(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メラミン樹脂の発泡体を材質とする基材(12)と、該基材(12)の内外表面に全体的に付与し乾燥させた所要の樹脂の被覆層(14)とからなる被覆発泡体(16)を無酸素雰囲気中で加熱して炭化させた炭素化フォームであって、
前記被覆層(14)は、前記所要の樹脂に熱風乾燥による外部加熱と、マイクロ波加熱または高周波加熱による内部加熱とが同時に実施されて、全体が均一に乾燥し、かつ均質になっている
ことを特徴とする炭素化フォーム。
【請求項２】
前記所要の樹脂は、熱硬化性樹脂である請求項１記載の炭素化フォーム。
【請求項３】
前記外部加熱がなされる部位の温度と、内部加熱がなされる加熱される部位の温度との差が１０℃以内に設定される請求項１または２記載の炭素化フォーム。
【請求項４】
メラミン樹脂の発泡体を所要形状に成形した基材(12)を準備し、
前記基材(12)の内外表面に所要の樹脂を全体的に付与し乾燥することで、該内外表面の全体に被覆層(14)が形成された被覆発泡体(16)とし、
前記被覆発泡体(16)を無酸素雰囲気中で加熱して炭化させる炭素化フォームの製造方法であって、
熱風乾燥による外部加熱と、マイクロ波加熱または高周波加熱による内部加熱とを同時に実施することで前記所要の樹脂を乾燥させ、これにより前記被覆層(14)の均一な乾燥と均質性とを確保するようにした
ことを特徴とする炭素化フォームの製造方法。
【請求項５】
前記所要の樹脂として、熱硬化性樹脂が使用される請求項４記載の炭素化フォームの製造方法。
【請求項６】
前記外部加熱がなされる部位および内部加熱がなされる部位の温度差が１０℃以内になるよう制御される請求項４または５記載の炭素化フォームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、メラミン樹脂を材質とする発泡体の内外表面に付与した熱硬化性樹脂を乾燥させる工程に配慮することで、均質な被覆層が形成された炭素化フォームと、該炭素化フォームを製造する方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に高い耐熱性または耐薬品性を発現し得るフィルタとして、構成元素が炭素だけである、所謂炭素化フォームが好適に使用されている。
【０００３】
前記炭素化フォームは、その使用用途により該フォームの気泡径が制御可能な樹脂発泡体が用いられることが一般的であった。しかし前記樹脂発泡体は、炭化収率、すなわち炭化率が低く、このために加熱により収縮してしまう等の欠点が指摘される。この欠点を解消すべく、特開平６−３２６７７号公報に記載の如く、該樹脂発泡体に所要の樹脂を含浸させることで、該樹脂発泡体炭化時の形状補強を達成し、これにより前記収縮を回避する方法が提案されている。
【０００４】
この炭素化フォームの製造は、基材となるべき所要の樹脂発泡体に、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂またはフェノール樹脂等の樹脂を通常の方法で含浸させ、これに加熱処理を加えて該樹脂を乾燥させた後に炭化処理を行なうことで実施される。前記樹脂発泡体に含浸させた各種樹脂を乾燥させる方法としては、例えば熱風炉等を使用した所謂外部加熱や、マイクロ波加熱等を使用した所謂内部加熱といった従来公知の方法が採用可能である。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、前記基材の材質として、細かい骨格を形成し得るメラミン樹脂を原料としたメラミン発泡体を用いた場合、前述の乾燥方法を使用すると以下の点が問題として指摘される。