[发明专利]碳化布的制造方法以及由其制得的碳化布

说明书

技术领域

本发明涉及碳化布的制造方法以及由其制得的碳化布。详细地说，本发明涉及以纤维素系纤维布为原料，成品率良好且经济地制造碳化布的方法，该碳化布由于机械强度、柔软性、耐化学品性、耐洗涤强度等优异，因此处理容易，并且由于电磁波吸收能力、电特性乃至介电性能、耐热性、气味吸附性等优异，因此能够应用于各种用途。

背景技术

由于碳纤维的比模量、比强度比其它的纤维大，且在化学性、热方面也稳定，历来广泛用作各种构造用复合材料的原材料，另外，利用其电特征、减震性、X线透射性等优异的特征，也广泛用作各种工业材料的复合材料的原材料。

作为在这种构造用复合材料中使用的碳纤维，目前，其大部分是以聚丙烯腈系纤维为原料而制造的PAN系的碳纤维。PAN系碳纤维是将已经高分子量化的有机合成纤维作为原料，因而原料纤维本身的强度及伸长率是足够的，因而在制造工序中易于机械操作，但原料中的氮成分多，碳化过程中的重量损失多。另外，以沥青类为原料而制造的沥青系碳纤维也实用化了。沥青系碳纤维一般具有比PAN系碳纤维的弹性模量、热传导度和导电性高的特点，在原料的成本方面也有利，但沥青系纤维具有如下缺点：体现其强度是在碳化过程中，而在此之前的沥青纤维、不熔化纤维的状态下，是机械强度非常小且非常脆的碳纤维，因而在制造工序中难以操作，必须要高难度的技术，因而制造成本增高。

另外，众所周知，无论是PAN系还是沥青系的碳纤维，在具有高刚性的同时，断裂伸长率小，具有不耐弯曲的问题。进而，无论是PAN系还是沥青系的碳纤维一般都是以非常细的长丝或丝束的形式来制造，因而在用于各种用途时在操作性方面存在难点。因此，虽然希望将这些碳纤维加工成布或片状而提供，但如上所述，由于具有断裂伸长率小、不耐弯曲的特性，因而现状是难以像一般的纤维那样进行纺丝、编织加工，而是将碳纤维向一个方向并丝，使各种树脂含浸其中，加工成构造稳定化的预浸料坯的形态。如此得到的预浸料坯是组织较单纯、密度大的物质，另外，具有成型时的曲面追随性低、或曲面成型时容易发生丝束混乱的缺点。另外，由于含浸树脂的影响，产生如下问题：碳纤维的各种性能下降，例如，在制成复合构造材料时与基质的粘合性降低、导电性和热传导性降低，燃烧时产生有害物质等。不能充分发挥碳纤维本来的特性，而成为应用用途受限的碳纤维。

除了上述那样广为实用化的PAN系、沥青系的碳纤维以外，迄今进行了想要以各种有机高分子为原料获得碳化纤维的尝试。例如，将以人造丝为中心的纤维素系纤维作为原料而获得碳化纤维的方法也是其中的一种。

再有，纤维素系纤维的情况与PAN系、沥青系的情况不同，由于通过碳化处理时的加热没有发生熔融而是外表碳化，因此其制造工艺，当然也需要不同的工艺。

例如，专利文献1中公开了在惰性气氛下在300°F(约146℃)～500°F(约260℃)的温度范围对粘胶人造丝等纤维素系纤维进行加热，用规定时间加热到500°F，进行部分碳化，从而得到固有纤维密度和拉伸强度良好的半导性碳化纤维。

此外，专利文献2中公开了以下内容：以约10℃/小时～约50℃/小时的缓慢升温速度将人造丝纤维从100℃加热到450℃，接着以约100℃/小时以上的升温速度加热到900℃，进而加热到约3000℃直至产生实质性的石墨化，从而制造布状柔软的纤维状石墨。

专利文献1和2中所示的技术中，例如，边通入氮气边在惰性气氛下缓慢升温，可靠地进行纤维素的分解反应，但由于该分解反应是放热反应，因此热容易蓄积在原料纤维中，容易产生所谓的失控反应，为了防止这种情况，在惰性气氛下其处理需要非常长的时间。此外，在碳化煅烧工序中，随着热分解的进行，纤维产生大的结构变化，纤维产生收缩，而与收缩相伴的较大应力集中在结构弱部，碳化煅烧时产生结构弱部的破损或破坏，结果使得到的碳化纤维的机械特性降低。此外，不仅长时间的加热产生能量的消耗，而且需要长时间不断地通入氮气等惰性气体，因此导致制造成本的增加。

此外，专利文献3中，公开了如下技术：将纤维素系纤维布浸渍于磷酸等酸溶液中，干燥将溶剂除去后，在氧化气氛中以约100～350℃进行加热，从而部分地且选择性地分解纤维素系物质，得到恒久地脱水的热处理物质，然后，边防止氧化边将该物质加热到碳化温度进行碳化，再利用经氮气净化后的电炉对已碳化的物质进行加热，从而石墨化。