JPH03277538A - 断熱材 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高温熱処理時に好適に使用される断熱材に関
する。

Ｃ従来の技術と発明が解決しようとする課題］炭素繊維
フェルトは、セラミックス焼成炉、真空蒸着炉、半導体
単結晶成長炉等の高温炉における断熱材や断熱緩衝材な
どとして使用されている。

また一般に、炭素繊維フェルトの高密度が大きくなるに
つれて、高温域における断熱性が大きくなる。しかしな
がら、炭素繊維フェルト単体では、高密度が０．０７ｇ
／ｃｕｔ程度と小さいため、低温域における断熱性はよ
いものの、高温断熱性か十分てない。従って、高温域で
の高温断熱性を高めるには、炭素繊維フェルトを圧縮す
る必要がある。

また加熱炉への装着等を容易にするために、適度な硬度
を付与し形状保持性を高めることと、被熱処理物の汚染
を防止するために、炭素フェルトの毛羽をなくすことか
必要とされる。

一方、実公昭５８−２９１２９号公報には、炭素繊維フ
ェルトと黒鉛シートとを炭素質の結合剤で接着した断熱
材が開示されている。この断熱材は、炭素繊維フェルト
と黒鉛シートの双方に樹脂を含浸して、加圧成形し、成
形物を炭化処理することにより、製造している。

しかしながら、この断熱材は、含浸樹脂に起因して種々
の問題が生じる。例えば、含浸工程で、樹脂の含浸むら
が生し易いので、均一性、断熱性が低下する。また炭化
した含浸樹脂で一体化しているため、断熱材は、弾力性
及び緩衝性に乏しく硬質であり、加工時や炉への装着時
に欠損し易いさらには、含浸樹脂に起因して、炭化及び
その後の加工時に粉が多量に発生し、発生した粉は、高
温炉内の被加熱処理物を汚染する。また樹脂を含浸した
後、焼成するので、断熱材に反りか生じ易くなる。

従って、本発明の目的は、形状保持性、断熱性緩衝性に
優れると共に、欠落や反りかなく、被加熱処理物の汚染
を防止できる断熱材を提供することにある。

［発明の構成］ 本発明者らは、炭素繊維、炭素繊維化可能な繊維又はこ
れらの混合繊維（以下、特に断りがない限り、これらを
炭素繊維等と総称する）と、炭素繊維化可能な熱融着性
繊維（以下、熱融着性繊維という）とを混紡し、機械的
に接合した後、焼成した。かくして、樹脂を含浸するこ
となく、高密度を高めることかできると共に、適度な硬
度を有し、弾力性及び緩衝性に優れた均一な炭素繊維フ
ェルトが得られることを見いたし、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、炭素繊維フェルトと炭素材質シー
トとを、炭素質結合剤で積層した断熱材であって、上記
炭素繊維フェルトか、炭素繊維が機械的に接合している
と共に、炭素繊維間が、融着状態で炭素繊維化された炭
素繊維で接合した高密度０．１〜０．３ｇ／ｃ＋ａのフ
ェルトで構成されている断熱材により、上記課題を解決
するものである。

なお、本明細書における用語の定義は次の通りである。

炭素繊維とは炭化又は黒鉛化した繊維を言う。

炭化とは、炭素繊維化可能な繊維や熱融着性繊維等を、
例えば、４５０〜１５００℃程度の温度で焼成処理する
ことを言う。黒鉛化とは、例えば１５００〜３０００℃
程度の温度で焼成処理することを言い、黒鉛の結晶構造
を有していないときでも黒鉛化の概念に含める。

耐炎化処理とは、ピッチ系繊維以外の繊維を、例えば、
酸素存在下、２００〜・４５０℃程度の温度で加熱して
表面に耐熱層を形成し、焼成時の溶融を防止する処理を
言う。不融化処理とは、例えば、ピッチ系繊維を、酸素
存在下、２００〜４５０℃程度の温度で加熱して表面に
耐熱層を形成し、焼成時の溶融を防止する処理を言う。

炭素繊維フェルトの炭素繊維としては、例えば、ポリア
クリロニトリル系、レーヨン系、フェノール樹脂系、セ
ルロース系、ピッチ系などの炭素繊維か例示される。こ
れらの炭素繊維は、一種又は二種以上の混合繊維として
使用できる。