すなわち前記外部加熱法を例に取れば、外部加熱により乾燥を行なった場合には、図５に示す如く、所要の樹脂を含浸済みの基材１２の外部表面から乾燥が順次開始され、内部に未乾燥状態の含浸された樹脂が時間の経過と共に徐々に乾燥していくことになる。この際、加熱により乾燥する乾燥部位(Ａ)と、加熱の及ばない未乾燥部位(Ｂ)との間を加熱境界(図５(ｂ)参照)として、乾燥途中で該未乾燥部位(Ｂ)の未乾燥状態の樹脂が、該乾燥部位(Ａ)の乾燥状態となった被覆層１４上に移動してしまい、その結果内部と外部とで該被覆層１４の被覆厚に差が生じる。この被覆厚の差により、最終的に得られる炭素化フォームに気泡径および骨格太さ、すなわち機械的強度にばらつきが生じて、均質な該炭素化フォームが得られない。
【０００６】
また場合によっては前記基材１２の骨格間に膜が生成され、該基材１２が有する特徴の一つである小さい圧力損失が損なわれると共に、骨格の被覆層が想定した厚さに達せず強度が低下してしまう畏れもある。なおこの現象は内部加熱法を採用した際にも発生し、この場合、内部側から乾燥が進行するため、内部側ほど気泡径が小さく、かつ機械的強度が大きい一方、外部側ほど気泡径が大きく、かつ機械的強度が小さい炭素化フォームとなってしまう。
【０００７】
この乾燥方法による外部および内部の被膜厚の偏りは、以下のような機構で生じると推察される。すなわち基材１２となるメラミン発泡体は前述の如く、その骨格が非常に細いため、乾燥の完了した部位(Ａ)では該骨格表面が細管の役目を果たし、他の部位(Ｂ)の未乾燥状態、言い換えると液状である樹脂が該細管の毛管現象により移動してしまう(図５(ｃ)参照)、というものである。
【０００８】
【発明の目的】
この発明は、前述した従来技術に係る炭素化フォームおよびその製造方法に内在していた欠点に鑑み、これを好適に解決すべく提案されたものであって、基材であるメラミン発泡体の内外表面に所要の樹脂を付与し、該所要の樹脂を乾燥させて被覆層を形成する際の乾燥方法として、外部加熱と内部加熱とを併用することで、該所要の樹脂の乾燥を均一に行ない、部位により気泡径および機械的強度のばらつきのない均質な炭素化フォームと、これを製造する方法とを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため本願の発明に係る炭素化フォームは、
メラミン樹脂の発泡体を材質とする基材と、該基材の内外表面に全体的に付与し乾燥させた所要の樹脂の被覆層とからなる被覆発泡体を無酸素雰囲気中で加熱して炭化させた炭素化フォームであって、
前記被覆層は、前記所要の樹脂に熱風乾燥による外部加熱と、マイクロ波加熱または高周波加熱による内部加熱とが同時に実施されて、全体が均一に乾燥し、かつ均質になっていることを特徴とする。
【００１０】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため本願の別の発明に係る炭素化フォームの製造方法は、
メラミン樹脂の発泡体を所要形状に成形した基材を準備し、
前記基材の内外表面に所要の樹脂を全体的に付与し乾燥することで、該内外表面の全体に被覆層が形成された被覆発泡体とし、
前記被覆発泡体を無酸素雰囲気中で加熱して炭化させる炭素化フォームの製造方法であって、
熱風乾燥による外部加熱と、マイクロ波加熱または高周波加熱による内部加熱とを同時に実施することで前記所要の樹脂を乾燥させ、これにより前記被覆層の均一な乾燥と均質性とを確保するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る炭素化フォームおよびその製造方法につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。