(57)【要約】      （修正有）【課題】活性化された炭素物質を鞘とするバイリージョナルファイバー及びその製造方法。【解決手段】新規な耐燃焼性の活性化されたバイリージョナルファイバーに関し、該ファイバーは、活性化された炭素の外側鞘により囲まれている、該ファイバーにおける熱可塑性ポリマー組成物の内側コアの存在のために非常に可とう性である。また、ファイバーにおける活性化された炭素質外側領域を形成する一方、該ファイバーの内側コアが熱可塑性ポリマー組成物であるままであるような十分な時間及び温度で活性化性雰囲気下において酸化安定化されたバイリージョナルファイバー又は炭素質バイリージョナルファイバーを加熱することにより、可とう性の活性化されたバイリージョナルファイバーを製造する方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性ポリマー組成物の内側コアと、活性化された炭素質物質を含む周囲の外側鞘とを含む、40より大きいLOIを有する耐燃焼性の活性化されたバイリージョナルファイバー。
【請求項２】
外側の活性化された領域が、約50m2/グラムから2000m2/グラム超までの内部表面積を有するところの請求項1記載のファイバー。
【請求項３】
ファイバーの密度が、約0.5〜約1.8グラム/cm3の範囲であるところの請求項1記載のファイバー。
【請求項４】
ファイバーの活性化された外側領域における孔が、2オングストローム未満から約18オングストロームまでの寸法を有するところの請求項1記載のファイバー。
【請求項５】
該ファイバーが可とう性であり、かつ0.01%より大きく50%より小さな曲げ歪値を有するところの請求項1記載のファイバー。
【請求項６】
全体的に円形又は非円形の横断面形状を有するところの請求項1記載のファイバー。
【請求項７】
4マイクロメートルより大きく約45マイクロメートルまでの直径を有するところの請求項1記載のファイバー。
【請求項８】
4〜20度の破壊ねじり角度を有するところの請求項1記載のファイバー。
【請求項９】
熱可塑性ポリマー組成物の内側コアと酸化安定化された熱硬化性組成物の外側鞘領域とを有する酸化安定化されたバイリージョナルファイバーから活性化されたバイリージョナルファイバーを製造する方法であって、該ファイバーの酸化安定化された外側鞘の少なくとも一部分を活性化するのに十分な時間、活性化性雰囲気において約600〜約1000℃の温度で該ファイバーを加熱して、活性化された炭素質構造を形成する段階を含むところの方法。
【請求項１０】
熱可塑性ポリマー組成物の内側コアと炭化された外側鞘領域とを有するバイリージョナルファイバーから活性化されたバイリージョナルファイバーを製造する方法であって、該ファイバーの炭化された外側鞘の少なくとも一部分を活性化するのに十分な時間、活性化性雰囲気において約600〜約1000℃の温度で該ファイバーを加熱して、活性化された多孔性炭素質構造を形成する段階を含むところの方法。
【請求項１１】
活性化性雰囲気が二酸化炭素であって、孔が6オングストローム以下の寸法を有する、ファイバーの外側鞘における多孔性炭素質構造を形成するところの請求項9記載の方法。
【請求項１２】
活性化性雰囲気がスチームであって、孔が6オングストロームより大きい寸法を有する、ファイバーの外側鞘における多孔性炭素質構造を形成するところの請求項9記載の方法。
【請求項１３】
バイリージョナルファイバーが、二酸化炭素とスチームとの混合物を含む雰囲気下に加熱されて、孔が、0オングストロームより大きく20オングストロームまでの寸法を有する孔の複合的分布を有するところの多孔性構造を形成して、ファイバーの外側領域を活性化するところの請求項9記載の方法。
【請求項１４】
活性化性雰囲気が二酸化炭素であって、大部分の孔が6オングストローム以下の寸法を有する、ファイバーの外側領域における多孔性炭素質構造を形成するところの請求項9記載の方法。
【請求項１５】
活性化性雰囲気がスチームであって、孔が6オングストロームより大きい寸法を有する、ファイバーの外側領域における多孔性炭素質構造を形成するところの請求項9記載の方法。
【請求項１６】
バイリージョナルファイバーが、二酸化炭素とスチームとの混合物を含む雰囲気下に加熱されて、孔が、0オングストロームより大きく20オングストロームまでの寸法を有する孔の複合的分布を有するところの多孔性構造を形成して、ファイバーの外側領域を活性化するところの請求項9記載の方法。
