JPS61119715A - 炭素繊維の製造法 - 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） 本発明は炭素繊維の製造法に関し、さらに詳しくは炭化
水素類を原料とし、高効率で炭素繊維を製造する方法に
関するものである。

炭素繊維は高強度、高弾性率などの優れた性質を有し、
各種複合材料として近年脚光を浴びている材料である。

従来、炭素繊維は有機繊維を炭化することによって主に
製造されているが、炭化水素類の熱分解および触媒反応
によって生成する炭素繊維も知られている。後者の気相
法炭素繊維は前者の炭素繊維に比べ、優れた結晶性、配
向性を有しているため、高強度、高弾性率を兼備する複
合材料として、多方面の用途が期待されている。

（従来の技術） 気相法による炭素繊維の製造法は種々提案されているが
、一般的には鉄、ニッケル等の遷移金属単体またはばそ
れらの合金からなる超微粒子を散布した繊維生成用基材
を電気炉の反応管内に設置し、不活性雰囲気にした後、
炉温を所定温度まで上昇させて炭化水素と水素の混合ガ
スを通気し、熱分解および触媒反応により前記基材上に
炭素繊維を生成させている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、この方法は、繊維の発生密度が充分では
なく、かつ繊維生成の再現性が非常に悪＜、繊維がほと
んど生成しない場合もしばしば起こり、未だ工業生産の
段階には到っていないのが現状である。一般に触媒とし
て用いられる超微粒子状金属は一次粒子が多数連結した
二次粒子を形成しており、１ケの金属超微粒子（一般的
には粒径０．１μｍｌｕ下）を核として生成する気相法
炭素繊維の製造では、昇温過程で凝集粒子を生じたり、
焼結を起こしたりするために、触媒存在量に対して生成
する炭素繊維が極めて少ないのが現状である。特に繊維
の成長速度が大きい１０００〜１３００℃においては微
粒子状金属が焼結し易いため、繊維の発生密度（基材単
位面積あたりの発生本数）の向上を著しく阻害している
。

本発明の目的は、上記従来の欠点を除去し、気相中で、
高発生密度で、かつ収率よく炭素繊維を製造する方法を
提供することにある。

本発明者らは、炭素析出能を有する炭化水素含有ガスを
電気炉の反応器内に通し、該ガスの熱分解および触媒反
応を行なう炭素繊維の製法について、種々の検討を行な
った結果、加熱温度およびガス処理法が重要な因子であ
ることを見出し、本発明に到達したものである。

本発明は、従来法のように繊維生成帯域（加熱温度１０
００〜１３００℃）で繊維を生成させるのではなく、予
め加熱温度６５０〜９５０℃で炭化水素を反応させて繊
維を生成させ、次いで加熱温度１０００〜１３００℃で
不活性ガス単独または不活性ガスと活性ガスとの混合ガ
スによって処理する少なくとも二段階で行なうものであ
る。

すなわち、本発明は、炭化水素類と（般送媒体（例えば
キャリヤガス）を反応器内に導入し、触媒作用をする金
属または金属化合物の存在下に炭化水素類を炭化させる
炭素繊維の製造法において、加熱温度６５０〜９５０℃
で該炭化水素類を反応させる第１工程、次いで加熱温度
１０００〜１３００℃で不活性ガス単独または不活性ガ
スと活性ガスとの混合ガスによって処理する第２工程と
からなることを特徴としでいる。

本発明において、第１工程の温度が６５０℃未満では繊
維の発生がほとんどみられず、また９５０℃を越えると
金属微粒子の凝集が進行してミクロンサイズの粒子が多
数生成し、有効な繊維が生成しない。加熱温度を６５０
〜９５０℃にすることにより繊維が高発生密度で生成す
るが、この温度域のみの加熱では繊維の成長速度が極め
て小さく、生成繊維の径は０．０１〜０．１μ、長さは
数μ〜数十μ、アスペクト比としては高々数百−数千で
あるので、例えば補強用繊維等として実用に供すること
はできない。

