JPH02503449A - 濃密化炭素質繊維構造物 - Google Patents

濃密化炭素質繊維構造物

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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】 濃密化炭素質繊維構造物 本発明は第1の多数の不燃性非線状弾性の伸長性の実質的に非可逆的に熱固定し た炭素質ポリマー繊維から、該繊維を炭素質ポリマー前駆体材料の第2の繊維と 一緒にからみ合せ、次いで全構造物を熱処理して該第2m維を熱固定することに よって、繊維質構造物を製造する方法に関する。
本発明の綾維質臂進物は断熱および/または防音の用途および濾過に有用性をも つ。これらの構造物は好ましくはf!#縮化されており、そして良好な形状およ び容積保持性をもち多数回の圧縮と荷重解放のサイクルに対して構造的に安定で ある。比較的高い#に密化(非構造物と比較して)をもつこれらの構造物はフェ ルト状の外観と破損のきわめて少ない繊維を驚異的忙有する。
この多数の炭素質線維はウール状線毛様物質、フェルト、ウェブ、ブランケット 、バッティングなどを作るのに使用され、以後これらの繊維を「繊維質構造物」 と呼ぶ。繊維質構造物が第2wI維による橿え付けによって濃密化されると、そ の構造物はここKr11蜜化繊維構造物」または単に「濃密化構造物」と呼ばれ る。
ここく使用する「植え付け」なる用語は一般に、繊維をもつれさせ、相互にまぜ 合わせ、又は相互にからみ合わせる方法をいう。好ましくは、第1繊維の繊維質 構造物は該繊維質構造物を第2WI!、維で縫いによってからみ合ぜろ。
多くの高温絶縁用途にとって、高い濃密化の繊維質構造物(すなわちウール伏線 毛様物質またはバッティング)を製造してそれが高温への長い露出期間にわたっ てその一体性とその濃密化を保持するようにするのが望ましい。
濃密化構造物は400℃以上の高温で有用であり、良好な機械的および物理的特 定を保持する。
本発明の繊維質構造物の製造に好適な不燃性の非線状弾性炭素質繊維は欧州特許 第0199567号(1986年lO月29日発行;発明の名称Carbona ceousFibers with Spring−Like Reversi ble Deflectionand Method of Manufact ure  ;発明者マツカラン等)に記載されている。本発明前には上記の非線 状炭素質繊維の繊維質構造物を永久に#密化すること及び′a密化繊維質構造物 の一体性を400℃以上の温度で保持することは可能ではなかった。
400℃以上の温度で、上記の炭素質ポリマー材料(不燃性p−アラミド繊維を 包含する)から製造した繊維は分解し、従って繊維質構造はその一体性を失なう 。
それ故、昇温でその物理的構造を失なわないポリマー繊維と一緒に永久的に濃密 化し繊維質構造を保持しうろことはかなり有利である。
米国特許第4623846号(発明者パイブス)には本発明の繊維質構造物を製 造するのに利用しうる装置が記載されている。
本発明は、多数の不燃性非線状の実質的に非可逆的に熱固定された且つ弾性があ り形状再生性で伸長性のL2:1より大きいたわみ比とJO:1より大きい縦横 比をもつ第1の炭素質ポリマー繊維、および該第1繊維とからみ合う関係で植え つけられてからみ合った繊維質構造物を形成する少なくとも1種の第2の不恋性 の実質的に非可逆的に#固定された炭素質チリマーt#L維、ヤーンまたはトウ 、を含んで成ることを1#黴とする繊維質構造物に関する。
好ましくは、本発明は第1の炭素質M&維が正弦波またはコイル状の形態をもち 、繊維質構造物が不織のウール状綿毛様物質、バッティング筐たはウェブの少な くとも1層の形体にあり、そして第2の炭素質繊維、ヤーンまたはトウが線状ま たは非線状の形態および第1の炭素質繊維よりも高いデニールをもっている、繊 維質構造物にある。