【請求項１７】
ウール様毛羽、全体的に平面の不織シート、ウェブ、フエルト又は原綿、圧縮成形されたパネル、織物又は編物の形態における、多数の無秩序に絡まりあった、活性化されたバイリージョナルファイバーを含む物品。
【請求項１８】
多数の活性化されたバイリージョナルファイバーが、ガス混合物の分離において使用するためのフエルト、及び燃料電池用水素又は他のガスの貯蔵用に使用するためのフエルトであるところの請求項17記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性ポリマーコアの内側領域と活性化された外側鞘とを有する耐燃焼性の活性化されたバイリージョナルファイバー(bioregional  fiber)に関する。
【０００２】
本発明はまた、活性化された炭素質物質の外側鞘領域により囲まれた、熱可塑性ポリマーコアの内側領域を含む、活性化されたバイリージョナルファイバーを製造する方法に関する。該活性化されたバイリージョナルファイバーは、熱可塑性ポリマーコアの内側領域及び酸化安定化された外側鞘領域を含むところの酸化安定化されたバイリージョナルファイバーから誘導される。本発明の方法において、酸化安定化されたバイリージョナルファイバーは、比較的高温及び外側鞘領域を活性化するために十分な時間で活性化するガスにさらされる。
【０００３】
本発明はまた、熱可塑性ポリマーコアの内側領域及び炭素質鞘の外側領域を含むバイリージョナルファイバーから誘導される、活性化されたバイリージョナルファイバーの製造方法に関する。本発明の方法において、バイリージョナル炭素質ファイバーは、比較的高い温度及び外側鞘領域を活性化するために十分な時間で活性化するガスにさらされる。活性化されたバイリージョナルファイバーは、熱可塑性ポリマーコアの内側領域と活性化された炭素物質の外側鞘領域とを有する。
【背景技術】
【０００４】
酸化安定化されたバイリージョナルファイバー及びその製造方法は、Francis P.  McCulloughの1998年6月9日に発行された米国特許第5,763,103号明細書から公知であり、ここで、該公報の内容はその全体が本明細書に組み込まれる。該特許は、同種ポリマー組成物から製造されるところの酸化安定化されたバイリージョナルファイバーを開示しており、ここで、該ファイバーの外側鞘部分が酸化安定化される一方、該ファイバーの内側コアは熱可塑性ポリマー状態のままである。該特許は、現在、1997年12月23日に発行された特許第5,700,573号であるところの出願番号第428,691号の分割出願である。
【０００５】
Francis P.  McCulloughの1997年12月23日に発行された米国特許第5,700,573号明細書は、同種ポリマー組成物から製造されるところのバイリージョナル炭素質ファイバーを開示しており、ここで、ポリマー状物質の外側ファイバー部分は酸化安定化されて、そして次いで、炭化されて、熱可塑性の内側コアと熱硬化性又は炭化された外側鞘とを有するファイバーを形成する。この特許の内容はその全てが本明細書に組み込まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本明細書において使用される術語「バイリージョナルファイバー」は通常、熱可塑性ポリマー組成物の内側コアと、上記に開示されかつ特に引用されたMcCulloughの特許において開示された方法に従って酸化安定化され又は炭化され得るところの周囲の外側鞘とを有するファイバーにあてはまる。酸化安定化されたバイリージョナルファイバー及びバイリージョナル炭素質ファイバーについての広い定義はまた、本発明の活性化されたバイリージョナルカーボンファイバーにあてはまり、ここで、内側コアがまた、熱可塑性ポリマー組成物を含む一方、しかし、周囲の外側鞘は活性化された炭素質物質を含む。
【０００７】
