JPH11247030A - コイル状炭素繊維の気相製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コイル状炭素繊維を効率良く得ることができ
るとともに、その収率を向上させることができるコイル
状炭素繊維の気相製造方法を提供する。 【解決手段】 コイル状炭素繊維の気相製造方法におい
て、反応容器１２内の加熱は、ガス燃焼ボイラーにより
発生した高温熱風ガスを熱風循環用の配管２４を循環さ
せることにより行われ、反応容器１２の外部から電磁場
が形成されないようになっている。基板１５には、直流
電源１７が接続線１６を介して接続されている。そし
て、直流電源１７の電源スイッチ１８をオンにすること
により、基板１５に直流電圧を印加するとともに、マイ
ナスイオンの電場を形成する。その結果、電磁場が形成
されない雰囲気下で、アセチレンの熱分解により生じた
反応種を基板１５に効率良く誘導することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電磁波吸収材、
マイクロセンサー、マイクロメカニカル素子等の材料と
して使用されるコイル状炭素繊維の気相製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のコイル状炭素繊維の製造方法は、
まず、円管状をなす反応容器内の所定位置に、表面に金
属触媒が塗布されたコイル状炭素繊維の成長の場として
の基材を配置し、両端に形成された開口部をシール部材
により閉塞する。次いで、反応容器の周面に形成された
流入口から原料ガス及び触媒ガスを反応容器内に流入さ
せるとともに、反応容器内を不活性ガス雰囲気とする。
そして、反応容器の外面に、ほぼ全体を覆うように取り
付けられた電熱加熱器等により、反応容器内を直接的に
加熱して所定の温度にまで上昇させる。その結果、原料
ガスが加熱分解され、基材上から炭素繊維がコイル状に
成長する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のコイ
ル状炭素繊維の製造方法において、反応容器内の加熱
は、その外周面に取り付けられたコイル状、棒状等をな
す電熱線を有する電熱加熱器により直接的に行われてい
た。そして、反応容器内を加熱する際、電熱線に電流が
流れるとともに、反応容器の内部に電磁場が形成されて
いた。その結果、反応容器内に流入された原料ガスや金
属触媒が、電磁場と相互作用し、炭素繊維が直線状に成
長したり、炭素繊維が成長せずに炭素粉末、堅い炭素固
体、炭素層等が析出したりする。そのため、コイル状に
形成された炭素繊維を効率的に得ることができず、しか
も収率が低下するという問題があった。

【０００４】また、電磁場雰囲気下では、コイル状炭素
繊維は、その断面形状が扁平状に成長するため、その引
張り強度等の強度が低下するという問題もあった。加え
て、得られるコイル状炭素繊維のコイル径が大きく、コ
イルの長さが短いという問題があった。

【０００５】この発明は、このような従来技術に存在す
る問題に着目してなされたものである。その目的とする
ところは、コイル状炭素繊維を効率良く得ることができ
るとともに、その収率を向上させることができるコイル
状炭素繊維の気相製造方法を提供することにある。その
他の目的は、コイル状炭素繊維の強度を向上させること
ができるとともに、コイル径を小さく、かつコイルの長
さを長くできるコイル状炭素繊維の気相製造方法を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載のコイル状炭素繊維の気相製造方
法は、加熱手段を設けた反応容器に、熱分解して炭素を
生成する原料ガス及び触媒ガスを流通させるための流入
口及び流出口を備えるとともに、触媒を担持した基材を
反応容器内に配設し、熱分解して炭素を生成する原料ガ
ス及び触媒ガスを前記流入口から反応容器内に流入さ
せ、電磁場を反応容器の外部より実質的に印加しない雰
囲気下で、触媒ガスの存在下に原料ガスを前記加熱手段
により７００〜８３０℃の温度で加熱分解して、前記基
材上にコイル状炭素繊維を成長させるものである。

【０００７】請求項２に記載のコイル状炭素繊維の気相
製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記加熱
手段は、バーナー加熱、高温熱風加熱又は高温熱媒加熱
によるものである。

【０００８】請求項３に記載のコイル状炭素繊維の気相
製造方法は、請求項１又は請求項２に記載の発明におい
て、前記基材に電圧を印加して電場を形成するものであ
る。請求項４に記載のコイル状炭素繊維の気相製造方法
は、請求項３に記載の発明において、前記電場は直流電
圧を印加して形成されるマイナスイオンの電場である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て詳細に説明する。 （第１実施形態）まず、コイル状炭素繊維の製造装置１
１について説明する。

【００１０】図１に示すように、反応容器１２は、円筒
状をなす横型熱化学気相合成装置で、石英、アルミナ、
セラミック、金属製反応管の内面をセラミックスライニ
ングしたもの、ニッケル、タングステン及びチタンの耐
熱金属等の材料により形成されている。これらのなかで
も触媒活性、直線状炭素繊維や炭素粉末生成等のコイル
生成反応以外の副反応の抑制の点から透明又は不透明な
石英が好ましい。