本願の発明者は、メラミン樹脂を原料とする発泡体(以下、メラミン発泡体と云う)を材質とする基材に対して、所定の樹脂を付与・乾燥させる際の乾燥の際、外部加熱および内部加熱を併用する方法を採用することで、最終的に無酸素雰囲気(後述)下で熱処理を施して炭化することで得られる炭素化フォームの骨格が均一になり、気孔径および機械的強度等の諸物性が均質となることを知見したものである。なお本発明で云う「無酸素雰囲気」とは、例えばアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気、還元雰囲気または酸素が存在しても、加熱により燃焼が促進されず炭化体が得られる程度の雰囲気を云う。
【００１２】
本発明の好適な実施例に係る炭素化フォーム１０の基となる被覆発泡体１６は、図１に示す如く、メラミン発泡体の基材１２と、この基材１２の所要の内外表面、すなわち該発泡体を形成する骨格の内表面および外表面を被覆する所要の樹脂からなる被覆層１４から構成される。そして前記炭素化フォーム１０は、被覆発泡体１６を無酸素雰囲気下で熱処理を施すことで炭化されて得られる。
【００１３】
また実施例に係る炭素化フォーム１０の製造方法は、図２に示す如く、基材作製工程Ｓ１、被覆層形成工程Ｓ２、被覆層乾燥工程Ｓ３、炭化工程Ｓ４および仕上工程Ｓ５からなる。また前記被覆層乾燥工程Ｓ３および炭化工程Ｓ４の間に、加熱状態化で所定倍率で熱プレスを施す熱プレス工程Ｓ６を行なうことで、最終的に得られる炭素化フォームの気泡径を、前記基材１２の気泡径以下の任意径に制御し得る。
【００１４】
前記基材作製工程Ｓ１で作製される基材１２の原料としてはメラミン樹脂が採用されているが、該メラミン樹脂を採用することで得られる基材１２には、▲１▼非常に細い骨格故の小さい圧力損失、▲２▼加熱した際に骨格表面に造膜がなされず気泡の連通状態を維持したまま炭化が可能、すなわち連通度が低下しない、といった特徴がある。
【００１５】
前記基材製造工程Ｓ１における発泡・硬化は、具体的には、フリーライズ、所謂スラブ成形や、所要型に従来公知のメラミン発泡体の原料を注入し、クランプ等により密閉させて加熱またはマイクロ波の照射等、従来公知の適宜手段により該原料を発熱・発泡成形し、硬化させる方法が採用される。
【００１６】
前記基材１２としては、メラミン樹脂を原料として発泡させた多孔質のメラミン発泡体が使用される。前記メラミン発泡体は、主原料であるメラミンに対して、ホルムアルデヒドと、発泡剤、触媒および乳化剤等の添加剤とを配合・充分に混合し、所要形状に発泡成形後に硬化させることで得られる。また気泡率等の物性において、使用されるに充分な数値を満足しているものであれば、市販のメラミン発泡体であっても基材１２として採用し得る。この場合、前記基材製造工程Ｓ１は省略される。
【００１７】
次いで実施される被覆層形成工程Ｓ２は、前記基材作製工程Ｓ１で作製された基材１２の内外表面、すなわち骨格に対して被覆層１４を形成する段階である。具体的には所要の樹脂を所定の方法により付与することで形成される。
【００１８】
前記所要の樹脂を付与する具体的な方法としては、含浸、スプレーコーティング、ロールコーティングまたはフローコーティング等の従来公知の何れの方法であっても採用可能である。なお付与に先立ち、前記樹脂を希釈化する等の前処理を施して付与性を高めてもよい。殊に前記基材１２の内外表面に対して均一に付与が可能で、かつ目付量が容易に制御可能な含浸が好適である。
【００１９】
前記被覆層１４は、前記基材１２の内外表面を被覆することで、以下の作用を発現して物性を改善・変化させるものである。▲１▼および▲２▼については熱による炭化前の被覆発泡体１６に係る内容であり、▲３▼および▲４▼については最終的に得られる炭素化フォームに係る内容となっている。
