JP2009001468A - Apparatus and method for producing highly functional carbon fiber - Google Patents
Apparatus and method for producing highly functional carbon fiber Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009001468A JP2009001468A JP2007166535A JP2007166535A JP2009001468A JP 2009001468 A JP2009001468 A JP 2009001468A JP 2007166535 A JP2007166535 A JP 2007166535A JP 2007166535 A JP2007166535 A JP 2007166535A JP 2009001468 A JP2009001468 A JP 2009001468A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- resonance
- microwave
- carbon fiber
- hollow
- resonance space
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title claims abstract description 70
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title claims abstract description 70
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 64
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 22
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 20
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 7
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 21
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 6
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000007380 fibre production Methods 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 2
- 239000011300 coal pitch Substances 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 2
- 239000011301 petroleum pitch Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 description 1
- 239000012761 high-performance material Substances 0.000 description 1
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 1
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
本発明は、炭素繊維を高温に加熱しながら、高機能化処理物質をドーピングして、連続的に炭素繊維を高機能化する高機能化炭素繊維の製造装置および方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and a method for producing a highly functionalized carbon fiber that continuously increases the functionality of a carbon fiber by doping the highly functionalized substance while heating the carbon fiber to a high temperature.
リチウムイオンバッテリの負極材料は3D高結晶性グラファイトが主流であり、そこではグラファイトの六角網平面間にLiイオンが蓄えられて充電される。しかし、実際の電池負極では、理論値よりも低いLiイオンしか蓄えられない。これは、グラファイト中に介在する各種の欠陥の影響が主要な要因である。
この改善策として、ホウ素(B)を炭素六角網平面内にドーピングして、2500〜3000℃の温度で黒鉛化処理を行うことにより、性能が飛躍的に向上することが知られている(例えば、非特許文献1)。
The main negative electrode material for lithium ion batteries is 3D highly crystalline graphite, in which Li ions are stored and charged between hexagonal mesh planes of graphite. However, in an actual battery negative electrode, only Li ions lower than the theoretical value can be stored. This is mainly due to the effects of various defects present in the graphite.
As an improvement measure, it is known that the performance is drastically improved by doping boron (B) into a carbon hexagonal network plane and performing a graphitization treatment at a temperature of 2500 to 3000 ° C. (for example, Non-Patent Document 1).
上述した例のように、結晶構造を有する炭素材料を高温に加熱しながら、B,P,N2等の高機能化処理物質をドーピングして、炭素材料の結晶構造を歪ませることにより、キャパシタンス等の電極性能を高めることができる。 As in the above-described example, while heating a carbon material having a crystal structure to a high temperature, doping a highly functional processing substance such as B, P, N 2 and the like to distort the crystal structure of the carbon material, capacitance The electrode performance such as can be improved.
結晶構造を有する炭素繊維は、石炭ピッチ、石油ピッチから量産することができる。この炭素繊維を上述した黒鉛化処理により高機能化するために、従来は、2000℃以上の温度に加熱できる黒鉛炉に紡糸した炭素繊維を充填し、そこにホウ素、リン、窒素等の処理するガスを流し、炭素繊維を機能化するバッチ式の方法が用いられていた。 Carbon fibers having a crystal structure can be mass-produced from coal pitch and petroleum pitch. In order to make this carbon fiber highly functional by the above-mentioned graphitization treatment, conventionally, the carbon fiber spun into a graphite furnace that can be heated to a temperature of 2000 ° C. or higher is filled and treated with boron, phosphorus, nitrogen, or the like. A batch type method of flowing gas and functionalizing carbon fibers has been used.
またその他の手段として、例えば特許文献1が既に開示されている。
As another means, for example,
特許文献1は、原材料の内部・外部を均一に加熱して高品位の活性炭や機能性材料を製造することを目的としている。
このため、この発明のハイブリッド反応炉は、マイクロ波吸収性物質を含有する原材料を装填するための外部加熱式反応炉であって、該反応炉内にマイクロ波を導入し、原材料の内部及び外部を同時に均一に加熱して、均一反応させる手段を具備するものである。
また、この外部加熱式反応炉は、図4に示すように、内部の活性炭原料や賦活剤が装填される内部反応炉55とその反応部を加熱する外部加熱炉57の二重炉となっており、内部反応炉55にはマイクロ波が導波管52を通して導入され、炉内の雰囲気制御のために不活性ガスなどを送給する導入口59および内部反応炉にガス排気口53を有し、導波管52には冷却及び発生ガスの進入を防ぐために不活性ガスの導入口58が設置されており、外部加熱炉57には燃料ガスの導入口と排気口50を有するものである。
Therefore, the hybrid reactor of the present invention is an externally heated reactor for loading a raw material containing a microwave-absorbing substance, and the microwave is introduced into the reactor so that the inside and outside of the raw material are introduced. Is provided with a means for uniformly heating and reacting uniformly at the same time.
