JP2007126313A

JP2007126313A - Method for producing carbon fiber, carbon fiber produced by the method, and apparatus for producing carbon fiber

Info

Publication number: JP2007126313A
Application number: JP2005318797A
Authority: JP
Inventors: Takuji Komukai; 拓治小向; Kumiko Takanashi; 久美子高梨
Original assignee: Sonac KK
Current assignee: Sonac KK
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2005-11-01
Publication date: 2007-05-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon fiber production apparatus characterized by being simple, compact or the like. <P>SOLUTION: In a carbon fiber producing method for producing carbon fibers by a flowing catalyst method, the carbon fibers are produced by allowing a component of a reaction gas to act on catalyst particles flowing in a bent reaction path while allowing the reaction gas to flow in one direction through the bent reaction path by the pressure of a viscous flow region. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、反応ガス中を流動する触媒粒子に該反応ガスを作用させて触媒粒子を成長核としてカーボンファイバを成長させて製造する、いわゆる流動触媒法によりカーボンファイバを製造する方法この製造方法により製造したカーボンファイバ、およびそのカーボンファイバを製造する装置に関するものである。 The present invention is a method for producing a carbon fiber by a so-called fluid catalytic method, in which the reaction gas is allowed to act on catalyst particles flowing in the reaction gas to grow carbon fibers using the catalyst particles as growth nuclei. The present invention relates to a manufactured carbon fiber and an apparatus for manufacturing the carbon fiber.

カーボンファイバ、例えばカーボンナノチューブは、ナノオーダーで細くかつ高アスペクト比であり、電子エミッタ材料、水素吸蔵体、高容量キャパシタ材料、二次電池または燃料電池の電極材料、電磁波吸収材料、等に汎用されつつある。このようなカーボンナノチューブは、触媒粒子に反応ガスを作用させてカーボンナノチューブを成長させるようにしている（特許文献１参照）。このようなカーボンナノチューブを製造する製造装置としては、反応炉外のヒータで反応炉を加熱しつつ反応炉中に配置した基板上に反応ガスを導入することによりカーボンナノチューブを製造するようになっている。 Carbon fibers, such as carbon nanotubes, are nano-order thin and have a high aspect ratio, and are widely used for electron emitter materials, hydrogen storage materials, high-capacity capacitor materials, secondary battery or fuel cell electrode materials, electromagnetic wave absorbing materials, etc. It's getting on. In such carbon nanotubes, a reaction gas is allowed to act on catalyst particles to grow carbon nanotubes (see Patent Document 1). As a production apparatus for producing such carbon nanotubes, carbon nanotubes are produced by introducing a reaction gas onto a substrate placed in a reaction furnace while heating the reaction furnace with a heater outside the reaction furnace. Yes.

このような製造装置ではカーボンナノチューブを量産することには不向きであり、また、量産するには装置も大型化、複雑化してしまう。そこで本出願人は、カーボンナノチューブの量産に向いた流動触媒法に着目した。この流動触媒法は、触媒粒子を炭化水素ガス中に流動させながら触媒粒子を成長核としてカーボンナノチューブを成長させて製造するものである。 Such a manufacturing apparatus is not suitable for mass production of carbon nanotubes, and the apparatus becomes large and complicated for mass production. Therefore, the present applicant paid attention to a fluid catalytic method suitable for mass production of carbon nanotubes. In this fluidized catalyst method, carbon nanotubes are grown using catalyst particles as growth nuclei while flowing the catalyst particles into a hydrocarbon gas.

