １：鞘 ２：芯 図面の浄書 ７Ｘ１図　礒目を虜断面図（そのｌ） 慕２＋１　　繊ｔｌＩの横断面図（その２）第３図 １ａ維検断面区（その３） 第４図 繊維横断面図（その４） 第７図 繊維横断面図（その７） 第８図 繊維横断面図（その８） 第５図 繊維横断面図（その５） 第６図 繊維横断面図（その６） 手 続 補 正 書（方式゛） 事件の表示 平成０１年特許順第０４１８８２号 補正をする者 事件との関係 、特許出願人 住 所 東京都千代田区紀尾井町三番六号 氏名（名称） 株式会社ベトカ 代 理 人 住 所 東京都新宿区新宿２丁目８番１号新宿セブンビル３０３
号補正により増加する発明の数 増加せず 補正の対象 図面 補正の内容 別紙の通り

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　実質的に気体を吸着する気孔を有しない芯部と
   、多孔質で気体等を吸着するように賦活された鞘部とを
   有することを特徴とする、活性炭素繊維。
2. （２）　請求項１において気孔を有しない芯部が繊維断
   面積の１０〜９０％を占める単一の芯であることを特徴
   とする請求項１に記載の活性炭素繊維。
3. （３）　請求項１において気孔を有しない芯部が多数に
   分れて繊維断面内に存在することを特徴とする請求項１
   に記載の活性炭素繊維。
4. （４）　光学異方性ピッチもしくは軽度の熱処理により
   容易に光学異方性に転化するピッチを芯成分とし、等方
   性ピッチを鞘成分として複合紡糸し、少なくともその鞘
   成分が不融化する条件で不融化処理し、賦活処理するこ
   とを特徴とする活性炭素繊維の製造方法。