Further, as shown in FIG. 4, the external heating reactor is a double furnace of an
黒鉛炉を用いた従来の炭素繊維の機能化手段は、炭素繊維を高機能化するために処理温度を高める(例えば2000℃以上)と、炉の耐久性が急激に低下するため、処理性能と耐久性がトレードオフの関係にある問題点があった。
また、特許文献1では、内部加熱法のマイクロ波加熱と通常の外部加熱法を併用するため、均一に加熱できるが、炉体の耐久性保持のため加熱温度が1000℃以下に制限され、十分な高機能化ができない問題点があった。
さらに、これらの従来技術は、バッチ処理のため、連続処理ができず、安定した品質の高機能化炭素繊維を連続的に製造することができなかった。
Conventional carbon fiber functionalization means using a graphite furnace increases the processing temperature in order to increase the functionality of the carbon fiber (for example, 2000 ° C. or higher), and the durability of the furnace is drastically reduced. There was a problem that durability was in a trade-off relationship.
Moreover, in
Furthermore, these conventional techniques cannot perform continuous processing due to batch processing, and cannot continuously produce highly functional carbon fibers with stable quality.
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、2000℃を超える高温に炭素繊維を加熱しながら、高機能化処理物質をドーピングして、連続的に炭素繊維を高機能化することができ、かつ装置の損傷が少なく、エネルギー損失も少ない高機能化炭素繊維の製造装置および方法を提供することにある。 The present invention has been developed to solve such problems. That is, the object of the present invention is to continuously improve the functionality of carbon fiber by heating the carbon fiber at a high temperature exceeding 2000 ° C. and doping the highly functionalized substance, and causing damage to the apparatus. An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for producing a highly functional carbon fiber with less energy loss.
本発明によれば、内部にマイクロ波が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器と、
該中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給して前記共鳴空間にマイクロ波の共鳴状態を形成するマイクロ波供給装置と、
前記中空共鳴容器の外部から、前記共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管と、
該連続中空管の一端から他端まで、炭素繊維を連続的に供給する炭素繊維供給装置と、
前記連続中空管の一端から他端まで、高機能化処理物質を含む高機能化処理ガスを流通させるガス流通装置とを備えた、ことを特徴とする高機能化炭素繊維の製造装置が提供される。
According to the present invention, there is a hollow resonance container made of a material having a resonance space in which microwaves can resonate and having little microwave absorption;
A microwave supply device for supplying a microwave of a predetermined frequency into the hollow resonance container to form a resonance state of the microwave in the resonance space;
A continuous hollow tube continuously extending from the outside of the hollow resonance vessel, through the resonance space, to the outside;
A carbon fiber supply device for continuously supplying carbon fibers from one end to the other end of the continuous hollow tube;
Provided with a high-performance carbon fiber production apparatus comprising a gas flow device for flowing a high-performance processing gas containing a high-performance processing material from one end to the other end of the continuous hollow tube Is done.
本発明の好ましい実施形態によれば、前記中空共鳴容器は、前記共鳴空間の形状を変化させマイクロ波の共鳴状態を形成するための可動壁を有し、
さらに、前記可動壁を前記共鳴空間の形状を変化させるために移動する壁駆動装置を備える。
According to a preferred embodiment of the present invention, the hollow resonance container has a movable wall for changing the shape of the resonance space to form a resonance state of microwaves,
Furthermore, a wall drive device is provided that moves the movable wall to change the shape of the resonance space.
また、前記マイクロ波供給装置は、所定の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
発生したマイクロ波を前記中空共鳴容器内に供給する導波管と、
該導波管に取付けられ、中空共鳴容器から反射されるマイクロ波強度を計測する反射電力計とを備える。
The microwave supply device includes a microwave generator that generates a microwave having a predetermined frequency;
A waveguide for supplying the generated microwave into the hollow resonant container;
A reflection wattmeter that is attached to the waveguide and measures the intensity of the microwave reflected from the hollow resonant container.
また、前記反射電力計の出力信号を受信し前記壁駆動装置を制御する共鳴制御装置を備え、
該共鳴制御装置により前記出力信号が最小となる位置に前記可動壁を移動させる。
In addition, a resonance control device that receives the output signal of the reflected wattmeter and controls the wall driving device,
The movable wall is moved to a position where the output signal is minimized by the resonance control device.
