(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉の外側に加熱装置を備え、反応炉の一方から原料導入、他方から生成炭素繊維を回収する気相法炭素繊維の製造装置において、該反応炉の断面を長径と短径の長さが異なる楕円形または両端が円弧状の長方形とし、少なくとも長径側に加熱装置を設けたことを特徴とする装置。
【請求項２】
炉壁に生成した炭素繊維の掻き落し治具を設けたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
長径と短径の長さの比が１．２〜１０である請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
短径の距離が５００ｍｍ以下、好ましくは３００ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
原料有機化合物、触媒となる遷移金属を含む有機化合物、キャリヤーガスを反応炉に導入して製造される気相法炭素繊維の製造方法において、該反応炉が請求項１〜４のいずれかに記載の装置である気相法炭素繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は炭素繊維、より詳しくは有機化合物の熱分解による気相法によってウイスカー状微細炭素繊維を製造する装置に関する。
この方法によって得られる気相法炭素繊維は繊維径が０．０１μｍ〜５μｍ、長さが１μｍ〜１０００μｍ程度の繊維状を形成し、黒鉛網面が繊維軸に沿って発達し、内部に中空の穴があるのが特徴である。
【０００２】
【従来の技術】
気相成長炭素繊維製造方法は、反応炉内で有機化合物を熱分解してウイスカー状の微細な炭素繊維を１工程で得ることの出来る優れた方法である。しかし工業的な生産性に問題があり種々改善がなされてきた。
例えば初めはセラミック基板に遷移金属の超微粒子を付着させてから有機化合物を供給し分解させ長時間成長させて比較的太く長い気相法炭素繊維を製造する方法であった（特開昭５２−１０３５２８）。
この方法は良好な物性の炭素繊維が得られるが、繊維径が太くなることや反応速度が遅いことが、工業生産に向かないなど不十分な点が多かった。
これを改善するために、鉄を始めとする遷移金属またはその化合物を触媒とし、この触媒とキャリヤーガス及び例えばベンゼン、トルエン、天然ガス等の有機化合物を液または気体状で反応炉に導入して有機化合物を８００℃〜１３００℃程度で熱分解し、微細な炭素繊維を短時間で生産する方法が開発され生産性が改善された。
【０００３】
この微細な気相法炭素繊維の製造方法としては
▲１▼フェロセン等の遷移金属化合物を気化させ反応炉に導入し、遷移金属の微粒子を生成させシードとして用い製造する方法（特開昭６０−５４９９８）。
▲２▼鉄等の遷移金属を直接熱分解炉中で気化させてシードを作り製造する方法（特開昭６１−２９１４９７）。
▲３▼フェロセン等の遷移金属化合物を液体有機化合物に分散あるいは溶解させて反応炉中にスプレーしてシードとして製造する方法（特開昭５８−１８０６１５）。
等によって製造されるようになった。
しかし従来これらの反応に使用されていた反応炉は殆どが円筒体であり、異方性の反応炉が用いられた例はない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
気相法炭素繊維は反応炉に原料有機化合物、触媒となる遷移金属を含む有機化合物、キャリヤーガスを反応炉に導入して製造される。反応炉は炉の外側から８００〜１３００℃程度に加熱される。原料有機化合物や遷移金属を含む有機化合物は液相或は気相で反応炉に導入される。この場合遷移金属を含む有機化合物をベンゼン等の有機化合物に溶解し、これを反応炉に噴霧し、微小液滴状で供給するのが望ましいとされている。この液滴中に存在する遷移金属を含む有機化合物が反応炉中で分散するとともに分解し、遷移金属を生じ、それが触媒としての適度な大きさの微粒子を構成するものと推定される。
【０００５】
いずれにしても原料有機化合物や触媒となる有機化合物は分解温度まで上げなければならないが、炉壁からの伝熱や輻射熱によるため、原料等の滞留時間が短い通常の方法では炉の径が大きくなると炉の中央部分は温度が十分上がらない。また触媒化合物を有機化合物に溶解して液滴状で供給するときはその蒸発熱も必要となり、一層温度勾配がつく。そのため反応炉が円筒状の場合径をあまり大きくできない。反応炉を長くすることも考えられるが、セラミック製の反応炉の場合成形加工上難しい問題もあり、また炉壁に生成した炭素繊維の掻き落しの操作がやりにくいなどの問題が生じ得策ではない。
本発明は炉壁からの伝熱をよくし、炭素繊維生成反応の均一化を図り、炭素繊維の生産性を高めた製造装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