炭素繊維は、機械的絡み合いにより接合し、フェルトを
構成している。そして、互いに絡み合った炭素繊維間は
、従来のように含浸樹脂ではなく、融着状態で炭素繊維
化された炭素繊維によって接合している。従って、従来
のように、樹脂の含浸むらなとに起因する均−性及び断
熱性の低下がなく、弾力性及び緩衝性に優れると共に、
反りがなく、焼成や加工時に粉の発生量が著しく少ない
。

また固体熱伝導に寄与する含浸樹脂の焼成物を含まない
ので、樹脂を含浸し、焼成した同一高密度の断熱材に比
較して、断熱性か優れている。さらに、炭素繊維間か、
融着状態で炭素繊維化された炭素繊維で三次元的に接合
しているため、適度な硬度、形状保持性を有すると共に
、加工時や炉への装着時に欠落することかない。炭素繊
維フェルトの硬度は、接合密度や繊維の混合割合なとを
調整することにより制御できる。

炭素繊維フェルトの高密度は、０．］〜０，３ｇ　／　
ｃｎｆ程度である。高密度か０．１ｇ／ｃＩＩｉ未満で
あると、断熱性、硬度か小さく、０．３ｇ／ｃｍを越え
ると、一般に緩衝性なとが低下し易い。炭素繊維フェル
トの厚みは、通常５〜６０ｍｍ程度である。

本発明の断熱材は、上記炭素繊維フェルトと炭素材質シ
ートとを、炭素質結合剤で積層し、一体化している。

炭素材質シートとしては、炭化又は黒鉛化可能なシート
を不活性ガス又は真空中で焼成した炭素シート、好まし
くは黒鉛シートなとが例示される。

上記炭素材質シートは、適宜の厚みを有していてもよい
が、通常０．１−〜１　ｍｍ程度、好ましくは０゜２〜
０．７５ｍｍ程度である。黒鉛シートは、例えば、黒鉛
を硫酸などの強酸で処理して膨張させ、圧延等の方法で
シート状に成形した従来公知の材料である。

炭素材質シートは、気密性に優れるので、この炭素材質
シートを前記炭素繊維フェルトと積層する場合には、防
粉性、耐風性、耐久性及び形状保持性をさらに高めるこ
とができる。

炭素質結合剤は炭化又は黒鉛化可能な樹脂やピッチで形
成できる。該樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、
フラン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエス
テル、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、ポリイ
ミド、熱硬化性アクリル樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリ
エチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重
合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アク
リル酸共重合体、ポリスチレン、アクリル樹脂、飽和ポ
リエステル、ポリアミド等の熱可塑性樹脂が例示される
。これらの樹脂のうち、接着性に優れるフェノール樹脂
、フラン樹脂なとの熱硬化性樹脂が好ましい。これらの
樹脂及びピッチは、種又は二種以上使用できる。

なお、炭素質結合剤は、炭素繊維フェルトと炭素材質シ
ートとの接着強度を高めるため、少なくとも炭素質充填
剤を含むのか好ましい。この炭素質充填剤は、炭素材質
シートと当接する炭素繊維フェルトの表面に存在する空
隙部を充填し、接合面積を大きくするようである。

炭素質充填剤は、例えば、メソカーボンマイクロピース
なとの炭素質小球体、コークスブリース、炭化又は黒鉛
化可能な充填剤、例えば、ピッチの破砕品を不融化処理
したバルクメソフェーズカボン、石炭などを５００℃程
度の低温で乾留し、粉砕した低温か焼コークスなとてあ
ってもよい。

これらの炭素質充填剤の中で、メソカーボンマイクロビ
ーズが好ましい。このメソカーボンマイクロビーズは真
球状であり、コーティング剤中に均一に分散し易い。な
お、メソカーボンマイクロビズとは、コールタール、ピ
ッチの減圧蒸留残油などを約４００〜５００℃て熱処理
し、生成したメソフェース小球体をキノリンネ溶分とし
てピッチマトリックスから分離した粒径１〜８０μｍ程
度の球状体を意味する。炭素質充填剤の粒径は、１〜２
００μｍ、好ましくは１〜８０仰程度である。

