JPH08109077A - 単繊維の結合体よりなる賦形炭化物の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な手法で低コストで多岐の用途に利用で
きるポーラス状繊維構造で、加工性及び反応性がよく、
しかも高度な炭素特性を発揮する組織強固な賦形炭化物
の製造法を提供する。 【構成】 セルローズ系単繊維の搦合結合体からなるポ
ーラス構造の原料をその形状のまま非酸化性雰囲気で加
熱して炭化焼成処理し、該処理で発生する炭化収縮作用
により該単繊維相互間の搦合結合を強化させ、その組織
を安定強固にすることを特徴とする単繊維結合体よりな
る賦形炭化物の製造法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単繊維の結合体よりな
る賦形炭化物の製造法に関し、詳しくはセルローズ系単
繊維の搦合結合により得られた単繊維結合体を加熱・炭
化処理し、ポーラス状繊維構造で高度な炭素特性を発揮
する組織強固な賦形炭化物の製造法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、有機物から得られた炭素質体
又は炭素体（以下、総合して単に「炭化物」という）
は、その吸着的，電気的，断熱的，耐熱的，耐蝕的又は
機械的等の諸特性に応じて多彩な用途に供されるが、そ
のいずれもその使用目的に応じた適切な形態とする必要
がある。

【０００３】例えば、粉状，粒状，破砕状炭化物あるい
は長繊維状，短繊維状，織布状，シート・マット状ある
いはひも状の俗に「炭素繊維」と呼ばれる繊維状炭化物
の諸形態がある。また、特に機械的特性発揮のため、他
物質を混合・加工した複合材料化も行なわれる場合もあ
る。

【０００４】上記のように、諸用途に適応する形態に成
形するためには、炭化工程とは別に二次加工工程が必要
となる。

【０００５】即ち、炭化粉粒体の場合は、炭化後に粉
砕，整粒を行ない、また炭化長繊維を綿状（チョップ）
で利用する場合は、切断（チョッピング）工程により短
繊維化を行なう必要がある。また、炭化長繊維を織布，
ひも状で利用する場合には、炭化後、製織あるいは編組
工程を経なくてはならない。

【０００６】しかも、これら加工工程において、元来伸
度が小さく折曲性に弱い炭素繊維としては、屈曲度が小
さく比較的平らな織物組織に限定して製織すべきで、ポ
ーラス状厚織組織等のものは加工できない。

【０００７】更に、上記のチョッピングされた炭化短繊
維を抄紙法等でシート又はマット状に成形する場合は、
炭化素材に接着剤等のバインダーを加えて一体成形され
るが、得られた製品にはいずれも平らで薄手のものに限
定されるほか、添加助剤がとかく炭化物本来の特性を損
ない易い異物として残留するという致命的な欠点があ
る。

【０００８】以上述べたように、円途により適用される
二次加工は非常に繁雑であって、場合によっては炭素特
性を減殺し、いたずらにコストアップになるという問題
がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来の炭化物の利用法に内在する多くの諸問題点を解
決し、簡易な手法により、しかも低コストで多岐の用途
に利用できるポーラス状繊維構造で高度な炭素特性を発
揮する組織強固な賦形炭化物の製造法を提案するもので
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、セルローズ系
単繊維の搦合結合体からなるポーラス構造の原料をその
形状のまま非酸化性雰囲気で加熱し炭化処理して、該処
理で発生する炭化収縮作用により該単繊維相互間の搦合
結合を強化させ、その組織を安定強固にすることを特徴
とする単繊維結合体よりなる賦形炭化物の製造法を提供
するものである。

【００１１】上記本発明において、セルローズ系単繊維
は、その構造において捩転，波状，捲縮等の形態を備
え、搦合性に富み、かつ外部表面積が著大であることが
好ましい。

【００１２】また、上記原料が単繊維の搦合結合体より
なる軽量にしてポーラス構造の綿状物（ルーズファイバ
ー）、むしろ綿（ラップ），ひも状篠（スライバー），
粗糸（ロービング）から選ばれる少なくとも１種である
ことが好ましいのである。

