JPH02227244A - 成形断熱材 - 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、高温熱処理時の断熱材や緩衝材等として好適
な成形断熱材に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとする課題］近年、真
空蒸着炉、半導体単結晶成長炉、セラミックス焼結炉や
Ｃ／Ｃコンポジット焼成炉等による高温熱処理が重要視
されている。この高温熱処理時には、断熱材に、耐熱性
、断熱性、機械的強度及び耐久性に優れ、高温で物性劣
化が生じないことが必要とされる。従って、炭素繊維を
出発原料とする断熱材の有用性が高まっている。

上記の点に鑑み、炭素繊維フェルトに炭化可能な樹脂を
含浸させ、含浸フェルトを積層圧縮しつつ所望の厚さと
嵩密度をもつ成形物とし、次いで成形物を成形断熱材と
する成形断熱材の製造方法が提案されている（特公昭５
０−３５９３０号公報参照）。

しかしながら、この方法では、嵩密度の同じ複数の炭素
繊維フェルトを積層するので、得られた成形断熱材の嵩
密度が一定であり、断熱効率が十分でない。

炭素繊維製フェルト等を素材とする成形断熱材の断熱性
は、一般に、断熱材の空隙部、すなわち熱伝導率の小さ
な空気層の割合及び繊維の方向性に依存する。

一方、嵩密度、温度と熱伝導率は、実験によると、第７
図のような関係にあることがわかった。

すなわち、中温度域で嵩密度の大きな断熱材と小さな断
熱材の熱伝導率が逆転しているのである。

従って、嵩密度が均一である従来の断熱材中の温度分布
は、嵩密度が小さい場合は、第４図中ａ１大きい場合は
第４図中すで示されるような曲線になる。それ故、高温
側から低温側に向って連続的に嵩密度が変り、各温度で
最も熱伝導率が小さい値を得るような断熱材を作製すれ
ば、第４図中Ｃで示されるように、断熱性能は最も優れ
、低温側の外表面の温度は、前記第４図のａ、ｂの場合
よりも低くなり、理想的な断熱性を示す。

しかし、そのような断熱材を作製することは工業的に極
めて困難である。

本発明の目的は、嵩密度の異なる断熱材を複数枚用いて
、理想に近い性能を有する断熱材を作製することにある
。

［発明の構成］ 本発明は、外部の雰囲気温度に拘らず優れた断熱性を確
保するには、外部の雰囲気温度に応じて断熱材の最適な
嵩密度が存在することに着目してなされたものである。

すなわち、本発明は、複数層の炭素繊維製フェルトが、
炭化物若しくは黒鉛化物で接合、又は黒鉛シートを介し
て、炭化物若しくは黒鉛化物で接合された成形断熱材で
あって、各層を形成する炭素繊維製フェルトの嵩密度が
、各層内で略一定であって、かつ接合面と直角な方向に
嵩密度が段階的に減少している成形断熱材により、上記
課題を解決するものである。

また本発明は、接合面と平行な少なくとも１つの外表面
に黒鉛シートを有する成形断熱材により、上記課題を解
決するものである。

なお、本明細書における用語の定義は次の通りである。

不融化とは、ピッチ系繊維を、酸素存在下、例えば２０
０〜４５０℃程度の温度で加熱して表面に耐熱層を形成
し、焼成時の溶融を防止する処理を言う。耐炎化処理と
は、ピッチ系繊維以外のフェノール樹脂繊維等の炭素含
有物質を、酸素存在下、例えば２００〜４５０℃程度の
温度で加熱して表面に耐熱層を形成し、焼成時の溶融を
防止する処理を言う。

炭化とは、フェノール樹脂等の炭素含有物質を、例えば
４５０〜１５００℃程度の温度で焼成処理することを言
う。黒鉛化とは、炭素含有物質を、例えば１５００〜３
０００℃程度の温度で焼成処理することを言い、結晶構
造が黒鉛化していないときでも黒鉛化の概念に含める。