また、本発明によれば、内部にマイクロ波が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器内に、その外部から、前記共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管を備え、
該中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給して前記共鳴空間にマイクロ波の共鳴状態を形成し、
前記連続中空管の一端から他端まで、炭素繊維と高機能化処理物質を含む高機能化ガスを連続的に供給して、炭素繊維をマイクロ波で高温に加熱しながら、高機能化処理物質をドーピングして、炭素繊維を高機能化する、ことを特徴とする高機能化炭素繊維の製造方法が提供される。
Further, according to the present invention, the inside of a hollow resonance container made of a material having a resonance space in which microwaves can resonate and having little microwave absorption passes from the outside to the outside through the resonance space. With a continuous hollow tube extending continuously to
A microwave having a predetermined frequency is supplied into the hollow resonance vessel to form a resonance state of the microwave in the resonance space,
High-functionalization treatment is performed by continuously supplying a high-performance gas containing carbon fiber and a high-functionality treatment substance from one end to the other end of the continuous hollow tube, and heating the carbon fiber to a high temperature with microwaves. There is provided a method for producing a highly functional carbon fiber, characterized in that a carbon fiber is highly functionalized by doping a substance.
炭素材料は、マイクロ波の良好な吸収物質であり、マイクロ波の照射により容易に高温に加熱される特性がある。 A carbon material is a good absorbing material for microwaves, and has a characteristic of being easily heated to a high temperature by microwave irradiation.
上述した本発明の装置および方法によれば、内部にマイクロ波が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給してマイクロ波の共鳴状態を形成するので、この共鳴状態において中空共鳴容器内にマイクロ波の電界強度の高い領域を少ないエネルギー損失で形成することができる。 According to the above-described apparatus and method of the present invention, a microwave having a predetermined frequency is supplied into a hollow resonance vessel made of a material that has a resonance space in which microwaves can resonate and has little microwave absorption. Since a microwave resonance state is formed, in this resonance state, a region having a high microwave field strength can be formed in the hollow resonance container with a small energy loss.
また中空共鳴容器の外部から、共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管を備え、その一端から他端まで、炭素繊維と高機能化処理物質を含む高機能化処理ガスを連続的に供給することで、マイクロ波の良好な吸収物質である炭素繊維に選択的にマイクロ波を照射し、2000℃を超える高温に炭素繊維を効率よく加熱することができ、この高温において高機能化処理物質をドーピングして、連続的に炭素繊維を高機能化することができる。
また、マイクロ波を吸収して高温に加熱されるのは、炭素繊維自体であり、その他の構成部材は、マイクロ波の吸収が少なく加熱されない。
Also, a highly functional processing gas comprising a continuous hollow tube continuously extending from the outside of the hollow resonant container through the resonant space to the outside thereof, including carbon fiber and a highly functional processing substance from one end to the other end. By continuously supplying the carbon fiber, it is possible to selectively irradiate the carbon fiber, which is a good absorber of microwaves, with the microwave, and to efficiently heat the carbon fiber to a high temperature exceeding 2000 ° C. The carbon fiber can be continuously functionalized by doping with a functional material.
Further, it is the carbon fiber itself that absorbs the microwave and is heated to a high temperature, and the other constituent members absorb little microwave and are not heated.
従って中空共鳴容器やその他の構成機材を炭素繊維より低温の比較的穏和な条件に維持出来るため、炉体への負荷をあまりかけずに、炭素繊維を高機能化できる。
また、照射するマイクロ波の波長、出力と防止した炭素繊維の化学成分を調整することにより結晶組織、メソフェースの大きさ、比表面積等を制御することができる。
Therefore, since the hollow resonance vessel and other components can be maintained at relatively mild conditions at a lower temperature than the carbon fiber, the carbon fiber can be highly functionalized without applying much load to the furnace body.
In addition, the crystal structure, mesophase size, specific surface area, and the like can be controlled by adjusting the wavelength of the irradiated microwave, the output, and the chemical components of the prevented carbon fiber.
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明による高機能化炭素繊維製造装置の全体構成図である。
この図に示すように本発明の高機能化炭素繊維製造装置は、中空共鳴容器10、マイクロ波供給装置12、壁駆動装置16および共鳴制御装置18を備える。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a highly functionalized carbon fiber manufacturing apparatus according to the present invention.
