JP5386125B2 - 炭素繊維の製造装置、および炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維の製造装置、および炭素繊維の製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、メンテナンス性とコンパクト性に優れた炭素繊維の製造装置、および前記製造装置を用いた炭素繊維の製造方法に関する。

炭素繊維は、軽量かつ高強度という材料特性によって、航空宇宙産業やスポーツ・レジャー産業分野で急速に利用が拡大されつつある。
従来、炭素繊維は、ポリアクリロニトリルの紡糸、耐炎化、炭素化処理などによって製造されてきたが、近年、化学気相成長法（ＣＶＤ）による炭素繊維の製造方法が、炭素繊維を安価に、かつ大量に生産することができる方法として開発された。
このＣＶＤ法による炭素繊維の製造には、流動層式製造装置が用いられる。すなわち、底部に金属製の多孔質分散板を設けた反応槽内に前記触媒を充填し、炭素含有ガスと流動用不活性ガスを供給することにより、該触媒と炭素含有ガスとを流動状態で接触させ、炭素含有ガスを熱分解して炭素繊維を生成するものである。
従来、流動状態を保ちながら炭素繊維を効率よく生成するために、様々な提案がなされてきた。しかしながら、前記分散板は短時間で目詰まりや劣化を起こすために、頻繁に反応槽を停止して、分散板の清掃や交換を行う必要があり、効率的ではなかった。特に、このような分散板の目詰まりや劣化は、炭素繊維の生成反応の触媒となる金属製の分散板において顕著であるため、金属製に代わる耐久性のある分散板材質の検討が行われている。
たとえば、石英焼結板を使用した分散板を有する反応器に触媒を充填し、反応器底部より炭素含有ガスを供給して、触媒を流動層化し、固体触媒と炭素含有ガスとを反応温度以上に加熱してカーボンナノチューブを製造する方法が提案されている（特許文献１）。

しかし、このような石英焼結板焼結板を使用しても、長期の使用により石英焼結板も閉塞しやすいことが知られている。また、このような装置の場合、分散板に目詰まりが起きると、反応器全体を一旦プラントから取り外すか、または反応器が大型の場合、作業者が内部に入る必要があり、メンテナンス作業が煩雑であるという問題もある。
加えて、産業的に利用するためにスケールアップする場合、石英焼結板は大型化が困難なため、どうしても金属材料を使用せざるを得ない。分散板に金属材料を用いると、上記の通り、分散板の目詰まりが顕著となるため、頻繁にメンテナンスを行うことが必要となる。

一方、分散板を設置することなく、流動層を炭素含有ガスと補助ガスとで流動させる製造装置も提案されている（特許文献２）。
しかし、この装置においては、流動層を維持するために、ガス流が多大となり、大型化には向かない。また、特許文献２記載の装置では、反応器に炭素含有ガスを供給する前に熱交換器で該ガスを予熱することも記載されているが、その結果、装置が長大化して、コンパクトではなくなってしまう。