本明細書では炭素繊維とは炭化又は黒鉛化された繊維を
言う。

本発明の成形断熱材を構成する炭素繊維製フェルトの炭
素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル、フェ
ノール樹脂、レーヨン等の高分子繊維を素材とする炭素
繊維や、石油ピッチ、石炭ピッチ、液晶ピッチ等のピッ
チ系炭素繊維が挙げられ、少なくとも一種使用される。

各繊維は、例えば繊維径５〜３０７７１等適宜のものが
使用できる。

炭素繊維製フェルトの厚みは、通常５〜２００−程度で
十分である。また積層数は、所望する成形断熱材の厚み
等に応じて適宜使用できる。

複数の炭素繊維製フェルトは、炭化物又は黒鉛化物で積
層一体化されている。従って、成形断熱材の機械的強度
も大きい。接合剤としての炭化物又は黒鉛化物は、例え
ば、接合面に塗布した樹脂を焼成することにより得るこ
とができる。樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、
フラン樹脂、キシレン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、
グアナミン樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹
脂、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、熱硬化性アク
リル樹脂、ポリイミドなどの熱硬化性樹脂が例示され、
一種または二種以上混合して使用される。上記樹脂のう
ち特にフェノール樹脂が好ましい。

成形断熱材は、第３図（Ａ）に示されるように、複数層
の炭素繊維製フェルト（ｌａ）（ｌｂ）（ｌｃ）が、炭
化物又は黒鉛化物（２ａ）（２ｂ）で接合されていても
よく、第３図（Ｂ）に示されるように、黒鉛シート（３
）を介して、黒鉛シート（３）と、炭素繊維製フェルト
（ｌａ）　（ｌｂ）　（ｌｃ）とが黒鉛シート（３）両
側の炭化物又は黒鉛化物（２ａ）　（２ｂ）で接合され
ていてもよい。また第３図（Ｃ）に示されるように、複
数層の炭素繊維製フェルト（ｌａ）　（ｌｂ）　（ｌｃ
）が、炭化物又は黒鉛化物（２ｂ）　（２ｂ）で接合さ
れていと共に、接合面と平行な少なくとも１つの外表面
に黒鉛シート（３）が炭化物は黒鉛化物（２ａ）で接合
されていてもよい。

なお、接合は、当該部に樹脂を塗布した後、各フェルト
を加圧・加温して一体化した後、焼成して炭化又は黒鉛
化したものでもよいし、各炭素繊維製フェルトに樹脂を
含浸し、ウェットな状態で各フェルトを加圧・加温して
一体化した後、焼成して形成された炭化物又は黒鉛化物
であってもよい。後者の場合、積極的に接合剤としての
樹脂の塗布は必要ではない。

そして、成形断熱材を構成する複数層の炭素繊維製フェ
ルト（ｌａ）　（ｌｂ）　（ｌｃ）の嵩密度ρ１、ρ２
、ρ３は、接合面と直角な方向に段階的に小さくなって
いる。すなわち、高温側では嵩密度の大きいものを使用
し、低温側では嵩密度の小さいものを使用するようにし
、その間は、段階的に高温側から低温側に向って、嵩密
度が段階的に小さくなるように配置して使用する。

従って、該断熱材は、低温域及び高温域の全ての温度場
において優れた断熱性を示す。複数の炭素繊維製フェル
トの嵩密度は、使用する温度に応じて適宜設定すること
ができるが、通常０．０１〜０．５ｇ／ｃｊ、好ましく
は０．１〜０．３５ｇ／ａＪ程度の嵩密度の範囲内で変
化している。嵩密度が０．Ｏ１ｇ／ａＪ未満であると低
温域での断熱性が十分でないだけでなく、強度も小さい
。また０、５ｇ／ａＪを越えると高温域での断熱性が十
分でない。また上記構成の成形断熱材は、嵩密度分布が
一定の断熱体よりも断熱性に優れるので、全体として厚
みを小さくすることができ経済的であると共に、成形断
熱材の熱容量も小さくすることができる。

