JPH046154A - 炭素成形体の製造方法 - 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） 本発明は炭素繊維およびピッチ繊維を用いた成形体、特
に高温炉用断熱材料等に使用される安価な成形体の製造
方法に関するものである。

（従来の技術） 炭素材料は、古くより高温用の断熱材として広く使用さ
れてきたが、特に近年先端複合材料や新素材を製造する
のに数多くの高温炉が使用されるようになり、また炭素
材料自身が耐熱性素材もしくはその原料として注目され
るようになって、需要が高まっている。これは高温にお
ける強度、寸法安定性や他の金属、セラミック材料に比
べ軽量であること、２０００℃以上の超高温域でも使用
可能なことに基づくものである。

炭素材料は従来、石油コークスや石炭コークスの粉粒体
を骨材として、これにバインダーを添加し、プレス成形
等を施した後焼成（必要に応じてより高温下で黒鉛化）
処理して成形体となし利用されてきた。しかし最近では
より軽量で破損し難いということで、炭素繊維を原料と
する成形体が多く利用されるようになってきた。例えば
特開昭５２−４７０１４号公報に開示されているように
炭素繊維の製造と同時に成形体を製造するというもの、
特開昭５９−６９４１０号公報に開示されているように
炭素繊維の織物等に樹脂やピッチ等を含浸させて熱処理
を施しく必要に応じてこれを数回くり返す）で製造する
もの（含浸法）、あるいは特公昭５！Ｉｆ−３８１７９
号公報に開示されているように化学的な方法で炭素繊維
の織物の中に炭素等を発生・沈着させる方法（ＣＶ　Ｄ
　＝ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｊｔｉｏ
ｎ法）もある。

また炭素繊維だけで作ったフェルト、マット、織物等を
、そのまま利用する方法もあるが、成形体とは異なり、
自身の形態保持能力に欠けるため、例えば他の断熱材の
間隙充填材や被覆材としての用途に限定されてしまう。

（発明が解決しようとする課題） 前述の特開昭５２−４７０１４号公報等に開示されてい
る方法はピッチ繊維又は不融化繊維から直接成形体を製
造しようとしているが、原料および処理工程（方法）が
全て炭素繊維の製造と同じである為に、得られる製品も
マット状の炭素繊維そのものであって、前述のとおり形
態保持能力に欠けるため、通常の炭素材料成形体と同様
の使用には通さない。

炭素繊維を用いた最も一般的な成形体の製造方法である
含浸法（前記特開昭５１−６９４１０号等）では、加圧
あるいは減圧もしくはその両者を使って原料である炭素
繊維の織物等の中にピッチや樹脂等を注入する高価かつ
大形化しづらい含浸装置が必要であり、しかも含浸処理
の均一性を実現する為通常 というエネルギー消費の莫大なプロセスを数回くり返す
ため、製品である成形体の価格が高価になるという欠点
があった。又含浸の容易さと均一性を確保するためと、
繰り返し行われる焼成による製品の変形を回避するため
、さらには装置そのものが高価であることから、厚肉・
大形の成形体が製造しづらいという欠点がある。

一方前述の特公昭５９−３８１７９号公報に見られるよ
うなＣＶＤ法等は、マトリックスとして炭素以外のセラ
ミックス等も利用できることもあって注目を集めている
が、高真空システムを備えた極めて高価な製造装置が必
要となり、小形の成形体しか製造できず、また高価であ
るため、高温炉等の一般の断熱材用としては殆ど用いら
れず、耐熱材として限られた特殊な用途（宇宙ロケット
の外壁材等）においてのみ実績を挙げている状況である
。

上記で述べた方法（含浸法、ＣＶＤ法）は何れも製造方
法または製造装置の制約により、厚肉・大形の製品が製
造しづらく、又高価であるという問題を有している（ち
なみにこれらの方法で使用される炭素繊維原料は、ＰＡ
Ｎ又はレーヨン系等の長繊維から作った織物であるが、
これ自体が非常に高価なものであることは周知のとおり
である）。

（課題を解決するための手段） 本発明は、含浸装置やＣＶＤ装置等の高価でかつ装置自
体および製品の大形化に制約のある装置を使わずに、炭
素繊維を原料とする成凰体を、炭素繊維とピッチ繊維を
混合して得た混合繊維を積層するか炭素繊維層とピッチ
繊維層を交互に積層し、不活性雰囲気の中で焼成処理す
ることにより、安価に製造する方法である。

