JPH0359115A - 気相法炭素繊維の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は気相法による炭素繊維の製造方法に関する。

［従来の技術］ 従来、炭素繊維の製造方法としては、ポリアクリロニト
リルなどの有機繊維を炭化する方法、ピッチを溶融紡糸
後戻化する方法が代表的な方法として知られている。

これに対し、炭化水素化合物を原料とし、これを気相熱
分解しフィラメント状炭素を生成する気相法炭素繊維の
製造方法があり、この方法によるものは高強度、高弾性
、高導電性、高耐食性などの優れた特性を有している。

この気相法炭素繊維の製造はアルミナなどの磁器や黒鉛
などの基板上に、金属または金属化合物の触媒粒子を散
布し、これを反応炉内に導入し、しかる後に基板上に生
成した炭素繊維を取り出す方法（例えば、特開昭５２−
１０３５２８号、特開昭５２−１０７３２９号、特開昭
６０−２７７００号など）が知られている。

さらに近年になり高温反応炉に金属または金属化合物の
触媒と炭化水素原料を供給し、触媒の存在下で反応を行
なわせる方法（例えば、特開昭５８−１８０６１５号、
特開昭６０−５４９９８号、特開昭６０−２３１８２１
号など）が開発された。この方法によれば基板などを必
要としない為に、生産性に優れ、かつ工業的規模で気相
法炭素繊維を得ることが可能である。

従来のこれらの方法は、キャリヤガスとして水素、アル
ゴン等が用いられ、原料炭化水素としてはメタン、エタ
ン等の脂肪族系炭化水素、ベンゼン或はベンゼン誘導体
を主体とする環数が１である芳香族炭化水素、或は２環
以上の現数を有するナフタレン等の縮合多環式芳香族化
合物を用いるものである。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、気相法炭素繊維を工業的に生産する方法は１
反応の条件、例えば、キャリヤガスの通気量と原料ガス
の供給量を厳密に管理する必要があり（例えば、特開昭
６３−２１９６３０など）、またこれらを厳密に行なっ
たとしても完全に繊維状気相法炭素繊維を得ることは困
難であった。気相法炭素繊維の製造において繊維質の物
を得るのが困難であるのは、例えば特開昭６１−工３２
５０７に開示されているような炭素質鎖状体がしばしば
混入する事に起因する。炭素鎖状体の混入は気相法炭素
繊維自体の製品価値を阻害するのみばかりでなく、例え
ば樹脂との複合を行なった場合、炭素質鎖状体が異物と
して作用し十分な物性を発揮出来ないばかりか、極端な
場合には複合物性そのものを低下させる場合がある。更
に、得られた気相法炭素繊維からこの様な炭素質鎖状体
をＮ１械的に分離しようとすると製造プロセスが複雑と
なるばかりかコスト高ともなり好ましいことではない。

従って前述の如くキャリヤガスや原料炭化水素の反応炉
内に於ける混合比率を厳密に管理する必要があった。原
料炭化水素の供給方法としては、メタン、エタン等のガ
ス状炭化水素は流量計を用いて正確な計量が可能であり
、ベンゼン等の液状炭化水素は定量ポンプを用いる事で
定量供給が可能である。ところでナフタレン、アントラ
セン等の縮合多環式芳香族原料は常温で固体であり、気
化させて供給するのが一般的である。この様に気化させ
て行なう場合には定量的な供給が行なわれず、その結果
、例えば炭素質鎖状粒子が混入する繊維形状の不揃いな
気相法炭素繊維しか得られないことになる。

本発明は、この様な問題点に対し、炭素質鎖状体の混入
しない繊維質のみの気相法炭素繊維を得る事を目的とす
る。

［１１ｇを解決するための手段］ 本発明者らは、炭素質鎖状体の混入が無く。

繊維性に優れた良質な気相法炭素繊維を得るためには、
特定の原料を用い、しかも反応炉に定量的に供給されれ
ば遠戚される事を見いだし本発明に至った。

即ち本発明の要旨は、原料である炭化水素の第一成分と
して環数が２〜４の縮合多環式芳香族化合物か該化合物
の誘導体を用い、第一成分へ′７セ゛ゾ を溶解せしめる溶媒として、 モη 講愈泳嶽また番へ誘導体を混合して用いることにより炭
素質鎖状体が混入しない良質な気相法炭素繊維得られる
ことにある。本発明で用いられる環数が２〜４の縮合多
環芳香族化合物としては、ナフタレン、及び誘導体であ
るα−メチルナフタレン、β−メチルナフタレン、２，
３−ジメチルナフタレン、あるいはアントラセンおよび
アントラセン誘導体、フへナントレンおよびフェナント
レン誘導体、同様にナフタセン。

ピレンおよび該化合物誘導体などが挙げられる。

また上記化合物を溶解させる第二成分としては、ベンゼ
ン、トルエン、キシレン等が挙げられる。

一般に気相法炭素繊維生成のメカニズムは原料炭化水素
が熱分解し原子状炭素となり、還元、清浄化された金属
触媒と接し炭素原子が触媒金属表面を拡散するか、或は
触媒金属中に溶解し。

触媒作用によって黒鉛構造を形成し繊維状の炭素質を形
成するとされている。ここで原料炭化水素としては脂肪
族、芳香族の多くのものを用いることが出来るとされて
いる１本発明者らは、原料炭化水素の種類と生成炭素繊
維の形態及び構造との間には密接な関係があり、それら
は原料の構造や熱力学的性質に帰結される事を見いだし
た。原料炭化水素の構造はＩＴＩ肪族であるか芳香族で
あるか、または飽和化合物であるか不飽和化合物である
かに分類されるし、熱力学的性質は１反応源度にて発熱
反応か吸熱反応かに分類される。例えば脂肪族飽和炭化
水素であるメタンやエタンは反応温度において吸熱反応
であり、ベンゼン、ナフタレン等の芳香族炭化水素は発
熱反応である。本発明者らは炭化水素の基本構造と熱力
学的性質に着目し鋭意研究を行なった結果、気相法炭素
繊維の繊維形態と繊維構造は芳香族炭化水素であって発
熱反応を示すものが好ましい事を見いだした。