成形断熱材の形状は、用途に応じて選択され、平板状や
、断面多角形、円筒状などであってもよく、断面中空状
であってもよい。

なお、複数層の炭素繊維製フェルトの嵩密度が、段階的
に減少していると、高温域及び低温域での断熱性を確保
することができる。すなわち、第１図に示すように、嵩
密度ρが０．１８ｇ／−の炭素繊維製フェルト（ｌａ）
で高温域における断熱性を、嵩密度ρが０．１０ｇ／ｃ
ｊの炭素繊維製フェルト（１ｂ）で低温域における断熱
性を確保できる。上記成形断熱材は、第２図中、実線で
示されるように、嵩密度ρの異なる炭素繊維製フェルト
が外部雰囲気温度Ｔで最も熱伝導率λが小さくなるよう
に積層一体化している。なお、第２図中、破線で示され
る低嵩密度の炭素繊維製フェルトや一点破線で示される
高嵩密度の炭素繊維製フェルトを単独で用いても高温域
及び低温域での断熱性が十分でない。

上記構造の成形断熱材は、嵩密度の異なる複数の炭素繊
維製フェルトに炭化又は黒鉛化可能な樹脂を含浸させて
積層し、加圧加熱した後、焼成することにより得ること
ができる。すなわち、工程図である第５図に示されるよ
うに、嵩密度の大きな炭素繊維製フェルトＡと、嵩密度
の小さな炭素繊維製フェルトＢとを用いる。嵩密度の大
きな炭素繊維製フェルトＡは、炭素繊維製フェルトに樹
脂を含浸させ、圧縮して焼成することにより得てもよい
が、この場合、嵩密度の大きな炭素繊維性フェルトの空
隙率が低下する。従って、含浸樹脂を用いることなく、
嵩密度の大きな炭素繊維製フェルトを次のようにして作
製するのが好ましい。

すなわち、不融化されたピッチ系繊維又は炭素繊維（以
下、特に断わりのない限り炭素繊維と総称する）と、耐
炎化処理をした又は耐炎化処理をしていないフェノール
樹脂繊維（以下、フェノール樹脂繊維という）とを混紡
し、機械的に接合圧縮した後、焼成することにより作製
できる。

以下に、樹脂を含浸させることなく、嵩密度の大きな炭
素繊維製フェルトを作製する方法を、具体的に説明する
。

先ず、炭素繊維とフェノール樹脂繊維とを混紡する。混
紡割合は、通常、炭素繊維／フェノール樹脂繊維−５／
９５〜９５１５、好ましくは１０／９０〜９０／１０、
更に好ましくは２５／７５〜７５／２５重量％程度であ
る。炭素繊維が５重量％未満であると、フェノール樹脂
繊維と混合して紡績用カードで紡出するとき、混紡の均
整度がばらつき、かつ炭素繊維が１毛してしまう虞があ
る。また炭素繊維が９５重量％を越えると嵩密度を高め
ることが困難である。上記範囲内で混紡割合を調整する
ことにより、炭素繊維製フェルトの嵩密度を容易に制御
できる。なお、炭素繊維単独で炭素繊維製フェルトを作
製すると、剪断強度が小さいため、機械的接合圧縮工程
で繊維の切断が生じ易く、繊維同士の絡み合いや嵩密度
を高めるので困難である。

次いで、混紡繊維をシート状にした混紡ウェブを形成し
た後、混紡ウェブをニードルパンチ等で機械的に接合圧
縮し、フェルトの嵩密度を大きくする。混紡ウェブは、
従来慣用の方法、例えば紡績用カードを用いる方法等に
より作製できる。混紡繊維の方向は一方向に揃っていて
もよく、方向性がなくてもよい。また上記機械的接合圧
縮手段としては、混紡ウェブを縫合するステッチ法等で
あってもよいが、ニードルパンチ法が好ましい。