▲１▼前記被覆発泡体１６に後述する熱プレスを施すことで所望の気泡径とし得るが、この際、メラミン発泡体からなる基材１２だけでは該熱プレス後に元の大きさ・形状に復元してしまう。そこで前記被覆層１４を付与し、熱プレスを施す際の処理温度を該被覆層１４を形成する熱硬化性樹脂(後述)の熱硬化温度以上として、該熱プレス後の形状を保持し得るようにする。なおこの際の復元の度合いを示す復元率は小さいほどよいが、３％前後以下であれば大きな影響を及ぼさないことが経験的に知られている。
▲２▼前記基材１２はメラミン樹脂を原料としたメラミン発泡体であるが、該発泡体は炭化を行なう際の加熱で大きく収縮する、すなわち熱収縮率が大きく、前記被覆発泡体１６から炭素化フォーム１０を作製した際の形状設計が非常に困難である。そこで前記被覆層１４を付与し、炭化の際の加熱による熱収縮を抑制させる。なおこの熱収縮の度合いを示す収縮率は、大きすぎると前述の如く形状設計が困難となり、小さすぎると本来収縮すべき基材１２に機械的な歪みが生じてしまうので、３０〜５０％程度の範囲に設定することが好ましい。
▲３▼前記基材１２を内部構造は非常に細い骨格から構成されており、機械的強度が乏しく欠損し易い。そこで前記被覆層１４を付与することで、骨格を補強して機械的強度を向上させる。
▲４▼前記被覆層１４は基材１２の骨格表面に付与されるため、該基材１２の気泡径をより小さくする。
すなわち、▲１▼〜▲３▼については前述した基材１２の材質であるメラミン発泡体の長所の裏返しである欠点をなくす作用を果たしている。
【００２０】
前記被覆層１４を形成する物質としては、前述の作用を果たす必要があるため、
(Ａ)前記基材１２が熱収縮等を起こさない温度域で、該基材１２の内外表面に付与し得るよう液状とし得るものであること。
(Ｂ)前記基材１２の材質であるメラミン発泡体よりも熱収縮率が小さいのたは同等であること。
(Ｃ)後述する熱プレスを施すことで気泡径を任意に制御する場合、前記基材１２が熱収縮を起こさない温度域で熱硬化を起こす、すなわち熱硬化温度を有する樹脂であること。
といった条件を達成する必要がある。このような条件を併有する樹脂としては、フェノール樹脂またはメラミン樹脂等の熱硬化性樹脂が好適である。
【００２１】
そして次の被覆層乾燥工程Ｓ３で前記基材１２上に付与された所定の樹脂は、該樹脂の乾燥可能温度の温度で乾燥される。この乾燥を行なわないと、後述する炭化工程Ｓ４での炭化が均一に行なわれなかったり、熱プレス工程Ｓ６が行なわれる際、樹脂から形成される被覆層１４が該熱プレスを行なうプレス機等のプレス面に付着してしまうことがあるので注意が必要である。
【００２２】
本被覆層乾燥工程Ｓ３を実施する手段としては、これまでの工程を経て得られた被覆発泡体１６を、部位による温度差を一定以下に抑えるように均一に加熱する、例えば熱風乾燥機等による外部加熱と、マイクロ波加熱または高周波加熱等による内部加熱とを同時に行なう方法が挙げられる。
【００２３】
前述した部位による温度差は、１０℃以内であれば該温度差による樹脂の毛管現象による移動を抑制し得る。温度差が１０℃を越えてしまう場合には、加熱の進行が大きい方の、すなわち温度の高い部位の樹脂の相変化(流動体から固体へ)に伴う温度の一定化により、加熱進行の小さい方、すなわち温度の低い部位における樹脂の相変化が開始されず、該両部位によって流動体状態および固体状態の樹脂が共存してしまうことになる。この状態下においては、毛管現象による樹脂の移動が発生してしまい、その結果内部構造が不均質となってしまう。
【００２４】
ここまでに施された基材作製工程Ｓ１、被覆層形成工程Ｓ２および被覆層乾燥工程Ｓ３により、前記基材１２から、炭素化フォーム１０を製造する基となる被覆発泡体１６を得ることができる。
【００２５】