しかし、本発明者らは、驚（べきことに、第１工程で６
５０〜９５０℃で炭化水素を反応させたのち、加熱温度
１０００〜１３００℃で不活性ガス単独または不活性ガ
スと活性ガスの混合ガスによって処理することにより、
高発生密度を維持しつつ高成長速度を有する繊維が発現
することを見出し、本発明に到達したものである。

本発明で用いる炭化水素類（以下、単に炭化水素という
ことがある）は、炭素繊維の製造に使用できるものであ
れば特に限定されず、例えば脂肪族炭化水素類（例えば
メタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン、ア
セチレンなど）、芳香族炭化水素類（例えばベンゼン、
トルエン、キシレンなど）、多環芳香族炭化水素類（例
えばナフタリン、アントラセン、フェナントレンなど）
、脂肪族炭化水素＠（例えばシクロヘキサン、シクロペ
ンタジェンなど）、その化炭化水素を主体とする原料な
どを用いることができる。

本発明に用いる不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、
ネオン、アルゴン等が挙げられ、また活性ガスとしては
水素、水蒸気、アンモニア、塩化水素、塩素、酸素、−
酸化炭素、−酸化窒素、−酸化炭素、硫化水素等が挙げ
られる。また搬送媒体（キャリヤガス）としては、水素
、アルゴン、窒素などが好ましく用いられる。これらの
ガスには必要に応じて酸化性ガスを混合してもよい。

本発明において、触媒として用いる金属または金属化合
物は遷移金属または遷移金属化合物が好ましい。遷移金
属とは、原子番号２１のＳｃから３０のＺｎまで、３９
のＹから４８のＣｄまで、５７のＬａから８０のＨｇま
で、８９のＡｃ以上の元素を言う。遷移金属化合物とし
ては、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩、ギ酸塩、塩化物、硫化
物、水酸化物、酸化物、炭化物、窒化物、ケイ化物など
の無機化合物、さらにフェロセン、ペンタカルボニル鉄
などの有機金属化合物などが挙げられる。

金属または金属化合物を反応系内に存在させる方法とし
ては、前記金属または金属化合物を水および／または有
機溶媒に均一に熔解、または分散させて繊維生成用基材
に含浸、担持させたものを反応器内に置くか、有機金属
化合物、塩化物などのような揮発性の高いものは、その
まま又はガス状として反応器内に直接供給するか、また
は前記の有機金属化合物、塩化物等が炭化水素に可溶な
もの、または金属が炭化水素に分散可能なものは、これ
らを含む液状の炭化水素を直接反応器内にパイプ等で吹
込んでもよい。繊維生成用基材としてか用いられる。ま
た反応器およびガス導入パイプ等の材質は、繊維成長温
度１０００〜１３００℃の温度範囲で耐えるものであれ
ばいかなるものも使用でき、例えばアルミナ質、ムライ
ト質などのセラミックスが用いられる。なお、金属およ
び金属化合物と炭化水素の両者を別々に吹き込んで反応
器内で混合してもよい。これらの方法は何ら制限される
ものではな（、所望の繊維形態に応じて任意に設定する
ことができる。繊維生成用基材に該金属または該金属化
合物を散布する場合は、炭素繊維の発生密度の点から繊
維生成用基材の単位面積当たり０．１〜１００　ｍ　−
ｍ　ｏ　１２　／　ｒｄが好ましく、１〜］　Ｏｍ−ｍ
ｏ　７！／ｒｒｒがより好ましい。散布密度が高すぎる
と、金属微粒子の重なりが多くなるため、昇温過程にお
いて凝集粒子が生成し易くなる。一般に気相法炭素繊維
は１ケの金属超微粒子に１本の繊維が生成、成長するも
のであり、金属超微粒子を繊維生成用基材に存在させる
場合は、該微粒子を基材上に孤立した状態で分散させる
ことが好ましい（特願昭５８−８２８１５号）。

