(57)【要約】【課題】加工に耐え得る柔軟性や強度と導電性を備える炭化布の製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】上記課題を解決するために、セルロースを含む布を炉内で加熱して炭化布を製造するための炭化布製造方法であって、布を炉内に配置する布配置ステップと、炉内の少なくとも布配置領域を不活性雰囲気とし布が炭化する手前の温度まで昇温する第一昇温ステップと、第一昇温ステップの後、炉内の少なくとも布配置領域を少なくとも第一昇温ステップにおける不活性雰囲気よりも相対的に還元性雰囲気とし、１２００℃〜１４００℃まで昇温する第二昇温ステップと、前記第二昇温ステップにより１２００℃〜１４００℃に至った炉内温度を所定時間維持する維持ステップと、前記所定時間経過後、炉内温度を緩やかに降下させる降温ステップと、降温ステップにより炉内が略１００℃以下となった後に炉を開ける開炉ステップと、を含む炭化布製造方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロースを含む布を炉内で加熱して炭化布を製造するための炭化布製造方法であって、
布を炉内に配置する布配置ステップと、
炉内の少なくとも布配置領域を不活性雰囲気とし布が炭化する手前の温度まで昇温する第一昇温ステップと、
第一昇温ステップの後、炉内の少なくとも布配置領域を少なくとも第一昇温ステップにおける不活性雰囲気よりも相対的に還元性雰囲気とし、１２００℃〜１４００℃まで昇温する第二昇温ステップと、
前記第二昇温ステップにより１２００℃〜１４００℃に至った炉内温度を所定時間維持する維持ステップと、
前記所定時間経過後、炉内温度を緩やかに降下させる降温ステップと、
降温ステップにより炉内が略１００℃以下となった後に炉を開ける開炉ステップと、を含む炭化布製造方法。
【請求項２】
前記布は、原料を綿とするものである請求項１に記載の炭化布製造方法。
【請求項３】
前記所定時間は、略１〜２時間である請求項１又は２に記載の炭化布製造方法。
【請求項４】
前記降温ステップに費やされる時間は、２０時間以上である請求項１から３のいずれか一に記載の炭化布製造方法。
【請求項５】
前記開炉ステップは、炉内温度が急激に低下しないよう炉の開閉を断続的に行う請求項１から４のいずれか一に記載の炭化布製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロースを含む布を炉内で加熱して炭化布を製造するための炭化布製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機物を炭化させた炭は、導電性を得ることで発熱体として利用されたり、また、表面積の大きさや空隙率の高さにより吸着材として利用されたりするなど、様々な分野で利用されている。とくに布を炭化させた炭化布は、床暖房装置や融雪装置などの面状発熱体として好適である。
【０００３】
一般的に炭化布は不活性雰囲気下で加熱することにより製造することができるが、炭化が十分ではない場合には導電性が得られないことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２９８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、電力投入後瞬間的に発熱する高効率な発熱体となり得る炭化布の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための手段として、以下の発明などを提供する。すなわち、セルロースを含む布を炉内で加熱して炭化布を製造するための炭化布製造方法であって、布を炉内に配置する布配置ステップと、炉内の少なくとも布配置領域を不活性雰囲気とし布が炭化する手前の温度まで昇温する第一昇温ステップと、第一昇温ステップの後、炉内の少なくとも布配置領域を少なくとも第一昇温ステップにおける不活性雰囲気よりも相対的に還元性雰囲気とし、１２００℃〜１４００℃まで昇温する第二昇温ステップと、前記第二昇温ステップにより１２００℃〜１４００℃に至った炉内温度を所定時間維持する維持ステップと、前記所定時間経過後、炉内温度を緩やかに降下させる降温ステップと、降温ステップにより炉内が略１００℃以下となった後に炉を開ける開炉ステップと、を含む炭化布製造方法を提供する。
【０００７】