前記炭化工程Ｓ４は、所定倍率でプレスの完了した被覆発泡体１６をアルゴンガス等の無酸素雰囲気下で１,０００℃程度に加熱し、炭化させる工程である。加熱温度については殊に制限はないが、炭素の昇華抑制と製造コスト等との点から３,０００℃を下回る温度域での実施が好適である。またこの温度域内であれば、温度が高いほど前記炭素の結晶化が促進され、その結果より高い機械的強度の達成が期待できる。
【００２６】
最終的に施される仕上工程Ｓ５では、前記炭素化フォーム１０に対して、所定形状への研磨および所定の検査が施される工程であり、この工程Ｓ５を経ることで最終製品たる炭素化フォーム１０が完成する。
【００２７】
本発明の炭素化フォームは、そのままフォームとして利用も可能であるが、この他、例えば所定の機能を付与するフィルタ基材や、所定の触媒を付与する高温耐熱性および耐薬品性を有する触媒担体等としても好適に利用し得る。
【００２８】
また最終的に得られる炭素化フォームの気泡径を、前記基材１２の気泡径以下の任意径に制御することを目的として、前記被覆層乾燥工程Ｓ３および炭化工程Ｓ４の間に、加熱状態化で所定倍率で熱プレスを施す熱プレス工程Ｓ６を行なうようにしてもよい。この熱プレス工程Ｓ６は、前記被覆発泡体１６に掛けながら所定倍率にプレスする工程である。この気泡径は前記プレス倍率に伴って変化するものであり、基本的に該プレス倍率が２倍の時には該気泡径は半分に、１０倍の時には１／１０程度に圧縮される。なお前述のプレスは、製造工程によるが基本的にフォームの高さ方向を縮める向きに施されるので、前記気泡径の収縮も該方向で顕著に表れ、該プレス方向に関係のない方向では大きな収縮が見られない。
【００２９】
本熱プレス工程Ｓ６を実施する場合、前記樹脂としては、基材１２のプレス後の復元率を抑える必要があるが、前述のフェノール樹脂またはメラミン樹脂等の熱硬化性樹脂であれば問題ない。
【００３０】
また本熱プレス工程Ｓ６を実施する場合、前記被覆層乾燥工程Ｓ３における乾燥温度は、前記樹脂として使用される熱硬化性樹脂が硬化しないように前記被覆層１４を形成する該熱硬化性樹脂の熱硬化温度未満に設定する必要がある。この温度以上で乾燥を行なうと、前記熱硬化性樹脂から形成された被覆層１４が完全に硬化してしまい、本熱プレス工程Ｓ６のプレス時に破壊されてしまうためである。
【００３１】
【実験例】
以下に実施例に係る炭素化フォームの製造方法と、この方法により得られた炭素化フォームの骨格の太さに起因する物性、すなわち弾性および機械的強度等の評価についての実験例を示すが、本発明に係る炭素化フォームおよびその製造方法は、この実験例に限定されるものではない。
【００３２】
基本的に基材として市販メラミン発泡体(汎用のメラミン発泡体(ＢＡＳＦ製;寸法１５×１５×２ｃｍ))を使用して、これに熱硬化性樹脂としてのフェノール樹脂(商品名 ＰＥ-２０１-Ｌ;大日本インキ化学工業製)を乾燥時目付量０.０１２ｇ/ｃｍ3となるように付与した。そして実験例、比較例１および比較例２について、表１に記載の方法に従って乾燥を行ない、実験例については１０倍プレス、各比較例については２倍プレスを施した後にアルゴン雰囲気下で、温度１,０００℃、２時間の条件で炭化を行なって炭素化フォームを夫々得た。そして前記実験例並びに比較例１および比較例２について、上表面、下表面および内部の温度と、乾燥に要した時間と、取り扱い等の直接接触による強度とを測定または確認した。更に得られた夫々の被覆発泡体および炭素化フォームの骨格の状態を、略中心線で切断し、該切断断面を目視(付与されるフェノール樹脂の色調)および走査型電子顕微鏡(以下ＳＥＭと云う)(実施例については、全体が均質であるので典型的な構造を有する部分を、比較例については、樹脂の毛管現象による移動により色調の薄くなった部位を夫々撮影)により確認した。なお乾燥手段として用いた各方法の内容は以下の通りである。
・実験例(外部加熱および内部加熱：温度１００℃の条件の熱風乾燥機と、出力１ｋｗの条件でマイクロ波の照射とを同時に４分間の乾燥を実施する。