As shown in this figure, the highly functionalized carbon fiber production apparatus of the present invention includes a
中空共鳴容器10は、内部でマイクロ波2が共鳴可能な共鳴空間9を有する。この共鳴空間9は、中空円筒形又は中空直方体であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、内部でマイクロ波が共鳴可能であれば、任意の形状であってもよい。
中空共鳴容器10は、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる。また、この材料はワーク1が2000℃以上、好ましくは2500℃以上に加熱されても、損傷を受けない耐熱強度が高い材料からなる。このような材料として、例えばグラファイトを用いることができる。
The
The hollow
この例において、中空共鳴容器10は、共鳴空間9の形状を変化させマイクロ波2の共鳴状態を形成するための可動壁(後述する底板10bおよび上蓋10c)を有する。
In this example, the
この例において、中空共鳴容器10は、中空胴部10a、底板10bおよび上蓋10cからなる。
中空胴部10aはこの例では円筒管であるが、矩形管であってもよい。
底板10bは、中空胴部10aの下部にシール材を介して嵌合し、共鳴空間9の底部を形成する。
また、上蓋10cは、中空胴部10aの上部にシール材を介して嵌合し、共鳴空間9の蓋部を形成する。底板10bおよび上蓋10cは互いに平行であり、かつそれぞれ中空胴部10aの軸線に沿って上下動可能に形成されている。シール材は、内部の気密を保持できる限りで、任意の材料からなる。
なお、この例において、可動壁は、底板10bと上蓋10cであるが、本発明はこれに限定されず、可動壁をいずれか一方としてもよい。
In this example, the
The
The
Further, the
In this example, the movable walls are the
マイクロ波供給装置12は、中空共鳴容器10内に所定の周波数(例えば2.45GHz)のマイクロ波2を供給する。
この例において、マイクロ波供給装置12は、所定の周波数のマイクロ波2を発生するマイクロ波発生装置12aと、発生したマイクロ波2を中空共鳴容器12内に供給する導波管12bと、反射電力計13とを備える。
導波管12bは、マイクロ波2を低損失で中空共鳴容器12内まで伝播させる形状であり、かつ中空共鳴容器10内の共鳴空間9にマイクロ波2の共鳴状態を形成できる位置に連結されている。この位置は、予めシミュレーション等で決定するが、底板10bを移動して調整してもよい。
反射電力計13は、導波管12bに取付けられ、中空共鳴容器10から反射されるマイクロ波強度を計測する。共鳴空間9にマイクロ波2の共鳴状態が形成されると、反射されるマイクロ波強度が最も弱くなる。
The
In this example, the
The
The reflected
壁駆動装置16は、可動壁(この例では底板10bおよび上蓋10c)を共鳴空間9の形状を変化させるために移動する。
この例において、壁駆動装置16は、底板10bを駆動する底板駆動装置16aと、上蓋10cを駆動する上蓋駆動装置16bとからなる。壁駆動装置16(底板駆動装置16aと上蓋駆動装置16b)は、例えばスクリュージャッキ、直動シリンダ、ボールネジである。
なお、底板駆動装置16aと上蓋駆動装置16bの両方は不可欠ではなく、いずれか一方のみでもよい。
The
In this example, the
Note that both the bottom
共鳴制御装置18は、反射電力計13の出力信号を受信し、壁駆動装置16(この例では上蓋駆動装置16b)を制御する。
この共鳴制御装置18により、反射電力計13の出力信号が最小となる位置に可動壁(この例では上蓋10c)を移動させる。
The
The
図2は、図1のA−A矢視図である。この図に示すように、本発明の高機能化炭素繊維製造装置は、さらに連続中空管20、炭素繊維供給装置22およびガス流通装置24を備える。
FIG. 2 is an AA arrow view of FIG. As shown in this figure, the highly functionalized carbon fiber production apparatus of the present invention further includes a continuous
連続中空管20は、中空共鳴容器10の外部から、中空共鳴容器内の共鳴空間9を通って、中空共鳴容器の外部まで連続して延びる。この連続中空管20は1300℃以上の高温に耐える耐熱性石英管であるのがよい。
また、連続中空管20の入口部と出口部は、共鳴状態におけるマイクロ波強度の低い領域に設けるのがよい。
また、この連続中空管20は、共鳴空間9のマイクロ波強度の高い領域(後述する)を通りかつ内部を炭素繊維がスムースに通過できるように形成された螺旋管であるのがよい。
なお、この例で連続中空管20の螺旋を直径の異なる3重螺旋管で示しているが、本発明はこの構成に限定されず、直径とピッチを任意に設定することができる。
The continuous
Moreover, it is preferable to provide the inlet part and outlet part of the continuous
The continuous
In this example, the spiral of the continuous
炭素繊維供給装置22は、処理前の炭素繊維1を巻き戻す巻戻し装置23aと、処理後の炭素繊維1を巻き取る巻取り装置23bとからなる。またこの例で、巻戻し装置23aと巻取り装置23bは、不活性ガスが充填された気密容器21内に収容され、炭素繊維1の変質を防ぐようになっている。
炭素繊維1は、石炭ピッチ、石油ピッチから製造した単結晶構造を有する炭素繊維である。炭素繊維1の直径は、連続中空管を通せる可撓性を有する限りで任意であり、例えば0.1μmから100μmである。
The carbon
The
ガス流通装置24は、連続中空管の一端から他端まで、高機能化処理物質を含む高機能化処理ガス3を流通させる。高機能化処理物質は、例えば、B,P,N2等である。
