JPH04305047A - 炭素繊維系バインダ−レス成形断熱材及びその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は断熱特性に優れた炭素繊
維系の成形断熱材に関する。本発明の炭素繊維系の成形
断熱材は不活性雰囲気では極めて安定であり、５００〜
２８００℃の範囲で優れた耐熱性、形態安定性を示し、
特に放射伝熱に対する優れた断熱材を形成する。

【０００２】本発明の炭素繊維系成形断熱材は、高温域
の断熱特性に優れており、ガラスの溶融、陶磁器類の焼
成、金属の精錬、セラミックスの焼結あるいは炭素材の
焼成を行う高温炉等の断熱に用いることができる。

【０００３】本発明の炭素繊維系成形断熱材は、放射線
に対する安定性が優れており、原子炉および原子力発電
設備の断熱材として優れた性能を示す。

【０００４】

【従来の技術】高温域で使用される断熱材としては、従
来多孔質のセラミックスが多く用いられている。これら
の断熱材は確かに優れた高温安定性を有しているが、低
い熱伝導率を与えるために、かなりの量の空孔を持って
いることが必要とされる。これらの空孔は完全に閉じた
気泡ではないが、気体の流通はかなり制限されているこ
とが普通である。これは空孔の周辺部に空気が容易に流
通する大きな欠陥があると、セラミックス成形品の強度
が小さくなるため、それを防止する必要上空孔はかなり
小さい通路で外部に連結しているからである。

【０００５】このような形態上の特性から、従来のセラ
ミックス系の断熱材は概して急熱、急冷に弱く、スポー
リングと呼ばれる、温度変化による表面からの構造崩壊
が頻発する問題を有していた。スポーリングの少ない断
熱材を得るためには、概して気孔率が少なく断熱特性の
良くない材料を選ぶ必要があり、断熱材の量を多く必要
とする問題を有している。

【０００６】従来のセラミックス系の断熱材は対流伝熱
および伝導伝熱に対しては優れた断熱効果を有している
が、赤外線ないし可視光など、放射伝熱の主体をなす光
線を吸収する能力が概して小さく、放射伝熱に対する断
熱効果が概して不十分である問題がある。

【０００７】光線を吸収する能力が大きい炭素系の断熱
材としては、膨張黒鉛を用いるのが知られているが、原
料として結晶サイズの大きい天然黒鉛を使用する必要が
あり、コストが高いことおよび不純物が多い問題がある
。

【０００８】これらの問題の解決の為、セラミックスの
繊維状物を断熱材とすることが広く行われている。この
様な繊維状物は、確かに優れた断熱効果を示すが、製造
が難しいことから概して高価である問題があり、高温炉
が高価であることの一原因となっている。

【０００９】また断熱機構の面から断熱材の性能を考え
ると、　５００℃以上の高温域では伝熱機構の主体が放
射伝熱に移り、対流伝熱や伝導伝熱の寄与が相対的に小
さくなっていることから、　２００℃以下の低温域で有
効な断熱材が必ずしも良好な性能を示さない問題がある
。とくにセラミックス系の繊維質断熱材の場合、低温域
では優れた断熱効果を有するものの、繊維の透明性が概
して良好であること、繊維の表面が極めて平滑であるこ
とから光線を吸収、散乱させる能力が小さく、高温域で
は放射伝熱の断熱効果が十分でない問題がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の高温域
の断熱材が、急激な温度変化に弱い問題点および放射伝
熱に対する断熱効果が概して不十分である問題点、なら
びにセラミックス系の繊維質断熱材が概して高価であり
、放射伝熱に対する断熱効果が不十分である問題点を解
決することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決する手段】本発明は嵩密度が０．０１〜０
．５　ｇ／ｃｍ３　、２２００℃における成形断熱材の
厚さ方向の熱伝導率が１．０　ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ℃以
下であり、実質的に炭素繊維の自己接着により成形形状
を保持することを特徴とする炭素繊維系成形断熱材であ
る。

【００１２】本発明における炭素繊維系成形断熱材の熱
伝導率の測定方法はＪＩＳ　Ａ１４１２　「保温材の熱
伝導率測定方法」による。ただし温度の測定に、該規格
のような熱電対を使用することは困難であるので、放射
温度計を使用する。