本明細書において使用される術語「活性化された」は、著しく拡張された表面積を有する炭素質物質を言う。該物質は、「活性炭」物質と類似して挙動し、ここでこれは、多くのガス、蒸気及びコロイド状固体のための高吸収率を有することを特徴とする。Hawleys Condensed Chemical Dictionary, Eleventh Ed.を参照せよ。より詳細には、当業者に公知の活性炭は粒子又はファイバー全体を炭化かつ活性化されるのに対して、本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーは、鞘において高表面積及び高多孔度を有するが、コアにおいて活性化又は炭化されない。従って、本発明の活性化されたファイバーは、活性炭と同様に挙動するが、即ち、それは吸収性であるが、該ファイバーが、活性炭粒子よりはるかに小さく、かつ単位重量当りのより容易に接触し得る分散された表面を与え得る故に、反応速度においてはるかに速い。より重要なことには、本発明の活性化されたファイバーは、本発明のファイバーが熱可塑性ポリマー組成物の内側コアを有するバイリージョナルである故に、非常に可とう性でありかつ公知の活性化されたカーボンファイバーのように脆くない。
【０００８】
本明細書において与えられる全てのパーセンテージは、別の方法で特定されていない限りは、「重量パーセント」におけるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
酸化安定化又は炭化されたバイリージョナルファイバーの外側表面領域が、ファイバーの直径に依存して、約50m2/グラム(平方メートル/グラム)から約2000m2/グラム超までの、著しく大きい表面積を有する高多孔構造を与えるように活性化されるところのバイリージョナルファイバーを提供することが本発明の目的である。
【００１０】
酸化安定化されたバイリージョナルファイバーが、その外側領域(鞘領域)において活性化されて、活性化された炭素質物質の外側鞘領域により囲まれている熱可塑性ポリマー組成物の内側コア領域を有するファイバーを形成するところの製造方法を提供することが本発明の他の目的である。
【００１１】
バイリージョナルファイバーの外側領域が部分的に又は全体的に炭化されているところのバイリージョナルファイバーを活性化することがまた本発明の範囲内である。活性は、酸化安定化されたバイリージョナルファイバーに関して述べられたと同一の条件下に達成される。
【００１２】
一つの熱可塑性ポリマー組成物が内側コアとして押出され、かつ他の相溶するポリマー組成物が、それが該コアを取り囲んで該ファイバーの外側鞘を形成するように押出されるところの、2以上の共押出された相溶性ポリマー組成物を含むバイリージョナルファイバーを活性化することがまた、本発明の範囲内である。バイリージョナルポリマーファイバーは次いで酸化安定化そして活性化され、又は任意的に、炭化されてそして次いで活性化される。
【００１３】
ウール様毛羽、全体的に平面の不織シート、ウェブ、フエルト又は原綿(batting)、圧縮成形されたパネル、織物又は編物等の形態の物品に、多数の活性化されたバイリージョナルファイバーから形成することがまた、本発明の目的である。好ましい実施態様において、該ファイバーは、ガスの貯蔵、例えば、燃料電池用水素の貯蔵に使用するために特に適合されるところのフエルトの形態である。該フェルトのための他の最終用途はガス混合物の分離においてである。
【００１４】
更に、活性化されたファイバーを、当業者に公知の任意の多くの活性増強剤、例えば、銀塩及び他の遷移金属イオン塩、ハロゲン、第4級塩を含む有機化合物、オルガノシリコーン化合物により処理して、本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーの活性を増強することがまた、本発明の範囲内である。
【００１５】
上記に特に列挙されていない、本発明の更なる目的は、本発明の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
アクリルファイバーの酸化安定性の程度は、(横断面において見るとき)外側部分又は領域のみを酸化することにより実質的に減じられ得る一方、ファイバーの内側部分又はコアは、熱可塑性及び非安定化状態のままであることが今分かった。それ故、ファイバーの外側領域のみの安定化を達成することは、ファイバー中への酸素浸透の程度及び安定化された外側ファイバー鞘の所望の厚さに依存して、はるかに短い時間でなされ得る。典型的には、ファイバーの合計半径に対するコアの半径の比が、約1:4〜約1:1.05、好ましくは約1:3〜約1:1.12であり、かつファイバーの所望の物理的特性及び意図される用途に完全に依存する。1:4の比において、コアに相当されるところの体積%は約6体積%であり、外側鞘のために約94体積%が残ることが計算され得る。1:1.05の比において、コアに相当されるところの体積%は約91体積%であり、外側鞘のために約9体積%が残る。外側鞘の体積が好ましくは25%より小さいところの体積において、最小の酸化又は炭化処理時間を維持するために約1:1.12から1:1.15より小さい比を示すところの比を維持することが通常好ましい。