該原料炭化水素としては芳香族系炭化水素のうち、特に
縮合多環式芳香族炭化水素が好ましい。しかしながら縮
合多環式芳香族炭化水素は常温で通常固体であり、しか
も気化性を有しているために反応炉への定量供給には多
くの障害がある。この問題を解決するためにはベンゼン
又はベンゼン誘導体のごとき液状芳香族炭化水素であっ
て、縮合多環式芳香族化合物を溶解する溶媒を選択する
ことが最適であり、しかもベンゼン又はベンゼン誘導体
の如き液状芳香族炭化水素に溶解する縮合多環式芳香族
化合物としては、２〜４環のものが最適である。例えば
ベンゼンを溶媒とし、多環芳香族炭化水素としてナフタ
レンを用いた場合にはナフタレンはベンゼン中に釣３０
ｗｔ％溶解する事が出来る。又アントラセンを用いた場
合には約２０ｗｔ％溶解させることが出来る。このよう
に、縮合多環式芳香族化合物を溶媒に溶解することによ
り反応炉への定量供給は容易となる。

更に説明すると、これらの条件を満足する原料を選択す
れば、繊維の形態に関しては炭素質鎖状体の混入の無い
繊維状のみの気相法炭素繊維が得られるし、構造面から
は充分に黒鉛性の発達した繊維が得られる。これら優れ
た気相法炭素繊維が得られる理由は定かではないが、金
属微粒子の触媒作用を受ける時の炭素の構成単位に起因
していると考えられる。即ち、触媒作用を受ける構成単
位は、原子状炭素あるいは直鎖状炭素化合物でなく、芳
香族化合物の単量体あるいは多量体であると予想される
。これら縮合多環芳香族化合物は、一部は熱分解するが
、芳香族ラジカルを生威しやすく容易に多量化し、ある
種の芳香族多量体として触媒作用を受は熱力学的に安定
な黒鉛構造をとり、最終的にｗｌ、雄状のものとなるも
のと予想される。芳香族化合物が脂肪族炭化水素に比べ
好ましいのは、熱力学的に安定な芳香環を骨格とした芳
香族多量体が確率よく得られる為と思われる。また原料
が発熱反応であるのは、反応に必要な温度を維持すると
ともに、触媒作用を促進するための推進力となっている
と予想される。

本発明において、金属微粒子としては従来公知のＦｅ、
Ｃｏ、Ｎｉ等、及びフェロセン等のこれら金属を含む化
合物の分解によって微粒子を生ずるものが用いられ、ま
た生成温度も従来と変りないが特に１１００℃〜１３０
０℃が好ましい、生成方法も空間で微細な繊維とする場
合の外、基板上に長時間かけて比較的長い繊維とするこ
とも可能である。

以下に、実施例を示し本発明を更に詳しく説明する。

［実施例１コ 第１図に本実施例に用いた、装置図を示す。

ベンゼンにナフタレン溶解させナフタレン濃度を３０重
量％とじ、混合溶液に対し２重量％の割合でフェロセン
を混合し、原料供給タンクｌに注入した。続いて１２０
０℃に保持され、流量計３によって毎分２０リツトルの
割合で水素が通気されている内径８０ｍｍの反応炉中４
に、供給ポンプ２を用い、毎分Ｌｏｇの割合で原料を供
給した。ＩＪＫ料を供給して１ｏ分経過した後に、反応
を停止し、反応炉４を冷却し、ボックス５に生威し炭素
質生成物を取り出した。図で６はフィルター、７はガス
の排出口である。生成した炭素繊維を計量すると、６２
ｇであり、原料供給量に対する収率は、６２重量％であ
った。更に本生酸物を走査型電子顕微鏡で観察すると、
直径は０．　３μｍ−０，５μｍ、長さは５００μｍ以
上の炭素質鎖状体の全く混入しない、良質な繊維であっ
た。

また本繊維を学振法に従いＸ線回折を行なったところ、
　（ＯＯ２）面の回折角は２６．工。

であり、黒鉛性に優れた繊維であった。

［比較例１］ 第１図に示した装置を用い、原料をベンゼンのみとした
他は、実施例１と同様の反応を行なった。炭素の収率は
、４５重重量であった。また走査型電子Ｒ徴鏡による観
察では炭素質鎖状体を多く含み、Ｘ＆！回折では回折角
が２５．０と２５．４°にビークを有する混合体であっ
た。

［比較例２コ 第１図に示した装置を用い、原料をｎ−ヘキサンとした
他は、実施例１と同様の反応を行なった。炭素の収率は
２工％と極めて低く、また走査型電子顕１Ｍ鏡による観
察では炭素質鎖状体のみであり繊維は確認されなかった
。

［発明の効果］ 炭素質鎖状体の混入しない、繊維質のみの気相法炭素繊
維は、補強効果にも優れ様ざまな分野での用途が期待で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の気相法炭素繊維を製造する装置の一
例を示す説明図である。 工・・・原料タンク、 ４・・・反応炉、 ６・・・フィルター

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 気相法による炭素繊維の製造方法において、原料炭化水
   素として、環数が２〜４の縮合多環式芳香族化合物ある
   いは縮合多環式芳香族化合物誘導体を、ベンゼンまたは
   その誘導体に溶解し用いる事を特徴とする方法。