特開２００８−５６５２３号公報 特表２００７−５１９５９２号公報

本発明は、上記の実情を鑑みてなされたものであって、炭素繊維の製造装置を、内筒を囲繞する外筒を用いて二重構造とし、内筒下部に分散板を設置し、外筒に予熱用の加熱器を設けることにより、分散板の目詰まりを低減すると共に、分散板が目詰まりした場合でも、容易にメンテナンスすることができ、かつ、予熱機構も一体化したコンパクトな炭素繊維の製造装置、および該製造装置を用いた炭素繊維の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねて本発明を完成させたものである。すなわち、本発明は、以下の通りである。
１．粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒と、該内筒を囲繞する外筒からなる二重構造の炭素繊維の製造装置であって、該外筒内に該炭素含有ガスを供給するための炭素含有ガス供給管と、該外筒に設けられた該炭素含有ガスを予熱するための加熱器と、該内筒底部に設けられた分散板と、該内筒から反応ガスを排出するための反応ガス排出管と、を具備することを特徴とする炭素繊維の製造装置。
２．外筒の内径に対する内筒の外径の比が０．５〜０．９８である上記１に記載の炭素繊維の製造装置。
３．外筒の長さに対する内筒の長さの比が０．４〜０．７である上記１または２に記載の炭素繊維の製造装置。
４．粒状触媒が金属触媒である上記１〜３のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
５．炭素含有ガス供給管が外筒下部に設けられた上記１〜４のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
６．炭素含有ガス供給管が外筒頂部に設けられた上記１〜５のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
７．内筒頂部の蓋を着脱可能にした上記１〜６のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
８．上記１〜７のいずれかに記載の製造装置を用いて、炭素含有ガスを外筒に供給して予熱した後、分散板を通して、粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒に供給して炭素繊維を生成させ、次いで、反応ガスを該内筒から系外に排出することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
９．炭素含有ガスの予熱温度が炭素含有ガスの分解温度未満であり、流動部の温度が、炭素含有ガスの分解温度以上である上記８に記載の炭素繊維の製造方法。
１０．炭素含有ガスの予熱温度と、流動部の温度を、炭素含有ガスの製造装置への供給速度で制御する上記９に記載の炭素繊維の製造方法。
１１．炭素含有ガスがエチレンであり、予熱温度が６００〜６３０℃である上記８〜１０のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。
１２．エチレンの外筒への供給速度が、予熱温度下で０．０３〜５ｍ／ｓである上記１１記載の炭素繊維の製造方法。

本発明は、炭素繊維の製造装置に設けられた分散板の目詰まりを低減すると共に、分散板が目詰まりした場合でも、容易にメンテナンスすることができて、安価に大量の炭素繊維を得ることができ、かつ、予熱機構も一体化したコンパクトな炭素繊維の製造装置、および該製造装置を用いた炭素繊維の製造方法を提供することができる。

本発明は、粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒と、該内筒を囲繞する外筒からなる二重構造の炭素繊維の製造装置であって、該外筒内に該炭素含有ガスを供給するための炭素含有ガス供給管と、該外筒に設けられた該炭素含有ガスを予熱するための加熱器と、該内筒底部に設けられた分散板と、該内筒から反応ガスを排出するための反応ガス排出管と、を具備する炭素繊維の製造装置である。
図１を用いて、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の炭素繊維の製造装置の一例を示している。
図１において、１は内筒、２は内筒１を囲繞する外筒、３は内筒１底部に設置された分散板、４は外筒２の外周部に設けられた加熱器、５、５’は炭素含有ガス供給管、６は反応ガス排出管（場合によっては不活性ガス供給管を兼ねる）、７は粒状触媒供給管、８は粉体抜出し管、９は不活性ガス供給管、１０は断熱材、そして１１は着脱可能とされた内筒１の蓋である。炭素含有ガス供給管５、５’は別途不活性ガス供給手段を設け、不活性ガス供給管９として併用してもよい。

本発明の炭素繊維の製造装置は、内筒１と、それを囲繞する外筒２を用いて二重構造としたもので、外筒２の内径ｒ₂に対する内筒１の外径ｒ₁の比は０．５〜０．９８程度が好ましい。
この比を前記範囲内とすることにより、本発明の製造装置を用いて炭素繊維を製造した場合、容積効率が高く、また、内筒と外筒が熱膨張した場合でも、両者が接触する可能性が低くなる。
前記の外筒２の長さｌ₂に対する内筒１の長さｌ₁の比は０．３〜０．７程度とするのが好ましい（なお、図１の製造装置の場合、外筒２の長さは、下部円錐終端部までとする）。
この比を前記範囲内とすることにより、外筒２での予熱部が確保されて、予熱効果を十分に発揮することができる。
なお、内筒１と外筒２は、頂部に設けられたフランジなどにより、自由に分離可能とされている。