有利には、第2のからみ合わせ用の炭素質繊維は繊維質構造物の第1の炭素質繊 維と化学的に類似しているか同じである。
本発明は更に、4.8〜32に97m”の嵩密度をもつ濃密化繊鑑賞構造物に関 する。
本発明はまた、多数の不燃性、非線状の実質的に非可逆的に熱固定された第1の 炭素質ポリマー繊維からの繊維質構造物の製造法に関し、その方法は第1の繊維 に少なくとも121o熱固定されていない第2の炭素質ポリマー繊維、ヤーンま たはトウを第1繊維とからみ合った関係で植えつ゛ゆる工程および次いでこの繊 維質構造物を不活性雰囲気中で加熱処理して該からみ合わせの第2の繊維、ヤー ン丁たはトウを熱固定させろ工程を含んで成る。
不発明の方法はまた、第1の繊維の繊維質構造物を植えつゆたとえばニードル・ パンチ操作に大きな剪断抵抗をもつ大きな径の第2の炭素質ボ′リマー前駆体繊 維とブレンドすることを可能にする。比較的大きなデニールをもつ炭素質繊維は 大きな機械的強度をも提供しうる。
本発明の好ましいM様によれば、Mlの熱固定した非線状の炭素質ポリマー繊維 は炭素質前駆体材料から製造した第2の繊維、ヤーンまたはトウによるニー ド ルーノインチによって橿えつゆられて繊維5i構造物の嵩″M度および機械的強 度を増大させる。ニードル・バンチは線維質構造物中で第2繊維にループを作ら せる。
繊維IIF造物進物処理はループの縫い目にホックを作る。
高度のニードル・パンチを使用して熱処理後にフェルト状の感触および外観をも つ濃密化構造物を作ることができる。
本発明の更なる態様によれば、2種以上の繊維質構造物たとえばバッティングを 一緒に接合させることができる。一方のバッティングを他方のバラティグのから み合せ用Il維として利用することができる。
第1の炭素質繊維は好ましくは正弦波またはコイル状の形態を有するか又は2者 のもつと複雑な構造上の組合せを有する。これらの第1線維は線状の熱固定した 炭素質ポリマー繊維を含んでいてもよい。
本発明に使用する炭素質繊維は少なくとも65チの炭素含量および5〜35チの 窒素含量をもつ。これらの繊維は最も適する用途の決定においてその炭化度およ び/またはその電気伝導度が特に同定される。
第1の炭素質繊維または繊維マトリックスは、好適な安定化炭素質ポリマー前駆 体物vL:たとえば安定化ポリアクリロニトリル(PAN)基材の物質、または ピッチ基材の物質すなわち石油またはコールタールピッチから誘導された物質、 または不燃性で熱安定性の炭素質繊維または綾雉樗進物に転化しうるその他のポ リマー物質、かう誘導される炭素質前駆体物質を熱処理することKよって製造さ れる。
たとえば、PAN基材繊維の場合、これらの繊維は前駆体物質の好適な流体を溶 融または湿式紡糸することによって製造され、4〜25ミクロンの公称直径をも つ。
これらの篭維をトウの形体の多数の炭素5iフイラメントの集合体として収集し 、PAN基材暖維の場合には通常の方法によって安定化する。安定化した繊維、 トウまたはステーブル・ヤーン(切断または延伸破断の繊fil試料から作られ たもの)はその後にこの暖雉、トウ、またはヤーンを織物または布に歩むことに よってコイル状および/また(i正弦波の形体に形成される(他の織物形成法お よびコイル形成法を使用しうろことも認識されるであろう)。
このようにして生成させた織物または豪遊はその後に弛緩した又は応力をかけな い状Mにおいて、不活性雰囲気中525〜750℃の温度である時間熱処理して 熱誘起熱固定反応を住ぜしめ、追加の交差結合および/または交差鎖環化反応を もとのポリマー鎖の間で起させる。
150〜525℃の低温に2いては繊維には種々の8度の仮の固定から永久の固 定ヱでの固定が付与されるけれども、525〜750℃の高温においては、繊維 には実質的に永久の又は非可逆的熱固定の形態が付与される。