金属または金属化合物を反応器内に直接供給する方法に
おいては、流動床プロセスにより繊維の連続製造が可能
である。

本発明において、加熱温度６５０〜９５０℃で反応させ
る第１工程において、炭化水素を含む混合ガス中の炭化
水素の濃度は０．１〜１０容量％が好ましく、０．５〜
５容量％がより好ましい。第１工程における反応時間は
０．５分間以上が好ましいが、炭化水素が低濃度の場合
は処理時間を長くし、炭化水素が高濃度の場合は処理時
間を短かくする。

好ましくは、例えば炭化水素の濃度が０．５〜３容量％
のときは処理時間を３〜３０分間とすることにより、本
発明の効果を顕著に発揮することができる。炭化水素の
供給量が不足すると繊維の生成が不充分となり、炭化水
素を過剰に供給すると、炭素の多量析出により触媒活性
が失われるため、第２工程において成長する繊維が少な
くなる。

第１工程までの昇温ないし第１工程までに触媒活性の維
持のために金属化合物の還元処理を要する場合は、キャ
リヤガスとして水素ガスのような還元性ガス単独または
大部分が水素ガスである方が好ましい。

本発明の第２工程において、加熱温度１０００〜１３０
０℃で不活性ガス単独または不活性ガスと活性ガスとの
混合ガスによって処理することにより、第１工程におい
て繊維長が高々１００μ程度のものが数日〜数印長の繊
維に成長する。このように炭化水素を新たに供給しなく
ても繊維が成長する理由は明らかではないが、金属超微
粒子に過剰に析出した炭素もしくは中間体または未反応
の炭化水素が、活性を失っていない触媒粒子によって反
応し、高成長速度で成長するものと推定される。

第２工程における使用ガスは、繊維成長を有効に行なわ
せるために、不活性ガス単独または大部分が不活性ガス
のほうが好ましい。これらは触媒粒子、炭化水素条件等
により適宜設定することができるが、一般にガス中の活
性ガス濃度は３０容量％以下、特に１０容量％以下が好
ましい。該ガスの室温換算流速（反応器内の加熱温度は
１０００〜１３００℃であるが、これを室温に換算した
ときのガス流速値）は３０〜３００ｅｍ／分が好ましく
、５０〜２００ｃｔｎ／分が特に好ましい。また処理時
間（滞留時間）は１分以上が好ましい。この場合、ガス
流速が高速では短時間処理、低速では長時間処理が好ま
しい。

次に、本発明の気相法炭素繊維製造法に用いる装置およ
び操作の一例を第１図により説明する。

装置は、発熱体を備えた電気炉１に反応管２を設置し、
長さ方向に仕切って第１炉および第２炉とし、反応管２
の一端からガス１およびガス２の供給管１０および２０
を挿入し、供給管１０の先端が第１炉の入口に、供給管
２０の先端ノズル（多孔部）が第２炉に位置するように
配置したものからなる。第１炉、第２炉には、それぞれ
温度調節計（ＴＩＣ）１４．１５が設置されている。供
給管１０には、三方コック３を介して恒温槽４に収容さ
れた原料（炭化水素）の蒸発器５およびバイパス管８が
連結されており、ガスｌのみ、またはガス１に同伴させ
て所定量の原料を反応器２に供給できるようになってい
る。この装置において、予め金属または金属化合物を分
散させた繊維生成用基材７が第１炉内に配置される。繊
維用基材７は、タングステン線１７を連結し、速度調節
用モータ１８により間欠的または連続的に任意の速度で
移動できるようになっている。次に三方コック３および
バイパス管８を経てキャリヤガス１のみを供給管１０か
ら反応管２内に導入する。第１炉を６５０〜９５０℃、
第２炉を１０００〜１３００℃に設定し、キャリヤガス
１を流しながら、該所定温度まで昇温する。昇温後、三
方コック３を回してキャリヤガスを恒温槽４中の蒸発器
５内に入れ、所定濃度の炭化水素６を所定時間キャリヤ
ガスと共に供給する。この時、第１炉において予め金属
微粒子を存在させた繊維生成基材７に長さ数μ〜数十μ
の炭素繊維が生成する。その後、該基材７を第２炉に移
動してガス２（不活性ガスまたは不活性ガスと活性ガス
との混合ガス）をガス供給管２０を用いて所定時間通気
する。この時基材７の繊維は数ＭＮ〜数印に成長する。