【００１３】本発明に使用する炭素繊維は好ましくは平
均の単繊維直径１〜９μｍ　を有するものである。平均
の単繊維直径が９μｍ　以上の場合、２２００℃におけ
る成形断熱材の厚さ方向の熱伝導率を１．０　ｋｃａｌ
／ｍ・ｈｒ℃未満におさえることが難しくなる。また１
μｍ　未満の場合、プリカーサーの繊維化の段階で種々
のトラブルを生じ易くなり、繊維状を示さぬ異形粒子の
混入や糸切れの多発を生じるので好ましくない。

【００１４】本発明の炭素繊維系成形断熱材は、バイン
ダ−を使用せず炭化前のプリカ−サ−繊維が炭化時に自
己接着することより成形形状を保持するものである。プ
リカ−サ−繊維の自己接着を生じさせる方法は、不融化
処理を、繊維形態は安定化するが、繊維が完全には不融
性にならないような弱い条件で行うことである。好適な
不融化条件の設定には、不融化された繊維の酸素含有率
を指標にすることが好ましく、完全不融化時の酸素含有
率に対し３０〜９５％の不完全な酸素含有率で不融化を
行う。

【００１５】プリカ−サ−繊維の自己接着力を強くする
ために、不融化し易い繊維と不融化し難い繊維を混合す
ることが可能である。この方法により、不融化し易い繊
維の形態保持性を十分に活用し、不融化し難い繊維の接
着力を十分に活用することができる。不融化し易い繊維
としてはＰＡＮ、セルロ−ス、フェノ−ル樹脂、光学異
方性ピッチなどがあり、不融化し難い繊維としては等方
性ピッチ、ＰＶＡ、アラミドなどがある。

【００１６】不融化し難い繊維は、炭化時に形態を保持
する能力が十分でないことがあり、この問題を解決する
ためには不融化し易い繊維と複合紡糸したものをプリカ
−サ−とすることが好ましい。

【００１７】本発明の炭素繊維系成形断熱材に用いられ
る炭素繊維は、断熱効果の高い形状への紡糸等の面から
、石油ピッチ系、石炭ピッチ系等のピッチ系のものであ
ることが好ましい。また炭素繊維は特に好ましくは、メ
ソフェ−スピッチ系のものである。本発明の炭素繊維系
成形断熱材に用いられる炭素繊維は、吸湿性が小さいも
のであることが好ましい。

【００１８】断熱材として使用する際に吸湿性が大きい
場合には、室温からの立ち上がり時に水分の蒸発を生じ
て断熱効果を低下させる問題があり、また炭素繊維の周
辺雰囲気中に水蒸気を持ち込んで、高温時の炭素繊維の
劣化の原因となる問題がある。

【００１９】本発明によれば、メソフェーズピッチ系の
炭素繊維を用いて吸湿性が温度２０℃、相対湿度６５％
の雰囲気中で測定して、好ましくは２％以下、最も好ま
しくは０．１％以下の成形断熱材を製造できる。吸湿性
の値は、吸湿された水分重量の成形断熱材重量に対する
割合である。ピッチ系の炭素繊維のなかでもメソフェ−
ズピッチを原料とするものは吸湿性が小さいので、本発
明の炭素繊維系成形断熱材として好適な性質を有する。

【００２０】本発明の炭素繊維系成形断熱材は、プリカ
−サ−繊維の紡糸工程に直結した工程でプリカ−サ−繊
維をシート状に捕集し、炭化時に繊維間に接着を生じる
条件で不融化した後、所要枚数積層して炭化して製造す
る。

【００２１】プリカーサー繊維の紡糸工程に直結した工
程でプリカ−サ−繊維をシート状に捕集する方法の場合
、従来の不織布の製造工程に比べて、開繊やカ−ディン
グのような伸度の小さい繊維を損傷する工程を含まない
利点がある。この結果として、本発明の炭素繊維系成形
断熱材は微細化した繊維を殆ど含まない。繊維損傷によ
り発生する微細繊維は、断熱材の使用時に移動して周辺
を汚染したり、換気装置のフィルターを詰める問題があ
る。 また紡糸工程に直結した工程でシート状に捕集する方法
は、概して低コストでシ−トを製造することができる利
点を有する。