【００１１】反応容器１２の内径は、３０〜１５０ｍｍ
の範囲内に設定されるのが好ましく、原料ガス及び触媒
ガスを効率良く流通させるために、３０〜６０ｍｍの範
囲内に設定されるのがさらに好ましい。なお、第１実施
形態では、反応容器１２の内径を６０ｍｍ、全長を１０
００ｍｍに設定した。開口部１３は反応容器１２の両端
に形成され、所定温度の耐熱性を有する材質により形成
された第１シール部材１４により閉塞されている。

【００１２】コイル状炭素繊維が成長する場所としての
基材を構成する基板１５は、グラファイト又はニッケル
の焼結体により四角板状に形成されている。この基板１
５の表面には、金属粉末よりなる触媒が塗布されること
により担持されている。接続線１６は基板１５の両端に
接続され、両接続線１６が第１シール部材１４に貫通支
持されることにより、基板１５は反応容器１２内の空中
に支持されている。一方の接続線１６は反応容器１２内
の基板１５に直流電圧を印加するための直流電源１７に
接続され、他方の接続線１６は解放された状態になって
いる。

【００１３】このとき、直流電源１７のマイナス端子１
７ａは、接続線１６を介して基板１５に接続されるとと
もに、プラス端子１７ｂは反応容器１２に接続されてい
る。電源スイッチ１８は、直流電源１７のプラス端子１
７ｂと反応容器１２の間に接続されている。直流電源１
７の電圧は、コイル状炭素繊維の収率を向上させるため
に１０〜３０００Ｖの範囲内に設定されるのが好まし
く、１００〜１０００Ｖの範囲内に設定されるのがさら
に好ましく、１００〜７５０Ｖの範囲内に設定されるの
が特に好ましい。そして、電源スイッチ１８をオンにす
ると、反応容器１２内の基板１５には、直流のマイナス
電圧が印加されてマイナスイオンの電場が形成される。

【００１４】前記金属触媒は、遷移金属あるいはその酸
化物、炭化物、硫化物、リン化物、炭酸化物及び炭硫化
物から選択される少なくとも一種の化合物であり、好ま
しくは、ニッケル、チタン、タングステン等の金属又は
それらの酸素との固溶体、酸化物、炭化物、硫化物、リ
ン化物、炭酸化物又は炭硫化物である。その中でも、金
属触媒の結晶面での異方性の点からニッケルがさらに好
ましい。金属触媒の形態は、粉末、金属板、粉末の焼結
板のいずれでも良く、好ましくは平均粒径が５μｍ程度
の微粉末又は焼結板である。

【００１５】また、コイル状炭素繊維のコイル径、コイ
ルピッチ及びコイル長さは、金属触媒の各結晶面での異
方性や粒径に依存している。そのため、水素ガス等によ
り結晶面での触媒活性の異方性が変化すると、コイル
径、コイルピッチ及びコイル長さも変化する。例えば、
金属触媒の粒径が小さくなるとコイル径は小さくなる。
微粉末金属触媒の場合は、基板１５上へ散布又は塗布し
ても良い。これらの金属触媒は、あらかじめ固溶体或い
は化合物となったもののほか、金属粉末或いは板材を反
応前に所定条件で酸化、炭化、リン化、炭酸化及び炭硫
化処理して得られたものでも使用される。

【００１６】円筒状をなす流入口１９は、反応容器１２
の中央周面に接合されている。そして、反応時には、原
料ガス、触媒ガスが流入され、さらに必要に応じて反応
系に有害な影響が加えられるのを防止するために、流入
口１９を流通するガス量に対して２０〜３０容量％のシ
ールガスが流入される。流入口１９の内径は、流入口１
９を流通する原料ガス、触媒ガス及び必要に応じて流入
されるシールガスの流量や流速を所定範囲に保持するた
めに、５〜５０ｍｍの範囲内に設定されるのが好まし
く、５〜２０ｍｍの範囲内に設定されるのがさらに好ま
しい。なお、第１実施形態では、流入口１９の内径を１
０ｍｍに設定した。

【００１７】また、原料ガス、触媒ガス及び必要に応じ
て流入されるシールガスの流量を流入口１９を１分間に
流れる原料ガス、触媒ガス及び必要に応じて流入される
シールガスの量を示す線速度で示した場合、コイル状炭
素繊維の収率を向上させるために、室温、１気圧の条件
下で線速度１００〜３０００ｃｍ／ｍｉｎの範囲内に設
定されるのが好ましい。そして、２００〜１５００ｃｍ
／ｍｉｎの範囲内に設定されるのがさらに好ましく、４
００〜１３００ｃｍ／ｍｉｎの範囲内に設定されるのが
特に好ましい。

【００１８】流入口１９と対向する基板１５との距離
は、コイル状炭素繊維の収率を向上させるために、所定
範囲内に保たれるように設定され、１〜１００ｍｍの範
囲内に設定されるのが好ましい。この距離は、１０〜２
５ｍｍの範囲内に設定されるのがさらに好ましい。流入
口１９と対向する基板１５との距離が短いほど、コイル
状炭素繊維の収率を向上させることができる。しかし、
流入口１９と基板１５との距離が１ｍｍ未満又は１００
ｍｍを越えると、コイル状炭素繊維を全く得ることがで
きず、炭素粉末又は直線状の炭素繊維のみが析出するよ
うになる。