原料である炭素繊維は、ピッチ系、ＰＡＮ系。

レーヨン−系、その他、形態はチョップ、マット。

フェルト、織物等信れでも良いが、より安価な成形体を
製造するという点からはピッチ系短繊維炭素繊維等が、
原料価格の面からも取り扱いの容易さからも望ましい。

ピッチ繊維については原料が石油でも石炭でも良く、炭
素繊維の原料として製造されるピッチ繊維でも、そうで
なくとも良い。また繊維径は５〜１００μｍ、繊維長は
５ＩＩＩＩｎ以上であることが扱い易さの点で望ましい
。但し使用するピッチ繊維は後述する理由から、残炭率
ｆが０．３〜０．９の範囲にある必要がある。

又炭素繊維とピッチ繊維両者の使用量については、ピッ
チ繊維の重量−７（ｇ）と炭素繊維の重量−Ｐ ＩＡｃ　（ｇ”）の重量比ｒ＝　　　　とピッチ繊維の
残Ｃ 炭率ｆとの積ｒ−ｒの値が０．１〜４．０の範囲内にあ
ることが必要である。但しｆ−ｒの値は上記の中央付近
の値（例えばｆ　−ｒ　＝２．０等）がより望ましいと
いうことはなく、この値の変化によって製造される成形
体の特性が変化するので、目的に応じてこの値を上記の
範囲内で選べば良い。すなわちｆ−ｒ　＜１．０のよう
な範囲では、原料である炭素繊維のフェルト、マット、
チョップ等の形態をそのまま強く残した、弾力性・加工
性に富んだ（容易に変形可能、また切断可能）成形体と
なり、逆にｆ−ｒ　＞３．０のような大きな値となる場
合には、形態保持能力に富んだ固い成形体を得ることが
できる。（ここで「残炭率ｆ」とは、ピッチ繊維を不活
性雰囲気中で昇温速度５０℃／ｍｉｎ以下で８００℃ま
で昇温処理したとき、最初のピッチ繊維の重量［ｈａ　
Ｃｇ）　Ｊと炭化して残った残留物のＵ。

重量［Ｗ、　（ｇ）　］の比　　　　を残炭率と呼ぶ。

）何。

本発明による成形体の製造方法は以下の通りである。

（イ）炭素繊維のチョップ（繊維長５〜１００１００Ｏ
とピッチ繊維のチぢツブ（５ｍｍ以上）を前述のｆ−ｒ
値が規定の範囲となるように、均一に混合し、所要の厚
みとなるよう積層する。

（ロ）又は炭素繊維のチジップ、フェルトマット、織物
等とピッチ繊維のチョップ、フェルト、マット等をｆ−
ｒの値が規定の範囲内に収まるよう任意の枚数を交互に
積層する。

（ハ）上記の（イ）又は（ロ）で用意した混合繊維層の
積層体又は炭素繊維層とピッチ繊維層の積層体をそのま
ま、またはロール等で圧縮高密度化した後に、あるいは
繊維層の上に重しを乗せる等して加圧状態を保持したま
まで、不活性雰囲気中で８００℃以上の高温で焼成処理
を行うことによって成形体を得る。

上記焼成処理を行う際の焼成温度は８００℃以上であれ
ば良いが、製品成形体が８００℃以上の高温で使用され
る場合には当該温度以上の高温で焼成処理することが、
製品寿命および使用中のガス発生を抑制する目的から望
ましい。

本発明の方法によれば、高価な含浸装置やＣ■Ｄ装置等
が不要なので安価に成形体を製造することができる。し
かも焼成処理前に炭素繊維とピッチ（繊維）が均一に混
合、もしくは交互に積層されているので、含浸性等の問
題がなく製品の厚肉化、大形化が容易である。また製造
装置も焼成炉だけであるので、大形化に対するコストア
ップが極めて小さく、技術的にも全く容易であるという
特長がある。

（作　用） 本発明の方法において焼成処理を行う際の不活性雰囲気
中では、炭素繊維自体は何ら変化しないことは周知のと
おりであるが、ｆ−ｒの値が小さい場合（特にｒ値が小
さい場合）は、焼成処理過程における昇温時に溶融する
ピッチの粘性が低いため流動性が高く、炭素繊維同志の
接点もしくは間隔の小さい場所に選択的に付着・残留し
炭化する。これによってできる成形体は炭素繊維の比率
が大きいので、原料炭素繊維（及びそのマット、フェル
ト等）の性質である柔軟性を残し、加工性に優れるが、
炭素繊維間の交点での接着は強固で充分な形態保持能力
を有する成形体が得られる。

一方ｆ−ｒ値が大きい場合（特に圧縮処理又は加圧焼成
をした場合）には、炭素繊維の間隙を埋めるようにピッ
チ繊維が溶融した後炭化し、含浸法等で製造するのに似
た高密度で固い成形体を得ることができる。

