(57)【要約】【課題】省電力で生産性良く低抵抗なカーボン繊維およびその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明のカーボン繊維は、ホウ素が添加された繊維状カーボン材料を備え、ホウ素が添加されていない場合に比べて繊維状カーボン材料の比抵抗が１／３以下になっていることを特徴とする。本発明のカーボン繊維の製造方法は、繊維状カーボン材料とホウ素を含む添加材料とを加熱炉内で加熱し、加熱によって気化したホウ素を繊維状カーボン材料に添加する加熱添加工程を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホウ素が添加された繊維状カーボン材料を備え、前記ホウ素が添加されていない場合に比べて前記繊維状カーボン材料の比抵抗が１／３以下になっていることを特徴とするカーボン繊維。
【請求項２】
繊維状カーボン材料とホウ素を含む添加材料とを加熱炉内で加熱し、加熱によって気化した前記ホウ素を前記繊維状カーボン材料に添加する加熱添加工程を備えることを特徴とするカーボン繊維の製造方法。
【請求項３】
前記加熱添加工程では、前記加熱炉内において前記繊維状カーボン材料に通電することにより前記繊維状カーボン材料を加熱することを含む、請求項２記載のカーボン繊維の製造方法。
【請求項４】
第１リールに巻き取られた前記繊維状カーボン材料を前記加熱炉に向けて順次送り出す工程と、
前記加熱炉内で前記繊維状カーボン材料に前記ホウ素を添加した後、前記加熱炉から出された前記繊維状カーボン材料を第２リールで順次巻き取る工程と、
をさらに備えた請求項２または３に記載のカーボン繊維の製造方法。
【請求項５】
前記加熱添加工程では、前記加熱炉内において前記繊維状カーボン材料の加熱と、前記添加材料の加熱とを独立して行う、請求項２〜４のいずれか１つに記載のカーボン繊維の製造方法。
【請求項６】
前記繊維状カーボン材料が前記加熱炉に入る手前で前記繊維状カーボン材料に通電することで前記繊維状カーボン材料を乾燥させる工程をさらに備えた、請求項２〜５のいずれか１つに記載のカーボン繊維の製造方法。
【請求項７】
前記加熱炉から出された前記繊維状カーボン材料に通電することで前記繊維状カーボン材料の比抵抗を測定する工程をさらに備えた、請求項２〜６のいずれか１つに記載のカーボン繊維の製造方法。
【請求項８】
前記加熱炉から出された前記繊維状カーボン材料を急冷する工程をさらに備えた、請求項２〜７のいずれか１つに記載のカーボン繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボン繊維およびその製造方法に関し、より詳しくは、ホウ素（Ｂ）の添加によって低抵抗化を図るカーボン繊維およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、繊維状カーボン材料の製造方法が開示される。この方法では、電気炉内を７００℃に加熱して、触媒が付着した基板の表面に繊維状カーボン材料を生成させている。また、この繊維状カーボン材料を連続的に製造する装置として、基板を供給するための供給ローラと、加熱するヒータと、反応ガスを供給する反応ガス供給部とを備える構成が開示されている。
【０００３】
特許文献２には、ホウ素含有カーボン材料の製造方法が開示される。この方法では、放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）にて、カーボン材料とホウ素またはホウ素化合物との混合材料に電流を流した状態で加熱して、カーボン材料にホウ素をドープすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−０６７４８３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２１７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のカーボン繊維の製造技術では、繊維状カーボン材料を効率良く搬送可能として生産することや、カーボン材料に放電プラズマ焼結機（ＳＰＳ）を用いてホウ素をドープすることは示されているものの、省電力にて製造することは困難である。また、ＳＰＳでは装置が大掛かりとなるとともに、ロールトゥトールのような連続的な処理を行うことができず、生産性良くホウ素をドープすることができないといった課題がある。