【００１９】さらに、室温、１気圧の条件下で流入口１
９を１分間に流れる原料ガス、触媒ガス及び必要に応じ
て流入されるシールガスの量を示す線速度は、流入口１
９と対向する基板１５との距離と密接な関係を有し、室
温、１気圧の条件下で線速度が４００〜８００ｃｍ／ｍ
ｉｎのときは、流入口１９と対向する基板１５との距離
が１〜２０ｍｍに設定される。さらに、８００〜１２０
０ｃｍ／ｍｉｎのときは、５〜４０ｍｍに、１２００〜
１５００ｃｍ／ｍｉｎのときは、１０〜１００ｍｍに設
定される。

【００２０】つまり、流入口１９と対向する基板１５と
の距離は、コイル状炭素繊維の収率を向上させるため
に、室温、１気圧の条件下で原料ガスの線速度の０．０
００１〜０．１倍の範囲内に設定される。そして、０．
０００５〜０．０１倍の範囲内に設定されるのが好まし
く、０．００２〜０．１倍の範囲内に設定されるのが特
に好ましい。

【００２１】前記原料ガスは、熱分解して炭素を生成す
るアセチレン、メタン、プロパン等の炭素元素を含むガ
ス又は一酸化炭素ガスが使用される。炭素繊維をコイル
状に形成するために各結晶面での触媒活性の異方性から
アセチレンが好ましい。触媒ガスは、周期律表の第１５
族及び第１６族元素を含むガスで、硫黄、チオフェン、
メチルメルカプタン、硫化水素等の硫黄原子を含む化合
物又は、リン、３塩化リン等のリン原子を含む化合物が
使用される。これらのうち、コイル状炭素繊維の収率を
向上させることができるという点から、好ましくはチオ
フェン又は硫化水素である。

【００２２】反応雰囲気中における触媒ガスの濃度は、
好ましくは０．０１〜５容量％の範囲内で、さらに好ま
しくは０．１〜０．５容量％の範囲内である。前記濃度
が０．０１容量％未満又は５容量％を越えると、コイル
状炭素繊維を成長させることが困難になる。

【００２３】円筒状をなす一対の注入口２０は、反応容
器１２の両端部の周面に接合され、シールガスを反応容
器１２内に注入させるようになっている。前記シールガ
スは窒素ガス、ヘリウムガス等の化学的に不活性で、系
の物質と反応しない不活性ガス又は水素ガスが使用され
る。シールガスが反応容器１２内に注入されると、酸素
ガス等により余分な、あるいは有害な影響が反応系に加
えられるのを防止できるようになっている。

【００２４】円筒状をなす流出口２１は、反応容器１２
の中央周面に前記流入口１９と１８０度反対側に接合さ
れている。排気管２２は、耐熱性を有する材質により形
成された第２シール部材２３が嵌挿された状態で、流出
口２１内に装着されている。そして、反応容器１２内を
流通した原料ガス、触媒ガス、シールガス及び分解反応
により生成した廃ガスを排気管２２を介して反応容器１
２外へ流出するようになっている。

【００２５】加熱手段としての熱風循環用の配管２４
は、反応容器１２のほぼ全体を覆うように円環状に取り
付けられている。導入管２５は、前記熱風循環用の配管
２４の一端下部に接合され、導出管２６は、他端上部に
接合されている。そして、図示しないガス燃焼ボイラー
により発生した高温熱風ガスを、導入管２５から熱風循
環用の配管２４内に送り込むことができるようになって
いる。さらに、熱風循環用の配管２４内を循環させて、
導出管２６から排出することにより、反応容器１２内を
所定温度にまで上昇させることができるようになってい
る。さらに、液化天然ガス（ＬＰＧ）等の燃焼ガスを熱
風循環用の配管２４内を循環させて高温熱風加熱を行っ
ても良い。また、熱風循環用の配管２４内を、所定温度
を有する流体等の熱媒を流通させて加熱を行う高温熱媒
加熱を行っても良い。高温熱媒としては窒素、二酸化炭
素、アルゴン等の不活性ガスが使用される。

【００２６】前記温度は、コイル状炭素繊維の収率の向
上の観点から７００〜８３０℃の範囲内に設定されるの
が好ましく、７５０〜７８０℃の範囲内に設定されるの
がさらに好ましい。反応温度が７００℃未満又は８３０
℃を越えるとコイル状炭素繊維の収率が急激に低下す
る。そして、上記温度で反応容器１２内を加熱すること
により、反応ガスが熱分解されてイオン化し、プラスの
電荷を帯びた反応種となる。

【００２７】次に、コイル状炭素繊維の気相製造方法に
ついて説明する。ニッケル粉末が塗布されることにより
担持された基板１５は、流入口１９と対向するように接
続線１６により反応容器１２内の所定位置に支持され
る。このとき、流入口１９と対向する基板１５との間は
所定距離を有するようになっている。そして、反応容器
１２の両端の開口部１３が第１シール部材１４により閉
塞される。