外筒２の外周部には、加熱器４が設けられ、外筒２内における予熱効果を発揮するように、その長さ方向の距離ｌ₃を調整するが、特に炭素含有ガスを外筒２の下部の炭素含有ガス供給管５から供給する場合には、予熱部を確保するために、内筒１の底部に設けられた分散板３よりも下方に延伸して設ける。また、外筒２の頂部に炭素含有ガス供給管５’を設け、内筒１と外筒２の間隙部から炭素含有ガスを供給する場合でも、分散板３下に予熱部を設けることが好ましい。
なお、加熱器４の長さ方向の設置距離ｌ₃は、予熱部となる外筒２内の容積や、内筒１と外筒２の間隙部の容積、炭素含有ガスの種類、および該ガスの供給速度などによって変化するので、予め、実験を行って決定しておくことが好ましい。

炭素繊維の製造装置の頂部には、内筒１の蓋１１が着脱自在に設けられている。
また、図1では、内筒１のほぼ中央部を、反応物である炭素繊維と粒状触媒を含む粉体を取出すために、鉛直方向に粉体抜出し管８が設けられている。この粉体抜出し管８は、上下動可能とされ、把持手段(図示せず)により、該抜出し管８の入口の位置決めを行うことにより、反応物の抜出し量を任意に決めることができる。たとえば、反応物全量を抜出してもよいし、次回の運転における流動部を生成しやすくするために、反応物の１０〜４０質量％程度は内筒１内に残し、残部を取出せるような位置に粉体抜出し管８の入口を設定してもよい。このような粉体抜出し管８を設け、かつ、製造装置底部の不活性ガス供給管９から不活性ガスを内筒１内に供給することにより、反応物を取出すことができる。

炭素繊維の製造装置に用いられる内筒１および外筒２に使用する材質としては、二重構造としたことにより、外筒２には、主に気密性と耐熱強度を考慮した材料を使用すればよく、一方、内筒１としては、主に耐熱性と耐食性を考慮した材料を使用すればよい。たとえば、窒化ホウ素、炭化珪素および窒化珪素などのセラミック、ステンレス鋼（ＳＵＳ−３０４、３１６、３１０、４３０など）、ステライト（登録商標）などのクロム／タングステン合金、およびセラミックコーティング材料などを用いることができる。これらの中では、加工性、耐食性などの点からステンレス鋼が好ましい。粉体抜出し管８についても、同様の材料を使用することができる。
なお、Ｎｉは形状の異なる炭素繊維を生成させるために、使用を避けた方が好ましいが、どうしてもＮｉ系材料を使用せざるを得ない場合には、炭素含有ガスと接する面を研磨しておくことが好ましい。研磨することにより、表面粗さが低減し、Ｎｉからの炭素繊維の生成を低減することができるためである。
前記のとおり、炭素繊維の製造装置として二重構造を採用したことにより、外筒で気密性、および耐熱強度を確保できるため、内筒の材質、構造などのバリエーションが増える。
加熱器４は、外筒２の外周部や内周部に設けられ、電気炉、電熱コイル、赤外ヒーターなど、従来の加熱手段を採用することができる。
分散板３としては、ステンレス鋼などの金属製のものが使用できるが、その他、石英製のものももちろん使用可能である。
断熱材１０も特に限定されず、通常使用されるものを使用することができる。

炭素含有ガス供給管５または５’から供給される炭素含有ガスとしては、炭素繊維生成反応条件下で気体である炭化水素類が使用できる。このような炭化水素類として、たとえば、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、イソプロピレン、ｎ−ブタン、ブタジエン、ブテン、ペンタン、ペンテン、ｎ−ヘキサン、ｎ−オクタン、イソオクタン、ｎ−ノナン、ｎ−デカン、またはこれらの混合物を挙げることができる。これらのうち、特にエチレンが比較的熱分解温度が低いと言う理由で好ましい。

なお、炭素含有ガスは、窒素、アルゴン、水素、ヘリウムなどの不活性ガスとの混合物を用いることができる。このような炭素含有ガスと不活性ガスとの併用は、炭素の濃度をコントロールすることができること、および、キャリアガスとしての効果があることから、好ましい。

