JPS63222078A

JPS63222078A - 炭素繊維多孔体の製造方法

Info

Publication number: JPS63222078A
Application number: JP62054587A
Authority: JP
Inventors: 達郎水木; 忠之松本; 瀧沢　保; 輝之男三輪
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1987-03-10
Filing date: 1987-03-10
Publication date: 1988-09-14

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】産業上の利用分野この発明は、燃料電池用電極、特開昭６０−１４７２０
８号公報や同６０−１４７２０９号公報に記載される電
気浸透脱水機用電極、フィルタなどとして好適な炭素繊
維多孔体を製造する方法に関する。

従来の技術炭素繊維の短繊維を炭素で結着してなる炭素繊維多孔体
は、比強度が高く、また耐蝕性等の化学的性質にも優れ
ているため、燃料電池用電極などとして注目されている
。

そのような炭素繊維多孔体を製造する方法はいろいろあ
るが、たとえば特開昭５７−１２９８１４号公報に記載
されているように、バインダたるポリビニルアルコール
などの溶液と、炭素繊維の短繊維とを混合、抄造し、乾
燥して短繊維同士を互いに結着せしめた１麦、フェノー
ル樹脂などの炭素化可能物質の溶液を含浸し、加熱して
炭素化可催物質を炭素化することによるのか普通である
。

バインダ溶液と短繊維とを混合、抄造する代わりに、短
繊維を、たとえば渦噴気流等で解繊しながら堆積せしめ
た後、バインダ溶液を噴霧して短繊維同士を結着する場
合もめる。しかしながら、これらの方法は、いずれも、
短繊維同士の結着と炭素化可能物質の溶液の含浸とを全
く別の工程で行うため、工程が長くなり、製造コストが
高くなるという問題がある。また、内部や短繊維同士の
接点等に炭素化可能物質の溶液が十分に含浸されないこ
とがあり、その場合、機械的強度が低下したり、気孔の
大きさや分イ５にむらができたり、導電性が低下する。

発明が解決しようとする問題点この発明は、従来の方法の上述した問題点を解決し、均
質な炭素繊維多孔体を低コストで製造することかできる
方法を提供することを目的としている。

問題点を解決するだめの手段上）ホした目的を達成するために、この発明においては
、炭素化可能物質を含む抄造媒体と、炭素繊維の短繊維
とを混合、抄造し、乾燥して短繊維同士を互いに結着せ
しめた後、加熱して炭素化可能物質を炭素化することを
特徴とする炭素繊維多孔体の製造方法か提供される。も
っとも、この発明においては、炭素繊維の短繊維を使用
する代わりにその前駆体繊維の短繊維を使用し、加熱に
よって炭素化可能物質を炭素化するのと同時に前駆体繊
維の短繊維をも炭素化し、炭素繊維の短繊維とすること
ができるものである。また、炭素繊維の短繊維と、炭素
繊維の前駆体繊維の短繊維とを併用することもてきるも
のである。

この発明をさらに詳細に説明するに、この発明において
は、まず、炭素化可能物質を含む抄造媒体と、炭素繊維
の短繊維および／または炭素繊維の前駆体繊維の短繊維
との混合物を調製する。

炭素化可能物質は、抄造時に短繊維間に入り込み、後の
乾燥、炭素化を経て短繊維同士を互いに結着するもので
ある。そのような炭素化可能物質としては、たとえば、
フェノール樹脂、フラン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ
樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などの
熱硬化性樹脂や、塩化ビニル樹脂、ナイロン樹脂、ポリ
エステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネー１〜樹脂、
ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリフェニ
レン（）−ルファイト樹脂、ポリスルホン樹脂などの熱
可塑性樹脂を使用することができる。また、ピッチやタ
ール、セルロース等を使用することができる。なかでも
、炭素化収率が比較的高いフェノール樹脂やピッチであ
るのが好ましい。

炭素化可能物質を含む抄造媒体は、上述した炭素化可能
物質の溶液または分散液として用意される。すなわち、
炭素化可能物質は、溶解していてもよく、また懸濁状態
で含まれていてもよいものである。溶媒または分散媒と
しては、たとえば水、メタノール、テ１へラヒドロフラ
ン、ピリジン、キノリン、ベンゼン、トルエン、ジメチ
ルスルホキシドなどを使用することができる。抄造媒体
中にお（プる炭素化可能物質の濃度は、炭素化可能物質
の種類、溶媒または分散媒の種類、抄造媒体と混合され
る短繊維の種類や平均繊維長、得たい多孔体の用途、気
孔率、機械的特性等によって好適な範囲があるものの、
通常、５〜５０重量％、好ましくは２０〜４０重量％と
される。