【００２８】次に、流入口１９よりアセチレン、チオフ
ェン及び水素ガスが反応容器１２内に流入されるととも
に、反応容器１２内の基板１５に接触しながら流通し、
排気管２２を介して流出口２１から外部へ流出される。
また、一対の注入口２０から窒素ガスが注入され、基板
１５上で、酸素ガス等による余分な、或いは有害な影響
が反応系に加えられるのが防止される。

【００２９】次いで、直流電源１７の電源スイッチ１８
をオンにし、接続線１６を介して基板１５に直流のマイ
ナス電圧を印加してマイナスイオンの電場を形成させ
る。さらに、図示しないガス燃焼ボイラーにより発生し
た高温熱風ガスを、導入管２５から熱風循環用の配管２
４内に送り込み、反応容器１２内の温度を７５０℃まで
上昇させ、２時間反応を行った。

【００３０】ニッケル、炭素、水素、少量の硫黄又はリ
ン及び微量の酸素の５元系からなる反応の場において、
基板１５にはマイナスイオンの電場が形成され、基板１
５はマイナスの電荷を帯びた状態になっている。そし
て、アセチレンの熱分解により生じたプラスの電荷を帯
びた反応種が、マイナスの電荷を帯びた基板１５に強く
引き寄せられ、その上の金属触媒に効率良く誘導され
る。その結果、ニッケルによりアセチレンが接触的な触
媒作用に基づいて熱分解され、炭化ニッケルの単結晶
｛炭化ニッケル（Ｎｉ₃ Ｃ）に少量の硫黄原子（Ｓ）と
微量の酸素原子（Ｏ）が含まれるもの｝が形成される。

【００３１】さらに、炭化ニッケル単結晶がニッケルと
炭素に分解され、各結晶面において粒子内及び粒界拡散
が生じ、基板１５上に炭素繊維が形成される。この場
合、ニッケル結晶面での触媒活性の異方性より、触媒活
性の大きい結晶面から成長した炭素繊維は成長が大き
く、触媒活性の小さい結晶面から成長した炭素繊維の外
側になるようにカールしながら成長し、２つの炭素繊維
はコイルを形成しながら成長する。また、得られるコイ
ル状炭素繊維は断面円形状に成長する。従って、生物の
デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）の構造に類似した二重螺旋
構造のコイル状炭素繊維が得られる。このコイル状炭素
繊維は、いわゆるコスモミメティック（宇宙を手本にし
た）カーボンマイクロコイルと称すべきものである。

【００３２】このとき、ガス燃焼ボイラーにより発生し
た高温熱風ガスが、熱風循環用の配管２４内を循環して
反応容器１２内を加熱するため、反応容器１２内に電磁
場は形成されない。そのため、反応種が電磁場に負ける
ことにより生じる直線状の炭素繊維や、炭素繊維が成長
せずに炭素粉末、堅い炭素固体、炭素層等が析出するの
を防止することができる。その結果、ニッケル結晶面か
ら成長するコイル状炭素繊維の割合を増大させることが
できる。

【００３３】さらに、基板１５に担持された金属触媒に
マイナスの電荷が作用するため、ニッケル結晶面での触
媒活性の異方性が大きく働き、コイル径の小さい炭素繊
維が成長するようになる。また、電磁場との相互作用に
よる直線状の炭素繊維の成長や炭素粉末の析出等のアセ
チレンの副反応を抑制することができる。従って、アセ
チレンの反応率を低く抑えることができるため、未反応
アセチレンを再利用することができる。

【００３４】以上のように、第１実施形態によれば、次
のような効果が発揮される。 ・第１実施形態のコイル状炭素繊維の気相製造方法によ
れば、反応容器１２内の加熱はガス燃焼ボイラーにより
発生した高温熱風ガスを熱風循環用の配管２４を循環さ
せることにより行われるため、反応容器１２の外部から
電磁場が形成されていない。従って、ニッケル結晶面が
電磁場と相互作用し、炭素繊維が直線状に成長したり、
炭素繊維が成長せずに炭素粉末、堅い炭素固体、炭素層
等が析出したりするのを防止することができる。そのた
め、コイル状に成長する炭素繊維の量を増大させること
ができるとともに、その収率を向上させることができ
る。

【００３５】また、コイル状炭素繊維は断面円形状に成
長するため、断面扁平状の場合と比較して、その引張り
強度等の機械的強度を向上させることができる。従っ
て、コイル状炭素繊維を実用化した場合、その製品の強
度等の性質を向上させることができる。

【００３６】・第１実施形態のコイル状炭素繊維の気相
製造方法によれば、反応容器１２の加熱手段は、ガス燃
焼ボイラーにより発生した高温熱風ガスを、反応容器１
２の外周面に取り付けられた熱風循環用の配管２４を循
環させることにより行われる。そのため、反応容器１２
内を均一にかつ容易に加熱することができる。