本発明の炭素繊維の製造装置の触媒供給管７から内筒１に供給されて、流動部で流動して炭素含有ガスと接触し、炭素の分解反応を起こす粒状触媒としては、気相法炭素繊維の生成を促進するものであれば、特に制約はない。一般的にはＦｅ、Ｃｏ、およびＮｉなどの遷移金属元素を含むことが好ましく、Ｆｅ元素を含有することがより好ましい。さらに、担体に上記金属を担持した担持触媒であることが好ましい。また、他の遷移金属元素を助触媒として含有していても良い。このような助触媒元素としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉなどが好ましく、ＭｏとＶ、ＭｏとＣｒ、ＷとＶ、ＷとＣｒなど、２種以上の組み合わせがさらに好ましい。
これらの触媒は、その前駆体粒子や、金属、合金粒子として使用することも可能であるが、担体に担持するのが好ましい。触媒担体としては、公知のあらゆる化合物が使用可能であるが、反応条件下で安定な無機物が好ましい。このような好ましい無機担体としては、アルミナ、シリカ、アルミナシリケート、ゼオライト、珪藻土、チタニア、シリカチタニア、マグネシア、スピネルなどが挙げられる。
担体の触媒金属の担持量は、通常０．１〜４０質量％程度とする。担持方法も特に制限がなく、従来の含浸法やイオン交換法などを採用することができる。
触媒粒子または担持触媒粒子は反応条件下で、流動状態とするため、その粒子径は１〜１０００μｍが好ましく、１０〜５００μｍがより好ましい。触媒粒子および担持触媒粒子の粒子径は、触媒調整条件や触媒調整に使用する触媒前駆体化合物や触媒担体を適切に調整することで、好ましい範囲に調整することも可能であるが、触媒調製後に、粉砕、解砕、分級処理をすることで、所望の粒度範囲に調整するのが特に好ましい。
このような粒状触媒の炭素含有ガスに対する仕込み量は、通常３００〜２０００ＮＬ／（ｍｉｎ・kｇ）程度とする。仕込み量が３００ＮＬ／（ｍｉｎ・ｋｇ）未満となると、反応に長時間を要することから生産性が悪化する。２０００ＮＬ／（ｍｉｎ・ｋｇ）を超えると、炭素繊維生成反応が早期に終了するものの、反応に寄与しない炭素含有ガスの比率が多くなり経済的ではない。
流動部の流動性改善と、粒状触媒の局所的発熱防止のために、前記触媒に加えて流動助材を添加することができる。そのような流動助材として、マグネシアやアルミナ、チタニア、および製造された炭素繊維などが挙げられる。

図１を用いて、本発明の炭素繊維の製造装置を説明したが、本発明では、前記説明に限定されず、たとえば、炭素含有ガス供給管５を外筒下部に設ける代わりに、またはそれに加えて、頂部に炭素含有ガス供給管５’を設け、そこから炭素含有ガスを供給することにより、内筒１と外筒２の間隙部で炭素含有ガスを予熱することができ、本製造装置を一層コンパクト化することが可能となる。
また、図１では、内筒１の形状を、下方のみ、内筒１の断面積が下方に向かって減少するようなテーパ状としたが、それに限らず、内筒１の断面積が下方に向かって連続的、若しくは断続的に減少するような形状としてもよいし、さらに、内筒１上部だけを、下部に比べて断面積を大きくしたような漏斗状にしてもよい。要するに、内筒１内部に流動部が生成し、かつその底部に分散板を取り付けることができれば、任意の形状を採用することができる。
粒状触媒の供給方法も、反応に先立ち、あらかじめ内筒１に充填しておいてもよいし、炭素含有ガスの供給と同時に、粒状触媒の供給を開始してもよい。