「永久」または「非可逆的熱固定」なる用語は、非線状繊維がもとの内部引張り 強度を越えることなしに実質的に線状形に延伸されたとき、ひとたびその応力を 解放するともとの非憑状形に戻る程度の非可逆性を有することを意味する。上記 の方法によう熱処理された繊維は実質的に線状形に延伸することができ然も応力 が解放されるともとの延伸されなかった非線状形態に戻る。繊維のこのような延 伸は、ia、維を破損することなしに多くのサイクルにわたって行なうことがで き、そして(繊維の引張り強度を越えることなしに)付加の張力な実質的K11 l状の形11にある繊維に加えたとしてさえ同じことがいえる。
コイル状および/または正弦波の繊維が弛緩した又は応力のない状′BK且つ不 活性な非酸化性雰囲気下にあるあいだに熱処理が行なわれるならば、繊維は始め に高温範囲の温度で熱処理しうろことがもちろん理解されるべきである。525 〜750℃の範囲の高温処理の結果として、永久に固定された正弦波またはコイ ル状の形態がm!!、)つまたはヤーンに付与される。非線状構造形態をもつ生 成繊維、トウまたはヤーン(編んだ布な琲みほぐすことによって誘導されうる) は白菜技術において知られている他の処理法にかけて開繊、すなわち布のトウま たは繊維をもつれたウール状綿毛様*’tiに分離し、個々の繊維がそのコイル 状または正弦波の形態を保持してかなりロットな繊維質構造物を生じる方法を作 ることができる。
たとえば編んでからその後に弛緩した応力をかけていない状態で525℃以上の 温度で加熱することによって所望の構造形態に永久固定した安定化繊維は、その 弾性および可逆的たわみの特性を保持する。約1500℃までの高温を使用する こともできるが、繊維をカーディングして綿毛様物質を作るとき、最も柔軟性の ある繊維および竜小の繊維破損ロスは525−750℃の温度に熱処理した繊維 中に見出される、ということが理解されるべきである。
本発明に使用する第2の炭素質ll1mは上記の繊維質構造物の第11I1.維 とからみ合うことができる且つ上記の高温に耐えることができる繊維を包含する 。第2の繊維は別の糸から誘導することができ、隣接するバッティングの繊維で あることもでき、あるいは第1の繊維とブレンドしてウール状の綿毛様物質また はパッティングを形成しうるものであってもよ<、濃密化用に使用することがで きる。
好ましくは、からみ合わせ用の第21/lt維は第1繊維と同じか又は類似の安 定化炭素質ポリマー前駆体物質から製造することができる。たとえば、好適な安 定化前駆体物質はPANまたはピッチ基材の物質(たとえば石油またはコールタ ール)、あるいは上記の関心のある高温くて熱的に安定な他のポリマー物質たと えばアラミド繊維%に芳香族ポリアラミドたとえばKEYLAE(イー・アイー デュポンードかヌムール・アンド・カンパニー、インコーホレーテッドの商lI )からえらぶことができる。
PAN基材基材線維数の連続フィラメントのトウの集合体として収集して通常の 方法での酸化によって安定化することができる。安定化した第2の繊維、トウま たはステープル・ヤーン(切断した又は延伸破断した繊維ステープル)はその後 に本発明の方法により第1の炭素質繊維に植えつけて繊維質構造物または濃密化 構造物を作ることができる。
炭素jt繊維構造物に植えつけるとき、第2の炭素質繊維はこれを永久に熱固定 する前に線状または非線状の繊維として該構造物中に混合することができる。
第2の非線状繊維はこれらの繊維を不活性雰囲気中150〜525℃の温度範囲 で弛緩した又は応力をかけていない状態で熱処理することにより該繊維に一時的 な固定を付与することによって、第11!維と同様にして製造することができる 。これらの繊維には特定の温度範囲での温度上昇に伴ない種々の程度の一時的固 定から永久固定までの固定が付与される。これらのll!維は次いで、からみ合 わせ工程の後に、化学処理によって又は繊維質構造物の熱処理によって、永久的 に固定される。好ましくは、熱処理は525℃以上の温度で行なって1RaK永 久固定を与えるようにする。
第2の炭素質繊維が永久に熱固定されているとき、第1と第2の炭素質繊維の組 合せから成る繊維質構造物に一体性と取扱い容品性が付与される。