【００３７】・第１実施形態のコイル状炭素繊維の気相
製造方法によれば、基板１５に直流電圧が印加され、基
板１５にはマイナスイオンの電場が形成される。そのた
め、加熱分解により生じたプラスに帯電している反応種
を効率良くニッケルに誘導させることができ、ニッケル
に誘導されず副反応を起こすアセチレンの量を減少させ
ることができ、製造コストの低減を図ることができる。

【００３８】・第１実施形態のコイル状炭素繊維の気相
製造方法によれば、基板１５に直流電圧が印加され、基
板１５にはマイナスイオンの電場が形成される。そのた
め、交流電圧を基板１５に印加し、基板１５がプラスと
マイナスに交互に帯電する場合と比較して、反応種をよ
り効率良くニッケルに誘導させることができる。その結
果、ニッケルに誘導されず副反応を起こすアセチレンの
量を減少させることができ、製造コストの低減をより一
層図ることができる。

【００３９】・第１実施形態のコイル状炭素繊維の気相
製造方法によれば、基板１５に直流電圧が印加され、基
板１５にはマイナスイオンの電場が形成される。そのた
め、ニッケルにマイナスの電荷が作用し、ニッケル結晶
面での触媒活性の異方性が大きく働き、コイル径の小さ
い及びコイル長さの長い炭素繊維を成長させることがで
きる。

【００４０】・第１実施形態のコイル状炭素繊維の気相
製造方法によれば、基板１５に直流電圧が印加され、基
板１５にはマイナスイオンの電場が形成される。そのた
め、加熱分解により生じたプラスに帯電している反応種
を効率良くニッケルに誘導させることができ、副反応を
起こすアセチレンの量を低く抑えることができる。従っ
て、未反応アセチレンを大量に再利用することができ、
全体的なコイル状炭素繊維の収率を向上させることがで
きる。

【００４１】・第１実施形態のコイル状炭素繊維の気相
製造方法により得られたコイル状炭素繊維は、断面円形
状で強度が高いとともに、コイル径が小さく、かつコイ
ルの長さが長いため、電磁波吸収材、マイクロマシー
ン、マイクロデバイス等に利用することができる。

【００４２】・第１実施形態のコイル状炭素繊維の気相
製造方法によれば、原料ガス、触媒ガス及び必要に応じ
て流入されるシールガスの流量を流入口１９を１分間に
流れる原料ガス、触媒ガス及び必要に応じて流入される
シールガスの量を示す線速度で示した場合、室温、１気
圧の条件下で１００〜３０００ｃｍ／ｍｉｎの範囲内に
設定されている。そのため、コイル状炭素繊維を効率良
く確実に成長させることができる。

【００４３】・第１実施形態のコイル状炭素繊維の気相
製造方法によれば、流入口１９と対向する基板１５との
距離と、室温、１気圧の条件下で流入口１９を１分間に
流れる原料ガス、触媒ガス及び必要に応じて流入される
シールガスの量を示す線速度の関係で示した場合、前記
距離は線速度の０．０００１〜０．１倍の範囲内に設定
される。そのため、線速度を調節することにより流入口
１９と対向する基板１５との距離を設定することができ
る。従って、コイル状炭素繊維を効率良くかつ確実に成
長させることができる。

【００４４】（第２実施形態）次に第２実施形態につい
て説明する。なお、この第２実施形態においては、上記
第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【００４５】図２に示すように、第２実施形態のコイル
状炭素繊維の製造装置１１は、第１実施形態と同様のも
のが使用され、基板１５に直流電圧を印加して電場を形
成するための直流電源１７は省略されている。

【００４６】耐熱用のアスベスト２７は、反応容器１２
の外周面に取り付けられ、５基のプロパンバーナー２８
は、反応容器１２の下方位置に所定間隔をおいて設けら
れている。そして、反応容器１２全体を均一に加熱する
ことができるとともに、反応容器１２内を一定温度にま
で上昇させることができるようになっている。

【００４７】さて、第１実施形態と同様の原料を反応容
器１２内に導入し、５基のプロパンバーナー２８を使用
して、反応容器１２を下部から加熱した。このとき、基
板１５に電圧は印加されておらず、電場は形成されてい
ない。そして、７５０℃で２時間反応を行った。その結
果、ほとんどコイル状に成長した炭素繊維を効率良く成
長させることができた。

【００４８】

【実施例】以下、実施例及び比較例を挙げて、前記実施
形態をさらに具体的に説明する。 （実施例１）実施例１では、前記第２実施形態の製造装
置１１と同様の装置を用い、４基のプロパンバーナー２
８を使用し、基板１５に電場を形成しないでコイル状炭
素繊維の合成を行い、全コイル状炭素繊維の収率、アセ
チレンの反応率、長尺コイル状炭素繊維の収率、短尺コ
イル状炭素繊維の収率及び未反応アセチレンを回収して
アセチレンを１００重量％反応させた場合のコイル状炭
素繊維の収率をそれぞれ算出した。また、得られたコイ
ル状炭素繊維のコイル径、コイルの断面形状及びその引
張り強度を測定した。