【００１７】
F.  P.  McCulloughに発行された上記特許に記載されているように、酸化的に安定化されたファイバーは、不活性雰囲気において、かつ炭素質鞘の外側領域を形成し、従ってバイリージョナル炭素質ファイバーを形成するのに十分な時間で加熱処理される。
【００１８】
既に示されたMcCulloughの米国特許から、酸化安定化された又は炭化されたバイリージョナルファイバーを作るために適切に使用され得るところのポリマー状物質は、可とう性のバイリージョナルファイバーを形成するために安定化されかつ炭化され得るところの任意の周知のポリマーを含む。そのようなポリマー状物質の例は、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリ塩化ビニリデン、及びポリアクリロニトリルのコポリマー及びターポリマーである。他の周知のポリマー状物質は、ポリアミド(KEVLAR(商標)、p‐アラミド)、ポリベズイミド樹脂、SARAN(商標)等を含む。熱処理が任意の抽出可能な多環芳香族を残さない限り、特定の不純物又は添加物を含むメソフェースピッチ(石油又は石炭タール)がまた適切に採用され得る。好ましくは、ポリマー状前駆体物質は、(下記において定義されるような)アクリル又はサブアクリルポリマーである。
【００１９】
先行技術及び米国連邦取引委員会(Federal Trade Commission)により強制された、承認された標準において、術語「アクリル(acrylic)」は、少なくとも85モル重量%のアクリロニトリル単位及び15モル%より少ない他のポリマーから成る任意の長鎖合成ポリマーに適用される。これらのアクリル物質から作られるファイバーは通常、湿式紡糸され、かつ円形横断面を有するファイバーに限定される。バイリージョナルファイバーを製造することにおいて選択される物質であるアクリルポリマーは、下記のもの、即ち、アクリロニトリルに基づいたホモポリマー、アクリロニトリルに基づいたコポリマー及びアクリロニトリルに基づいたターポリマーの一つ以上から選ばれる。コポリマーは典型的には、少なくとも約85モル%のアクリロニトリル単位及び最大15モル%の一つ以上のモノビニル単位を含み、該モノビニル単位は、アクリロニトリルと共重合し得、かつ例えば、メタクリル酸エステル及びアクリル酸エステル、例えば、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、ブチルメタクリレート、メチルアクリレート及びエチルアクリレート;ビニルエステル、例えば、ビニルアセテート及びビニルプロピオネート;アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸及びそれらの塩;ビニルスルホン酸及びその塩を含む。
【００２０】
可とう性のバイリージョナルファイバーはまた、85モル%より少ないアクリル単位の他、15モル%より多い上記のモノビニル単位を含む、それで重合されたコポリマー及びターポリマーより成る群から選ばれる長鎖ポリマーより成るところのサブアクリル前駆体から作られ得る。サブアクリルポリマー中に存在し得るところの可塑材の量は、好ましくは15重量%より大きく約25重量%までである。しかし、35モル%ほどのモノビニル単位がアクリル単位と混合されることができて、該ブレンドを一つ又は複数の押出ノズルを通してより容易に溶融押出可能にすると同時に、該ポリマーブレンドは加熱軟化された状態にある。そのように押出された、加熱軟化されたフィラメントは、一方、引張の下に延伸されかつ細くされ得て、標準のアクリル樹脂から作られた押出されたファイバーと比較して比較的小さな径を有する(即ち、重量に関してファイバーの単位長が増大されるところの)より細いデニールファイバーを形成する。サブアクリルポリマーは好ましくは、非円形断面を有するフィラメントを押し出すことにおいて使用され得る。
【００２１】