本発明では使用するピッチ繊維の残炭率ｆの値と、ピッ
チ繊維と炭素繊維の比ｒとｆとの積の値に制約があるこ
とは既に述べたが、これは以下の理由によるものである
。

ｆの値が０．３より小さいピッチ繊維を使用すると、溶
融時の流動性は良いが、製品成形体中でのピッチ繊維に
由来する炭化物の偏析が生じ良好な成形体が得られない
という問題が生じる。一方ｆの値が０．９より大きいと
焼成処理過程の中で、ピンチ繊維が溶融しないか、溶融
しても充分な流動性を発現しないため、均一な成形体が
得られないという問題を生じる。又ｆ−ｒの値が０．１
より小さいと、炭素繊維間の接着に必要な量の、ピッチ
繊維に由来する炭化物が形成せず、形態保持能力に欠け
る成形体になるという問題が生じる（これは、本発明の
方法によって成形体を製造した場合、ピッチ繊維に由来
する炭化物の性成量が、残炭率ｆから期待される値より
通常かなり小さいことが主な原因である）。ｆ−ｒの値
が４．０より大きいと、焼成処理時に溶融ピッチ相から
発生するガス等の抜けが悪く、成形体の中に気泡として
残り、均一な製品にならないという問題がある。

（実施例） 次に本発明を実施例により説明する。

実１」１− 遠心紡糸法により製造された石炭ピッチ系炭素繊維のチ
ョップ品（平均径１６μｍ、平均長８０ｍｍ）１．００
０ｇと、この炭素繊維の原料となったピッチ繊維と同じ
ものから製造したチョップ状ピッチ繊維（平均径１８μ
ｍ　、平均長４０ｍｍ、残炭率０．７）１　、０００　
ｇを乾式で均一混合し、２．ＯＯＯｍｍＸ　５００ｍｍ
のトレー上に積層し、厚さ２００　ｍｍの平板状にした
。

これをそのままＮ２雰囲気中で室温より９００℃まで４
０分、９００℃で５分間キープする条件で焼成したとこ
ろ表１の（１）のような成形体を得た。

実施炎又 実施例１で用いた炭素繊維チョップ品１　、０００　ｇ
とピッチ繊維チョップ品３，０００ｇを乾式で均一混合
し、２．０００ｍｍ　Ｘ　５００ｍｍのトレー上に積層
した後ローラープレスで厚さ８０ｍｍの平板状にした。

これをそのままＮ２雰囲気中で室温より１０００℃まで
４５分間、１０００’Ｃで５分間キープする条件で焼成
処理して表１の（２）のような成形体を得た。

災脂拠主 実施例１で用いた炭素繊維から製造したフェルト（目付
２００　ｇ／ｍ２）と、電極含浸用石炭系ピッチから製
造したピッチ繊維チョップ（平均径１４μｍ、平均長３
０ｍｍ、残炭率０．５）の層を交互に各々１０層（計２
０層）重ねて面積５００ｍ　Ｘ　５００ｍｍの平板状と
し、その上にアルミナ製の５００ｍｍ　Ｘ　５００ｍｍ
のプレート（重さ７．５　ｋｇ）１０枚をのせて、０．
０３ｋｇ／ｃｍ２の加圧状態で、室温から１２００℃ま
で６０分、キープなしの条件で焼成したところ表１の（
３）のような成形体を得た。

（発明の効果） 本発明の製造方法に従うと、高温炉用断熱材等に適した
、炭素繊維を使用した大形の成形体を特別な装置を用い
ることなく安価に製造することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭素繊維と石炭系ピッチおよび／または石油系ピッ
   チから製造された残炭率ｆが０．３〜０．９の範囲にあ
   るピッチ繊維とを、ピッチ繊維と炭素繊維の重量比ｒと
   前記ｆとの積ｆ・ｒの値が０．１〜４．０の範囲となる
   ように混合して得られた混合繊維の積層体を不活性雰囲
   気中８００℃以上の条件で焼成処理することを特徴とす
   る炭素成形体の製造方法。 ２．炭素繊維と石炭系ピッチおよび／または石油系ピッ
   チから製造された残炭率ｆが０．３〜０．９の範囲にあ
   るピッチ繊維とを、ピッチ繊維と炭素繊維の重量比ｒと
   前記ｆとの積ｆ・ｒの値が０．１〜４．０の範囲となる
   ようにピッチ繊維と炭素繊維とを交互に積層し、不活性
   雰囲気中８００℃以上の条件で焼成処理することを特徴
   とする炭素成形体の製造方法。