反応終了後、モータ１８を駆動してタングステン線１７
に連結された基材７を牽引し、生成した炭素繊維を回収
する。

第１図は、繊維生成用基材を移動させて半連続または連
続式に気相法炭素繊維を製造する態様を示したものであ
るが、繊維生成用基材を使用せずに、金属または金属化
合物と共に反応器内に導入し、流動床プロセスとして連
続的に繊維を製造することも可能である。

（発明の効果） 本発明方法によれば、高発生密度で、繊維長が長く、か
つ所望の太さの気相法炭素繊維を収率よく製造すること
ができ、工業的に極めて有利である。得られた炭素繊維
は、従来法に比べて、優れた繊維物性および高アスペク
ト比を有し、例えば補強用繊維等として有用である。

（実施例） 以下、具体的実施例により本発明の態様を詳しく説明す
る。

実施例２ 平均粒径１００人の鉄粉（Ｆｅ）（真空冶金株式会社製
）の表面層にオレイン酸イオンを吸着させたのち、イソ
オクタン中に均一分散させ、該分散液をスプレーにて黒
鉛質基材（内径５０ｍ、長さ２００ｔｍの筒状材料を長
さ方向に２分割してトイ状にしたもの）の凹部にＦｅ６
■を存在させた。該基材をムライト質反応管（内径５２
１１、長さ１５００ｔｍ）内の中央部に装入し、該反応
管内をアルゴンガスで置換後、水素ガス１００Ｃｅ／分
を通気しながら８００℃まで昇温した。昇温後１５分間
保持したのちベンゼン５容量％を１０分間通気し、前記
基材上に炭素繊維を生成せしめた（第１工程）。この繊
維は繊維径０．Ｏ１〜０．１μ、長さ１０〜１００μ程
度であった。その後水素ガスのみを通気しながら１１０
０℃まで昇温した。

昇温後、アルゴンガス１０００ｃｃ／分（反応管内の室
温換算流速５１ｃｍ／分）を１５分間通気した（第２工
程）。冷却後、反応管内のガスをアルゴンに置換して炉
内から繊維生成用基材を取出し、生成した炭素繊維の生
成量、繊維径、繊維長、繊維発生密度を測定した。その
結果を第１表に示す。

実施例１ ８００℃で通気するベンゼン量を０．２５容量％とし、
該温度での通気時間を１８０分間とした以外は全て実施
例１と同様の方法にて炭素繊維を生成させた。その結果
を第１表に示す。

比較例１ 実施例１と同様の方法にてＦｅを存在させた基材を反応
管内に設置し、水素ガス１００ｃｃ／分を通気しなから
１１００　’ｃまで昇温した。昇温後１５分間保持した
後、ベンゼン５容量％を１０分間通気した。冷却後、生
成した炭素繊維の生成量、繊維径、繊維長、繊維発生密
度を測定した。その結果を第１表に示す。

比較例２〜３ 第１工程の加熱温度を６００℃（比較例２）および１０
００℃（比較例３）とする以外は実施例１と同様にして
炭素繊維を生成させた。その結果を第１表に示す。

比較例４〜５ 第２工程のガス処理において、水素ガス１００Ｑｃｃ／
分（比較例４）、水素ガス５００ｃｃ／分／アルゴンガ
ス５００ｃｃ／分（比較例５）とする以外は実施例１と
同様にして炭素繊維を生成させた。その結果を第１表に
示す。