第1線維の場合と同様に、約1500℃までの温度を使用して第2漱維に永久固 定を与えることも刃きるけれども、最も柔軟性で最小の繊維破損ロスは525− 750℃の温度に熱処理された繊維に見出される。
からみ合った繊維質構造物は高温の断熱性および吸音僕進物に利用され、構造物 をくみ入れる特定の用途および環境に応じて3つのグループに分類することがで きる。
第1のグループにおいて、本発明の繊維質構造物に使用される炭素質*維は電気 的に非伝導性である。非伝導性とは、それぞれが7〜20ミクロンの直径をもつ 6にトウの繊維について測定したとき4 X 10’オーム15+より大きい抵 抗九対して適用される。それぞれの繊維の比抵抗は約102オーム/cmより太 きい。
第2のグループにおいて、本発明の繊維質構造物に使用される炭素質繊維は部分 的に電気伝導性(すなわち低い電気伝導度をもつもの)であると分類され、85 %未満の炭素含量をもつ。前駆体安定繊維がアクリル繊維すなわちpAN基材繊 維であるとき、窒素含量は5〜35チ、好ましくは16〜20チである。これら の部分的に電気伝導性の繊維は航空宇宙乗物の絶縁として、ならびに公衆の安全 に関心のある区域におけるIil!!縁として、使用するのKすぐれている。こ れらからル遺された構造物は軽量であり、低い湿気吸収性、良好な摩滅強度なら びに良好な外観と取扱い性をもっている。
炭素質繊維中の炭素含量が大きいほど、電気伝導度は高い。このような繊維は、 濃密化構造く形成させたとき、特に大部の繊維が非線状すなわちコイル状である とき、クール状外観を依然として保持する。また、構造物中のコイル状繊維のチ が大きいほど、構造物の弾性は大きい。
炭素含量が大きい結果として、これらの部分的に伝導性の繊維を用いて製造した 構造物も吸音性が太き(、そして高温でのより有効な断熱バリヤーをもたらす。
これらの繊維は、それぞれの繊維が7〜20ミクロンの直径をもつ場合の6K) つの繊維について測定したとき、4x10’〜4XIO”オーム/cIIIの電 気抵抗をもつ。
第3のグループは、少なくとも85チの炭素含量をもつ炭素質繊維である。これ らの繊維は、その高い炭素含量の結果として、すぐれた断熱性および吸音性をも つ。
繊維構造物中の繊維のコイル状または正弦波の形体は、改良された断熱効率を保 持しながら良好な圧縮性と弾性をもつ絶縁を与える。第3のグループの繊維を用 いて製造した繊維質m遺物は炉の絶縁および高温と騒音の区域において特別な用 途をもつ。
好ましくは、使用される第3グループの繊維は安定化アクリル繊維から誘導され 、lO−未満の窒素含量をもつ。更に高い炭素含量の結果として、この繊維質構 造物は更に電気伝導性である。すなわちその電気抵抗は、それぞれの繊維が7〜 20ミクロンの直径をもつ場合の6にトウの繊維で測定したときN  4X10 ’オーム/、−未満である。
繊維質構造物の製造に有利に使用される前駆体安定化アクリル繊維はアクリロニ トリルホモポリマー、7クリロニトリルコポリマーおよびアクリロニトリルター ポリi−かうえらばれる。コポリマーは好ましくは少なくとも約85モル−のア クリロニトリル単位およびスチレン、メチルアクリレート、メチルメタクリレー ト、ビニルクロ2イド、ビニリデンクロライド、ビニルピリジンなどと共重合さ せた15モルチまでの1種またはそれ以上のモノビニル単位を含む。また、アク リルフィラメントはアクリロニトリル単位が好ましくは少なくとも約85モルチ であるターポリマーから成ることもできる。
炭素質前駆体出発物質は、非酸化性雰囲気中約1000℃を越える温度に繊維質 構造物を加熱するごとくよって金属導体のオーダーの電気伝導性をそれらに付着 したものでありうることも更に理解されるべきである。電気伝導性はえらばれた 出発物質たとえばピッチ(石油またはコールタール)、ポリアクリロニトリルコ ポリマー(PANOXまたはGRAFIL−01)、ポリフェニレン、ポリビニ リデンクロライド(サラン;ザ・ダウ・ケミカル参カンパニーのMliE)など から得ることができる。