【００１３】次に、本発明を詳細に説明する。本発明の
第１の特徴は、採用原料がセルローズ系に属する繊細で
外部表面積が著しく大きく、しかも搦合性に富む単繊維
であり、これを予め後記する機械操作により所望の形態
に成形することであり、このものは全て繊維固有の搦合
性により各単繊維間が搦合結合されているため、結合剤
等の添加は全く必要なく、柔軟でポーラス状の単繊維結
合体となることである。

【００１４】次に、上記原料をそのままの形態で加熱し
炭化処理するが、ここで重要なことは、単繊維からなる
個体原料が炭化反応の進行に伴って物質としては炭化物
を生成し、これと同時に形態においては搦（からみ）合
い原料固体の形態そのままの状態で一定の割合で縮小
し、最後までその形態を保持することである。

【００１５】上記の現象が本発明で採用した炭化による
単繊維結合体の軽量かつポーラス化と、組織強化のメカ
ニズムである。

【００１６】また、一般的に原料個体は炭化によりその
本来の靭性を失い、硬化し易いが、本発明に係る原料個
体としては、繊細な繊度の小さな単繊維を採用するた
め、熱処理後の賦形炭化物の見掛けの硬化度の変化は極
めて少ない。これは、硬質ガラス板が繊細なガラス繊維
に転ずると柔軟性を発揮するのと同理である。

【００１７】更に、原料単繊維は従来の炭化材料、例え
ば活性炭製造用のヤシ殻，オガクズ等に比べて著しく繊
細で、本発明で採用し得るセルローズ系単繊維の繊維幅
は０．０１〜０．０８ｍｍと極めて小さく、またその表
面積は上記の２原料の数百倍程度である。

【００１８】従って、単繊維結合体の炭化物は反応性が
極めて高く、その上に炭化工程は勿論のこと、必要に応
じて行なう賦活処理等においても反応速度が早く、しか
も均一に進行するという利点がある。この点が本発明の
第２の特徴である。

【００１９】次に、本発明における使用原料，炭化処理
及び得られた製品の特性について詳述する。

【００２０】使用原料としての単繊維はすべてセルロー
ズを主成分とし、その繊維幅は約０．０１〜０．０８ｍ
ｍのものが好ましく、また天然繊維や再生繊維素である
人造繊維も本発明に係る原料に含まれる。例えば、木
綿，亜麻，大麻，黄麻，ラミー，楮，三椏，竹甘蔗，レ
イヨン等の繊維が含まれる。

【００２１】また、繊維の搦合性は木綿ではラセン状に
捩転する天然撚を有するが、その他のものは、人為的に
波状，捲縮，捲縮効果を付与する前処理を必要とする。
その一例として上下に相対峙して圧転する加熱型付けロ
ール間に原料短繊維を通じ、所望の波状，捲縮状の形態
を付与することができる。

【００２２】次に、これら搦合性単繊維を用い、所望の
ポーラス状結合体を形成するためには、通常紡績工程に
おいて使用される機器がそのまま適用される。

【００２３】即ち、単繊維の綿状物を得るためには、原
料繊維をボールブレーカー機に投入し、繊維塊を解きほ
ぐすことで得られる。また、これを更に打綿機で処理し
て、むしろ綿を得る。ひも状篠はむしろ綿を更に梳綿機
で処理して得られる。また、粗糸は上記ひも状篠を練篠
機で最小限の甘撚を加えて作製される。

【００２４】これら原料の焼成炭化は、一般に非酸化性
雰囲気中で３００℃以上で約６時間加熱処理するが、こ
れらの加熱処理条件は目的とする特性に応じて適宜調整
する必要がある。また、炭化度と被処理体の形態変化も
加熱処理条件により異なり、目的に応じた調整が必要で
ある。

【００２５】次に、上記の方法で得られた本発明に係る
賦形炭化物の特性について説明する。

【００２６】古くから、炭化物は機能材料として各分野
に使用され、しかも特に今日の新技術への参入には著し
い飛躍が見られる。しかし、現在使用されている炭化物
は旧態依然の粉状体，粉体，破砕体が主流で、近時台頭
の炭素繊維の一部応用がみられるに過ぎない。