この例において、ガス流通装置24は、供給管24aを介して高機能化処理ガス3を供給するガス供給装置25aと、排気管24bを介して高機能化処理ガス3を排気するガス排気装置25bとを備える。
供給管24aと排気管24bは、上述した連続中空管20の側面に取付けられるのが好ましいが、その他の箇所、例えば気密容器21に取付けてもよい。
The
In this example, the
The
上述した装置を用い、本発明の高機能化炭素繊維の製造方法は、以下のステップからなる。
(1)まず、内部にマイクロ波2が共鳴可能な共鳴空間9を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器10内に、その外部から、共鳴空間9を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管20を備える。
この際、連続中空管20の中間部分を共鳴状態におけるマイクロ波強度の高い領域内に保持する。このマイクロ波強度の高い領域は、予め実験又はシミュレーションにより決定することができる。
(2)次に、中空共鳴容器10内に所定の周波数のマイクロ波2を供給して共鳴空間9にマイクロ波2の共鳴状態を形成する。共鳴状態の形成とその確認は、上述した壁駆動装置16と反射電力計13を用いることでできる。
(3)次に、連続中空管20の一端から他端まで、炭素繊維1と高機能化処理物質を含む高機能化処理ガス3を連続的に供給する。
この方法により、炭素繊維1をマイクロ波2で高温(例えば2000℃以上)に加熱しながら、高機能化処理物質をドーピングして、炭素繊維1を高機能化することができる。
Using the apparatus described above, the method for producing a highly functionalized carbon fiber of the present invention comprises the following steps.
(1) First, a
At this time, an intermediate portion of the continuous
(2) Next, the
(3) Next, from one end of the continuous
By this method, while the
図3は、本発明における中空共鳴容器内の電界強度分布図である。この例は、マイクロ波の周波数が2.45GHzであり、共鳴モードはTM011モードである。また、その条件は直径208mm,高さ69mmである。このときの導波管部との結合部の中心高さは25mmとなる。 FIG. 3 is an electric field intensity distribution diagram in the hollow resonance container according to the present invention. In this example, the frequency of the microwave is 2.45 GHz, and the resonance mode is the TM011 mode. The conditions are a diameter of 208 mm and a height of 69 mm. At this time, the center height of the coupling portion with the waveguide portion is 25 mm.
図3において、斜線部分Aで電界強度が大きくなっている。従って、上述したように、連続中空管20の中間部分は、中空共鳴容器10の外周部中間高さに位置するのがよい。
In FIG. 3, the electric field strength is increased in the shaded area A. Therefore, as described above, the intermediate portion of the continuous
マイクロ波の周波数と共鳴器形状の関係は、数1の式(1)で決定される直径と高さの組み合わせで上記分布(TM011モード)が成立する。
なお、導波管12bと共鳴器10の結合部の底面からの高さは,共鳴器10の直径と高さにより任意に変化するため解析により決定するのがよい。
Regarding the relationship between the frequency of the microwave and the resonator shape, the above distribution (TM011 mode) is established by the combination of the diameter and the height determined by Equation (1) of
It should be noted that the height from the bottom surface of the coupling portion between the
上述した本発明の装置および方法によれば、内部にマイクロ波が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給してマイクロ波の共鳴状態を形成するので、この共鳴状態において中空共鳴容器内にマイクロ波の電界強度の高い領域を少ないエネルギー損失で形成することができる。 According to the above-described apparatus and method of the present invention, a microwave having a predetermined frequency is supplied into a hollow resonance vessel made of a material that has a resonance space in which microwaves can resonate and has little microwave absorption. Since a microwave resonance state is formed, in this resonance state, a region having a high microwave field strength can be formed in the hollow resonance container with a small energy loss.