【０００６】
本発明は、省電力で生産性良く低抵抗なカーボン繊維およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明のカーボン繊維は、ホウ素が添加された繊維状カーボン材料を備え、ホウ素が添加されていない場合に比べて繊維状カーボン材料の比抵抗が１／３以下になっていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のカーボン繊維の製造方法は、繊維状カーボン材料とホウ素を含む添加材料とを加熱炉内で加熱し、加熱によって気化したホウ素を繊維状カーボン材料に添加する加熱添加工程を備えることを特徴とする。このような構成によれば、放電プラズマ焼結機を用いることなく加熱炉によってホウ素が添加されたカーボン繊維を効率良く製造することができる。
【０００９】
本発明のカーボン繊維の製造方法において、加熱添加工程では、加熱炉内において繊維状カーボン材料に通電することにより繊維状カーボン材料を加熱してもよい。これにより、通電による発熱を利用して繊維状カーボン材料を所定の温度まで加熱することができる。
【００１０】
本発明のカーボン繊維の製造方法において、第１リールに巻き取られた繊維状カーボン材料を加熱炉に向けて順次送り出す工程と、加熱炉内で繊維状カーボン材料にホウ素を添加した後、加熱炉から出された繊維状カーボン材料を第２リールで順次巻き取る工程と、をさらに備えていてもよい。これにより、いわゆるロールトゥトールによる連続的な処理によって低抵抗のカーボン繊維を効率良く製造することができる。
【００１１】
本発明のカーボン繊維の製造方法において、加熱添加工程では、加熱炉内において繊維状カーボン材料の加熱と、添加材料の加熱とを独立して行うようにしてもよい。これにより、繊維状カーボン材料および添加材料のそれぞれを最適な温度に制御することができる。
【００１２】
本発明のカーボン繊維の製造方法において、繊維状カーボン材料が加熱炉に入る手前で繊維状カーボン材料に通電することで繊維状カーボン材料を乾燥させる工程をさらに備えていてもよい。これにより、ホウ素を添加する前に繊維状カーボン材料の水分を除去して効率良くホウ素を添加することができる。
【００１３】
本発明のカーボン繊維の製造方法において、加熱炉から出された繊維状カーボン材料に通電することで電気抵抗値を測定する工程をさらに備えていてもよい。これにより、ホウ素が添加されたカーボン繊維の品質管理を的確に行うことができる。
【００１４】
本発明のカーボン繊維の製造方法において、加熱炉から出された繊維状カーボン材料を急冷する工程をさらに備えていてもよい。これにより、添加されたホウ素が繊維状カーボン材料から抜けることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、省電力で生産性良く低抵抗なカーボン繊維を製造することができるカーボン繊維およびその製造方法を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るカーボン繊維およびその製造方法を例示する模式図である。
【図２】繊維状カーボン材料を用いた線径および比抵抗を示す図である。
【図３】繊維状カーボン材料を用いた線径および比抵抗を示す図である。
【図４】繊維状カーボン材料を用いた線径および比抵抗を示す図である。
【図５】繊維状カーボン材料を用いた線径および比抵抗を示す図である。
【図６】繊維状カーボン材料を用いた線径および比抵抗を示す図である。
【図７】繊維状カーボン材料を用いた線径および比抵抗を示す図である。
【図８】カーボン繊維の製造装置を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
【００１８】
（カーボン繊維の構成）
図１は、本実施形態に係るカーボン繊維およびその製造方法を例示する模式図である。
本実施形態に係るカーボン繊維１は、ホウ素（Ｂ）が添加された繊維状カーボン材料１０を備える。カーボン繊維１は、Ｂが添加されていない場合に比べて繊維状カーボン材料の比抵抗が１／３以下になっていることを特徴とする。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態に係るカーボン繊維１を製造するには、電気炉２００を用いて繊維状カーボン材料１０およびホウ素を含む添加材料を加熱する。本実施形態では、繊維状カーボン材料１０として、直径１０μｍ程度のカーボン繊維を１２０００本程度束ねたカーボン繊維束１００を用いる。カーボン繊維束１００は、電気炉２００内に配置されたカーボン製網２１０の上に配置される。
【００２０】
ホウ素を含む添加材料としては、ホウ素化合物１５０が用いられる。ホウ素化合物１５０は、例えば、Ｂ４Ｃである。電気炉２００内においてカーボン製網２１０の下にはるつぼ２２０が配置され、るつぼ２２０の中にホウ素化合物１５０が入れられる。
【００２１】
この状態で電気炉２００を用いてカーボン繊維束１００およびホウ素化合物１５０を加熱する。加熱温度は例えば２０００℃、加熱時間は例えば３時間である。電気炉２００内の気圧は例えば１０Ｐａ、炉内は不活性ガス（例えば、アルゴン（Ａｒ））雰囲気にすることが好ましい。この加熱によってホウ素化合物１５０のホウ素が気化して、カーボン製網２１０の上に配置されたカーボン繊維束１００の繊維状カーボン材料１０に添加される。
【００２２】
（各サンプルの比抵抗測定）
次に、繊維状カーボン材料の各サンプルについての比抵抗の測定結果を示す。
ここでは、繊維状カーボン材料の複数のサンプルについて、２点間の電気抵抗値を測定した。電気抵抗値を測定するにあたり、繊維状カーボン材料の２点に通電部（銀ペースト）を塗布し、２点の通電部での電気抵抗値、２点の通電部の距離および繊維状カーボン材料の線径を測定した。
【００２３】
抵抗値をＲ、比抵抗をＲｏ、２点の通電部の距離をＬ、繊維状カーボン材料の断面積をＳとした場合、以下の関係式で表される。
Ｒ＝Ｒｏ×Ｌ÷Ｓ、すなわち、Ｒｏ＝Ｒ×Ｓ÷Ｌ
【００２４】
本実施形態では、２社の繊維状カーボン材料を用いて異なる処理を施したサンプルを製造し、その比抵抗を求めた。
図２〜図４は、Ａ社（Ｔｅｎａｘ１５１１１７（東邦テナックス社））の繊維状カーボン材料を用いた線径および比抵抗を示す図である。
図２にはサンプルＳＰ１（１）〜ＳＰ１（７）の線径および比抵抗が示される。サンプルＳＰ１（１）〜ＳＰ１（７）は、Ａ社の繊維状カーボン材料に対してホウ素添加処理およびアセトンによる処理を共に行っていない。
図３にはサンプルＳＰ２（１）〜ＳＰ２（６）の線径および比抵抗が示される。サンプルＳＰ２（１）〜ＳＰ２（６）は、Ａ社の繊維状カーボン材料に対してホウ素添加処理を行わず、アセトンによる処理のみを行っている。
図４にはサンプルＳＰ３（１）〜ＳＰ３（６）の線径および比抵抗が示される。サンプルＳＰ３（１）〜ＳＰ３（６）は、Ａ社の繊維状カーボン材料に対して上記のホウ素添加処理を行っている（本実施形態）。
【００２５】
Ａ社の各サンプルの平均の比抵抗は以下のようになる。
サンプルＳＰ１（１）〜ＳＰ１（７）…１．７１×１０−３Ω・ｃｍ
サンプルＳＰ２（１）〜ＳＰ２（６）…１．５８×１０−３Ω・ｃｍ
サンプルＳＰ３（１）〜ＳＰ３（６）…３．６６×１０−４Ω・ｃｍ
このように、Ａ社の繊維状カーボン材料を用いた場合、ホウ素が添加されたサンプルＳＰ３（本実施形態）では、ホウ素が添加されていないサンプルＳＰ１およびＳＰ２に比べて１／４以下の比抵抗となる。
【００２６】
図５〜図７は、Ｂ社（ダイアリードＫ１３３１２（三菱レイヨン社）繊維状カーボン材料を用いた線径および比抵抗を示す図である。
図５にはサンプルＳＰ４（１）〜ＳＰ４（７）の線径および比抵抗が示される。サンプルＳＰ４（１）〜ＳＰ４（７）は、Ａ社の繊維状カーボン材料に対してホウ素添加処理およびアセトンによる処理を共に行っていない。
図６にはサンプルＳＰ５（１）〜ＳＰ５（７）の線径および比抵抗が示される。サンプルＳＰ５（１）〜ＳＰ５（７）は、Ａ社の繊維状カーボン材料に対してホウ素添加処理を行わず、アセトンによる処理のみを行っている。
図７にはサンプルＳＰ６（１）〜ＳＰ６（５）の線径および比抵抗が示される。サンプルＳＰ６（１）〜ＳＰ６（５）は、Ａ社の繊維状カーボン材料に対して上記のホウ素添加処理を行っている（本実施形態）。
【００２７】
Ｂ社の各サンプルの平均の比抵抗は以下のようになる。
サンプルＳＰ４（１）〜ＳＰ４（７）…８．４５×１０−４Ω・ｃｍ
サンプルＳＰ５（１）〜ＳＰ２（７）…８．１０×１０−４Ω・ｃｍ
サンプルＳＰ６（１）〜ＳＰ６（５）…２．３２×１０−４Ω・ｃｍ
このように、Ｂ社の繊維状カーボン材料を用いた場合、ホウ素が添加されたサンプルＳＰ６（本実施形態）では、ホウ素が添加されていないサンプルＳＰ４およびＳＰ５に比べて１／３以下の比抵抗となる。
【００２８】
（カーボン繊維の連続的な製造方法）
図８は、カーボン繊維の製造装置を例示する模式図である。
図８に示す製造装置５００は、いわゆるロールトゥトールによる連続的な処理によってカーボン繊維１を製造する装置である。
【００２９】
製造装置５００は、カーボン繊維供給・乾燥部５１０と、ホウ素添加処理部５２０と、カーボン繊維急冷・回収部５３０とを有する。カーボン繊維供給・乾燥部５１０、ホウ素添加処理部５２０、およびカーボン繊維急冷・回収部５３０はそれぞれ排気されている。
【００３０】
カーボン繊維供給・乾燥部５１０には第１リール５１１が設けられる。第１リール５１１には処理前の繊維状カーボン材料１０が巻き取られている。繊維状カーボン材料１０はカーボン繊維束１００として第１リール５１１に巻き取られていてもよい。
【００３１】
また、カーボン繊維供給・乾燥部５１０には処理前抵抗測定部５１２および乾燥部５１３が設けられる。第１リール５１１から送り出された繊維状カーボン材料１０は、処理前抵抗測定部５１２に送られ、ここで電気抵抗値の測定が行われる。処理前抵抗測定部５１２では所定間隔で配置された２つのローラ５１０ａおよび５１０ｂに通電することで、２つのローラ５１０ａおよび５１０ｂの間で搬送される繊維状カーボン材料１０の電気抵抗値を連続的に測定することができる。
【００３２】
乾燥部５１３は、通過する繊維状カーボン材料１０に連続的に乾燥処理を施す。乾燥部５１３の前後にはローラ５１０ｂおよび５２０ａが設けられ、この２つのローラ５１０ｂおよび５２０ａから繊維状カーボン材料１０に通電することで繊維状カーボン材料１０を搬送しながら加熱する。加熱温度は約４００℃程度である。この加熱によって繊維状カーボン材料１０の水分を除去する。
【００３３】
ホウ素添加処理部５２０は、２つのローラ５２０ａおよび５２０ｂの間を通過する繊維状カーボン材料１０の下方に設けられた添加材料搬送機構５２１と、添加材料加熱機構５２２と、添加材料供給部５２３と、添加材料回収部５２４とを有する。２つのローラ５２０ａおよび５２０ｂの間で搬送される繊維状カーボン材料１０はチャンバ５２５によって被われている。チャンバ５２５内は不活性ガス（例えば、アルゴン（Ａｒ））雰囲気となっていることが好ましい。
【００３４】
２つのローラ５２０ａおよび５２０ｂに通電することで、チャンバ５２５内において繊維状カーボン材料１０が搬送されながら加熱される。繊維状カーボン材料１０は、チャンバ５２５内で約２０００℃に加熱される。
【００３５】
添加材料供給部５２３は添加材料として例えば粉状のＢ４Ｃを添加材料搬送機構５２１に供給する。添加材料搬送機構５２１は例えば回転するスクリューを備える。このスクリューが回転することで添加材料を順次送っていく。添加材料搬送機構５２１の下方には通電によって発熱する添加材料加熱機構５２２が配置される。これにより、スクリューで送られる添加材料を加熱してホウ素を気化させる。気化したホウ素はチャンバ５２５内を搬送してくる繊維状カーボン材料１０に添加される。気化せず残った添加材料はスクリューから落下して添加材料回収部５２４で回収される。
【００３６】
上記のようなホウ素添加処理部５２０では、チャンバ５２５内における繊維状カーボン材料１０の加熱と、添加材料の加熱とが独立して行われる。これにより、繊維状カーボン材料１０および添加材料のそれぞれを最適な温度に制御することができる。
【００３７】
カーボン繊維急冷・回収部５３０は、ホウ素添加処理部５２０から送られてきた繊維状カーボン材料１０を冷却して、第２リール５３３に巻き取って回収する。カーボン繊維急冷・回収部５３０では、先ず、ホウ素添加処理部５２０から送られてきた繊維状カーボン材料１０を急冷部５３１で急速冷却（急冷）する。例えば、ホウ素添加処理部５２０で約２０００℃に加熱された繊維状カーボン材料１０を、急冷部５３１で約５００℃に冷却する。
【００３８】
ここで、ホウ素を添加する際に加熱された繊維状カーボン材料１０を徐冷すると、添加されたホウ素が繊維状カーボン材料１０から抜けてしまうことがある。本実施形態では、ホウ素添加のために加熱された繊維状カーボン材料１０を急冷することで、添加されたホウ素が繊維状カーボン材料１０から抜けることを抑制する。すなわち、本実施形態での急冷とは、添加されたホウ素が冷却によって抜けてしまうことを抑制できる冷却速度で温度を下げることを言う。この急冷によって、ホウ素の添加量を高濃度で安定化させることができる。
【００３９】
カーボン繊維急冷・回収部５３０には、処理後抵抗測定部５３２が設けられる。急冷部５３１を通過した繊維状カーボン材料１０は、処理後抵抗測定部５３２に送られ、ここで電気抵抗値の測定が行われる。処理後抵抗測定部５３２では所定間隔で配置された２つのローラ５３０ａおよび５３０ｂに通電することで、２つのローラ５３０ａおよび５３０ｂの間の繊維状カーボン材料１０の電気抵抗値を連続的に測定することができる。これにより、ホウ素が添加された繊維状カーボン材料１０、すなわち本実施形態に係るカーボン繊維１の品質管理を的確に行うことができる。
【００４０】
このような製造装置５００を用いた製造方法では、繊維状カーボン材料１０への通電によって温度をコントロールできるため、高い電力効率によってホウ素を添加することができる。また、繊維状カーボン材料１０の温度と添加材料の温度とを別々に制御できるので、ホウ素の蒸気圧をカーボンの温度とは独立して制御することができる。また、いわゆるロールトゥトールによる連続的な処理によってホウ素を添加できるため、低抵抗のカーボン繊維１を生産性高く製造することができる。このロールトゥトールでの繊維状カーボン材料１０の搬送速度や添加材料の温度を調整することで、ホウ素の添加量や添加密度を適宜調整することができる。
【００４１】
以上説明したように、実施形態によれば、省電力で生産性良く低抵抗なカーボン繊維１およびその製造方法を提供することが可能になる。
【００４２】
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、カーボン繊維１の製造方法においは、繊維状カーボン材料１０の加熱する工程と、加熱された繊維状カーボン材料１０に加熱炉内で加熱されて気化したホウ素を添加する工程とを別個に行ってもよい。また、前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【符号の説明】
【００４３】
１…カーボン繊維
１０…繊維状カーボン材料
１００…カーボン繊維束
１５０…ホウ素化合物
２００…電気炉
２１０…カーボン製網
２２０…るつぼ
５００…製造装置
５１０…カーボン繊維供給・乾燥部
５１０ａ，５１０ｂ，５２０ａ，５２０ｂ，５３０ａ，５３０ｂ…ローラ
５１１…第１リール
５１２…処理前抵抗測定部
５１３…乾燥部
５２０…ホウ素添加処理部
５２１…添加材料搬送機構
５２２…添加材料加熱機構
５２３…添加材料供給部
５２４…添加材料回収部
５２５…チャンバ
５３０…カーボン繊維急冷・回収部
５３１…急冷部
５３２…処理後抵抗測定部
５３３…第２リール
【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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