【００２７】上記３体及び炭素繊維を新用途に適応させ
るためには、そのほとんどが他成分添加の複合材料化に
よりその目的を達成するが、このことは既に前述したよ
うに製造工程の複雑化と異物混入のため、プラス面以外
に致命的なマイナス面を発生する恐れがある。

【００２８】次に、本発明に係る賦形炭化物の特徴を列
記する。 （イ）本発明で製造された賦形炭化物は、先ずマクロ的
にみると、柔軟性で軽量かつポーラス状であり、そのカ
サ比重は０．０２〜０．０２５程度である。また、柔軟
度において原材料（単繊維結合体）と大差なく、従って
このものは炭化物として「しなやかさ」が大きく、任意
の形態に変形可能で、形態変化の自由度が大きく、炭素
繊維加工品をはるかにしのぎ、またその重量においては
炭化処理後原材料の約３３〜４５％と低下する。ポーラ
ス度は、原材料に比べ炭化収縮により約２０〜３０％減
少するが、従来の粉状，粒状炭化物又は織布状炭素繊維
の気体，液体の通過抵抗に比べ、約１／５〜１／１５と
低値を示す。

【００２９】（ロ）また、賦形炭化物をミクロ的にみる
と、炭化単繊維はその繊維幅を原材料のそれと比べると
約３０〜４０％低下し、より繊細となる。従って、特に
その吸着性能等は単位重量当りの表面積が増大し、従来
品に比べて吸着速度及び吸着飽和量が著しく増加する。

【００３０】（ハ）次に、賦形炭化物の電気的特性につ
き述べる。炭化物利用の電気的特性の基本は、その電導
性の優劣で決定されるが、特に本発明に係る炭素質成形
体においては、炭素質相互間の直接的接触が電導性行路
を形成し、その密度の多寡がその特性を左右する。しか
しながら、本発明に係る賦形炭化物は密度が高くて、相
互に搦合い、その接触密度が大であるため、帯電防止，
電磁波シールド，面発熱，各種電極，電気二重コンデン
サー等に応用した場合、極めて適切な効果を発揮する。

【００３１】（ニ）断熱性については、ポーラス状の形
態がその性能を倍加し、その上軽量なので機械設計上の
利点となる。更に、ポーラス状でかつ柔軟性であるた
め、各種シールド又はパッキング材としても機器に対し
て「なじみ」よく適材となる。

【００３２】なお、上記した各種適応に際し、本発明に
係る賦形炭化物が柔軟性でポーラス状のため、機器への
装着，組込みが極めて簡単容易である。例えば、気相，
液相の吸着又はろ過目的のためには、簡単な円筒状エレ
メント構造物に単に詰め込み充填するか、又は包被する
だけで、その目的を達成できるのである。

【００３３】上記のように本発明に係る賦形炭化物の形
態変化に対する自由度は、他に類をみない利便性があ
る。次に、本発明の実施例を説明する。

【００３４】

【実施例】

実施例１ 綿花（米国産、繊維幅：０．０２〜０．０５ｍｍ、維
長：１５．０〜５０．０ｍｍ、天然撚数１４０〜２４０
回／２５ｃｍ）を原料として、これをボールブレーカー
及び打綿機で処理して、むしろ綿を作製した。このむし
ろ綿を幅１４ｃｍに裁断し、中空鉄芯に軽く捲上げし
た。

【００３５】次に、これを炭化炉中に装入し、非酸化性
雰囲気中で徐々に加熱昇温した後、炉内温度を６００℃
に昇温し、この温度で更に３時間加熱し炭化焼成処理し
た。

【００３６】得られた炭化物は、投入生むしろ綿と全く
同形態で炭化され、組織が緻密となり、その寸法変化は
生むしろ綿に対し幅が２９％，厚さが３５％減少した。
なお、炭化物の重量減は６３％であった。また、カサ比
重は０．０２３となった。