また、上記炭化布製造方法において、前記布は、原料を綿とする炭化布製造方法を提供する。また、上記維持ステップにおいて、上記所定時間が略１〜２時間である炭化布製造方法を提供する。また、上記降温ステップに費やされる時間が２０時間以上である炭化布製造方法を提供する。また、上記開炉ステップが、炉内温度が急激に低下しないよう炉の開閉を断続的に行う炭化布製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、電力投入後瞬間的に発熱する高効率な発熱体となり得る炭化布の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の製造方法を構成する各ステップの流れを示すフロー図
【図２】本実施形態の製造方法により製造された炭化布のＦＥ−ＳＥＭによる写真
【図３】本実施形態の製造方法により製造された炭化布のＦＥ−ＳＥＭによる写真
【図４】本実施形態の製造方法により製造された炭化布のＦＥ−ＳＥＭによる写真
【図５】本実施形態の製造方法により製造された炭化布のＦＥ−ＳＥＭによる写真
【図６】本実施形態の製造方法により製造された炭化布のＦＥ−ＳＥＭによる写真
【図７】本実施形態の製造方法により製造された炭化布のＦＥ−ＳＥＭによる写真
【図８】本実施形態の製造方法により製造された炭化布に対するラマン分光分析結果
【図９】本実施形態の製造方法により製造された炭化布の応用例を示す概念図
【図１０】本実施形態の製造方法により製造された炭化布の応用例を示す概念図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、これらの実施形態に何ら限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。
<実施形態  概要>
【００１１】
本実施形態の炭化布製造方法は、炭化する手前の温度まで不活性雰囲気にて昇温させてから、炉内を還元性雰囲気にしつつさらに１２００℃〜１４００℃まで昇温させ、所定時間維持させる。かかる製造方法により、電力投入後瞬間的に発熱する高効率な発熱体となり得る炭化布を製造することが可能となる。
<実施形態  構成>
【００１２】
図１は、本実施形態の炭化布製造方法を構成する各ステップの流れを示すフロー図である。本実施形態は、セルロースを含む布を炉内で加熱して炭化布を製造するための炭化布製造方法であって、図示するように、「布配置ステップ」（Ｓ０１０１）と、「第一昇温ステップ」（Ｓ０１０２）と、「第二昇温ステップ」（Ｓ０１０３）と、「維持ステップ」（Ｓ０１０４）と、「降温ステップ」（Ｓ０１０５）と、「開炉ステップ」（Ｓ０１０６）と、を含むものである。
【００１３】
本実施形態の布は、セルロースを含むものである。例えば、綿、麻、絹、竹、こうぞ、木材パルプなどの植物性のセルロース繊維を編んだり織ったりしてなるものである。また、天然の繊維あるいは高分子をいったん溶解してから紡糸して繊維とする再生繊維からなる布であってもよい。また、編んだり織ったりしたものだけでなく、不織布としてもよい。また、布は必ずしも面状に限られず紐状であってもよい。
【００１４】
「布配置ステップ」（Ｓ０１０１）は、布を炉内に配置するステップである。炉は炉内温度の制御が可能であって、外気を遮断することができるとともに、炉内雰囲気を不活性雰囲気や還元性雰囲気などとし得るように制御可能であればよい。
【００１５】
炉内に配置される布の態様は、配置領域の大きさに応じて裁断された布を積層して配置したり、裁断せずに幾重にも折りたたんで配置したり、あるいは、巻いた状態で配置したりしてもよい。
【００１６】
布を配置する炉内の領域は、とくに限定するものではないが、上記のような温度制御や炉内制御が良好に行き届く領域に配置することが好ましい。すなわち、不活性ガスを炉内に導入するときに、当該不活性ガスが行き届きにくい領域があり得る場合には、そのような領域に布を配置することは好ましくない。
【００１７】
また、炉内を還元性雰囲気にするためにバーナーの不完全燃焼により一酸化炭素を生成させる場合には、燃焼炎が直接布に当たらないように配置したり、あるいは、耐火性の金属等で燃焼炎と隔絶するように布を配置することが好ましい。
【００１８】