また中空共鳴容器10の外部から、共鳴空間9を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管20を備え、その一端から他端まで、炭素繊維1と高機能化処理物質を含む高機能化処理ガス3を連続的に供給することで、マイクロ波の良好な吸収物質である炭素繊維に選択的にマイクロ波を照射し、2000℃を超える高温に炭素繊維を効率よく加熱することができ、この高温において高機能化処理物質をドーピングして、連続的に炭素繊維1を高機能化することができる。
また、マイクロ波を吸収して高温に加熱されるのは、炭素繊維自体であり、その他の構成部材は、マイクロ波の吸収が少なく加熱されない。
In addition, a continuous
Further, it is the carbon fiber itself that absorbs the microwave and is heated to a high temperature, and the other constituent members absorb little microwave and are not heated.
従って中空共鳴容器やその他の構成機材を炭素繊維より低温の比較的穏和な条件に維持出来るため、炉体への負荷をあまりかけずに、炭素繊維を高機能化できる。
また、照射するマイクロ波の波長、出力と防止した炭素繊維の化学成分を調整することにより結晶組織、メソフェースの大きさ、比表面積等を制御することができる。
Therefore, since the hollow resonance vessel and other components can be maintained at relatively mild conditions at a lower temperature than the carbon fiber, the carbon fiber can be highly functionalized without applying much load to the furnace body.
In addition, the crystal structure, mesophase size, specific surface area, and the like can be controlled by adjusting the wavelength of the irradiated microwave, the output, and the chemical components of the prevented carbon fiber.
さらに本発明の装置および方法は、連続式であるので、従来のバッチ式に比べて生産性を大幅に高めることができる。 Furthermore, since the apparatus and method of the present invention are continuous, productivity can be significantly increased compared to conventional batch processes.
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
1 ワーク(黒鉛材料)、2 マイクロ波、3 高機能化処理ガス、9共鳴空間、
10 中空共鳴容器、10a 中空胴部、10b 底板、10c 上蓋、
12 マイクロ波供給装置、
12a マイクロ波発生装置、12b 導波管、13 反射電力計、
16 壁駆動装置、16a 底板駆動装置、16b 上蓋駆動装置、
18 共鳴制御装置、20 連続中空管、21 気密容器、
22 炭素繊維供給装置、23a巻戻し装置、23b巻取り装置、
24 ガス流通装置、24a供給管、24b排気管、
25a ガス供給装置、25b ガス排気装置
1 work (graphite material), 2 microwave, 3 highly functional gas, 9 resonance space,
10 hollow resonance vessel, 10a hollow body, 10b bottom plate, 10c upper lid,
12 microwave supply device,
12a microwave generator, 12b waveguide, 13 reflection wattmeter,
16 wall drive device, 16a bottom plate drive device, 16b upper lid drive device,
18 resonance control device, 20 continuous hollow tube, 21 airtight container,
22 carbon fiber supply device, 23a rewinding device, 23b winding device,
24 gas distribution device, 24a supply pipe, 24b exhaust pipe,
25a gas supply device, 25b gas exhaust device
Claims (5)
該中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給して前記共鳴空間にマイクロ波の共鳴状態を形成するマイクロ波供給装置と、
前記中空共鳴容器の外部から、前記共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管と、
該連続中空管の一端から他端まで、炭素繊維を連続的に供給する炭素繊維供給装置と、
前記連続中空管の一端から他端まで、高機能化処理物質を含む高機能化処理ガスを流通させるガス流通装置とを備えた、ことを特徴とする高機能化炭素繊維の製造装置。 A hollow resonant container made of a material that has a resonance space in which microwaves can resonate and has little microwave absorption;
A microwave supply device for supplying a microwave of a predetermined frequency into the hollow resonance container to form a resonance state of the microwave in the resonance space;
A continuous hollow tube continuously extending from the outside of the hollow resonance vessel, through the resonance space, to the outside;
A carbon fiber supply device for continuously supplying carbon fibers from one end to the other end of the continuous hollow tube;
An apparatus for producing a highly functionalized carbon fiber, comprising: a gas distribution device that distributes a highly functionalized processing gas containing a highly functionalized processing substance from one end to the other end of the continuous hollow tube.
さらに、前記可動壁を前記共鳴空間の形状を変化させるために移動する壁駆動装置を備える、ことを特徴とする請求項1に記載の高機能化炭素繊維の製造装置。 The hollow resonance container has a movable wall for changing the shape of the resonance space to form a resonance state of microwaves,
The apparatus for producing a highly functional carbon fiber according to claim 1, further comprising a wall driving device that moves the movable wall so as to change a shape of the resonance space.