本発明は、また、前記の製造装置を用いて、炭素含有ガスを外筒２に供給して予熱した後、分散板３を通して、粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒１に供給して、炭素繊維を生成させ、次いで、反応ガスを該内筒から系外に排出する炭素繊維の製造方法である。
図１記載の製造装置を用いて、炭素繊維を製造する方法を具体的に説明する。先ず、不活性ガスなどを不活性ガス供給管９から供給しながら、前記製造装置を予熱温度に達するまで加熱器４で加熱し、その後、炭素含有ガス供給管５から炭素含有ガスを外筒２内に供給して、加熱器４が外周部を取り巻いた外筒２下部に生成される予熱部で予熱する。予熱温度は、炭素含有ガスが前記粒状触媒と接触して分解反応を起こし、炭素繊維が生成する温度未満とする。次いで、予熱された炭素含有ガスを、分散板３を通して内筒１内に供給する。内筒１内では、前記炭素含有ガスが、触媒供給管７から投入された触媒を流動化して流動部を生成し、かつ、粒状触媒と炭素の接触による発熱を伴う熱分解反応によって炭素繊維が生成する温度以上に加熱される。その結果、炭素含有ガスから炭素繊維が粒状触媒上に生成する。反応を終えた反応ガスは、反応ガス排出管６から系外に排出する。
所定時間経過後、粉体抜出し管８を開け、反応ガス排出管６を閉じて、生成した炭素繊維を粉体抜出し管８から排出し、バグフィルター、サイクロン、遠心分離機、またはセラミックフィルターなどにより、ガスと粉体とを分離、回収する。または炭素含有ガスに替えて、不活性ガス供給管９から、前記分解反応に影響を与えない窒素ガスなどの不活性ガスを供給して、生成した炭素繊維を粉体抜出し管８から排出しても良い。

炭素繊維の排出が終了すると、分散板が目詰まりしていなければ、再び、前記の工程を繰り返し、分散板の目詰まりが認められる場合には、分散板のメンテナンスまたは交換を行う。
分散板の目詰まりは、分散板の圧損を測定するか、または、一旦反応物を全量抜き出して、直接肉眼で観察することにより把握することができる。
メンテナンスは、図１に示した製造装置の場合、内筒１頂部の着脱可能とされた蓋１１を開け、内筒１のみを取り出して分散板の清掃や取替を行う。メンテナンス終了後は元通りに内筒１を収納し、蓋を取り付け、再度運転を開始する。
このように、製造装置全体を分解・解体する必要がないので、極めてメンテナンス性に優れる。

上記説明において、炭素含有ガスの予熱温度と流動部の温度は、使用する炭素原料などによって異なる。従って、使用する炭素原料に応じて決定すればよいが、たとえば、炭素原料としてエチレンガスを用いた場合、予熱温度は６００〜６３０℃とすることが望ましい。この温度範囲内では、エチレンの熱分解が顕著ではなく、炭化物がほとんど生成しないので、分散板の閉塞を起こす可能性が低減される。また、その後、エチレンガスが内筒１の流動部に供給されて粒状触媒と接触すると、発熱反応を起こし、エチレンの分解温度以上に容易に達して、炭素繊維が生成するようになる。
この場合、炭素含有ガスの外筒２内への供給速度を調整することも重要であり、エチレンガスの場合、前記の予熱温度と流動部の温度を実現するためには、外筒２への炭素含有ガスの予熱温度下での供給速度を０．０３〜５ｍ／ｓ程度とすることが望ましい。また、内筒１内のガスの線速度は、使用する粒状触媒とその担体などにもよるが、通常、０．０５ｍ／ｓ以上、好ましくは０．１０ｍ／ｓ以上とすることにより、容易に流動部が形成される。
これらの条件は、使用する炭素含有ガスが決まれば、実験により求めることができる。

上記において、生成した炭素繊維の取出しは、炭素含有ガス供給管５、５’からの炭素含有ガス、または不活性ガス供給管９から不活性ガスを供給して、粉体抜出し管８を通して行う旨説明したが、不活性ガス供給管９に替えて、反応ガス排出管６に別途不活性ガス供給手段を設け、そこから不活性ガスを供給し、粉体抜出し管８を通して、反応物の取出しを行うこともできる。
また、本発明の製造方法においては、取出しは粉体抜出し管８を通して行う方法に限定されず、たとえば製造装置の内筒１の頂部に設けられた着脱可能とされた蓋１１を開け、手動で反応物を取り出してもよい。なお、このような反応物の取出しは、バッチ運転毎に行ってもよい。さらに、反応物を反応中に連続的に回収することも可能である。この場合には、炭素含有ガスと粒状触媒を一定の供給速度で、連続的に製造装置に供給するとともに、反応ガス排出管６と粉体抜出し管８の開度を調節し、炭素繊維とを連続的に回収する。
ただし、バッチ式の方が滞留時間(反応時間)を一定にすることができて、炭素繊維の品質を一定に保つことができるので、好ましい。
なお、この場合には、未反応炭素含有ガスが同伴して系外に排出される可能性があるので、反応ガス回収後に未反応ガスと炭素繊維を、バグフィルターや遠心分離機などの気固分離手段を用いて分離し、未反応原料ガスを再度原料ガスとして製造装置に供給しても良い。