可塑材は、ポリマー分子の内部変性(溶媒和)により最終生成物の処理を促進するため及び可とう性及び靭性を増大するために高重合物に添加され得又はブレンドされ得るところの任意の有機化合物であり得る。適切な可塑材は、例えば、塩化ビニル、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル及びセルロースエステル、フタレート、アジペート、並びにセバシン酸エステル、ポリオール、例えば、エチレングリコール及びその誘導体、トリクレジルホスフェート、ひまし油等を含む。
【００２２】
本発明の方法において使用される手順に従って、McCulloughの米国特許第5,763,103号明細書に記載された方法により作られた、酸化安定化されたバイリージョナルファイバーは、活性化するガスを含む高温炉を通過される。該炉は、約600℃〜約1000℃の温度に維持される。ファイバーは、ファイバーの外側の酸化安定化された領域の少なくとも一部分を活性化するために十分な時間炉に滞留され、それにより、ファイバーの直径に依存して、約50m2/グラム(平方メートル/グラム)から約2000m2/グラム超までの、著しく大きい内部表面積を有する多孔性構造、例えば、蜂の巣様構造を形成する。処理の温度及び時間は、ファイバーの直径及び活性化のために選ばれたガスに幾分依存する。活性化された炭素物質を作ることにおいて有用であるべき当業者に公知の任意の活性化するガスは、本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーを製造するために使用され得る。活性化するガスは好ましくは、スチーム、二酸化炭素、又はこれらの混合物から選択される。活性化するガスの選択は、所望される多孔性の内部表面のタイプに依存する。従って、もし、活性化するガスが二酸化炭素(CO2)であるなら、大部分の孔は比較的小さくかつ直径において6オングストローム以下のオーダーである。もし、活性化するガスがスチームであるなら、6〜20オングストロームのオーダーにおけるより大きな孔及び20〜1000オングストローム範囲における有意数の孔さえある。もし、二つのガスの混合物が使用されるなら、より大きな孔内に分布された多数の小さな直径の孔からなり、従って、孔直径の組み合わせを形成するところの、複雑な分布の孔が生ずる。当業者に周知の他の活性化するガスがまた、本発明の方法に使用され得る。他の周知のガスの例はCO及び酸素を含む。
【００２３】
本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーは、バッチ又は好ましくは連続法で形成されることができ、ここで、活性化するガスの動的流れ及び時間及び温度は、活性化プロセスにおいて製造されるところの孔の全表面積及び相対分布、寸法及び性質に影響を与える。活性化は、個々のファイバー又はファイバーアセンブリーにおいて実行され得、その例は布、フエルト、原綿(batting)、ウエブ等である。もし、連続法が使用されるなら、ファイバーの外側領域の活性化は容易に制御される一方、影響を受けない、即ち、熱可塑性条件における内側コア領域を保持する。現在、活性化された粒子又はファイバーは、それらが非常に脆くかつもしそれが粗雑に取り扱われるなら、特に、もし、例えば、織機においてファイバーを加工することが所望されるなら、容易に破損し又は砕けるであろうような全体的に活性化された炭素である。それらはまた、通常の使用において容易に劣化するであろう。従って、本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーは、ファイバーにおける熱可塑性物質(組成物)の可とう性の内側コアの存在のためにファイバーの破損なしに織機において織物の製造を可能にする。
【００２４】
活性化されたバイリージョナルファイバーは、酸化安定化されたバイリージョナルファイバーから製造され得るばかりではなく、炭化された又は部分的に炭化されたバイリージョナルファイバーからも製造され得る。ここで、内側コアは熱可塑性組成物である一方、外側鞘領域は部分的に又は全体的に炭化されている。全体的に炭化されることは、外側領域の炭素含有量は96%より大きいことを意味し、ここで、それは黒鉛化されているが、内側の熱可塑性コアの存在のために未だ可とう性のままである。本発明の活性化されたバイリージョナルカーボンファイバーは、約0.5〜1.8グラム/cm3の密度を有する。