しかしながら、従来の流動触媒法による製造装置においては、装置が大掛かりであること、いわゆるバッチ生産しないとカーボンナノチューブの製造量を制御することが難しいこと、製造したカーボンナノチューブには不純物が多く含まれ低純度であること、反応時間が長短で一定しないためにカーボンナノチューブの長さが一定せず長短混在したカーボンナノチューブが製造されてしまうこと、カーボンファイバが反応炉内で多数回衝突するため真直ぐ直線状に延びたカーボンファイバを製造し難い等の課題があった。
特開２００５−１４５７４３号公報 However, in the conventional production apparatus using the fluid catalyst method, the apparatus is large, it is difficult to control the production amount of carbon nanotubes unless so-called batch production is performed, and the produced carbon nanotubes contain many impurities and are low in quantity. Purity, long and short reaction time, the length of carbon nanotubes is not constant and mixed carbon nanotubes are produced, carbon fiber collides many times in the reactor, and straight linear shape There is a problem that it is difficult to manufacture a carbon fiber extending in the direction of.
JP 2005-145743 A

本発明により解決すべき課題は、触媒粒子を反応ガス中に流動させながら該触媒粒子を反応ガス成分に反応させる流動触媒法を用いてカーボンナノチューブ等のカーボンファイバを製造する方法において、装置として極めてシンプルでかつコンパクトであること、カーボンファイバの製造量の制御が容易であること、不純物が少ないカーボンファイバを製造することができること、長さがほぼ一定したカーボンファイバを量産することができること、直線状に延びたカーボンファイバを製造すること等、を可能にすることである。 The problem to be solved by the present invention is as an apparatus in a method for producing carbon fibers such as carbon nanotubes by using a fluid catalytic method in which catalyst particles are reacted with reaction gas components while flowing the catalyst particles into the reaction gas. Simple and compact, easy control of carbon fiber production, carbon fiber with few impurities, mass production of carbon fiber with almost constant length, linear It is possible to manufacture a carbon fiber extending in the direction.

本発明に係るカーボンファイバ製造方法は、流動触媒法によりカーボンファイバを製造する方法において、反応ガスを、屈曲した反応経路内を粘性流領域の圧力で一方向に流しながら、反応ガス成分を反応経路内を流動する触媒粒子に作用させてカーボンファイバを製造することを特徴とする。上記粘性流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤは反応経路の内径、λは反応ガス成分の反応経路内での平均自由行程）が１．０より小さい値でガスが流れる領域と定義することができる。好ましくは、粘性流領域はクヌードセン数Ｋが０．０１より小さい領域である。 The carbon fiber manufacturing method according to the present invention is a method of manufacturing a carbon fiber by a flow catalyst method. In the method of manufacturing a carbon fiber by a flow catalyst method, a reaction gas is flowed in one direction with a pressure of a viscous flow region in a bent reaction path. A carbon fiber is produced by acting on catalyst particles flowing inside. The viscous flow region is a region where the gas flows with a Knudsen number K (= λ / D, where D is the inner diameter of the reaction path and λ is the mean free path of the reaction gas component in the reaction path) less than 1.0. Can be defined as Preferably, the viscous flow region is a region where Knudsen number K is smaller than 0.01.

反応ガスは炭化水素ガスとキャリアガスとの混合ガスである。 The reaction gas is a mixed gas of hydrocarbon gas and carrier gas.

屈曲の形状には限定されないが、好ましくは螺旋状である。 Although it is not limited to the bent shape, it is preferably a spiral shape.

本発明においては、反応経路が螺旋状等に屈曲した経路からなるので当該反応経路の経路長を長くしたとしてもこの反応経路を反応管で構成した場合そのサイズを短く小さくして装置のコンパクト化を図ることができる。 In the present invention, since the reaction path is a path bent in a spiral shape or the like, even if the length of the reaction path is increased, when the reaction path is configured by a reaction tube, the size is shortened and the apparatus is made compact. Can be achieved.

本発明においてはまた、経路内の入口から出口までに一方向に反応ガスを流動させるので経路内の汚染を有効に防止することが可能となり、これによって高純度、高品質なカーボンファイバを製造することができる。 In the present invention, since the reaction gas flows in one direction from the inlet to the outlet in the path, it becomes possible to effectively prevent contamination in the path, thereby producing a high-purity and high-quality carbon fiber. be able to.

本発明においてはさらに、経路内を一方向に反応ガスを流動させるので反応時間を一定に制御することができるようになり、長さがほぼ一定したカーボンファイバを量産することができる。 Furthermore, in the present invention, since the reaction gas flows in one direction in the path, the reaction time can be controlled to be constant, and carbon fibers having a substantially constant length can be mass-produced.