以上に詳細に説明したように、本発明では、炭素繊維の製造装置として二重構造を採用したことにより、外筒２で気密性、および耐熱強度を確保できるため、内筒１の材質、構造などのバリエーションが増える。
また、炭素含有ガスの分解は、内筒１に供給された後、流動部で起こるので、分散板３周辺は、炭素含有ガスの分解温度未満に維持される。そのため、金属性の分散板３を使用しても、分散板３面での目詰まりは起こりにくく、その分、清掃などのメンテナンスを行う頻度が低減され、炭素繊維の製造時間を長く設定することができる。しかも、分散板３が目詰まりを生じた場合でも、内筒１のみを抜出して清掃や取替などのメンテナンスを行うことができ、従来の製造装置全体を分解することに比較すると、はるかにメンテナンス性が向上する。
加えて、反応器下部または内筒・外筒の間隙部から炭素含有ガスを供給して予熱するようにしたことにより、装置のコンパクト化が図れるなど、多くの優れた点を有する。
得られた炭素繊維は高品質であり、航空宇宙産業やスポーツ・レジャー産業用の素材として利用することができる。

次に、本発明を実施例、比較例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
（担持触媒の調製）
硝酸鉄(III)九水和物（和光純薬社製）１．８質量部をメタノール１．５質量部に溶解した。次いで、メタバナジン酸アンモニウム（関東化学社製）０．０５質量部、七モリブデン酸アンモニウム（和光純薬工業社製）０．０７５質量部を溶解し触媒調製液を得た。市販のガンマアルミナ（住友化学社製ＡＫＰ−Ｇ０１５）１質量部に触媒調製液を滴下混練し、ペースト状の混合物を得た。ペースト状の混合物は１００℃の真空乾燥機で４時間乾燥させた後、乳鉢で粉砕後４５μｍ〜２５０μｍに分級し触媒を調製した。

実施例１
図１に示した製造装置を用い、下記のようにして気相法炭素繊維を製造した。
まず、製造装置として、上部外径が１９２ｍｍ、上部内径が１９０ｍｍ、および底部内径が１２８ｍｍ、底部外径が１３０ｍｍで、底部に開孔径１．０ｍｍφ、開孔率０．５％、厚み１ｍｍのＳＵＳ４３０分散板を固定したステンレス製内筒（長さ１４４０ｍｍ）と、上部内径が２００ｍｍで、底部がテーパ状になったＳＵＳ３０４ステンレス製外筒（長さ２８８０ｍｍ）との二重構造の製造装置を用いた（外筒の内径に対する内筒の外径の比は０．９６、外筒の長さに対する内筒の長さの比は０．５）。加熱器４は長さ１７８０ｍｍとし、加熱器４外周部を，アルミ箔を貼付した断熱材１０で覆った。
先ず、加熱器４で内筒１の内部（分散板上２５０ｍｍのところ）の温度を６００〜６２０℃に加熱し、その後、内筒１に窒素ガスを同伴させて、前記粒状触媒５０ｇと、予め生成した炭素繊維２５０ｇを分散板上に仕込み、次いで、外筒２の原料ガス供給管５からエチレン３０ＮＬ／ｍｉｎ及び水素３０ＮＬ／ｍｉｎの混合ガスを供給し、粒状触媒固体触媒粒子とエチレンを接触させることで炭素繊維を生成した。
外筒２内の予熱部の温度は６２０℃で、炭素含有ガスの供給後１５分における内筒１内の流動部における温度は６５０〜６７０℃であった。また、６２０℃での予熱部の線速度は０．１０４ｍ／ｓ、内筒１下部の線速度は０．２６５ｍ／ｓ、および内筒１上部の線速度は０．１１５ｍ／ｓであった。反応時間は６０分とした。反応時間終了後、不活性ガス供給管９から窒素ガスを供給し、粉体抜出し管８を開け、反応ガス排出管６を閉じてガス流路を切り替えた後、内筒１に存在する炭素繊維が全量排出されるような位置に入口を固定した粉体抜出し管８から、前記触媒と炭素繊維をバグフィルターに回収した。バグフィルターから排出された反応ガスは焼却処理した。
バッチ処理所要時間は、粒状触媒投入５分、反応時間６０分、および抜き出し３０分、合計９５分であった。回収された炭素繊維は１６５０ｇであった。
この操作を５０バッチ繰返したところ、分散板上下の圧力差が徐々に上昇するとともに、炭素繊維の回収量が低下した。そこで温度を下げ、蓋１１を開けて、ステンレス製分散板３の状態を観察したところ、全面積の半分程度の目詰まりが観察されたので、内筒１を取り出し、分散板３を交換した。分散板交換の所要時間は２時間であった。