本発明の特徴によれば、静電防止性繊維すなわち静電荷を消散させる能力をもつ 繊維は、繊維質構造物中に挿入することができ、からみ合わせ用の且つ!!に@ 代用の繊維としても役立つ。
好ましい前駆体繊維は前駆体物質を七ノフイ2メントまたはマルチフィラメント のトウを生じるように周知の方法で溶融紡糸または湿式紡糸するととKよって製 造される。これらの繊維、ヤーンまたはトウは次いで多数の商業的に利用される 技術のいづれかによって織布または編み布くすることができる。次いでこの織物 または扁み物を約525℃を越える、好ましくは550℃を越える温度に加熱し 、その後に編みはぐし、カーディングして、本発明の繊維質構造物中に使用され るウール状綿毛様物質な生成させる。
所望ならば、濃密化繊維質構造物は熱処理してカーボンまたはグラファイトの構 造物にすることもできる。本発明の方法は複雑編み操作なしにカーボンまたはグ ラファイトの構造物の製造を可能にする。
ここに使用するすべてのチは重量基準のチであることが理解されるべきである。
本発明の具体的態様を次の実施例に示す。
実施例I A、550℃”に加熱処理した非線状炭素質繊維のトウをジャーレイ開繊機で開 濃し、米国ペンシルバニア州フイラデルフイアのRKカーボン・ファイバーズ・ インコーホレーテッドから入手した大骨量大デニール0FF(酸化PANG維) 25%とブレンドした。犬骨型OFFはブレンド前に200℃の温度で固定した 一時的な捲縮をもっていた。バッティングを混合してニードル・パンチ機を走行 させ、この前駆体繊維f) 7.5 cmの厚さからL8譚の厚さに濃密化した 。
B、大骨型OFFをからめた縫いを含む、上記人からの生成濃密化バッティング もしくはフェルトを窒素雰囲気下700℃で60分間熱処理した。生成する!! 密化バッティングもしくはフェルトは良好な永久の一体性をもち、400℃以上 の温度で安定であった。
実施例2 *施例1のムの方法に従い、濃密化バッティングを製造した。生成したバッティ ングを次いで1500℃の温度で60分間加熱処理して、防音および断熱材とし て好適な均一な炭素構造物をえた。
国際調査報告

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.多数の不燃性非線状の実質的に非可逆的に熱固定された且つ弾性があり形状 再生性て伸長性の1.2:1より大きいたわみ比と10:1より大きい縦横比を もつ第1の炭素質ポリマー繊維、および該第1繊維とからみ合う関係て植えつけ られてからみ合りた繊維質構造物を形成する少なくとも1種の第2の不燃性の実 質的に非可逆的に熱固定された炭素質ポリマー繊維、ヤーンまたはトウ、を含ん で成ることを特徴とする繊維質構造物。
  2. 2.からみ合いの繊維質構造物が濃密化されており、48〜32kg/m3の嵩 密度をもつ請求項1記載の構造物。
  3. 3.第1および第2の炭素質繊維が4〜25ミクロンの直径をもつ安定化ポリマ ー前駆体繊維またはピツチ基材前駆体繊維から誘導される請求項1記載の構造物 。
  4. 4.ポリマー前駆体繊維がアクリロニトリルホモポリマー、アクリロニトリルコ ポリマーおよびアクリロニトリルターポリマーからえらばれたアクリル繊維であ り、該コポリマーおよびターポリマーが少なくとも85モル%のアクリロニトリ ル単位および別のポリマーと共重合させた15モル%までの1種またはそれ以上 のモノビニル単位を含む請求項3記載の構造物。
  5. 5.該炭素質繊維か65%より大きい炭素含量えよび40より大きいLOI値を もつ請求項1〜4のいづれか1項記載の構造物。
  6. 6.該炭素質繊維が電気であり、少なくとも85%の炭素含量をもち、そして各 繊維が7〜20ミクロンの公称直径をもつ6Kトウの繊維について測定したとき 4×103オーム/cm未満の電気抵抗をもつ請求項5記載の構造物。