【００２５】
本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーは、多数の物品、例えば、織物又は不織布、編物又はフエルト、例えば、スタックガスからの有害なガスの除去におけるような空気及び水の精製、溶剤回収におけるような種々のタイプのフィルターを含むエンジニアリング繊維、天然ガス精製、電気メッキ、空調のための触媒等において使用され得る。
【００２６】
本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーの主な利点は、それらが、例えば、4〜50μmの小さなファイバー直径にために顆粒に比較して非常に迅速な反応速度を有することである。活性化されたバイリージョナルファイバーの更なる利点は、それらが、不燃性であり、かつもし吸収されるなら非毒性であることである。
【００２７】
ファイバーのコアが一つのポリマーから形成される一方、ファイバーの外側鞘が他のポリマーにより形成されるように異なる組成の二つ以上のポリマーを共押出することが、また意図されかつ本発明の範囲内である。そのようなバイポリマーファイバー(bipolymeric  fiber)の外側鞘は次いで、酸化的に安定化され又は炭化され得、そして次いで、本発明の手順に従って活性化される。例のために、内側のポリマー状コア物質は、所望の物理的特性、例えば、高強度、透明度等を持つファイバーを提供するために、例えば、Kevlar(商標)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリカーボネート、ポリプロピレン、エチレンアクリル酸、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のような当業者に公知の任意の種々のポリマーから選ばれ得る。バイポリマーファイバーの製造のための先行条件は、異なるポリマーが相溶性であり、類似したメルトインデックス値を有しており、かつそれらがそれらの接触面で互いに接着するであろうことである。もし、メルトインデックス値が非類似なら、相溶するポリマーの中間層が内側コアと外側鞘のポリマーとの間に共押出され得る。このように共押出されたファイバーは、酸化的に安定化及び熱処理され得て、外側鞘を炭化する。
【００２８】
可とう性のバイリージョナルファイバーはまた、より容易にかつ実質的により低い製造コストで未濾過のポリマー状物質、例えば、約0.1ミクロンより小さい、好ましくは0.001ミクロンより小さい直径を有する、約0.0001〜約5重量%の粒状物を含み得るところのアクリル又はサブアクリルポリマーから作られ得る。サブミクロン粒子は本来、任意のポリマー状物質中に存在し、そして従って、また、例えば、織物物品の製造に使用するためのファイバーを形成するために押出されるところのポリマー状物質中に存在するであろう。これらの粒子は通常、有機又は無機物質であり、これは、ポリマー状溶融物又はドープ中で不溶である。本明細書において使用される術語「未濾過」は、溶融相におけるときかつ製造の間に、ポリマー状物質からの不純物、例えば、非ポリマー状含有物を取り除くために通常のミクロ濾過手順に付されないところのポリマー状物質に適用される。
【００２９】
本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーは本質的に連続であり、即ち、それは任意の所望の長さに作られることができ、それは本質的に(即ち、慣用の様式においてけん縮された(crimp))線形又は非線形であり、かつ剪断力に耐えるためのはるかに大きな能力を有し、脆くなく、かつ0.01%より大きく50%より小さく、好ましくは約0.1〜約30%の曲げ歪値を有するところのファイバーにそれ自体をするところの高度の可とう性を有する。これらの性質は、活性化されたバイリージョナルファイバーが、多くの異なるタイプの適用、例えば、原綿、ウェブ等における使用のために種々のアセンブリー又は構成に形成されることを可能にする。対照的に、高モジュラスを持つ慣用の炭素又は黒鉛ファイバーの曲げ歪値は実質的に、0.01%より小さく、かつしばしば0.001%より小さい。本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーは50ミクロンの直径を有することができるけれども、ファイバーの直径が通常、その表面積に比例する故、約6〜約30ミクロン、好ましくは約15〜約25ミクロンの比較的小さな直径のファイバーを形成することが好ましい。本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーは好ましくは、ガラス及び慣用のカーボンファイバーのために見出されるところの破壊ねじり角度より大きく、かつ先行技術の活性化されたカーボンファイバーのために見出されるところの典型的には2度より小さいところの破壊ねじり角度よりはるかに大きいところの4〜20度の破壊ねじり角度を有する。