本発明においてはさらに、反応路のガスの流れが粘性流領域であるので、層流や乱流を形成することによって反応路内壁付近の流速が低下し、これによってカーボンファイバが反応炉内壁にで衝突しなくなり直線状に延びたカーボンファイバを製造することができる。 In the present invention, since the gas flow in the reaction path is a viscous flow region, the flow velocity near the inner wall of the reaction path is reduced by forming a laminar flow or turbulent flow. A carbon fiber that does not collide and extends linearly can be manufactured.

好ましくは上記反応経路をその長手方向に複数のゾーンにわけ、各ゾーンを個別に、圧力、導入ガスの種類、温度の１つあるいはこれらの組合わせをゾーン制御する。このゾーン制御では、明確な接合部が無い複数の構造を有するカーボンファイバを製造することができるようになる。 Preferably, the reaction path is divided into a plurality of zones in the longitudinal direction, and each zone is individually controlled by one of pressure, type of introduced gas, temperature, or a combination thereof. This zone control makes it possible to manufacture a carbon fiber having a plurality of structures without a clear joint.

カーボンファイバは、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ、グラファイトナノファイバを含むことができる。 The carbon fibers can include carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nanocones, carbon nanobumps, and graphite nanofibers.

触媒粒子の材料は、その構成要素に炭素を含有する化合物ガスに作用する材料であれば特に限定されず、例えば、鉄、コバルト、ニッケル等およびこれらの酸化物を例示することができる。 The material of the catalyst particles is not particularly limited as long as it is a material that acts on a compound gas containing carbon as a constituent element, and examples thereof include iron, cobalt, nickel, and oxides thereof.

本発明によれば、装置をコンパクトにする一方で同時に反応時間の制御、カーボンファイバの成長の制御等を行い、高品質なカーボンファイバを量産することができる。 According to the present invention, it is possible to mass-produce high-quality carbon fibers by making the apparatus compact while simultaneously controlling the reaction time, controlling the growth of carbon fibers, and the like.

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るカーボンファイバ製造方法を説明する。 Hereinafter, a carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１は実施の形態に係る製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。なお、図中では理解の都合によりカーボンファイバや触媒粒子は誇張して示されている。実施の形態のカーボンファイバ製造装置１０は、キャピラリ管１２と、加熱炉１４と、反応ガス供給部１６と、触媒粒子供給部１８とを備える。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a carbon fiber manufacturing apparatus used for carrying out a manufacturing method according to an embodiment. In the figure, carbon fibers and catalyst particles are exaggerated for the sake of understanding. The carbon fiber manufacturing apparatus 10 according to the embodiment includes a capillary tube 12, a heating furnace 14, a reaction gas supply unit 16, and a catalyst particle supply unit 18.

キャピラリ管１２は、管路が一方向長手に螺旋状に屈曲して延びる反応経路を構成している。このキャピラリ管１２とは、触媒粒子が反応ガスに反応するための経路である。キャピラリ管１２は、極細管であり、石英ガラス等のガラス製であってもよいし、反応ガスに非反応の金属製であってもよいし、エンジニアリングプラスチック等の樹脂製であってもよい。キャピラリ管１２の螺旋形状や螺旋径や螺旋回数等は、反応時間、反応温度、等により実験等で適宜に決定することができる。キャピラリ管１２は、管入口１２ａと管出口１２ｂとを備えた両端開口となっている。キャピラリ管１２は管入口１２ａ側で反応ガスや触媒粒子の供給に便利なように広く開口することができる。管出口１２ｂ側では製造したカーボンファイバを排出のため広く開口することができる。キャピラリ管１２は図外のチャンバ内部に配置することができるが、チャンバ内部に配置されなくてもよい。 The capillary tube 12 constitutes a reaction path in which the pipe line is bent and extended spirally in one direction. The capillary tube 12 is a path for the catalyst particles to react with the reaction gas. The capillary tube 12 is an ultra-thin tube and may be made of glass such as quartz glass, may be made of a metal that does not react with the reaction gas, or may be made of resin such as engineering plastic. The spiral shape, the spiral diameter, the number of spirals, and the like of the capillary tube 12 can be appropriately determined by experiments or the like depending on the reaction time, the reaction temperature, and the like. The capillary tube 12 is open at both ends with a tube inlet 12a and a tube outlet 12b. The capillary tube 12 can be opened wide on the tube inlet 12a side so as to be convenient for supplying reaction gas and catalyst particles. On the tube outlet 12b side, the manufactured carbon fiber can be widely opened for discharging. The capillary tube 12 can be disposed inside the chamber outside the figure, but may not be disposed inside the chamber.