「第一昇温ステップ」（Ｓ０１０２）は、炉内の少なくとも布配置領域を不活性雰囲気とし布が炭化する手前の温度まで昇温するステップである。布が炭化する温度は、布の材料や組成などにより変動するが、概ね３００℃から５００℃程度である。配置された布が炭化する温度に応じて、かかる温度に至るまで布配置領域を不活性雰囲気とする。不活性雰囲気とするための不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガスなどが挙げられる。不活性雰囲気下で昇温することで、布を燃焼させずに炭化を促す。なお、第一昇温ステップに費やす時間は、布の材質や量、炉の容積などの諸条件に応じたものとなるが、例えば、０．５〜３時間程度である。あまりに短時間で昇温した場合には、急激な体積変化により布を構成する繊維の破断や分裂が生じるおそれがある。
【００１９】
「第二昇温ステップ」（Ｓ０１０３）は、第一昇温ステップの後、炉内の少なくとも布配置領域を少なくとも第一昇温ステップにおける不活性雰囲気よりも相対的に還元性雰囲気とし、１２００℃〜１４００℃まで昇温するステップである。
【００２０】
「第一昇温ステップにおける不活性雰囲気よりも相対的に還元性雰囲気とする」とは、炉内において還元性雰囲気の方が不活性雰囲気よりも多く含まれるようにすることである。炉内を相対的に還元性雰囲気とすることで、布に対する奪酸素作用による炭化を促すとともに、不純物を除去し炭素純度の高い炭化布とするものである。
【００２１】
還元性雰囲気とするための還元性ガスとしては、例えば、一酸化炭素ガス、硫化水素ガス、二酸化硫黄ガス、水素ガス、ホルムアルデヒドガスなどが挙げられる。還元性ガスの炉内への導入は、それらのガスを直接導入してもよいし、あるいは、プロパンやブタンなどの燃料ガスを用いるバーナーを炉内に設け、不完全燃焼させることで一酸化炭素ガスを生じさせるなどしてもよい。また、スパッタリングや蒸着などにより還元性の金属粒子を炉内に表出させ、これら金属粒子の反応により炉内を還元性雰囲気となるようにしてもよい。このような金属として、例えば、リチウム、セシウム、ルビジウム、カリウム、バリウム、ストロンチウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、トリウム、ベリリウム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、マンガン、タンタル、亜鉛、クロム、鉄、カドミウム、コバルト、ニッケル、スズ、亜鉛などを利用することができる。なお、還元性雰囲気とするための上記各処理は併せて行ってもよいし、段階的にそれぞれの処理を行うようにしてもよい。また、バーナーの燃料ガスは、上記プロパンやメタンの純度が１００％のガスに限らず、チオールなどの付臭剤が添加されている都市ガスなどであってもよい。
【００２２】
布の炭化は、炭化温度が高温であるほど炭素の結晶化が進む。この結晶化は部分的なものであるが、これにより導電性が向上する。その一方で、高温で炭化させるほど脆化が進むため、布として形状が失われてしまうおそれがある。そこで、第二昇温ステップにおける到達温度を上記の通りとした。すなわち、到達温度が１２００℃を下回る場合には、所望の導電性を得ることが難しい場合が生じる。また、到達温度が１４００℃を上回る場合には、脆化が進み過ぎてしまう場合がある。
【００２３】
第二昇温ステップでの到達温度に至るまでに費やす時間は、炭化する布の材質や量、炉の容積などに応じて適宜定め得るが、例えば、１〜５時間程度とすることが好ましい。あまりに短時間で昇温した場合には、急激な体積変化により布を構成する繊維の破断や分裂が生じるおそれがある。一方、あまりにも長時間を費やして昇温させたとしても、それによる効果はさほどなく、時間とエネルギーの浪費となりかねない。
【００２４】
「維持ステップ」（Ｓ０１０４）は、上記第二昇温ステップにより１２００℃〜１４００℃に至った炉内温度を所定時間維持するステップである。維持ステップにて炭化を完了させる。本ステップに費やす時間は、布の材質や量、炉の容積などの諸条件に応じたものとなるが、例えば、１〜２時間程度が好ましい。１時間よりも短い場合には、炭化が十分になされず所望の導電性が得られなくなるおそれが生じ得る。また、２時間よりも長い場合には、脆化が進むおそれが生じ得る。
【００２５】
なお、維持ステップにおける炉内雰囲気は、不活性雰囲気ないし還元性雰囲気であればよい。例えば、第二昇温ステップにおいて炉内に導入された還元性ガスが存する限りにおいて、引き続き還元性雰囲気下で維持ステップが行われるものであってもよいし、あるいは、第二昇温ステップと同様に炉内を相対的な還元性雰囲気とするための処理を行いつつ維持ステップが行われるようにしてもよい。なお、上記の通り、炭素純度を高め不純物を除去する観点からは還元性雰囲気が維持されることが好ましい。
【００２６】