なお、混紡して接合圧縮すると、厚みを薄くしても機械
的強度が著しく低下することがない。フェルトの圧縮度
、嵩密度は、接合箇所の密度や接合回数等を調整するこ
とにより容易に制御することができる。

そして、圧縮されたフェルトを焼成することにより高密
度炭素繊維製フェルトが得られる。

焼成工程での炭化及び黒鉛化は、通常、真空下又は不活
性雰囲気中で行なわれる。なお、炭素繊維として不融化
したピッチ系繊維を使用するとき、該ピッチ系繊維も炭
化乃至黒鉛化される。

次に、第５図に基づき、上記方法によって得られた高密
度炭素繊維製フェルトを用いて、本発明の嵩密度が段階
的に異なる成形断熱材を製造する方法について述べる。

高嵩密度炭素繊維製フェルトＡ及び嵩密度が小さな炭素
繊維製フェルトＢに溶剤で希釈したフェノール樹脂等の
熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱しながら加圧し、一体成
形する。この後、炭化又は黒鉛化することにより、第３
図（Ａ）のような嵩密度が厚み方向に異なる成形断熱材
を得る。この場合、炭素繊維製フェルトの代りに、混紡
によって得られた炭素繊維製フェルトのうち嵩密度の異
なるフェルトを用いてもよく、また高高密度炭素繊維製
フェルトと低嵩密度炭素繊維製フェルトのうちいずれか
１層を用い、他方を複数枚用いてもよく、またそれぞれ
複数枚ずつ組合せてもよい。

その他、第２の製造方法としては、次のような方法があ
る。第６図に示すように、炭素繊維製フェルトに前記樹
脂溶液を含浸させた後、加熱しながら、加圧し、所望の
嵩密度となるように圧縮し、嵩密度が略均−な成形体を
得る。得られた成形体から嵩密度の異なる炭素繊維製フ
ェルトを２つ以上、嵩密度が段階的に小さくなるように
積層し、再度加熱しながら、加圧し、複数のフェルトを
一体化する。この際、接合するフェルト面には、炭化又
は黒鉛化可能な炭素材質の接着剤が塗布される。

また断熱性能をより向上させるために、少なくとも１つ
の接合面に、焼成により炭化又は黒鉛化する樹脂を塗布
した黒鉛シートを配して積層、焼成し、第３図（Ｂ）に
示されるような成形断熱材を作製してもよい。さらには
、第３図（Ｃ）に示されるように、表面に黒鉛シートを
貼着した後、焼成してもよい。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の成形断熱材によれば、複数層の
炭素繊維製フェルトを炭化物又は黒鉛化物で接合し一体
化しており、かつ嵩密度が一端がら他端に向って減少し
ているので、高温側に高嵩密度のフェルトを配し、低温
側に低嵩密度のフェルトを配して使用することにより、
高温側では熱伝導率の低い高嵩密度のフェルトの性能を
、また低温側では熱伝導率の低い低重密度のフェルトの
性能を享受でき、優れた断熱性を示す。

さらに、黒鉛シートを接合面と平行な外表面に配した場
合は、断熱性能がより向上する。

［実施例］ 以下に、実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明す
る。

実施例１ 嵩密度の大きな炭素繊維製フェルトを次のようにして作
製した。すなわち、ピッチ系炭素繊維（単繊維直径１３
−１■ドナツク製）５０重量％と、耐炎化処理したフェ
ノール樹脂繊維（商品名カイノール、日本カイノール社
製）５０重量％とを混紡した。次いで、混紡ウェブを形
成し、二ドルパンチにより、嵩密度的０．１３ｇ／ｃｊ
のフェルトを作製した。そして、不活性雰囲気中、温度
９５０℃で焼成し炭化し、厚み約２０ｗｕｎ、嵩密度０
．１５ｇ／−の嵩密度の大きなシート状炭素繊維製フェ
ルトＡを作製した。