加熱炉１４は、キャピラリ管１２の外径側の周囲を取り囲むようにして該キャピラリ管１２から所定距離隔てて配置されている。加熱炉１４はキャピラリ管１２を外部から加熱することにより、キャピラリ管１２の管路内の雰囲気温度を所要の反応温度に制御することができるようになっている。 The heating furnace 14 is arranged at a predetermined distance from the capillary tube 12 so as to surround the periphery of the capillary tube 12 on the outer diameter side. The heating furnace 14 can control the atmospheric temperature in the pipeline of the capillary tube 12 to a required reaction temperature by heating the capillary tube 12 from the outside.

反応ガス供給部１６は、供給管１７を介してキャピラリ管１２に分岐接続され、キャピラリ管１２の管路内に炭化水素ガスや水素ガス等の触媒粒子の作用等によりカーボンファイバ１３を成長させるのに必要な反応ガスを供給する。反応ガスは炭化水素ガスとキャリアガスとの混合ガスである。 The reaction gas supply unit 16 is branched and connected to the capillary tube 12 through the supply tube 17, and the carbon fiber 13 is grown in the pipeline of the capillary tube 12 by the action of catalyst particles such as hydrocarbon gas or hydrogen gas. The necessary reaction gas is supplied. The reaction gas is a mixed gas of hydrocarbon gas and carrier gas.

触媒粒子供給部１８は、供給管１９を介してキャピラリ管１２に分岐接続され、キャピラリ管１２内部に触媒粒子１３ａを供給する。 The catalyst particle supply unit 18 is branched and connected to the capillary tube 12 via the supply tube 19, and supplies the catalyst particles 13 a into the capillary tube 12.

本実施の形態では、以上の構成を備えたカーボンファイバ製造装置を用いて流動触媒法によりカーボンファイバを製造するものであり、このキャピラリ管１２の管路内の反応ガスの流れを粘性流領域に設定して、カーボンファイバ１３を製造することを特徴としている。この場合、上記粘性流領域を、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤはキャピラリ管１２の管内径、λは反応ガス成分のキャピラリ管１２の管路内での平均自由行程）が１．０より小さい値、好ましくは、クヌードセン数Ｋが０．０１より小さい値である。 In the present embodiment, a carbon fiber is manufactured by a flow catalyst method using the carbon fiber manufacturing apparatus having the above configuration, and the flow of the reaction gas in the capillary tube 12 is changed to a viscous flow region. The carbon fiber 13 is manufactured by setting. In this case, the viscous flow region has a Knudsen number K (= λ / D, where D is the inner diameter of the capillary tube 12 and λ is the mean free path of the reaction gas component in the capillary tube 12). A value smaller than 0, preferably a Knudsen number K is smaller than 0.01.

以下、その流動触媒法を用いてカーボンファイバ１３を製造する方法を説明すると、まず、キャピラリ管１２の管路内に反応ガス供給部１６から原料ガスとキャリアガスとの混合ガスからなる反応ガスを管入口１２ａから供給する。この反応ガスにおいては原料ガス濃度調整ならびに触媒粒子の供給を目的としてＨｅガス等のキャリアガスを導入することができる。この供給した反応ガスを、管路内を管出口１２ｂに向けて一方向に流していく一方、この管路内に触媒粒子供給部１８から触媒粒子を供給する。これによってキャピラリ管１２の管路内で触媒粒子の触媒作用により触媒粒子１３ａを成長核としてカーボンファイバ１３が成長して製造される。この場合、カーボンファイバ１３は触媒粒子１３ａが管路内を管入口１２ａから管出口１２ｂに流動する過程で触媒粒子１３ａに付着して成長していく。 Hereinafter, a method of manufacturing the carbon fiber 13 using the fluid catalyst method will be described. First, a reaction gas composed of a mixed gas of a raw material gas and a carrier gas is supplied from the reaction gas supply unit 16 into the conduit of the capillary tube 12. Supply from the tube inlet 12a. In this reaction gas, a carrier gas such as He gas can be introduced for the purpose of adjusting the concentration of the raw material gas and supplying the catalyst particles. The supplied reaction gas flows in one direction toward the tube outlet 12b through the pipe line, and catalyst particles are supplied from the catalyst particle supply unit 18 into the pipe line. As a result, the carbon fiber 13 is grown and produced in the conduit of the capillary tube 12 by the catalytic action of the catalyst particles using the catalyst particles 13a as the growth nucleus. In this case, the carbon fiber 13 grows by adhering to the catalyst particles 13a in the process in which the catalyst particles 13a flow from the tube inlet 12a to the tube outlet 12b in the pipe.

そして、実施の形態では、キャピラリ管１２を一方向長手に螺旋状に屈曲させていることにより、キャピラリ管１２はその全体が加熱炉１４と対向する配置長さであるが、非常に長い反応経路を確保することができる。そのため、装置としてはシンプルでコンパクトであるが、カーボンファイバ１３を製造させるのに十分な長さを確保することができる。また、キャピラリ管１２の管入口１２ａで触媒粒子の供給量や反応ガスの供給量を制御してカーボンファイバの製造量を制御することが可能であるからバッチ生産する必要がない。さらに、キャピラリ管１２の管路内を一方向にのみ反応ガス、触媒粒子が通過するので、不純物が管路内に滞留しにくく、したがって、管路内が汚染されずに反応させることができるので高純度なカーボンファイバ１３を製造することができる。さらには、キャピラリ管１２の管路内を触媒粒子が管入口１２ａから供給されてから管出口１２ｂから排出されるまでの時間を反応ガスの流速制御で制御することができるので、触媒粒子による反応時間を容易にかつ高精度に一定に管理することができ、結果として、長さがほぼ一定したカーボンファイバ１３を量産することができる。 In the embodiment, the capillary tube 12 is bent in a spiral shape in one longitudinal direction, so that the entire capillary tube 12 is arranged to face the heating furnace 14, but the reaction path is very long. Can be secured. Therefore, although it is simple and compact as an apparatus, it is possible to ensure a sufficient length for manufacturing the carbon fiber 13. In addition, since it is possible to control the production amount of the carbon fiber by controlling the supply amount of the catalyst particles and the supply amount of the reaction gas at the tube inlet 12a of the capillary tube 12, it is not necessary to perform batch production. Furthermore, since the reaction gas and catalyst particles pass through the capillary tube 12 only in one direction, impurities are unlikely to stay in the pipeline, so that the reaction can be performed without contamination in the pipeline. High purity carbon fiber 13 can be manufactured. Furthermore, since the time from when the catalyst particles are supplied from the pipe inlet 12a to the outlet of the capillary pipe 12 through the pipe outlet 12b can be controlled by controlling the flow rate of the reaction gas, the reaction by the catalyst particles can be controlled. The time can be easily and accurately managed at a constant level, and as a result, the carbon fiber 13 having a substantially constant length can be mass-produced.

そして、本実施の形態では、キャピラリ管１２の管路内の反応ガスの流れを粘性流領域に設定しているので、キャピラリ管１２が螺旋状に屈曲していても、カーボンファイバ１３の成長点である触媒粒子１３ａがキャピラリ管１２の管路の内壁と衝突しなくなり、カーボンファイバ１３を直線状に成長させて製造することができるようになる。 In this embodiment, since the flow of the reaction gas in the capillary tube 12 is set in the viscous flow region, the growth point of the carbon fiber 13 is obtained even if the capillary tube 12 is helically bent. Thus, the catalyst particles 13a do not collide with the inner wall of the capillary tube 12, and the carbon fiber 13 can be grown in a straight line.

図２は本発明の他の実施の形態に係るカーボンファイバ製造装置１０を示す。図１と対応する部分には同一の符号を付し同一の符号に係る部分の説明は省略する。この実施の形態では、加熱炉１４がキャピラリ管１２の内径側に配置されている。この加熱炉１４の配置形態では、図１と比較して明らかであるように、装置をよりコンパクト化することができる。 FIG. 2 shows a carbon fiber manufacturing apparatus 10 according to another embodiment of the present invention. The parts corresponding to those in FIG. In this embodiment, the heating furnace 14 is arranged on the inner diameter side of the capillary tube 12. In the arrangement form of the heating furnace 14, as apparent from the comparison with FIG. 1, the apparatus can be made more compact.

図３は本発明のさらに他の実施の形態に係るカーボンファイバ製造装置１０を示す。図１と対応する部分には同一の符号を付し同一の符号に係る部分の説明は省略する。この実施の形態では、キャピラリ管１２を長手方向に複数の、例えば３つの加熱制御ゾーン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ（実施の形態では説明の都合３つのゾーンであるが、これに限定されない。以下でも同様である。）にわけており、各加熱制御ゾーン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ毎に加熱炉１４ａ，１４ｂ，１４ｃを個別配置し、各加熱制御ゾーン１２ａ，１２ｂ，１２ｃを個別にゾーン加熱制御するゾーン制御部を備えたものである。このようなゾーン制御部を備えたことにより、種々の物性を備えたカーボンファイバを製造することができるようになる。 FIG. 3 shows a carbon fiber manufacturing apparatus 10 according to still another embodiment of the present invention. The parts corresponding to those in FIG. In this embodiment, the capillary tube 12 has a plurality of, for example, three heating control zones 12a, 12b, and 12c in the longitudinal direction (in the embodiment, there are three zones for convenience of explanation, but the invention is not limited to this. Zone control in which heating furnaces 14a, 14b, 14c are individually arranged for each heating control zone 12a, 12b, 12c, and each heating control zone 12a, 12b, 12c is individually controlled for zone heating. It has a part. By providing such a zone control unit, carbon fibers having various physical properties can be manufactured.

図４は本発明のさらに他の実施の形態に係るカーボンファイバ製造装置を示す。図１と対応する部分には同一の符号を付し同一の符号に係る部分の説明は省略する。この実施の形態では、キャピラリ管１２を長手方向に複数の、例えば３つのガス導入ゾーンにわけ、各ガス導入ゾーン毎に３つの反応ガス供給部２０ａ，２０ｂ，２０ｃを供給制御弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃ付きの供給管２２ａ，２２ｂ，２２ｃを介して接続し、この反応ガス供給部２０ａ，２０ｂ，２０ｃから別の種類の反応ガスを供給するゾーン制御部を備えたものである。このようなゾーン制御部によりキャピラリ管１２内のガスをその種類を変えて途中供給することにより、種々の物性を備えたカーボンファイバを製造することができるようになる。 FIG. 4 shows a carbon fiber manufacturing apparatus according to still another embodiment of the present invention. The parts corresponding to those in FIG. In this embodiment, the capillary tube 12 is divided into a plurality of, for example, three gas introduction zones in the longitudinal direction, and the three reaction gas supply units 20a, 20b, and 20c are supplied to the supply control valves 21a, 21b, It is connected via supply pipes 22a, 22b, and 22c with 21c, and is provided with a zone control unit that supplies another type of reaction gas from the reaction gas supply units 20a, 20b, and 20c. A carbon fiber having various physical properties can be manufactured by supplying the gas in the capillary tube 12 while changing its type by the zone controller.

図５は本発明のさらに他の実施の形態に係るカーボンファイバ製造装置を示す。図１と対応する部分には同一の符号を付し同一の符号に係る部分の説明は省略する。この実施の形態では、キャピラリ管１２を長手方向に複数の、例えば３つの圧力制御ゾーンにわけ、各圧力制御ゾーン毎に、圧力調整弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃ付きの圧力調整管２２ａ，２２ｂ，２２ｃの一端側をキャピラリ管１２に、他端側を圧力調整部２４ａ，２４ｂ，２４ｃにそれぞれ接続したゾーン制御部を備えたものである。このゾーン制御部により、キャピラリ管１２内部の圧力をゾーン制御可能としている。このようにキャピラリ管１２の管路内の圧力を途中で変えることができるようにしたことにより、種々の物性を備えたカーボンファイバを製造することができるようになる。 FIG. 5 shows a carbon fiber manufacturing apparatus according to still another embodiment of the present invention. The parts corresponding to those in FIG. In this embodiment, the capillary tube 12 is divided into a plurality of, for example, three pressure control zones in the longitudinal direction, and the pressure control tubes 22a, 22b, 22c with pressure control valves 25a, 25b, 25c are provided for each pressure control zone. 1 is provided with a zone controller having one end connected to the capillary tube 12 and the other end connected to the pressure adjusters 24a, 24b, and 24c. This zone control unit enables zone control of the pressure inside the capillary tube 12. Thus, by making it possible to change the pressure in the pipeline of the capillary tube 12 in the middle, it becomes possible to manufacture carbon fibers having various physical properties.

以上の図３ないし図５の１つあるいはこれらの組合わせでゾーン制御してカーボンファイバを製造する場合、明確な接合部が無い複数の構造を備えたカーボンファイバを製造することができる。例えば、キャピラリ管１２の管路を３つのゾーンにわけ、それぞれのゾーン制御により、第１のゾーンではナノチューブ構造の製造に対応した圧力、ガス、温度をゾーン制御して例えばマルチウォールナノチューブ構造を成長させ、次いで第２のゾーンではナノコーン構造の製造に対応した圧力、ガス、温度をゾーン制御してナノコーンを成長させ、次いで第３のゾーンではグラファイトの製造に対応した圧力、ガス、温度をゾーン制御してグラファイトを成長させることにより、物性が異なる３つの明確な接合部が無い連続した構造を有するカーボンファイバを製造することができる。 When a carbon fiber is manufactured by zone control with one of the above-described FIGS. 3 to 5 or a combination thereof, a carbon fiber having a plurality of structures without a clear joint can be manufactured. For example, the pipeline of the capillary tube 12 is divided into three zones. By controlling the zones, the pressure, gas and temperature corresponding to the manufacture of the nanotube structure are controlled in the first zone, for example, to grow a multi-wall nanotube structure. Then, in the second zone, the pressure, gas, and temperature corresponding to the production of the nanocone structure are zoned to grow the nanocone, and then in the third zone, the pressure, gas, and temperature corresponding to the production of graphite are zoned. By growing graphite, a carbon fiber having a continuous structure without three distinct joints having different physical properties can be produced.

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various changes or modifications within the scope described in the claims.

図１は実施の形態の製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a carbon fiber manufacturing apparatus used for carrying out the manufacturing method of the embodiment. 図２は他の実施の形態の製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a carbon fiber manufacturing apparatus used for carrying out the manufacturing method of another embodiment. 図３はさらに他の実施の形態の製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a carbon fiber manufacturing apparatus used for carrying out the manufacturing method of still another embodiment. 図４はさらに他の実施の形態の製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a carbon fiber manufacturing apparatus used for carrying out the manufacturing method of still another embodiment. 図５はさらに他の実施の形態の製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a carbon fiber manufacturing apparatus used for carrying out the manufacturing method of still another embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１０カーボンファイバ製造装置
１２キャピラリ管（反応管）
１２ａ管入口
１２ｂ管出口
１３カーボンファイバ
１３ａ触媒粒子
１４加熱炉
１６反応ガス供給部
１８触媒粒子供給部 10 Carbon fiber manufacturing equipment 12 Capillary tube (reaction tube)
12a Pipe inlet 12b Pipe outlet 13 Carbon fiber 13a Catalyst particles 14 Heating furnace 16 Reactive gas supply unit 18 Catalyst particle supply unit