発生したマイクロ波を前記中空共鳴容器内に供給する導波管と、
該導波管に取付けられ、中空共鳴容器から反射されるマイクロ波強度を計測する反射電力計とを備える、ことを特徴とする請求項2に記載の高機能化炭素繊維の製造装置。 The microwave supply device is a microwave generator for generating microwaves of a predetermined frequency;
A waveguide for supplying the generated microwave into the hollow resonant container;
The apparatus for producing a highly functionalized carbon fiber according to claim 2, further comprising a reflection wattmeter that is attached to the waveguide and measures a microwave intensity reflected from the hollow resonance vessel.
該共鳴制御装置により前記出力信号が最小となる位置に前記可動壁を移動させる、ことを特徴とする請求項3に記載の高機能化炭素繊維の製造装置。 A resonance control device for receiving the output signal of the reflected wattmeter and controlling the wall driving device;
4. The apparatus for producing a highly functionalized carbon fiber according to claim 3, wherein the movable wall is moved to a position where the output signal is minimized by the resonance control device.
該中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給して前記共鳴空間にマイクロ波の共鳴状態を形成し、
前記連続中空管の一端から他端まで、炭素繊維と高機能化処理物質を含む高機能化ガスを連続的に供給して、炭素繊維をマイクロ波で高温に加熱しながら、高機能化処理物質をドーピングして、炭素繊維を高機能化する、ことを特徴とする高機能化炭素繊維の製造方法。 A continuous hollow that continuously extends from the outside to the outside through the resonance space in a hollow resonance vessel made of a material that has a resonance space in which microwaves can resonate and has little microwave absorption. With a tube,
A microwave having a predetermined frequency is supplied into the hollow resonance vessel to form a resonance state of the microwave in the resonance space,
High-functionalization treatment is performed by continuously supplying a high-performance gas containing carbon fiber and a high-functionality treatment substance from one end to the other end of the continuous hollow tube, and heating the carbon fiber to a high temperature with microwaves. A method for producing a highly functional carbon fiber, comprising doping a substance to enhance the function of a carbon fiber.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007166535A JP5029949B2 (en) | 2007-06-25 | 2007-06-25 | Apparatus and method for producing highly functional carbon fiber |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007166535A JP5029949B2 (en) | 2007-06-25 | 2007-06-25 | Apparatus and method for producing highly functional carbon fiber |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009001468A true JP2009001468A (en) | 2009-01-08 |
JP2009001468A5 JP2009001468A5 (en) | 2010-04-30 |
JP5029949B2 JP5029949B2 (en) | 2012-09-19 |
Family
ID=40318289
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007166535A Expired - Fee Related JP5029949B2 (en) | 2007-06-25 | 2007-06-25 | Apparatus and method for producing highly functional carbon fiber |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5029949B2 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009001469A (en) * | 2007-06-25 | 2009-01-08 | Ihi Corp | Apparatus and method for highly purifying graphite |
JP2014182930A (en) * | 2013-03-19 | 2014-09-29 | Saida Fds Inc | Circulation tube and microwave device having the same |
JP2014194955A (en) * | 2014-06-20 | 2014-10-09 | Saida Fds Inc | Microwave device |
KR20160137526A (en) | 2014-03-31 | 2016-11-30 | 고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠 | Carbon fiber manufacturing device and carbon fiber manufacturing method |
JP2017031051A (en) * | 2011-11-30 | 2017-02-09 | ノックス,マイケル,アール. | Single mode microwave device for producing exfoliated graphite |
KR101914974B1 (en) * | 2017-05-25 | 2018-12-28 | 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 | Apparatus and Method manufacturing carbon fiber |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6245725A (en) * | 1986-08-15 | 1987-02-27 | Hirochiku:Kk | Production of carbon fiber |
JPH07235374A (en) * | 1994-02-15 | 1995-09-05 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | Equipment and method to apply microwave energy in occasion that processes sheet-form material |
JP2005350307A (en) * | 2004-06-11 | 2005-12-22 | Shinano Kenshi Co Ltd | Modified carbon material and method for manufacturing the same |
WO2006101084A1 (en) * | 2005-03-23 | 2006-09-28 | Bridgestone Corporation | Carbon fiber and processes for (continuous) production thereof, and catalyst structures, electrodes for solid polymer fuel cells, and solid polymer fuel cells, made by using the carbon fiber |
JP2009001890A (en) * | 2007-06-25 | 2009-01-08 | Ihi Corp | Surface treatment device for nanoparticle, and method therefor |
JP2009544863A (en) * | 2006-07-21 | 2009-12-17 | ポステック アカデミー−インダストリー ファンデーション | Modification of carbon fiber by electromagnetic radiation |
-
2007
- 2007-06-25 JP JP2007166535A patent/JP5029949B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6245725A (en) * | 1986-08-15 | 1987-02-27 | Hirochiku:Kk | Production of carbon fiber |