【００３０】
本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーは好ましくは、下記の物理的性質の基準を有しなければならない。即ち、
(1)  約1:4〜約1: 1.05、好ましくは約1:3〜約1:1.12のファイバーの合計半径(R)に対するコア領域の半径(r)の比(r:R)
(2)  約0.5〜約1.8グラム/cm3の典型的な密度、しかし、ファイバーの密度は、ファイバー直径(R)に対するコア領域の半径(r)の比(r:R)に依存する。
(3)  100:1より大きいアスペクト比(該アスペクト比は本明細書において、活性化されたバイリージョナルカーボンファイバーの長さ対直径1/dとして定義される)、及び約1〜約50ミクロン、好ましくは約6〜約30ミクロン、より好ましくは約15〜約25ミクロンのファイバー直径
(4)  活性化されたファイバーの直径に幾分依存する、50m2/グラムから2000 m2/グラム超までの、バイリージョナルファイバーの活性化された表面積に関する内部表面積
(5)  活性化されたバイリージョナルカーボンファイバーの孔構造の大部分が、0オングストロームより大きく20オングストロームまでの直径を有する。
(6)  本出願において開示された組成物のポリマー状ファイバーを紡糸するためのプロセス条件は通常公知である。通常、ポリマー状ファイバーは、酸化性雰囲気において約150〜300℃の温度で安定化チャンバー内で酸化的に安定化される。ファイバーの酸化時間は、1時間未満であり、好ましくは30分未満である。そのようにして製造された酸化安定化されたバイリージョナルファイバーは、熱可塑性ポリマーの内側コアと酸化された鞘の明確に目視的に認識し得る領域を示すであろう。
(7)  ファイバーは、40より大きなLOIを有する耐燃焼性であり、かつ不燃性である。
(8)  約4〜約20度の破壊ねじり角度
(9)  約0.01〜約50%、好ましくは約0.1〜約30%の曲げ歪値
【００３１】
公知の方法に従って、酸化安定化されたバイリージョナルファイバーは任意的に、より高温でかつ非酸化性雰囲気において炭化処理に付される。酸化安定化されたバイリージョナルファイバーのための炭化時間は、種々の因子、例えば、ファイバー直径等及び所望の炭化度に依存して、約5分間未満、好ましくは約45秒間〜3分間である。
【００３２】
本発明の活性化されたバイリージョナルファイバーは、ウール様毛羽、全体的に平面の不織シート、ウェブ又は原綿、圧縮成形されたパネル、織物又は編物等の形態における多数の無秩序に絡まりあったファイバーから成る種々のアセンブリーに形成され得る。
【００３３】
孔寸法分布、表面積、高温安定性及びガスとの迅速な反応速度により、本発明の活性化されたファイバーは、現在、ゼオライト及びカーボンモレキュラーシーブによりなされているような、ガス混合物の分離、及びガス、例えば、燃料電池適用のための水素の貯蔵のためのプロセスにおいて使用されて、改善された安全性、経済性及び性能を与え得る。
【００３４】
実施例1
約94%のアクリロニトリル、4%のメタクリレート及び約2%のイタコン酸を含むアクリルファイバーの400kトウが、慣用の湿式紡糸法により作られる。アクリルファイバーは、4.5の平均デニール及び21.5ミクロンの直径を有する。該ファイバートウは次いで、ファイバーの外側の部分を酸化しそしてバイリージョナルファイバーを形成するために十分な温度及び時間で引張りながら空気の動的流れ中で酸化安定化される。得られた酸化安定化されたバイリージョナルファイバーの密度は、1.34グラム/cm3である。該ファイバーは切断され、かつ偏光顕微鏡下に分析され、そして黒色の酸化安定化された、熱可塑性外側鞘と、半透明の明るい色の内側の、酸化されていない熱可塑性コアとの間の明らかな相違を示す。ファイバーの酸化された外側の鞘は、断面において見るとき、酸化されていないコアから境界又は切れ目により物理的に分離されない。コア半径対ファイバー半径の比は測定されそして1:1.22に決定される。破壊ねじり角度は15.5に決定された。該ファイバートウはストリームけん縮機においてけん縮され、そして75mmのステープル長に切断される。切断された酸化安定化されたバイリージョナルファイバーはカードされ、そして4オンス/yd2のニードルパンチドフエルト(「NPF」)にニードルされる。