【００２２】本発明の炭素繊維系成形断熱材の製造に用
いる紡糸工程は、遠心紡糸法、スパンボンド法、メルト
ブロ−法等が採用出来るが、メルトブロー法であること
が特に好ましい。メルトブロー法による繊維は、単繊維
の直径の小さいものが比較的容易に製造できる。単繊維
の直径の小さいものほど、光を散乱する能力が大きい傾
向があり、放射伝熱に対する断熱に寄与すると考えられ
る。 また単繊維の直径の小さいものほど対流伝熱に対する断
熱に大きく寄与することが知られている。このようなこ
とからメルトブロー法による繊維は高温域における断熱
特性に優れていると考えられる。

【００２３】本発明の炭素繊維系成形断熱材の製造工程
で、炭素繊維間を絡合して成形断熱材の形態を安定化す
ることもできる。絡合方法としてはニ−ドルパンチ法、
ガスジェットの乱流による方法、柱状液流の貫通による
方法等が使用出来る。しかしこれらの方法は成形断熱材
の形態安定性に対しては優れているが、絡合過程で成形
断熱材の厚さ方向に炭素繊維が配向するため、炭素繊維
の繊維方向に対する熱伝導率が大きいことにより断熱効
果が低下することがあるので注意が必要である。

【００２４】本発明の成形断熱材の嵩密度は好ましくは
０．０１〜０．５ｇ／ｃｍ３である。嵩密度が小さすぎ
ると光の散乱効果が低くなるためか熱伝導率が大きくな
り、逆に嵩密度が大きすぎても伝導伝熱が大きくなるた
めか熱伝導率が大きくなってしまう。成形断熱材の嵩密
度は、ニ−ドルパンチの密度あるいは炭化の際に加える
圧力により調節可能である。

【００２５】

【作　　用】高温域の伝熱は放射伝熱が主体となるため
、対流伝熱および伝導伝熱が主体の低温域の伝熱とはか
なり様相が異なっている。本発明の炭素繊維系成形断熱
材は放射伝熱にあずかる光線の吸収能力及び散乱能力に
優れており、放射伝熱に対する断熱効果が良好である。

【００２６】炭素繊維は繊維軸方向の熱伝導率が大きい
ので、成形断熱材とする場合には伝熱方向に繊維をでき
る限り配向させないことが、断熱効果を良くする為に必
要であると考えられる。本発明の成形断熱材は構成する
炭素繊維間の自己接着により形態を保持しているもので
あり、伝熱方向に平行に配向する繊維は少ないため断熱
効果に優れていると考えられる。

【００２７】本発明の炭素繊維系成形断熱材が放射伝熱
に対する断熱効果が大きい理由は、単繊維の細いものほ
ど表面の曲率半径が小さいため、光を散乱する能力が大
きく、放射伝熱に対する断熱に大きく寄与することと考
えられる。

【００２８】本発明の炭素繊維系成形断熱材の中で、メ
ルトブロー法により製造されたピッチ繊維が特に優れて
いる理由として、繊維直径の小さいものを多く含有して
いることが考えられる。

【００２９】

【実施例】次に本発明を実施例により、詳細かつ具体的
に説明する。

【００３０】実施例　　１ 軟化点　２８４℃、メソフェーズ含有率　１００％の石
油系ピッチを原料として、メルトブロー法により繊維を
製造し、ネットコンベヤーの上に捕集した。

【００３１】このピッチ繊維のシート状物を、空気中昇
温速度１℃／分で２５０℃まで昇温させつつ不融化した
。

【００３２】軽度炭化後に得られた繊維の平均単繊維直
径は６．５μｍ　、シ−ト状物の目付は１００ｇ／ｍ２
　であった。

【００３３】得られたシ−ト状物を１２枚積層して２ｇ
／ｃｍ２の加圧下で、さらに７００℃まで昇温して炭化
し、さらに圧力を取り去って、最高温度２０００℃で炭
化を行った。炭化後の嵩密度は０．１１ｇ／ｃｍ３　で
あった。　　得られたフェルト状物の吸湿性は約０．０
９％であり、さらに２２００℃における熱伝導率を、石
川島播磨重工業（株）製断熱材高温熱伝導率測定装置（
ＩＴＣ　２５−ＶＲＩＩ）により測定すると、熱伝導率
は０．５２ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ℃であった。