JPH07235374A (en) * | 1994-02-15 | 1995-09-05 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | Equipment and method to apply microwave energy in occasion that processes sheet-form material |
JP2005350307A (en) * | 2004-06-11 | 2005-12-22 | Shinano Kenshi Co Ltd | Modified carbon material and method for manufacturing the same |
WO2006101084A1 (en) * | 2005-03-23 | 2006-09-28 | Bridgestone Corporation | Carbon fiber and processes for (continuous) production thereof, and catalyst structures, electrodes for solid polymer fuel cells, and solid polymer fuel cells, made by using the carbon fiber |
JP2009544863A (en) * | 2006-07-21 | 2009-12-17 | ポステック アカデミー−インダストリー ファンデーション | Modification of carbon fiber by electromagnetic radiation |
JP2009001890A (en) * | 2007-06-25 | 2009-01-08 | Ihi Corp | Surface treatment device for nanoparticle, and method therefor |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009001469A (en) * | 2007-06-25 | 2009-01-08 | Ihi Corp | Apparatus and method for highly purifying graphite |
JP2017031051A (en) * | 2011-11-30 | 2017-02-09 | ノックス,マイケル,アール. | Single mode microwave device for producing exfoliated graphite |
JP2014182930A (en) * | 2013-03-19 | 2014-09-29 | Saida Fds Inc | Circulation tube and microwave device having the same |
KR20160137526A (en) | 2014-03-31 | 2016-11-30 | 고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠 | Carbon fiber manufacturing device and carbon fiber manufacturing method |
US10260173B2 (en) | 2014-03-31 | 2019-04-16 | Teijin Limited | Carbon fiber manufacturing device and carbon fiber manufacturing method |
JP2014194955A (en) * | 2014-06-20 | 2014-10-09 | Saida Fds Inc | Microwave device |
KR101914974B1 (en) * | 2017-05-25 | 2018-12-28 | 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 | Apparatus and Method manufacturing carbon fiber |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5029949B2 (en) | 2012-09-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5029949B2 (en) | Apparatus and method for producing highly functional carbon fiber | |
CN100336156C (en) | Plasma-assisted gas generation | |
CN106410136B (en) | A kind of layer structure molybdenum disulfide/carbon composite and the preparation method and application thereof | |
CZ306935B6 (en) | A device with atmosphere with a low-oxygen content for soldering aluminium products | |
JP2014522480A (en) | Renewable energy generation process using resonant nano-particle plasma, electromagnetic cavity resonator and acoustic resonator | |
US20080271778A1 (en) | Use of electromagnetic excitation or light-matter interactions to generate or exchange thermal, kinetic, electronic or photonic energy | |
JP5604516B2 (en) | Method for stabilizing carbon-containing fibers and method for producing carbon fibers | |
TWI384098B (en) | High module carbon fiber and fabricating method thereof | |
CN110073041B (en) | Apparatus for manufacturing carbon fiber using microwave | |
CN102510654A (en) | Atmospheric-pulse-modulated microwave plasma generation device | |
JP2007145674A (en) | Method for manufacturing fibrous carbon material | |
JPWO2015152019A1 (en) | Carbon fiber manufacturing apparatus and carbon fiber manufacturing method | |
US20150299861A1 (en) | Device for Synthesising Core-Shell Nanoparticles by Laser Pyrolysis and Associated Method | |
JP2008063169A (en) | Method for producing carbonized product and decomposed product | |
US20060081567A1 (en) | Plasma-assisted processing in a manufacturing line | |
JP2012041253A (en) | Aluminum nitride-based particle, method for producing the same, and apparatus for producing aluminum nitride-based particle | |
RU2648315C1 (en) | Method of producing thermally expanded graphite | |
CN115196621A (en) | Method and device for preparing graphene by catalyst-assisted microwave excitation metal discharge | |
CN101076221A (en) | Multiple radiation sources plasma generating and processing | |
JP2009001469A (en) | Apparatus and method for highly purifying graphite | |
CN109966913A (en) | A kind of microwave discharge plasma catalytic reforming greenhouse gases device and method | |
JP2009001890A (en) | Surface treatment device for nanoparticle, and method therefor | |
US20090212015A1 (en) | Plasma-Assisted Processing in a Manufacturing Line | |
US20150321919A1 (en) | System and method for producing carbon nanofibers via radio-frequency induction heating | |
CN209612932U (en) | A kind of single mold microwave multipurpose reaction unit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100311 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100311 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120123 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120315 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120601 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120614 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5029949 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150706 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |