(57)【要約】  【課題】  通電性があり、化学安定性、耐熱性に優れたコルゲートタイプ炭素繊維成型体を提供する。  【解決手段】  凹凸加工された炭素繊維シート４と、凹凸加工なしの平らな炭素繊維シート６とが接合されてなる炭素含有率８７質量％以上のコルゲートタイプ炭素繊維成型体２であって、成型体厚さ(ＴC)が０．５〜５ｍｍ、凹凸加工された炭素繊維シートの溝ピッチ(ＰC)が０．５〜３ｍｍ、溝深さ(ＤC)が０．５〜２ｍｍであるコルゲートタイプ炭素繊維成型体とする。  【選択図】  図１
2005213049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸加工された炭素繊維シートと、凹凸加工なしの平らな炭素繊維シートとが接合されてなる炭素含有率８７質量％以上のコルゲートタイプ炭素繊維成型体であって、成型体厚さ(ＴC)が０．５〜５ｍｍ、凹凸加工された炭素繊維シートの溝ピッチ(ＰC)が０．５〜３ｍｍ、溝深さ(ＤC)が０．４〜２ｍｍであるコルゲートタイプ炭素繊維成型体。
【請求項２】
凹凸加工された酸化繊維シートと、凹凸加工なしの平らな酸化繊維シートとが接合されてなるコルゲートタイプ酸化繊維成型体であって、成型体厚さ(ＴO)が０．５６〜５．６ｍｍ、凹凸加工された酸化繊維シートの溝ピッチ(ＰO)が０．５６〜３．３ｍｍ、溝深さ(ＤO)が０．４４〜２．２ｍｍであるコルゲートタイプ酸化繊維成型体を、不活性ガス雰囲気中、１０００〜２５００℃にて熱処理することを特徴とするコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造方法。
【請求項３】
凹凸加工された酸化繊維シートと、凹凸加工なしの平らな酸化繊維シートとが接合されてなるコルゲートタイプ酸化繊維成型体であって、成型体厚さ(ＴO)が０．５６〜５．６ｍｍ、凹凸加工された酸化繊維シートの溝ピッチ(ＰO)が０．５６〜３．３ｍｍ、溝深さ(ＤO)が０．４４〜２．２ｍｍであるコルゲートタイプ酸化繊維成型体を、不活性ガス雰囲気中、５００〜１０００℃に熱処理後、不活性ガス雰囲気中、１０００〜２５００℃にて熱処理することを特徴とするコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造方法。
【請求項４】
酸化繊維シートがポリアクリロニトリル系酸化繊維シートである請求項２又は３に記載のコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通電性があり、化学安定性、耐酸化性に優れたコルゲートタイプ炭素繊維成型体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機質繊維とバインダーとが抄紙されたペーパー、又は、炭素繊維と有機質繊維とバインダーとが抄紙されたペーパーを凹凸加工等により成型し、これと平シートを貼着一体化したコルゲートタイプシートは、フィルター、断熱シートとして利用されている(例えば、特許文献１、２参照)。
【０００３】
しかし、これら従来のコルゲートタイプシートは、高温雰囲気中では耐熱性がなく、高温雰囲気下で使用する製品への応用は難しい。また、通電性が無く、燃料電池用電極材等への応用は不適である。更に化学安定性も悪い。
【特許文献１】特開平１１−１９２４２８号公報  （特許請求の範囲）
【特許文献２】特開平１１−２５４５６４号公報  （特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、上記問題について種々検討しているうちに、所定の寸法に凹凸加工が施された酸化繊維シートを用いてコルゲート加工後、炭素化する場合、通電性があり、化学安定性、耐熱性に優れたコルゲートタイプ炭素繊維成型体を、所定寸法で安定して得ることができることを知得し、本発明を完成するに到った。
【０００５】
従って、本発明の目的とするところは、上記問題を解決するコルゲートタイプ炭素繊維成型体及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明は、以下に記載するものである。
【０００７】
〔１〕  凹凸加工された炭素繊維シートと、凹凸加工なしの平らな炭素繊維シートとが接合されてなる炭素含有率８７質量％以上のコルゲートタイプ炭素繊維成型体であって、成型体厚さ(ＴC)が０．５〜５ｍｍ、凹凸加工された炭素繊維シートの溝ピッチ(ＰC)が０．５〜３ｍｍ、溝深さ(ＤC)が０．４〜２ｍｍであるコルゲートタイプ炭素繊維成型体。
【０００８】
〔２〕  凹凸加工された酸化繊維シートと、凹凸加工なしの平らな酸化繊維シートとが接合されてなるコルゲートタイプ酸化繊維成型体であって、成型体厚さ(ＴO)が０．５６〜５．６ｍｍ、凹凸加工された酸化繊維シートの溝ピッチ(ＰO)が０．５６〜３．３ｍｍ、溝深さ(ＤO)が０．４４〜２．２ｍｍであるコルゲートタイプ酸化繊維成型体を、不活性ガス雰囲気中、１０００〜２５００℃にて熱処理することを特徴とするコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造方法。
【０００９】
〔３〕  凹凸加工された酸化繊維シートと、凹凸加工なしの平らな酸化繊維シートとが接合されてなるコルゲートタイプ酸化繊維成型体であって、成型体厚さ(ＴO)が０．５６〜５．６ｍｍ、凹凸加工された酸化繊維シートの溝ピッチ(ＰO)が０．５６〜３．３ｍｍ、溝深さ(ＤO)が０．４４〜２．２ｍｍであるコルゲートタイプ酸化繊維成型体を、不活性ガス雰囲気中、５００〜１０００℃に熱処理後、不活性ガス雰囲気中、１０００〜２５００℃にて熱処理することを特徴とするコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造方法。
【００１０】
〔４〕  酸化繊維シートがポリアクリロニトリル系酸化繊維シートである〔２〕又は〔３〕に記載のコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のコルゲートタイプ炭素繊維成型体は、炭素含有率が高いので、通電性があり、化学安定性、耐熱性に優れている。
【００１２】
本発明のコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造方法によれば、薄層の酸化繊維シートをコルゲート加工後、炭素化しているので、上記物性のコルゲートタイプ炭素繊維成型体を所定寸法で安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明のコルゲートタイプ炭素繊維成型体の一例を示す概略断面図である。
【００１５】
図１に示すように、コルゲートタイプ炭素繊維成型体２は、凹凸加工された炭素繊維シート４と、凹凸加工なしの平らな炭素繊維シート６とが接合されてなる。このコルゲートタイプ炭素繊維成型体において、炭素含有率は８７質量％以上、成型体厚さ(ＴC)は０．５〜５ｍｍ、凹凸加工された炭素繊維シートの溝ピッチ(ＰC)は０．５〜３ｍｍ、溝深さ(ＤC)は０．４〜２ｍｍである。
【００１６】
炭素含有率が８７質量％未満の場合は、通電性の低下を招くので好ましくない。
【００１７】
成型体厚さ(ＴC)、凹凸加工された炭素繊維シートの溝ピッチ(ＰC)、溝深さ(ＤC)が上記範囲から逸脱する場合は、後述するコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造時において、凹凸部の変形等が起こり、所定寸法の成型体が得られないので好ましくない。
【００１８】
〔コルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造〕
本発明のコルゲートタイプ炭素繊維成型体は、その物性が上記範囲内にあれば、その製造方法としては、特に限定されるものではない。例えば、凹凸加工された酸化繊維シートと、凹凸加工なしの平らな酸化繊維シートとが接合されてなるコルゲートタイプ酸化繊維成型体であって、酸化繊維成型体厚さ(ＴO)が０．５６〜５．６ｍｍ、凹凸加工された酸化繊維シートの溝ピッチ(ＰO)が０．５６〜３．３ｍｍ、溝深さ(ＤO)が０．４４〜２．２ｍｍであるコルゲートタイプ酸化繊維成型体を、必要に応じ、不活性ガス雰囲気中、５００〜１０００℃に熱処理後、不活性ガス雰囲気中、１０００〜２５００℃にて熱処理することにより製造することができる。
【００１９】
以下、本発明のコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造方法について、詳細に説明する。
【００２０】
〔原料酸化繊維シート〕
本発明のコルゲートタイプ炭素繊維成型体の製造に用いる原料酸化繊維シートは、凹凸加工された酸化繊維シートと、凹凸加工なしの平らな酸化繊維シートである。これら酸化繊維シートは、ポリアルリロニトリル(ＰＡＮ)系、ピッチ系、レーヨン系、フェノール樹脂系の原料繊維を酸化処理して得られる酸化繊維をシート化したものである。上記原料繊維としてはＰＡＮ系のものが特に好ましい。
【００２１】
シートを構成する酸化繊維の乾強度は、１．５ｇｆ／ｄｔｅｘ(１４．７ｍＮ／ｄｔｅｘ)以上が好ましい。酸化繊維乾強度が１４．７ｍＮ／ｄｔｅｘ未満の場合は、この酸化繊維から得られる酸化繊維シートの強度低下、酸化繊維シートの熱処理中の寸法安定性低下などが起こるので好ましくない。
【００２２】
シートを構成する酸化繊維の乾伸度は、特に限定されないが、１０％以上が好ましい。
【００２３】
上記酸化繊維のシート化方法及びシート形態としては、抄紙によるペーパー状シート、ウォータージェット法による不織布、ニードルパンチ法等のフェルト加工による不織布(フェルト)等が挙げられる。これらシート化方法及びシート形態のうちでも、抄紙によるペーパー状シートが特に好ましい。
【００２４】
原料酸化繊維シートは、その厚さが０．１〜０．８ｍｍ、目付が３０〜２００ｇ／ｍ2であることが好ましい。
【００２５】
原料酸化繊維シートの厚さが０．１ｍｍ未満の場合は、成型体加工、熱処理中のシートについてシート強度が低下し、切断を生じ易い。原料酸化繊維シートの厚さが０．８ｍｍを超える場合は、皺、うねりを生じ易い。
【００２６】
原料酸化繊維シートの目付が３０ｇ／ｍ2未満の場合は、熱処理中のシートについてシート強度が低下し、切断を生じ易い。原料酸化繊維シートの目付が２００ｇ／ｍ2を超える場合は、凹凸加工が難しい。
【００２７】
〔酸化繊維シートの樹脂処理〕
上述した酸化繊維シートは、凹凸加工の改善のため、樹脂処理しても良い。樹脂の種類は、カルボキシメチルセルローズ、ポリビニルアルコール(ＰＶＡ)、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。
【００２８】
〔酸化繊維シートの凹凸加工〕
上述した酸化繊維シートは二に分け、一方は凹凸加工し、他方は凹凸加工しない。凹凸加工は、一般の有機繊維等の抄紙のダンボール加工に用いられる方法にて行うことができる。この凹凸加工は、軸方向に沿ってその周面に溝を有する熱ローラーにて連続的に行うことが好ましい。ローラーの溝は波型、四角、三角(山型)等の種々のものを用いることができる。
【００２９】
用いるローラーは、溝ピッチが０．５６〜３．３ｍｍ、溝深さ(ＤO)が０．４４〜２．２ｍｍである。
【００３０】
〔酸化繊維シートのコルゲート加工〕
上述した凹凸加工された酸化繊維シートと凹凸加工なしの平らな酸化繊維シートとは、一般の有機繊維等の抄紙のダンボール加工(コルゲート加工)に用いられる方法にてコルゲートタイプ酸化繊維成型体に加工できる。例えば、凹凸加工された酸化繊維シートと凹凸加工なしの平らな酸化繊維シートとを上下に貼り合せてコルゲートタイプ酸化繊維成型体に加工する。
【００３１】
なお、前述の酸化繊維シートの凹凸加工と、貼り合せ加工即ち酸化繊維シートのコルゲート加工とを、連続的に同時に行っても良い。
【００３２】
酸化繊維シートの貼り合せには、カルボキシメチルセルローズ、ポリビニルアルコール(ＰＶＡ)、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の５〜３０質量％濃度の樹脂液を用いることができる。
【００３３】
以上の方法により、凹凸加工された酸化繊維シートと、凹凸加工なしの平らな酸化繊維シートとが接合されてなるコルゲートタイプ酸化繊維成型体が得られる。この成型体厚さ(ＴO)は０．５６〜５．６ｍｍ、凹凸加工された酸化繊維シートの溝ピッチ(ＰO)は０．５６〜３．３ｍｍ、溝深さ(ＤO)は０．４４〜２．２ｍｍである。
【００３４】
成型体厚さ(ＴO)が０．５６ｍｍ未満の場合は、凹凸加工時に原料シートの強度が低下し、成型体に加工できないので好ましくない。成型体厚さ(ＴO)が５．６ｍｍを超える場合は、熱処理時に凹部及び／又は凸部に変形が発生し、所定寸法のコルゲートタイプ炭素繊維成型体の作製が困難になるので好ましくない。
【００３５】
〔低温熱処理〕
上記コルゲートタイプ酸化繊維成型体は、必要に応じ、窒素等の不活性ガス雰囲気中、温度５００〜１０００℃で熱処理される。
【００３６】
低温熱処理における温度が５００℃未満の場合は、成型体構造の固定化効果、賦形性の向上効果等の熱セット効果が発揮されず、後工程の高温熱処理時、得られる炭素繊維成型体に皺、うねりを発生し易い。低温熱処理における温度が１０００℃を超える場合は、低温熱処理時に成型体に皺、うねりを発生し易い。
【００３７】
〔高温熱処理〕
必要に応じ低温熱処理したコルゲートタイプ成型体は、窒素等の不活性ガス雰囲気中、温度１０００〜２５００℃、好ましくは１２００〜２５００℃で熱処理される。
【００３８】
高温熱処理における温度が１０００℃未満の場合は、得られる炭素繊維成型体の電気抵抗値が増加するので好ましくない。高温熱処理における温度が２５００℃を超える場合は、得られる炭素繊維成型体について、強度が低下し、脆くなり、切断し易く、黒粉を発生し易くなるので好ましくない。
【実施例】
【００３９】
本発明を以下の実施例及び比較例により具体的に説明する。
【００４０】
以下の実施例及び比較例の条件によりコルゲートタイプ炭素繊維成型体を作製した。原料の酸化繊維、酸化繊維シート、コルゲートタイプ酸化繊維成型体及びコルゲートタイプ炭素繊維成型体の諸物性値を、以下の方法により測定した。
【００４１】
酸化繊維比重：アルキメデス法(溶媒アセトン)により測定した。
【００４２】
凹凸加工前のシート厚さ： 直径３０ｍｍの円板状圧板で２００ｇｆ(２．８ｋＰａ)を負荷したときの厚さを測定した。
【００４３】
凹凸加工前のシートの目付：試験片を５０ｍｍ角に切り出し、１２０℃、２時間乾燥後のシートの寸法及び乾燥質量より、単位面積当たりの質量を算出した。
【００４４】
コルゲートタイプ成型体の溝ピッチ、溝深さ、厚さ：成型体の断面についてノギスにより測定した。
【００４５】
炭素含有率：ＣＨＮコーダー[カルロエルバ社製：ＥＡ１１０８、ＣＨＮＳ−Ｏ]により炭素繊維と樹脂炭化分の炭素含有率を測定した。
【００４６】
実施例１
表１に示すように、ＰＡＮ系酸化繊維(比重１．４１、カット長１０ｍｍ)９５質量％とＰＶＡ繊維(比重１．１、カット長１０ｍｍ)の混抄紙(目付１５０ｇ／ｍ2、厚さ０．４ｍｍ)を作製した。この混抄紙を１２０℃、圧力３．０ＰＭａにて、横方向にピッチ２．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの熱ローラーに上下挟み凹凸加工して凹凸加工紙を得た。
【００４７】
更に、この凹凸加工紙と凹凸加工なしの平らな紙をＰＶＡ水溶液(２５質量％)にて貼り合せ、酸化繊維のコルゲートタイプ成型体(溝ピッチ２．０ｍｍ、溝深さ１．０ｍｍ、厚さ１．４ｍｍ)を作製した。
【００４８】
このコルゲートタイプ酸化繊維成型体を９００℃、窒素雰囲気下、５分間熱処理後、１５００℃、窒素雰囲気下５分間熱処理することにより炭素繊維のコルゲートタイプ成型体(溝ピッチ１．８ｍｍ、溝深さ０．９ｍｍ、厚さ１．３ｍｍ、炭素含有率９６質量％)を得た。
【００４９】
このコルゲートタイプ炭素繊維成型体は、寸法精度・賦形性の良好なものであった。
【００５０】
実施例２
表１に示すように、実施例１で得られた混抄紙を１３５℃、圧力３．５ＰＭａにて、横方向にピッチ２．５ｍｍ、深さ１．７ｍｍの熱ローラーに上下挟み凹凸加工して凹凸加工紙を得た。
【００５１】
更に、この凹凸加工紙と凹凸加工なしの平らな紙をＰＶＡ水溶液(２５質量％)にて貼り合せ、酸化繊維のコルゲートタイプ成型体(溝ピッチ２．５ｍｍ、溝深さ１．７ｍｍ、厚さ２．１ｍｍ)を作製した。
【００５２】
このコルゲートタイプ酸化繊維成型体を７００℃、窒素雰囲気下、５分間熱処理後、２０００℃、窒素雰囲気下５分間熱処理することにより炭素繊維のコルゲートタイプ成型体(溝ピッチ２．４ｍｍ、溝深さ１．５ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ、炭素含有率９９質量％)を得た。
【００５３】
このコルゲートタイプ炭素繊維成型体も、実施例１のものと同様に寸法精度・賦形性の良好なものであった。
【００５４】
比較例１
表１に示すように、実施例１で得られた混抄紙を１２０℃、圧力３．０ＰＭａにて、横方向にピッチ４．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの熱ローラーに上下挟み凹凸加工して凹凸加工紙を得た。
【００５５】
更に、この凹凸加工紙と凹凸加工なしの平らな紙をＰＶＡ水溶液(２５質量％)にて貼り合せ、酸化繊維のコルゲートタイプ成型体(溝ピッチ４．０ｍｍ、溝深さ１．０ｍｍ、厚さ１．４ｍｍ)を作製した。
【００５６】
このコルゲートタイプ酸化繊維成型体を９００℃、窒素雰囲気下、５分間熱処理後、１５００℃、窒素雰囲気下５分間熱処理することにより炭素繊維のコルゲートタイプ成型体(溝ピッチ３．８ｍｍ、溝深さ０．９ｍｍ、厚さ１．３ｍｍ、炭素含有率９５質量％)を得た。
【００５７】
しかし、表１に示すように、高温熱処理の前後において凸部に変形があり、賦形性良好のコルゲートタイプ炭素繊維成型体を得ることはできなかった。
【００５８】
比較例２
表２に示すように、実施例１で得られた混抄紙を１２０℃、圧力３．０ＰＭａにて、横方向にピッチ０．５ｍｍ、深さ０．３ｍｍの熱ローラーに上下挟み凹凸加工して凹凸加工紙を得た。
【００５９】
しかし、この凹凸加工紙と凹凸加工なしの平らな紙をＰＶＡ水溶液(２５質量％)にて貼り合せて酸化繊維のコルゲートタイプ成型体を作製する際、紙の強度が低下し、成型体加工ができなかった。
【００６０】
比較例３
表２に示すように、実施例１で得られた混抄紙を１２０℃、圧力３．０ＰＭａにて、横方向にピッチ２．０ｍｍ、深さ３．０ｍｍの熱ローラーに上下挟み凹凸加工して凹凸加工紙を得た。
【００６１】
更に、この凹凸加工紙と凹凸加工なしの平らな紙をＰＶＡ水溶液(２５質量％)にて貼り合せ、酸化繊維のコルゲートタイプ成型体(溝ピッチ２．０ｍｍ、溝深さ３．０ｍｍ、厚さ３．４ｍｍ)を作製した。
【００６２】
このコルゲートタイプ酸化繊維成型体を９００℃、窒素雰囲気下、５分間の熱処理時に凹凸部の熱変形が発生し、所定寸法の成型体を得ることは困難であった。
【００６３】
表１〜２における比較例１〜３については、×で示す箇所が本発明の構成から逸脱している。
【００６４】
【表１】
2005213049.tif 000003
【００６５】
【表２】
2005213049.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明のコルゲートタイプ炭素繊維成型体の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
２  コルゲートタイプ炭素繊維成型体
４  凹凸加工された炭素繊維シート
６  凹凸加工なしの平らな炭素繊維シート
ＴC  コルゲートタイプ炭素繊維成型体の厚さ
ＰC  凹凸加工された炭素繊維シートの溝ピッチ
ＤC  凹凸加工された炭素繊維シートの溝深さ
【図１】
2005213049.tif 000005