【００３４】実施例　　２ 実施例１と同様にしてメルトブロー紡糸し自己接着可能
な程度に不融化したシート状物を積層した後、軽度炭化
の際に加える圧力を変更して種々の嵩密度を持つシ−ト
状物を得た。このシ−トの嵩密度は、それぞれ０．００
９、０．０３、０．０７、０．４６、０．５７ｇ／ｃｍ
３のものであった。これらを同様にして熱伝導率の測定
を行ったところ、それぞれ１．０９、０．４５、０．５
８、０．８９、１．２３ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ℃であった
。

【００３５】実施例　　３ 軟化点　２３８℃の石炭系等方性ピッチを原料とし、実
施例１と同様の装置を用いてメルトブロー紡糸を行い、
シート状に採取し、自己接着可能な程度に軽度に不融化
し、積層して軽度炭化を行い、マット化したもの（軽度
炭化後の平均単繊維直径７μｍ）について、同様にして
熱伝導率の測定を行ったところ、０．９２ｋｃａｌ／ｍ
・ｈｒ℃であった。 このフェルトの吸湿性は約５．５％であった。

【００３６】実施例　　４ 実施例１と同様の装置を用いてメルトブロー紡糸を行い
、その際に紡糸孔１個当たりのピッチの吐出量を変えて
単繊維の平均直径の異なる繊維を作り、実施例１と同様
にしてシート状に採取し、自己接着可能な程度に軽度に
不融化し、積層して弱い圧搾状態で軽度に炭化し、マッ
ト状にした。軽度炭化後の平均単繊維直径はそれぞれ１
．３、３．４、８．６、１１．２、１６．４μｍであり
、得られたマットの嵩密度は０．１±０．０１ｇ／ｃｍ
３　であった。このマットの熱伝導率を、実施例１と同
様にして測定したところ、得られた値はそれぞれ０．１
９、０．４２、０．７６、１．０９、２．７５ｋｃａｌ
／ｍ・ｈｒ℃であった。また、吸湿性は０．０５〜１．
９　％であった。

【００３７】

【発明の効果】本発明の炭素繊維系成形断熱材は不活性
雰囲気では極めて安定であり、　５００〜２８００℃の
範囲で優れた耐熱性、形態安定性を示し、放射伝熱に対
する優れた断熱材を形成する。

【００３８】本発明の炭素繊維系の成形断熱材は、高温
域の断熱特性に優れており、ガラスの溶融、陶磁器類の
焼成、金属の精錬、セラミックスの焼結あるいは炭素材
の焼成を行う高温炉等の断熱に用いることができる。

【００３９】本発明の炭素繊維系の成形断熱材は、放射
線に対する安定性が優れており、原子炉および原子力発
電設備の断熱材として優れた性能を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　嵩密度が０．０１〜０．５　ｇ／ｃｍ
   ３　、２２００℃における成形断熱材の厚さ方向の熱伝
   導率が１．０　ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ℃以下であり、実質
   的に炭素繊維の自己接着により成形形状を保持すること
   を特徴とする炭素繊維系成形断熱材。
2. 【請求項２】　　炭素繊維が平均単繊維直径１〜９μｍ
   　を有するものであることを特徴とする、請求項１記載
   の炭素繊維系成形断熱材。
3. 【請求項３】　　炭素繊維がピッチ系のものであること
   を特徴とする、請求項１又は２記載の炭素繊維系成形断
   熱材。
4. 【請求項４】　　炭素繊維がメソフェーズピッチ系のも
   のであり、かつ、温度２０℃、相対湿度６５％の雰囲気
   中で、吸湿性が２％以下であることを特徴とする、請求
   項３記載の炭素繊維系成形断熱材。
5. 【請求項５】　　プリカ−サ−繊維をメルトブロー法で
   紡糸する紡糸工程に直結した工程で、シート状に捕集し
   、炭化時に繊維間に接着を生じる条件で不融化した後、
   所要枚数積層して炭化することを特徴とする炭素繊維系
   成形断熱材の製造方法。