Claims

流動触媒法によりカーボンファイバを製造する方法において、反応ガスを屈曲した反応経路内に粘性流領域で一方向に流しながら、反応ガス成分を、反応経路内を流動する触媒粒子に作用させてカーボンファイバを製造する、ことを特徴とするカーボンファイバの製造方法。 In a method for producing carbon fiber by a flow catalyst method, a reaction gas component is allowed to act on catalyst particles flowing in the reaction path while flowing the reaction gas in one direction in a viscous flow region in the reaction path bent. A method for producing a carbon fiber, characterized in that

上記屈曲の形状を螺旋状とする、ことを特徴とする請求項１に記載のカーボンファイバの製造方法。 The method for producing a carbon fiber according to claim 1, wherein the bent shape is a spiral.

上記粘性流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤは反応経路の内径、λは反応ガス成分の反応経路内での平均自由行程）が１．０より小さい値でガスが流れる領域である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のカーボンファイバの製造方法。 The viscous flow region is a region where the gas flows with a Knudsen number K (= λ / D, where D is the inner diameter of the reaction path and λ is the mean free path of the reaction gas component in the reaction path) less than 1.0. The method for producing a carbon fiber according to claim 1, wherein:

請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法により製造されたものでほぼ直線状に長い構造を有する、ことを特徴とするカーボンファイバ。 A carbon fiber manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 3 and having a substantially linearly long structure.

上記反応経路をその長手方向に複数のゾーンにわけ、各ゾーンを個別に、圧力、導入ガスの種類、温度の１つあるいはこれらの組合わせでゾーン制御する、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のカーボンファイバの製造方法。 The reaction path is divided into a plurality of zones in the longitudinal direction, and each zone is individually controlled by one of pressure, type of introduced gas, temperature, or a combination thereof. 4. The method for producing a carbon fiber according to any one of 3 above.

請求項５に記載のカーボンファイバ製造方法により製造されたもので明確な接合部が無い複数の構造を有する、ことを特徴とするカーボンファイバ。 A carbon fiber manufactured by the carbon fiber manufacturing method according to claim 5 and having a plurality of structures without a clear joint.

流動触媒法によりカーボンファイバを製造する装置において、屈曲した少なくとも１つの管路と、反応ガスを上記管路内に粘性流領域で一方向に流す反応ガス供給部と、当該管路内に触媒粒子を供給する触媒粒子供給部とを備える、ことを特徴とするカーボンファイバ製造装置。 In an apparatus for producing a carbon fiber by a flow catalyst method, at least one bent pipe line, a reaction gas supply part for flowing a reaction gas in one direction in a viscous flow region in the pipe line, and catalyst particles in the pipe line And a catalyst particle supply part for supplying the carbon fiber.

上記反応経路が一方向長手の螺旋状に延びる管路である、ことを特徴とする請求項７に記載のカーボンファイバ製造装置。 The carbon fiber manufacturing apparatus according to claim 7, wherein the reaction path is a pipe line extending in a unidirectional longitudinal spiral.

上記粘性流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤは反応経路の内径、λは反応ガス成分の反応経路内での平均自由行程）が１．０より小さい値でガスが流れる領域である、ことを特徴とする請求項７または８に記載のカーボンファイバ製造装置。 The viscous flow region is a region where the gas flows with a Knudsen number K (= λ / D, where D is the inner diameter of the reaction path and λ is the mean free path of the reaction gas component in the reaction path) less than 1.0. The carbon fiber manufacturing apparatus according to claim 7 or 8, wherein:

上記反応経路をその長手方向に複数のゾーンにわけ、各ゾーンを個別に、圧力、導入ガスの種類、温度の１つあるいはこれらの組合わせでゾーン制御するゾーン制御部を有する、ことを特徴とする請求項９に記載のカーボンファイバ製造装置。 The reaction path is divided into a plurality of zones in the longitudinal direction, and each zone is individually provided with a zone controller that controls the zone by one of pressure, type of introduced gas, temperature, or a combination thereof. The carbon fiber manufacturing apparatus according to claim 9.