これらの炭素質充填剤は、一種又は二種以上混合して、
炭素質結合剤中に、通常５〜７５重量％、好ましくは１
０〜５０重量％含有される。

さらに接合強度を高めるため、炭素質結合剤は、上記炭
素質充填剤に加えて、ミルド炭素繊維を含んでいてもよ
い。このミルド炭素繊維としては、通常、繊維長０．０
１〜１　ｍｍ程度の短繊維が使用できる。ミルド炭素繊
維は、通常５〜２５重量％程度含有させることができる
。

上記炭素質結合剤は、炭素繊維フェルト全体に亘り含浸
状態で存在せず、炭素繊維フェルトと炭素材質シートと
の接合界面とその近傍に存在する。

すなわち、炭素繊維フェルトは、高密度か大きいので、
前記炭化又は黒鉛化可能な樹脂を含浸して成形する必要
がない。従って、焼成時やその後の加工時に粉が殆ど発
生せす、炭素繊維フェルＩ・の特性、例えば、前記緩衝
性、非欠損性などが損われない。

本発明の断熱材において、炭素繊維フェルトと炭素材質
シートとを炭素質結合剤で積層する限り、その積層形態
は、特に制限されない。例えば、第１図に示されるよう
に、炭素繊維フェルト（１）の−方の面に炭素材質シー
ト（２）を炭素質結合剤（３）で積層した断熱材、第２
図に示されるように、炭素繊維フェルト（１）の両面に
炭素材質シート（２）を炭素質結合剤（３）で積層した
断熱材であってもよい。さらには、第３図に示されるよ
うに、炭素繊維フェルト（１）と炭素材質シート（２）
とを炭素質結合剤（３）で順次積層した断熱材であって
もよい。また第４図に示されるように、複数の炭素繊維
フェルト（１）　（１）を炭素質結合剤（３）で積層し
、かつ積層された複数の炭素繊維フェルｈ　（１）　（
１）の少なくとも一方の面に炭素材質シート（２）を炭
素質結合剤（３）で積層してもよい。

また断熱材は、中空筒状てあってもよい。すなわち、第
５図に示されるように、内周面側の炭素材質シート（２
）と外周面側の炭素繊維フェル目１）とを炭素質結合剤
（３）で接合した断熱材であってもよく、第６図に示さ
れるように、筒状の炭素繊維フェルト（１）の内周面及
び外周面に、それぞれ炭素材質シート（２）を炭素質結
合剤（３）で積層した断熱材であってもよい。また第７
図に示されるように、筒状の炭素材質シート（２）の内
周面及び外周面に、それぞれ炭素繊維フェルト（１）（
１）を炭素質結合剤（３）で積層した断熱材であっても
よい。

また複数の炭素繊維フェルトを使用する場合には、同−
又は異なる高密度の炭素繊維フェルトが使用できる。

本発明の断熱材は、炭素繊維フェルト及び炭素材質シー
トのうち、少なくとも一方の当接面に炭化又は黒鉛化可
能な樹脂などを塗布し、樹脂を硬化した後、炭化又は黒
鉛化処理することにより、得られる。上記樹脂やピッチ
の塗布量は、接着性を確保できる範囲、例えば、３０〜
５００　ｇ　／　ｍ程度である。樹脂の硬化は、接着強
度を高めるため、加圧しながら行なうのか好ましい。ま
た炭素質結合剤と炭素繊維フェルトとの接着強度を高め
るため、以下に説明する熱融着性繊維を含む焼成前の混
紡フェルトと炭素材質シートとを樹脂なとで積層した後
、硬化、炭化又は黒鉛化処理を行なってもよい。

以下に、本発明の断熱材に使用する炭素繊維フェルトの
製造方法について説明する。

上記炭素繊維フェルトは、樹脂の含浸工程を経ることな
く、前記炭素繊維等と、前記熱融着性繊維とを混紡する
混紡工程と、混紡繊維を機械的に接合する機械的接合工
程と、焼成工程とを経ることにより、製造できる。

混紡工程で使用する炭素繊維等のうち、炭素繊維化可能
な繊維としては、不融化処理したピ・ソチ系繊維、耐炎
化処理したポリアクリロニトリル系、レーヨン系、フェ
ノール樹脂系繊維、未処理のフェノール樹脂系繊維など
が例示される。これらの炭素繊維化可能な繊維も、一種
又は二種以上の混合繊維として使用できる。