・比較例１(外部加熱)：温度１００℃、３０分間の条件で、熱風乾燥機の使用により実施する。
・比較例２(内部加熱)：出力１ｋｗ、４分間の条件でマイクロ波を照射して実施する。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
(結果)
外部加熱または内部加熱だけにより乾燥を施した場合、前記被覆発泡体の段階で、図３に示す如く、被覆層を形成するフェノール樹脂の黄色の濃淡がはっきりと確認され、全体に均一な黄色となっている実験例(図３(ａ)参照)に較べ、該外部加熱の場合、外側の黄色が濃く(図３(ｂ)参照)、また該内部加熱の場合、反対に内側の黄色が濃く(図３(ｃ)参照)、すなわち加熱により先に乾燥がなされる側にフェノール樹脂が移動していることが確認された。また炭化を施して得られる炭素化フォームのついても、図４に示す如く、実験例に係る炭素化フォームでは均一な骨格が形成されている(図４(ａ)参照)ことが確認されているのに対して、比較例に係る炭素化フォームでは骨格間に膜の生成が確認された(図４(ｂ)参照)。図４(ｂ)に係るＳＥＭ写真は比較例１に係る炭素化フォームのものであるが、比較例１および比較例２では大きな差が確認されなかったため、比較例１に係るＳＥＭ写真だけを採用した。なお図４に係るＳＥＭ写真において、夫々の骨格間隙間の大きさの差違は前述したプレス倍率の違いにより生じたものである。
【００３５】
また強度についても、前述の骨格の太さを反映し、比較例１および比較例２に係る炭素化フォームが接触するだけで欠損が生じたり、触感が不良であったりするのに対して、実験例に係る炭素化フォームは問題を生じなかった。更に加熱時間についても、実験例に係る炭素化フォームは、比較例１および比較例２に係る炭素化フォームが夫々３０分間および４分間の乾燥時間で充分な乾燥を達成し得なかったのに対して、４分間の乾燥時間で充分な乾燥を達成した。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明に係る炭素化フォームおよびその製造方法によれば、メラミン発泡体の基材上に付与される所要の樹脂の乾燥を、熱風乾燥による外部加熱およびマイクロ波加熱または高周波加熱による内部加熱で同時に実施することで、該所要の樹脂の不均一な乾燥を回避し、これにより均質な被膜層を形成し、これにより気泡径が均一かつ強い機械的強度を有すると共に、圧力損失を損なうことがない炭素化フォームを製造し得る。また乾燥に必要とされる時間を短縮し、製造コストを低減する効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例に係る炭素化フォームを示す内部の構造図である。
【図２】実施例に係る炭素化フォームを製造する工程を示すフローチャート図である。
【図３】実験に係る実験例と、比較例とから得られる被覆発泡体を切断して内部の色の状態(基材に付与されたフェノール樹脂の厚さ)を表す概略断面図である。
【図４】実験に係る実験例と、比較例１とから得られる炭素化フォームの骨格の様子および構造を夫々示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】基材上に樹脂を付与した後、不均一な加熱を施して該加熱による温度差が大きく、加熱境界を挟んで乾燥して被膜層となった部位Ａと、乾燥が完了せず樹脂が存在する部位Ｂとが併存する際の該樹脂の動きを示す概略図である。
【符号の説明】
１２  基材
１４  被覆層
１６  被覆発泡体
【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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