本発明の炭素繊維の製造装置、および炭素繊維の製造方法によれば、分散板の目詰まりの低減化と炭素含有原料ガスの予熱を行うことで、高品質の炭素繊維を効率よく生産することができ、こうして得られた炭素繊維は、航空宇宙産業やスポーツ・レジャー産業用の素材として利用することができる。

本発明の炭素繊維の製造装置の一態様を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 内筒
２ 外筒
３ 分散板
４ 加熱器
５、５’ 炭素含有ガス供給管
６ 反応ガス排出管（不活性ガス供給管）
７ 触媒供給管
８ 粉体抜出し管
９ 不活性ガス供給管
１０ 断熱材
１１ 蓋

Claims (12)

1. 粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒と、該炭素含有ガスを予熱する予熱部を有しており該内筒を囲繞する外筒とからなる二重構造の炭素繊維の製造装置であって、該外筒内に該炭素含有ガスを供給するための炭素含有ガス供給管と、該外筒に設けられた該炭素含有ガスを予熱するための加熱器と、該内筒底部に設けられた分散板と、該内筒から反応ガスを排出するための反応ガス排出管と、を具備し、
   該加熱器が、該予熱部を該炭素含有ガスと該粒状触媒とが接触して分解反応を起こして炭素繊維が生成される分解温度未満に加熱し、
   該流動部の温度が該分解温度以上である炭素繊維の製造装置。
2. 外筒の内径に対する内筒の外径の比が０．５〜０．９８である請求項１に記載の炭素繊維の製造装置。
3. 外筒の長さに対する内筒の長さの比が０．４〜０．７である請求項１または２に記載の炭素繊維の製造装置。
4. 粒状触媒が金属触媒である請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
5. 炭素含有ガス供給管が外筒下部に設けられた請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
6. 炭素含有ガス供給管が外筒頂部に設けられた請求項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
7. 内筒頂部の蓋を着脱可能にした請求項１〜６のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の製造装置を用いて、炭素含有ガスを外筒に供給して予熱した後、分散板を通して、粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒に供給して炭素繊維を生成させ、次いで、反応ガスを該内筒から系外に排出することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
9. 炭素含有ガスの予熱温度が炭素含有ガスの分解温度未満であり、流動部の温度が、炭素含有ガスの分解温度以上である請求項８に記載の炭素繊維の製造方法。
10. 炭素含有ガスの予熱温度と、流動部の温度を、炭素含有ガスの製造装置への供給速度で制御する請求項９に記載の炭素繊維の製造方法。
11. 炭素含有ガスがエチレンであり、予熱温度が６００〜６３０℃である請求項８〜１０のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。
12. エチレンの外筒への供給速度が、予熱温度下で０．０３〜５ｍ／ｓである請求項１１記載の炭素繊維の製造方法。

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