熱融着性繊維は、高温処理により軟化又は溶融して炭素
繊維等と、又は熱融着性繊維と融着し、かつ焼成工程に
供することにより、炭素繊維化する。熱融着性繊維は、
通常、不融化又は耐炎化処理していない炭素繊維化可能
な繊維で構成されている。このような熱融着性繊維とし
ては、例えば、ポリアクリロニトリル繊維、レーヨン繊
維、ピッチ繊維などが挙げられる。これらの熱融着性繊
維は一種又は二種以上使用できる。

なお、フェノール樹脂系繊維を用いる場合には、焼成工
程での重量減少が少なく、高密度の大きな炭素繊維フェ
ルトが得られる。すなわち、フェノール樹脂系繊維を用
いると、焼成工程を経ても高密度が低下せず、むしろ大
きくなる。この理由としては、焼成工程で、フェノール
樹脂系繊維が、収縮しながら炭素繊維化し、他の炭素繊
維を引き締めるように働くためと考えられる。フェノー
ル樹脂系繊維としては、例えばノボラック型フェノール
樹脂からなるノボロイド繊維等が挙げられる。

炭素繊維等や熱融着性繊維の繊維径は、通常、５〜３０
μｍ程度である。

炭素繊維等と、熱融着性繊維との混紡割合は、通常、炭
素繊維等／熱融着性繊維＝５／９５〜９５１５、好まし
くは２５／７５〜７５／２５重量部程度である。熱融着
性繊維か５重量部未満であると、炭素繊維等を均一に接
合し、硬度を高めるのが困難であり、９５重量部を越え
ると、焼成工程で重量減少が大きくなり、炭素繊維フェ
ルトの高密度を大きくするのか困難である。

混紡繊維は、通常、シート状にした混紡ウェブ、又は複
数の混紡ウェブを積層した混紡ラップとした後、機械的
接合工程に供される。混紡ウェブ、混紡ラップは、従来
慣用の方＝法、例えば紡績用カードを用いる方法等によ
り作製できる。

機械的接合工程では、混紡ウェブ又は混紡ラップを機械
的に接合圧縮し、フェルトの高密度を大きくする。この
工程で、炭素繊維等同士、熱融着性繊維同士の絡み合い
と、炭素繊維等と熱融着性繊維との絡み合いが生しる。

機械的接合手段としては、ステッチ法等であっても１よ
いが、二一ドルパンチ法が好ましい。ニードルパンチ法
によると、炭素繊維等と熱融着性繊維とを機械的に均一
に絡ませ、接合することかできる。またニードリングの
針密度等を調整することにより、フェルトの圧縮度、高
密度を容易に制御できる。

機械的接合工程では、（＾）混紡割合が異なる複数の混
紡ウェブ又は混紡ラップを積層してニードリングする方
法、（Ｂ）同し混紡割合の混紡ウェブや混紡ラップを積
層してニードリングする際、厚み方向のニードリングの
針深度や針密度を調整する方法なとにより、厚み方向に
連続的又は段階的に高密度が分布したフェルトを得ても
よい。

機械的接合工程により得られたフェルトの形状及び大き
さは、加熱炉の種類に応じて、例えば、平板状、円板状
などの板状、中空筒状などに形成できる。なお、中空筒
状フェルトは、例えば、混紡ウェブ又は混紡ラップを針
刺機の円筒状ベットに巻き付け、ニードリングすること
により作製できる。

そして、機械的接合工程で得られたフェルトを焼成工程
で焼成することにより、炭素繊維フェルトが得られる。

焼成工程での炭化及び黒鉛化は、通常、真空下又は不活
性雰囲気中で行なわれる。

該不活性雰囲気の不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム
、アルゴン等が例示される。

［発明の効果コ 以上のように、本発明の断熱材は、炭素繊維フェルトの
特性が損われないので、形状保持性、断熱性、緩衝性に
優れると共に、欠落や反りがなく、被加熱処理物の汚染
を防止できる。