また嵩密度の小さな炭素繊維製フェルトとして、ピッチ
系炭素繊維（単繊維直径１３ｐ１■ドナツク製）を用い
、上記と同様にニードルバンチし、厚み２０Ｍ、嵩密度
的０．０５ｇ／−の嵩密度の小さなシート状炭素繊維製
フェルトＢを作製した。

嵩密度の大きな炭素繊維製フェルトＡと嵩密度の小さな
炭素繊維製フェルトＢに、レゾール型フェノール樹脂（
３０重量％メタノール溶液）を含浸率７０重量％でそれ
ぞれ含浸させた。次いで、上記各炭素繊維フェルトＡ、
Ｂを積層し、プレス機で加圧した状態で、１時間かけて
温度１７０℃に昇温し、同温度で２時間保つことにより
、上記フェノール樹脂を硬化させた。そして、プレス機
から積層成形体を取出し、窒素ガス雰囲気中、１℃／分
の速度で昇温し、温度１３００℃で３時間保持すること
により、焼成炭化して、厚み３１　ｍｍの目的とする層
状で、かつ嵩密度の異なる成形断熱材を得た。この成形
断熱材の厚み方向にスライスし、嵩密度分布を調べたと
ころ、一方の炭素繊維製フェルトは嵩密度０．２２ｇ／
ａＪ、他方の炭素繊維製フェルトは嵩密度０．０８ｇ／
−の範囲であった。このようにして得られた成形断熱材
は、高嵩密度側が高温側になるように配して使用するこ
とにより、優れた断熱性を発揮した。

実施例２ 実施外１の製造過程で得られた炭素繊維製フェルトＡ、
Ｂの積層体を真空中で、３℃／分の速度で昇温し、２０
００℃で３時間保持し、黒鉛化することにより、厚み約
３０Ｍの成形断熱材を得た。

そして、上記実施例１と同様にして成形断熱材の嵩密度
分布を調べたところ、一方の炭素繊維製フェルトは嵩密
度０．２１ｇ／ａＪ、他方の炭素繊維製フェルトは嵩密
度０．０８ｇ／−であった。このようにして得られた成
形断熱材は、高嵩密度側が高温側になるように配して使
用することにより、優れた断熱性を発揮した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例である成形断熱材を示す概略断面
図、 第２図は第１図に示す成形断熱材における外部温度Ｔと
熱伝導率λと断熱材の嵩密度ρとの関係を示す模式図、 第３図（Ａ）（Ｂ）　（Ｃ）はそれぞれ本発明の成形断
熱材の積層状態の一例を示す概略断面図、第４図は成形
断熱材の温度分布を示す概略図、第５図は本発明の成形
断熱材の製造方法の一例を示す工程図、 第６図は本発明の成形断熱材の製造方法の他の例を示す
工程図、 第７図は外部雰囲気温度Ｔと熱伝導率λと断熱材の嵩密
度ρとの関係を示す模式図である。 （ｌａ）　（ｌｂ）　（ｌｃ）　・＝炭素繊維製フェル
ト、（２ａ）　（２ｂ）・・・炭化物又は黒鉛化物、（
３）・・・黒鉛シート

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．　複数層の炭素繊維製フェルトが、炭化物若しくは
   黒鉛化物で接合、又は黒鉛シートを介して、炭化物若し
   くは黒鉛化物で接合された成形断熱材であって、各層を
   形成する炭素繊維製フェルトの嵩密度が、各層内で略一
   定であって、かつ接合面と直角な方向に嵩密度が段階的
   に減少していることを特徴とする成形断熱材。
2. ２．　接合面と平行な少なくとも１つの外表面に黒鉛シ
   ートを有する請求項１記載の成形断熱材。