「降温ステップ」（Ｓ０１０５）は、上記所定時間経過後、炉内温度を緩やかに降下させるステップである。炉内温度の急激な降下は炭化布の内部応力を生じさせ、炭化布の構造や性状に不均一もたらしたり、布を構成する繊維の破断や分裂が生じたりするおそれがある。本ステップは、係る弊害を防止するためのステップである。なお、降温ステップは、上記維持ステップと同様に不活性雰囲気下ないし還元性雰囲気下にて行われ、好ましくは、上記の相対的な還元性雰囲気下で行われる。
【００２７】
降温ステップに費やす時間は、布の材質や量、炉の容積などの諸条件に応じたものとなるが、例えば、２０時間以上であることが好ましい。この程度の時間をかけて緩やかに降温させることで、上記のような急激な降温による弊害を防止することができる。
【００２８】
「開炉ステップ」（Ｓ０１０６）は、降温ステップにより炉内が略１００℃以下となった後に炉を開けるステップである。炉内の温度が高い状態で炉を開けた場合、炭化布が空気に触れて燃焼してしまう場合があり、かかる場合が生じないよう炉内が略１００℃以下となってから開炉する。
【００２９】
なお、上記開炉は、最初に炉を開けてからそのまま開炉状態を維持するのではなく、炉の開閉を断続的に行い、炉内の温度低下が緩やかになるよう行うことが好ましい。例えば、最初に炉を開けるときは開けてからただちにいったん炉を閉めて、その後再度炉を開ける。このような炉の開閉を断続的に行うことが好ましい。このように徐々に炉内温度が低下するように開炉を行うことで、内部応力による影響などを抑制することが好ましい。
【００３０】
図２は、本実施形態の炭化布製造方法により製造された炭化布をＦＥ−ＳＥＭ（電界放射型  走査型電子顕微鏡）により３０倍の倍率で撮影した写真である。材料となる布は天然綿を編んでなる布である。図３は、上記の炭化布を１００倍の倍率で撮影した写真である。図４は、上記の炭化布を１０００倍の倍率で撮影した写真である。図５から図７は、上記の炭化布を１００００倍の倍率で撮影した写真である。
【００３１】
図８は、上記の炭化布に対してラマン分光分析を行った結果を示す図である。分光光度計は「ＮＲＳ−３１００（株式会社日本分光）」を用い、レーザー波長532nm、レーザー光強度10mW、露光時間30sec、積算回数２回の条件にて、場所を変えて５回（N=1〜5）行い、「Ｇバンド強度（1590cm-1）」、「Ｄバンド強度（1350cm-1）」、「ラマン強度比（Ｄ／Ｇ）」測定した。測定結果によれば、Ｄバンド強度の方が強いもののグラファイト構造由来のＧバンド強度もそれなりに存在することから、部分的な黒鉛化が生じていると考えられる。
【００３２】
本実施形態の製造方法により製造される炭化布は、発熱体として様々な態様で応用することができる。図９は、面状発熱体として応用した炭化布を示す概念図である。図示するように本実施形態に係る炭化布（０９０１）の対向する縁に正負それぞれの長尺の電極を付ける（０９０２、０９０３）。そして、電源（０９０４）を正負の電極に接続し電圧を印加することにより炭化布はただちに発熱する。このような態様は、床暖房装置や融雪装置などとして具現する場合に好適である。
【００３３】
例えば、幅150mm×長さ1000mmの炭化布の長手方向の両側縁部に正負それぞれの長尺の電極を設け、これに変圧器で略30Vに調整して電圧付加すると電流が略3Aとなり、電圧印加後2〜3秒で炭化布の表面付近の温度は80度に至る。また、この発熱は、炭化布全体でむらなく生じる。このように、100Wに満たない電力にて、電力投入後瞬間的に高温に至るため、極めて高効率な発熱体であることが分かる。
【００３４】
図１０は、紐状の炭化布（１００１）を石英ガラス管（１００２）に真空状態にて封入した発熱体である。紐状の炭化布の両端に電極を設け、電源（１００３）と接続し、電圧を印加することで紐状の炭化布は発熱する。このような態様は、暖房装置や加熱調理装置あるいは照明装置などとして具現する場合に好適である。
<実施形態  効果>
【００３５】
本実施形態の炭化布製造方法により、電力投入後瞬間的に発熱する高効率な発熱体となり得る炭化布を製造することができる。
【符号の説明】
【００３６】
Ｓ０１０１  布配置ステップ
Ｓ０１０２  第一昇温ステップ
Ｓ０１０３  第二昇温ステップ
Ｓ０１０４  維持ステップ
Ｓ０１０５  降温ステップ
Ｓ０１０６  開炉ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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