【００３５】
二つの活性化手順が上記のフエルトに実行される。即ち、
(a)フエルトは、10分間O2を含まないN2雰囲気下に室温で管状炉の加熱領域の外側に適所に据えられ、次いで、約30分間緩められかつ応力のない条件において820℃の温度でCO2の動的流れにおける加熱チャンバーに該フエルトを導入することにより活性化される。得られた、活性化されたバイリージョナルファイバーの活性化されたフエルトは、500m2/グラムの窒素測定された表面積、0.220cc/グラムの合計水銀孔体積(20〜1000オングストローム幅)、0.208cc/グラムの細孔体積(0オングストロームより大きく20オングストロームまでの幅)を持ち、0.193cc/グラムの狭い細孔(0オングストロームより大きく6オングストロームまでの幅)、及び0.015cc/グラムの広い細孔(6〜20オングストローム)より成るファイバーを含む。
【００３６】
活性化されたバイリージョナルファイバーは、10,000:1より大きいアスベクト比及び20ミクロンの見掛けのファイバー直径を有する。該ファイバーは、耐燃焼性、不燃性及び可とう性であり、0.1%の曲げ歪値、0.8グラム/cm3の密度、5.5の破壊ねじり角度、及び40より大きいLOIを有する。偏光顕微鏡下における単一のファイバーの断面積の分析は、黒色の熱硬化性の炭素質外側鞘と半透明の明るい色の内側の、酸化されていない熱可塑性コアとの間の明らかな目視的相違を示す。ファイバーの炭化された外側鞘は連続しており、かつ断面において見られるとき、境界又は切れ目により熱可塑性コアから物理的に分離しない。
【００３７】
(b)もう一つの実験において、ニードルパンチドフエルト(NPF)は、約25分間管状炉中で875℃に温度でCO2の動的流れにおいて活性化される。得られた、バイリージョナルファイバーのフエルトは、800m2/グラムの窒素測定された表面積、0.348cc/グラムの合計水銀孔体積(20〜1000オングストローム幅)、0.331cc/グラムの細孔体積(0オングストロームより大きく20オングストロームまでの幅)を持ち、0.290cc/グラムの狭い細孔(0オングストロームより大きく6オングストロームまでの幅)、及び0.041cc/グラムの広い細孔(6〜20オングストローム)より成るファイバーを含む。
【００３８】
実施例2
実施例1のニードルパンチドフエルト(NPF)は、5分間860℃でスチームの動的流れにより活性化に付される。得られた、バイリージョナルファイバーのフエルトは、525m2/グラムの窒素測定された表面積を持つファイバーを含む。合計孔体積は0.254cc/グラムであった。細孔体積(0オングストロームより大きく20オングストロームまで)は0.225cc/グラムであり、0.188cc/グラムの狭い細孔(0オングストロームより大きく6オングストロームまで)、0.037cc/グラムの広い細孔(6〜20オングストローム)及び0.029cc/グラムのメソ孔(20〜500オングストローム幅)を伴っていた。
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月13日(2008.2.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウール様毛羽、全体的に平面の不織シート、ウェブ、フエルト又は原綿、圧縮成形されたパネル、織物又は編物の形態における、多数の無秩序に絡まりあった、活性化されたバイリージョナルファイバーを含む物品。
【請求項２】
多数の活性化されたバイリージョナルファイバーが、ガス混合物の分離において使用するためのフエルト、及び燃料電池用水素又は他のガスの貯蔵用に使用するためのフエルトであるところの請求項１記載の方法。