反応炉を外側から加熱する装置において上記の問題を解決するためには反応炉の周壁面と中心間の距離は出来るだけ短いほうが良い。ところが工業化のためスケールアップし、生産量を高めるためには反応炉の断面積を大きくする必要がある。この両者の条件を満足するためには反応炉の断面を長辺（長径）と短辺（短径）からなるようにし、短辺の長さを温度勾配等の制約の範囲以内とし、長辺側を長くした異方性の反応炉が有効であることを見いだし本発明に至った。
即ち、本発明は反応炉の外側に加熱装置を備え、反応炉の一方から原料導入、他方から生成炭素繊維を回収する気相法炭素繊維の製造装置において、反応炉の断面を楕円形または長方形等の長径と短径の長さが異なる異方性形状としたことを特徴とする装置である。
【０００７】
以下図面に示す実施例に基づき具体的に説明する。
図１は本発明の気相法炭素繊維の製造装置の断面図である。図において１は反応炉で材質は高温耐久性があれば金属製でも可能であるが、長期間工業生産するにはセラミック製が推奨される。このセラミック製の１体ものの反応炉で長方形等の場合コーナー部分は強度の関係で一定のＲを持った構造であることが好ましい。反応炉は１体ものの外、レンガ積みで構成することもできる。
【０００８】
本発明は、この反応炉をＡ−Ａ断面で示すように異方性とした点が特徴である。異方性の形状とは円形、正方形状以外のものであって、楕円形、長方形、両端が円弧状（半円形等）の長方形、菱形、平行四辺形等があるが、製作上も容易であり、また炭素繊維の生産性も大きいものとして図２に示す楕円形（１）、長方形（２）または両端が円弧状の長方形（３）が好ましい。これらの長径及び短径をａ，ｂで表わせばこれらの望ましい比、即ちａ／ｂは１．２〜１０である。この比が１．２より小さいと前記円筒状の欠点を解消する効果が十分でなく、また１０を越えると反応炉の製作が困難になる。
反応炉は径が大きくなるとその分だけ外部温度を高くしないと中心部までは温度が上がらない。したがって中心部の反応率が低下してくるので、これを防ぐために外部の温度を上げ、１３００℃以上にすると繊維化し難くなる。本発明においては種々検討した結果、反応炉の短径は好ましくは５００ｍｍ以下、さらに好ましくは３００ｍｍ以下であることが見い出された。
【０００９】
本発明の装置における反応炉以外の部分は従来と変りがない。即ち反応炉には加熱装置２が設けられ、反応炉の上部にフェロセン等をベンゼン等に溶解してスプレーするための導入管３及び原料有機化合物やキャリヤーガス導入管４が接続されている。加熱装置は反応炉の少なくとも長径側に、好ましくは短径側にも設ける。６は炉壁に析出した炭素繊維の掻き落し冶具で（斜視図で示す）棒状体の先端にリングが取付けられている。掻き落された繊維は反応炉の下の受け部５に一時留まり、そこからホッパー等に移送される。
尚、図示の装置は反応炉が縦型の場合を示すが本発明の装置は横型でも可能である。
【００１０】
［本発明装置等の使用例１］
反応炉として長径３０ｃｍ、短径１０ｃｍ、長さ１５０ｃｍのセラミック製で断面における両端が半円形の長方形反応炉を縦型にして使用した。ベンゼンにフェロセンを３重量％溶解し、反応炉の上部から水素ガス１２２リットル／分を用いて６１．３ｇ／分を噴霧した。反応炉の温度は炉の内壁面で最高温度域を１２００℃とした。
炉壁に生成した炭素繊維を間欠的に掻き落し、３時間運転した。
【００１１】
得られた炭素繊維は大部分が直径０．１〜０．３μｍ、長さが５〜３０μｍの範囲に入っていた。そして回収された粗製炭素繊維の重量は７．１ｋｇであった。
比較のため同じ断面積の円筒（直径１８．８ｃｍ）を用い、他は上記同様にして実験した。繊維の径や長さは殆ど差がなかったが収量は６．１ｋｇであった。従って本発明の反応炉を使用することにより、円筒形のものに較べ、収量で約１５％向上したことになる。
【００１２】
［本発明装置等の使用例２］
反応炉として断面の長辺が４０ｃｍ、短辺が２０ｃｍ、長さ２００ｃｍのセラミック製で楕円形のものを使用した。原料及び水素の単位面積当りの供給量及びその他の条件は例１と同じにして気相法炭素繊維を製造した。得られた炭素繊維の長さ、径は例１と殆ど同じで、繊維の収量は１６．９ｋｇであった。同じ断面積の円筒形の反応炉では収量が１４．８ｋｇであり、本発明の反応炉は円筒形の反応炉に較べ約１４％向上したことになる。
【００１３】
【発明の効果】
断面が楕円あるいは長方形等の反応炉を用いることにより、炉壁から原料等への熱伝達がよくなり、炉内の温度勾配が小さくなり、反応が均一となる。また炭素繊維は主として炉壁に析出するが、断面が円形に較べ本発明の反応炉は炉壁の周方向長さが長いので、原料や触媒の反応率が高まり収率が向上するなど優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相法炭素繊維の製造装置の断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【符号の説明】
１  反応炉
２  加熱装置
３  触媒等の導入管
４  原料導入管
５  繊維受け部
６  繊維掻き落し冶具
【図１】
0003572105.tif 000002
【図２】
0003572105.tif 000003