【００４９】横型に配置された長さ１０００ｍｍ、内径
６０ｍｍの透明石英製の反応容器１２内に、ニッケル粉
末が塗布されることにより担持された基板１５を、流入
口１９から所定距離を保つように配置した。そして、反
応容器１２の両端の開口部１３が第１シール部材１４に
より閉塞される。

【００５０】次に、アセチレン、チオフェン及び水素ガ
スを流入口１９より反応容器１２内に流入させ、このと
き、アセチレン６０ｍｌ／ｍｉｎ、チオフェン１．１ｍ
ｌ／ｍｉｎ、水素ガス２００ｍｌ／ｍｉｎ、窒素ガス１
００ｍｌ／ｍｉｎの流速で流入させた。さらに、窒素ガ
スを一対の注入口２０より反応容器１２内に流入させ
た。

【００５１】次いで、ガス燃焼ボイラーより発生した高
温熱風ガスを、導入管２５から熱風循環用の配管２４内
に送り込み、配管２４内を循環させた。そして、反応容
器１２内を外部から加熱し、反応容器１２内の温度を７
５０℃まで上昇させ、２時間反応を行った。

【００５２】得られた全コイル状炭素繊維の収率は、導
入原料ガス中の炭素量（ｇ）に対する得られたコイル状
炭素繊維の量（ｇ）を計測して算出し、さらに、その中
の長尺コイル状炭素繊維及び短尺コイル状炭素繊維の収
率も算出した。アセチレンの反応率は、排出されたガス
中の未反応アセチレンの量をガスクロマトグラフィー分
析法により求め、数１に示す式を用いて算出した。

【００５３】

【数１】 なお、実施例２〜５及び比較例１〜２でも上記方法を用
いて、全コイル状炭素繊維の収率、アセチレンの反応
率、長尺コイル状炭素繊維の収率、短尺コイル状炭素繊
維の収率及び未反応アセチレンを回収してアセチレンを
１００重量％反応させた場合のコイル状炭素繊維の収率
をそれぞれ算出した。それらの結果を表１に示した。

【００５４】

【表１】 表１に示すように、アセチレンは２０％反応し、そのう
ち１７％がコイル状に成長した炭素繊維で、そのなかの
１５％が長尺のコイル状炭素繊維であった。未反応のア
セチレンを回収してアセチレンを１００重量％反応させ
た場合、コイル状に成長した炭素繊維を８５％得ること
ができると推測される。

【００５５】また、得られたコイル状炭素繊維は、コイ
ル径２μｍの断面円形状に形成され、非常に均一に螺旋
状に巻回されたものであった。このコイル状炭素繊維
は、元の長さの約５倍まで弾性的に伸縮した。さらに、
このコイル状炭素繊維の引張り強度は、１２０〜１５０
ｋｇ／ｍｍ² であった。

【００５６】（比較例１）比較例１では、加熱手段とし
て、コイル状に形成されたニクロム線を用いた電熱加熱
器を使用した。そして、反応容器１２の外部から電磁場
を形成した状態で加熱した以外は、実施例１と同様の方
法でコイル状炭素繊維の合成を行った。また、コイルの
断面形状及びその引張り強度を測定した。その結果を表
２に示す。

【００５７】

【表２】 表２に示すように、実施例１と比較して、全コイル状炭
素繊維の収率と長尺コイル状炭素繊維の収率が低下する
とともに、短尺コイル状炭素繊維の収率が上昇した。ま
た、未反応アセチレンを回収してアセチレンを１００重
量％反応させた場合のコイル状炭素繊維の収率は１７％
と低いものであった。また、得られたコイル状炭素繊維
は、断面扁平状に形成され、元の長さの約３倍にまで引
っ張ったとき破断し、その引張り強度は４５〜６０ｋｇ
／ｍｍ² であった。

【００５８】（実施例２）実施例２では、触媒ガスとし
て硫化水素を使用した以外は、実施例１と同様の方法で
コイル状炭素繊維の合成を行った。なお、硫化水素は
０．５ｍｌ／ｍｉｎの流速で反応容器１２内に流入させ
た。その結果を表３に示す。

【００５９】

【表３】 表３に示すように、触媒ガスを硫化水素に変更した場
合、実施例１と比較して長尺コイル状炭素繊維の収率と
全コイル状炭素繊維の収率を向上させることができた
が、未反応のアセチレンを１００重量％反応させた場合
の収率は、少し低下した。

【００６０】（実施例３）実施例３では、触媒ガスとし
て三塩化リンを使用した以外は、実施例１と同様の方法
でコイル状炭素繊維の合成を行った。なお、三塩化リン
は０．５ｍｌ／ｍｉｎの流速で反応容器１２内に流入さ
せた。その結果を表４に示す。

【００６１】

【表４】 表４に示すように、触媒ガスを三塩化リンに変更した場
合、実施例１と比較して長尺コイル状炭素繊維の収率と
全コイル状炭素繊維の収率を向上させることができた
が、未反応のアセチレンを１００重量％反応させた場合
の収率は、少し低下した。