  7. 7.該炭素質繊維が電気的に非伝導性であるか又は静電気消散性をもたず、85 %未満の炭素含量をもち、そして各繊維が7〜20ミクロンの公称直径をもつ6 Kトウの繊維について測定したとき4×103オーム/cmより大きい電気抵抗 をもり請求項5記載の構造物。
  8. 8.該炭素質繊維が低い電気伝導度と低い静電気消散性、および85%未満の炭 素含量をもち、そして各繊維が7〜20ミクロンの公称直径をもつ6Kトウの繊 維について測定したとき4×106〜4×103オーム/cmの電気抵抗をもつ 請求項5記載の構造物。
  9. 9.第1の炭素質繊維が正弦波もしくはコイル状の形態をもち、繊維質構造物が 不織のウール状綿毛様物質、バツテイングまたはウエブの形態にあり、そして第 2の炭素質繊維が線状または非線状の形態および第1の炭素賃繊維より高いデニ ールをもつ請求項1〜8のいづれか1項記載の構造物。
  10. 10.多数の不燃性非線状の実質的に非可逆的に熱固定された第1の炭素質ポリ マー繊維からの繊維質構造物の製造法であって、第1の繊維に少なくとも1種の 熱固定されていない第2の炭素質ポリマー繊維、ヤーンまたにトウを第1の繊維 とからみ合った関係で構えつける工程、および次いでこの繊維質構造物を不活性 雰囲気中で熱処理して該からみ合わせの第2の繊維、ヤーンまたはトゥを熱固定 させる工程を含んで成ることを特徴とする繊維質構造物の製造法。
  11. 11.第2の繊維、ヤーンまたはトウが非可逆的に熱固定されて第1の熱固定さ れた炭素質繊維と組成が類似または同一である炭素質繊維、ヤーンまたはトウを 形成しうる前駆体炭素質ポリマー物質から製造される請求項10記載の方法。
  12. 12.該繊維がアクリル繊維であり、そして第2の熱固定されていないからみ合 いり繊維を含む繊維質構造物を不活性雰囲気中525℃を越える温度て熱処理し て第2の繊維、ヤーンまたはトウに永久固定を付与する工程を含む請求項10ま たは11記載の方法。
  13. 13.繊維質構造物がウール状綿毛様物質、マット、フエルトまたはバツテイン グの形体にあり、そして第2の繊維、ヤーンまたはトクが該構造物を4.8〜3 2kg/m3の嵩密度に濃度化して該構造物に一体性と取扱いやすさを与えるよ うに該構造物中に存在する請求項10,11または12記載の方法。
  14. 14.第1繊維への第2繊維の槽えつけがニードル・パンチによって達成される 請求項10〜13項のいづれか1項記載の方法。
  15. 15.第2の炭素質繊維が第1の炭素費繊維と同じ又は異なる組成をもつ繊維か らえらばれる請求項10〜14項のいづれか1項記載の方法。
  16. 16.植えつけた第2繊維がバッティングから誘導される請求項10〜15のい づれか1項記載の方法。
  17. 17.第2の繊維が線状または非線状の繊維である請求項10〜16のいづれか 1項記載の方法。
  18. 18.線維質構造物が複数のバッティングから成る請求項1〜17のいづれか1 項記載の方法。
  19. 19.少なくとも1つのバッティングが少なくとも85%の炭素含量をもつ炭素 質繊維から成る請求項18記載の方法。
  20. 20.少なくとも1つのバツテイングが線状繊維を含む請求項18記載の方法。
  21. 21.酸化したポリアクリロニトリルから誘導された、1.2:1より大きい可 逆性たわみ比、10:1より大きい縦横比、および40より大きい限定酸素イン デックス値をもつ、第1の非線状の弾性のある形状再生性の伸長性不燃性の熱固 定された炭素質繊維の第1のバッティングを提供する工程;ポリアクリロニトリ ル繊維の少なくとも1つの第2のバツテイングを上記の第1のバツテイングの上 に重ねる工程;第2のバツテイングからのポリアクリロニトリル繊維を第1のバ ツテイングの熱固定した繊維とからみ合せる工程;およびその後に全体の濃密化 構造物を熟処理して第2のバツテイングを実費的に永久に熱固定させる工程;を 含んで成ることを特徴とする多重層バツティング構造物の製造法。
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