抄造媒体と混合される短繊維は、上述したように、炭素
繊維および／または炭素繊維の前駆体繊維からなるもの
である。炭素繊維は、従来周知の、ポリアクリロニ１〜
リル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、セルロース系炭素
繊維など、いずれてあってもよい。前駆体繊維は、加熱
すると炭素化して炭素繊維になるもので、ポリアクリロ
ニｉ〜リル繊維、ピッチ繊維、タール繊維や、それらの
耐炎化繊維のようなものである。ノボロイド繊維を硬化
させた、いわゆる硬化ノボロイド繊維などを使用するこ
ともできる。これらの短繊維の直径は、多孔体の機械的
強度や気孔の大きざ等に影響を及ばず。炭素繊維である
か前駆体繊維でおるかといったことや、多孔体の用途等
によって異なるものの、通常、１〜５０μｍ、好ましく
は５〜２０ｕ、ｍの直径をもつものを使用する。また、
その平均繊維長は、短繊維の種類や抄造媒体の種類等に
よっても異なるものの、抄造の容易さなどを考慮すると
、２〜５０ｍｍであるのか好ましい。さらに好ましい平
均繊維長は、５〜２０ｍｍである。

さて、この発明においては、次に、上述した抄造媒体と
短繊維とを混合、抄造し、乾燥して溶媒または分散媒を
除去し、短繊維同士が炭素化可能物質で互いに結着され
た、紙状、シート状、板状等の中間素材を得る。このと
き、溶媒または分散媒に、短繊維の分散性を向上させる
ための分散剤や、短繊維同士の結着をより強固に行うた
めのバインダ等を必要に応じて少量添７ＪＨることもで
きる。これらは、後の炭素化工程で分解し、残存しない
ものであるのか好ましい。乾燥は、自然乾燥でも加熱乾
燥でもにいか、炭素化可能物質が熱硬化性樹脂である場
合には、それを乾燥するとともに完全に硬化せしめてあ
くほうか、中間素材の形態保持の面から好ましい。抄造
は、通常の抄紙機等を用いて行えばよい。

次に、抄造により得た中間素材を不活性雰囲気中で加熱
し、炭素化可能物質を炭化する。短＋１１ｉ紐が前駆体
繊維である場合には、その炭素化、つまり炭素繊維化も
同時に行われる。これにより炭素繊維多孔体が得られる
。加熱温度は、９００〜３５００’Ｃ１好ましくは１２
００〜３０００’Ｃである。なお、この炭素化処理に先
立って、短繊維同士の結着をにり強固に行ったり、多孔
体の気孔率や密度を調整する目的で、中間素材を加圧処
理覆ることがある。また、短繊維が前駆体繊維からなる
ものでおる場合で、それが加熱にＪ：り溶融するような
ものである場合、たとえばピッチ繊維からなるものであ
る場合には、その繊維形態を保持する目的で酸化による
耐炎化処理などの不融化処理を施しておく。ポリアクリ
ロニトリル繊維の場合は、不融化処理を行わなくても炭
素化できるが、不融化処理を行うと収率や強度が向上す
るので好ましい。また、炭素化可能物質においても、炭
素化時の収率を高める目的で、不融化処理を施すほうが
好ましいものがある。たとえば、フェノール樹脂やピッ
チなどがそうである。

実施例１フェノール樹脂の１５重量％メタノール溶液と、直径が
１０μｍで、平均繊維長が６ｍｍでおる石炭質ピッチ系
炭素繊維短繊維とを、短繊維が１５重量％になるように
混合、攪拌し、抄造した後、８０′Ｃの熱風で乾燥して
メタノールを除去し、厚みか０．２ｍｍて必る中間素材
を得た。

次に、上記中間素材を窒素雰囲気中にて１５００′Ｃに
加熱し、フェノール樹脂を炭素化して厚みが０．１８ｍ
ｍである多孔体を１ｑた。この多孔体は、密度が０．２
ｇ／ｃｍ３で、かつ厚み方向の抵抗率か０．２５０・ｃ
ｍであった。

実施例２実施例１において、中間素材を１６０°Ｃの温度下に８
Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で押圧し、厚みを０．１ｍｍにした
。以下、実施例１と全く同様にして、厚みが０．０９ｍ
ｍである多孔体を得た。この多孔体は、密度が０．４ｇ
／ｃｍ３で、かつ厚み方向の抵抗率が０．１Ω・ｃｍで
必り、燃料電池用集電電極として好適なものであった。