［実施例コ 以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する
。

実施例 ピッチ系炭素繊維（■ドナツク製、商品名ドナカーボ５
２０１）と、フェノール樹脂系繊維（親日本カイノール
製、商品名カイノール）と、アクリロニトリル繊維（三
菱レーヨン轢製、商品名ボンネル、糸径３デニール）と
を、１：１：１の重量比で混紡し、紡績用カードを用い
て混紡ラップを形成した。次いて、ニードルパンチによ
り、厚み約３５ｍｍ、高密度０．１６ｇ／ｃｎｆのフェ
ルトを作製した。そして、フェルトを、窒素ガス雰囲気
中で、１℃／分の昇温速度で昇温し、２０００℃到達し
た後、同温度で３時間保持して焼成し、常温まで自然冷
却した。得られた炭素繊維フェルトは、厚み３０ｍｍ、
高密度０．１５ｇ／ｒｕｆ、曲げ強度０．０３に９／ｍ
ｊであった。さらに、この炭素繊維フェルトの２０００
℃における熱伝導度を測定したところ、０．　７５Ｋｃ
ａｌ　／ｍ−ｈｒ・”Ｃであった。

次いで、上記炭素繊維フェルトの一方の面に、レゾール
型フェノール樹脂１００重量部、メソカーボンマイクロ
ビーズ（大阪瓦斯銖製、平均粒径４０μｍ）１００重量
部、炭素繊維のミルドファイバー（銖ドナツク製、商品
名ドナカーボＳ　２４１）１００重量部及びメタノール
３００重量部からなる接着樹脂液を、塗布量２００　ｇ
　／　ｍ’で塗布した後、厚み０．２ｍｍの膨張黒鉛シ
ート（東洋炭素社製、商品名Ｐ　Ｆ　３５）を接着させ
た。また若干の荷重をかけながら、室温から３℃／分の
昇温速度で１８０℃に昇温し、同温度で１時間保持し、
フェノール樹脂を硬化させた。その後、上記黒鉛シト上
に、黒鉛板を載せて若干の荷重をかけながら、窒素雰囲
気中で、１℃／分の昇温速度て８００℃に昇温した後、
３℃／分の昇温速度で２０００℃に昇温し、同温度で１
時間保持し黒鉛化処理することにより、厚み３０ｍｍの
断熱材を得た。

上記断熱材を加工しても、フェノール樹脂に起因する粉
の発生が殆どなく、炭素繊維フェルト層は、適度の弾力
性を有していると共に、黒鉛シートとの接着強度も実用
上全く問題のないものまであった。また断熱材は、均一
性に優れ、反りが生じることもなかった。

さらに、この断熱材の２０００℃における熱伝導度は、
０．　７０．Ｋｃａｌ　／　ｍ−ｈｒ・”Ｃであり、炭
素繊維フェルト単独の場合に比較して、断熱性が改善さ
れた。

比較例 実施例のフェノール樹脂系繊維を用いることなく、実施
例のピッチ系炭素繊維をニードルバンチすることにより
、厚み約３５ｍｍ、高密度０．０７ｇ／−のフェルトを
作製した。

そして、ピッチ系炭素繊維フェルトに、実施例で用いた
レゾール型フェノール樹脂１００重量部メタノール１０
０重量部の樹脂溶液を固形分換算で６０重量％含浸した
。また実施例の黒鉛シートにも上記樹脂溶液を含浸した
。

そして、樹脂を含浸した炭素繊維フェルトと黒鉛シート
とを積層し、０．５ｋｉ／−で加圧して、実施例と同様
にして、硬化し、焼成することにより、厚み３０　ｍｍ
の断熱材を作製した。

得られた断熱材は、上記実施例の断熱材と比較して、焼
成時や加工時に、粉の発生が著しく多く、しかも炭素繊
維フェルト層は、硬質で、弾力性、緩衝性に乏しく、欠
落し易いものであった。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図は、それぞれ本発明の断熱材の一例を
示す断面斜視図である。 （１）・・・炭素繊維フェルト、 （２） ・・炭素材質シート、 （３）・・・炭素質結合剤

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭素繊維フェルトと炭素材質シートとを、炭素質結合剤
   で積層した断熱材であって、上記炭素繊維フェルトが、
   炭素繊維が機械的に接合していると共に、炭素繊維間が
   、融着状態で炭素繊維化された炭素繊維で接合した高密
   度０．１〜０．３ｇ／ｃｍ＾３のフェルトで構成されて
   いることを特徴とする断熱材。