実施例３ 実施例１と同様の方法にてＦｅを存在させた基材を２組
連結したものを反応管内に装入し、第１図に示すように
ガス出口側に該基材に移動できるように設置した。水素
ガス１００ｃｃ／分を通′気しながら第１炉（炉長４０
０璽讃）を８００℃，、第２炉（炉長４００ｍ）を１１
００℃まで昇温した。

昇温後、該基材を２　ｃｍ　／分の速度でガス出口側に
移動しながら基材進行方向の先頭基材が第１炉の中心を
通過するときにベンゼン５容量％を１０分間通気した。

次いで先頭基材が第２炉の中心を通過するときにアルゴ
ンガス１０００ｃｃ／分（反応管内の室温換算流速は第
１炉の水素ガスと併せて１０７ｃｍ／分）を１０分間通
気した。後方の基材についても先頭基材と同様に処理し
た後、窒素ガスを通気しながら冷却した。冷却後、繊維
生成基材に生成した炭素繊維の生成量、繊維径、繊維長
および繊維発生密度を測定した。その結果を第１表に示
す。

比較例６ 実施例２における第１炉での処理第２炉（加熱？Ｊ［１
１ｏｏ℃）で実施し、第２炉でのアルゴンガス処理を行
わせない以外は実施例２と同様に行い炭素繊維を生成さ
せた。その結果を第１表に示す。

実施例４ 繊維生成基材に触媒粒子を予め存在させずに、第１図の
第１炉（加熱温度８００℃）に水素ガス１００ｃｃ／分
と共にヘンダン５容量％とガス状フェロセン１０■／分
を１０分間供給した。その他は実施例３と同様に操作し
て炭素繊維を生成させた。その結果を第１表に示す。

以下余白

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す炭素繊維製造装置の
縦断面略図である。 １・・・電気炉、２・・・反応管、３・・・三方コック
、４、・・・恒温槽、５・・・炭化水素の蒸発器、６・
・・炭化水素化合物、７・・・繊維生成用基材、８・・
・バイパス管、１０．２０・・・ガス供給管。 代理人　弁理士　川　北　武　長 手続補正書 昭和６０年　１月１４日 １、事件の表示 昭和５９年　特許願　第２３９０４７号２、発明の名称 炭素繊維の製造法 ３、？ｉ正をする者 ・　事件との関係　特許出願人 住　所　大阪府大阪市北区堂島浜１丁目２番６号名　称
　（００３）旭化成工業株式会社代表者　宮　崎　　輝 ４、代理人〒１０３ 住　所　東京都中央区日本橋茅場町−丁目１１番８号（
紅菌ビルディング）電話０３　（６３９）　５５９２番
６、補正の対象　明細書の発明の詳細な説明の欄７、補
正の内容 （１）明細書第６５頁下から第２行の「することはでき
ない。」を「するに不足の分野もある。ｊに改める。 （２）明細書第６頁下から第６行の「脂肪族炭化水素類
」をｒ脂環族炭化水素類」に改める。 以上

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化水素類を搬送媒体とともに反応系内に導入し
   、触媒作用を有する金属または金属化合物の存在下に炭
   化させる炭素繊維の製造法において、加熱温度６５０〜
   ９５０℃で該炭化水素類を反応させる第１工程、次いで
   加熱温度１０００〜１３００℃で不活性ガス単独または
   不活性ガスと活性ガスとの混合ガスによって処理する第
   ２工程とを含むことを特徴とする炭素繊維の製造法。
2. （２）前記金属または金属化合物が遷移金属または遷移
   金属化合物であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の炭素繊維の製造法。
3. （３）前記第１工程における気相中の炭化水素類の濃度
   が０．１〜１０容量％であり、かつその反応時間が０．
   ５分間以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の炭素繊維の製造法。
4. （４）前記第２工程におけるガス中の活性ガス濃度が３
   ０容量％以下であり、かつ該ガスの室温換算流速が３０
   〜３００ｃｍ／分であり、かつ処理時間が１分以上であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の炭素繊
   維の製造法。