【００６２】（実施例４）実施例４では、基板１５に直
流電圧を印加して、基板１５にマイナスイオンの電場を
形成した以外は実施例１と同様の方法でコイル状炭素繊
維の合成を行った。なお、基板１５には、５００Ｖの電
圧を印加した。その結果を表５に示す。

【００６３】

【表５】 表５に示すように、基板１５に直流の電圧を印加して、
基板１５にマイナスイオンの電場を形成した場合、実施
例１と比較して長尺コイル状炭素繊維の収率、全コイル
状炭素繊維の収率及び未反応のアセチレンを１００重量
％反応させた場合の収率を向上させることができた。

【００６４】（実施例５）実施例５では、基板１５に交
流電圧を印加して、基板１５に交流の電場を形成した以
外は実施例１と同様の方法でコイル状炭素繊維の合成を
行った。なお、基板１５には、７０００Ｖの電圧を印加
した。その結果を表６に示す。

【００６５】

【表６】 表６に示すように、全コイル状炭素繊維の収率、アセチ
レンの反応率、長尺コイル状炭素繊維の収率及び短尺コ
イル状炭素繊維の収率は、実施例１とほぼ同じであった
が、未反応のアセチレンを１００重量％反応させた場合
の収率が実施例１と比較して低下した。

【００６６】（比較例２）比較例２では、加熱手段とし
て、コイル状に形成されたニクロム線を用いた電熱加熱
器を使用した。そして、反応容器１２の外部から電磁場
を形成した状態で加熱し、さらに基板１５に交流電圧を
印加して交流の電場を形成した以外は、実施例１と同様
の方法でコイル状炭素繊維の合成を行った。その結果を
表７に示す。

【００６７】

【表７】 表７に示すように、アセチレンの反応率は実施例と比較
してかなり高いものであった。そのため、未反応アセチ
レンを回収し、アセチレンを１００重量％反応させた場
合のコイル状炭素繊維の収率はかなり低いものであっ
た。また、全コイル状炭素繊維の収率は実施例１〜実施
例５とほぼ同じであったが、長尺コイル状炭素繊維の占
める割合が高いことが示された。

【００６８】なお、前記実施形態を以下のように変更し
て具体化することも可能である。 ・第１実施形態と第２実施形態の反応容器１２をそれぞ
れ縦型に配置し、流入口１９を水平となるように設ける
とともに、流入口１９までの距離を所定範囲内に保つよ
うに基板１５を垂直に配置すること。または、反応容器
１２及び流入口１９を斜状に配置し、流入口１９に対向
し、かつ流入口１９までの距離を所定範囲内に保つよう
に基板１５を斜状に設定すること。

【００６９】このように構成した場合も、コイル状炭素
繊維を基板１５上に成長させることができる。 ・横型の反応容器１２を上に数段積み上げ、各反応容器
１２に原料ガス及び触媒ガスが流入するように、流入口
１９を反応容器１２の側面に設けること。このとき、基
板１５は、流入口１９に対向するように配置されるとと
もに、流入口１９から対向する基板１５までの距離は所
定範囲内に保たれるように設定される。

【００７０】このように構成した場合、一度のコイル状
炭素繊維の製造作業により、コイル状炭素繊維をさらに
効率良く、大量に合成することができる。 ・第１実施形態と第２実施形態の反応容器１２の周面に
複数の流入口１９を所定間隔をおいて設けるとともに、
前記複数の流入口１９に対向するように基板１５を拡大
すること。

【００７１】このように構成した場合、コイル状炭素繊
維を一度に効率良く、大量に合成することができる。 ・第１実施形態と第２実施形態の基板１５に高電圧の静
電場を形成することができる高電圧静電場発生装置を一
方の接続線１６を介して接続すること。このとき、他方
の接続線１６は解放された状態になっている。

【００７２】このように構成した場合、基板１５に静電
場を形成することができるとともに、コイル状炭素繊維
の収率を向上させることができる。 ・第１実施形態の熱風循環用の配管２４による高温熱風
加熱と第２実施形態のプロパンバーナー２８による加熱
を相互に取り替えてコイル状炭素繊維の合成を行うこ
と。

【００７３】このように構成した場合も、反応容器１２
の外部から電磁場が形成されず、コイル状炭素繊維の収
率を向上させることができる。 ・第１実施形態の基板１５に電場を形成せずにコイル状
炭素繊維の合成を行うこと。

【００７４】このように構成した場合も、反応容器１２
の外部から電磁場が形成されず、コイル状炭素繊維の収
率を向上させることができる。 ・反応容器１２から離れた場所で電熱加熱によりガスを
加熱し、加熱されたガスを反応容器１２の加熱に用いる
こと。

【００７５】このように構成した場合、電磁場を反応容
器１２の外部より実質的に印加しないため、電磁場との
相互作用によるコイル状炭素繊維の副反応を抑制し、コ
イル状炭素繊維を効率良く成長させることができる。

【００７６】さらに、前記実施形態より把握される技術
的思想について以下に記載する。 ・前記電圧を１０〜３０００Ｖの範囲内に設定した請求
項３又は請求項４に記載のコイル状炭素繊維の気相製造
方法。