＝　９　一実施例３フェノール樹脂の１５重量％メタノール溶液と、直径が
１０μｍで、平均繊維長が６ｍｍである、ポリアクリロ
ニトリル繊維の短繊維とを、短繊維が３０重量％になる
ように混合、攪拌し、抄造した後、８０’Ｃの熱風で乾
燥してメタノールを除去し、厚みか０．２ｍｍである中
間索イＪを得た。

次に、上記中間素材を１６０’Ｃの温度下に８Ｋｑ／Ｃ
ｍ２の圧力で押圧し、厚みを０．１ｍｍにした。

次に、加圧処理後の中間素材を、空気中にて５’Ｃ／分
の速度で２８０°Ｃまで加熱し、短繊維を耐炎化すると
ともに短繊維同士の結着をより強固なものとした。

次に、実施例１と全く同様にして、厚みがＯ０Ｑ９ｍｍ
である多孔体を得た。この多孔体は、密度か０．４ｃ＋
／ｃｍ３て、かつ厚み方向の抵抗率か０゜１２Ω・ｃｍ
であった。

実施例４フェノール樹脂の１５重量％メタノール溶液と、直径が
９ｍｍで、平均繊維長が３ｍｍであるポリアクリロニト
リル系炭素繊維の短繊維と、直径が１２μｍで、平均繊
維長が６ｍｍである石炭質ピッチ繊維の短繊維とを、炭
素繊維短繊維が７１重量％、ピッチ繊維短繊維が８重量
％になるように混合、攪拌し、抄造した後、８０’Ｃの
熱風で乾燥してメタノールを除去し、厚みが０．２１ｍ
ｍでおる中間素材を得た。

次に、上記中間素材を１６０’Ｃの温度下に８ＫＩｌ］
／ｃｍ２の圧力で押圧し、厚みを０．１４．ｍｍにした
後、３°Ｃ／分の昇温速度で２８０’Ｃまで加熱し、ピ
ッチ繊維短繊維を不融化するとともにフェノール樹脂を
硬化させた。

次に、上記中間素材を窒素雰囲気中にて１５００′Ｃに
加熱し、ピッチ繊維短繊維とフェノール樹脂とを炭素化
して厚みが０．１３ｍｍである多孔体を得た。この多孔
体は、密度が０．３８ｇ／Ｃｍ３で、かつ厚み方向の抵
抗率が０．０８０・吐であった。

発明の効果この発明は、炭素化可能物質を含む抄造媒体と、炭素繊
維短繊維および／または炭素繊維の前駆体繊維の短繊維
とを混合、抄造し、乾燥して短繊維同士を互いに結着せ
しめた後、加熱して炭素化可能物質または炭素化可能物
質と前駆体繊維の短繊維とを炭素化するものであり、上
述した従来の方法のように、短繊維同士の結着と炭素化
可能物質の溶液の含浸とを全く別の工程で行う必要がな
いので、工程が短縮され、製造コストが安くなる。

また、炭素化可能物質を含む抄造媒体と短繊維とを混合
、抄造するので、炭素化可能物質が短繊維間によく入り
込み、気孔の大きさや分布が一様になるばか°りか、機
械的強度や導電性にも優れた多孔体を得ることができる
ようになる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素化可能物質を含む抄造媒体と、炭素繊維の短
繊維とを混合、抄造し、乾燥して前記短繊維同士を互い
に結着せしめた後、加熱して前記炭素化可能物質を炭素
化することを特徴とする炭素繊維多孔体の製造方法。
（２）炭素化可能物質を含む抄造媒体と、炭素繊維の前
駆体繊維の短繊維とを混合、抄造し、乾燥して前記短繊
維同士を互いに結着せしめた後、加熱して前記炭素化可
能物質と短繊維とを炭素化することを特徴とする炭素繊
維多孔体の製造方法。
（３）炭素化可能物質を含む抄造媒体と、炭素繊維の短
繊維と、炭素繊維の前駆体繊維の短繊維とを混合、抄造
し、乾燥して前記炭素繊維の短繊維および炭素繊維の前
駆体繊維の短繊維同士を互いに結着せしめた後、加熱し
て前記炭素化可能物質と炭素繊維の前駆体繊維の短繊維
とを炭素化することを特徴とする炭素繊維多孔体の製造
方法。