【００３７】次に、得られた賦形炭化物の強度及び安定
度につき試験した。その結果を表１に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１に示した結果から、炭化繊維の真の引
張り破断強度も低下していると推測されるが、搦合効果
により見掛け引張り強度は余り差異が認められなかっ
た。また、横強度の増大は炭化による単繊維の搦合い強
化によるものと考えられる。

【００４０】次に、本発明に係る炭化物を水中で煮沸し
ながら浸漬し、その安定度を測定した。その結果を表２
に示す。

【００４１】

【表２】

【００４２】表２に示した結果から、生むしろ綿は横，
縦共に形態変化が大きく、特に横方向の変化が大きい。
このことは、縦方向繊維間の搦合いが弱いことを意味し
ている。一方、炭化むしろ綿は形態変化が比較的小さ
く、表面状態も均一に平滑であった。

【００４３】実施例２ 実施例１で使用した原料と同じ綿花をボールブレーカー
で均一に開綿し、ポーラス状とした綿状物（ａ）とレー
ヨン糸（ビスコース法、１．５デニール長繊維）を表面
温度４００℃に加熱した圧転型付けロールにより波状形
態としたものを長さ２．５ｃｍにカットし、これを開綿
したもの（ｂ）、更に比較例として８号綿帆布（ｃ）、
直径４ｍｍの綿ロープ（ｄ）ならびに上記レーヨン系よ
り編組された直径２．５ｍｍの組ひも（ｅ）をそれぞれ
同一炭化炉中に装入し、空気を遮断して加熱し、徐々に
昇温させて２．５時間保持した後、８４０℃に昇温して
３．５時間加熱し、炭化焼成処理した。

【００４４】その結果、（ａ）及び（ｂ）は、いずれも
搦合いポーラス状の綿状で得られた。次に、これら
（ａ）〜（ｅ）の５試料を８００℃に保持し、水蒸気賦
活処理を４０分間行った後、常温まで冷却して炉からと
り出し、（ａ）〜（ｅ）の各試料の反応性を比較するた
め、メチレンブルーの吸着価を試験した。その結果を表
３に示す。

【００４５】

【表３】

【００４６】表３に示した結果から、炭化物の吸着能は
原料の材質よりもその形態が非常に重要であることが分
る。従って、本発明により得られた賦形炭化物の表面反
応性は、従来品には見られない高度なものである。

【００４７】

【発明の効果】上記のように、本発明によれば、加工性
及び反応性が良く、多岐の用途に利用できる軽量かつ柔
軟にしてポーラス状の繊維構造で、高度な炭素特性を発
揮する組織強固な賦形炭化物を、非常に簡単な手法でし
かも低コストで製造することができるのである。

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【手続補正書】

【提出日】平成６年１２月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】

【実施例】 実施例１ 綿花（米国産、繊雄幅：０．０２〜０．０５ｍｍ、繊維
長：１５．０〜５０．０ｍｍ、天然撚数１４０〜２４０
回／２５ｃｍ）を原料として、これをボールブレーカー
及び打綿機で処理して、むしろ綿を作製した。このむし
ろ綿を幅１４ｃｍに裁断し、中空鉄芯に軽く捲上げし
た。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セルローズ系単繊維の搦合結合体からな
   る軽量にしてポーラス構造の原料をその形状のまま非酸
   化性雰囲気で加熱して炭化焼成処理し、該処理で発生す
   る炭化収縮作用により該単繊維相互間の搦合結合を強化
   させ、その組織を安定強固にすることを特徴とする単繊
   維の結合物よるなる賦形炭化物の製造法。
2. 【請求項２】 前記セルローズ系単繊維がその構造にお
   いて、捩転，波状，捲縮等の形態を備え、搦合性に富
   み、かつ外部表面積が著大であることを特徴とする請求
   項１記載の単繊維結合体よりなる賦形炭化物の製造法。
3. 【請求項３】 前記原料が、単繊維の搦合結合体よりな
   る軽量にしてポーラス構造の綿状物，むしろ綿，ひも状
   篠，粗糸から選ばれる少なくとも一種であることを特徴
   とする請求項１又は２記載の単繊維結合体よりなる賦形
   炭化物の製造法。