【００７７】このように構成した場合、基材に電圧を印
加して電場を形成することができるとともに、コイル状
炭素繊維の収率を向上させることができる。 ・前記直流電圧は１０〜７５０Ｖの範囲内である請求項
４に記載のコイル状炭素繊維の気相製造方法。

【００７８】このように構成した場合、コイル状炭素繊
維を基材に効率良く合成することができるとともに、そ
の収率を向上させることができる。 ・加熱手段を設けた反応容器に、熱分解して炭素を生成
する原料ガス及び触媒ガスを流通させるための流入口及
び流出口を備えるとともに、触媒を担持した基材を反応
容器内に配設し、前記基材の一端に接続線を介して、基
材に電圧を印加するための電源を設けたコイル状炭素繊
維の製造装置。

【００７９】このように構成した場合、反応容器内の基
材に電圧を印加して電場を形成することができ、原料ガ
スの熱分解により生じた反応種を基板に効率良く誘導す
ることができる。その結果、コイル状炭素繊維を効率良
く得ることができ、その収率を向上させることができ
る。

【００８０】・室温、１気圧の条件下で流入口から流入
される原料ガス及び触媒ガスを含む供給ガスの１分間当
たりの流入量を示す線速度は、１００〜３０００ｃｍ／
ｍｉｎの範囲内である請求項１〜請求項４のいずれかに
記載のコイル状炭素繊維の気相製造方法。

【００８１】このように構成した場合、コイル状炭素繊
維を効率良く成長させることができる。 ・前記流入口と対向する基材との距離は、室温、１気圧
の条件下で流入口から流入される原料ガス及び触媒ガス
を含む供給ガスの１分間当たりの流入量を示す線速度の
０．０００１〜０．１倍の範囲である請求項１〜請求項
４のいずれかに記載のコイル状炭素繊維の気相製造方
法。

【００８２】このように構成した場合、線速度を調節す
ることにより流入口と対向する基材との距離を設定する
ことができ、コイル状炭素繊維を効率良くかつ確実に成
長させることができる。

【００８３】

【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るため、次のような効果を奏する。請求項１に記載の発
明のコイル状炭素繊維の気相製造方法によれば、コイル
状炭素繊維を効率良く得ることができるとともに、その
収率を向上させることができる。また、コイル状炭素繊
維の強度を向上させることができるとともに、コイル径
を小さく、かつコイルの長さを長くすることができる。

【００８４】請求項２に記載の発明のコイル状炭素繊維
の気相製造方法によれば、請求項１に記載の発明の効果
に加え、反応容器の外部からその中に電磁場を形成する
のを防止することができ、電磁場との相互作用によるコ
イル状炭素繊維の副反応を抑制して、コイル状の炭素繊
維を効率良く成長させることができる。

【００８５】請求項３に記載の発明のコイル状炭素繊維
の気相製造方法によれば、請求項１又は請求項２に記載
の発明の効果に加え、原料ガスの分解により生じた反応
種を基材上に効率良く誘導することができるとともに、
コイル状の炭素繊維を効率良く成長させることができ
る。

【００８６】請求項４に記載のコイル状炭素繊維の気相
製造方法によれば、請求項３に記載の発明の効果に加
え、原料ガスの分解により生じた反応種を基材上により
効率良く誘導することができるとともに、コイル状の炭
素繊維を効率良く成長させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態のコイル状炭素繊維の製造装置を
示す断面図。

【図２】第２実施形態のコイル状炭素繊維の製造装置を
示す断面図。

【符号の説明】 １１…コイル状炭素繊維の製造装置、１２…反応容器、
１５…基材としての基板、１７…直流電源、１９…流入
口、２０…注入口、２１…流出口、２４…熱風循環用の
配管、２８…プロパンバーナー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 禎輔 愛知県大府市横根町箕手41−36 揖斐電ア セチレン 株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱手段を設けた反応容器に、熱分解し
   て炭素を生成する原料ガス及び触媒ガスを流通させるた
   めの流入口及び流出口を備えるとともに、触媒を担持し
   た基材を反応容器内に配設し、熱分解して炭素を生成す
   る原料ガス及び触媒ガスを前記流入口から反応容器内に
   流入させ、電磁場を反応容器の外部より実質的に印加し
   ない雰囲気下で、触媒ガスの存在下に原料ガスを前記加
   熱手段により７００〜８３０℃の温度で加熱分解して、
   前記基材上にコイル状炭素繊維を成長させるコイル状炭
   素繊維の気相製造方法。
2. 【請求項２】 前記加熱手段は、バーナー加熱、高温熱
   風加熱又は高温熱媒加熱によるものである請求項１に記
   載のコイル状炭素繊維の気相製造方法。
3. 【請求項３】 前記基材に電圧を印加して電場を形成す
   る請求項１又は請求項２に記載のコイル状炭素繊維の気
   相製造方法。
4. 【請求項４】 前記電場は直流電圧を印加して形成され
   るマイナスイオンの電場である請求項３に記載のコイル
   状炭素繊維の気相製造方法。