碳纤维制造方法及碳纤维技术

准备包含碳化合物与催化剂或催化剂的前体的原料液、以及具有被加热至900～1300℃的高温区域的反应器。将原料液导入反应器内，生成由含有碳源的气体与分散在该气体中的催化剂微粒子构成的混合物。然后，将载气呈脉冲状地导入反应器内，以将混合物挤出至高温区域。然后，在高温区域中，使混合物中所含的碳源与催化剂微粒子接触以使初始纤维成长，随后在滞留有载气的环境下使碳纤维成长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】准备包含碳化合物与催化剂或催化剂的前体的原料液、以及具有被加热至900～1300℃的高温区域的反应器。将原料液导入反应器内，生成由含有碳源的气体与分散在该气体中的催化剂微粒子构成的混合物。然后，将载气呈脉冲状地导入反应器内，以将混合物挤出至高温区域。然后，在高温区域中，使混合物中所含的碳源与催化剂微粒子接触以使初始纤维成长，随后在滞留有载气的环境下使碳纤维成长。【专利说明】碳纤维制造方法及碳纤维
本专利技术涉及碳纤维制造方法及通过该制造方法获得的碳纤维。
技术介绍
碳纤维与玻璃纤维等相比，在机械强度或导电性、导热性等方面非常优异。因此， 碳纤维被用于塑料强化材料或气体存储材料、电极材料等广范的用途。 作为碳纤维制造方法，广泛已知有：对合成纤维或石油浙青纤维等有机纤维进行 碳化的方法；以及在催化剂的存在下对苯或甲烷等烃进行热分解以生成碳纤维的方法（气 相法）。气相法是连续地大量生产碳纤维的最适合的方法。 借助气相法的碳纤维的制造通常通过下述制造方法中的任一种来实施，即：1)第 一制造方法，在高温的反应器内，使固定在基板上的催化剂与被导入反应器内的气体状的 烃接触；2)第二制造方法，将含有烃及催化剂成分的原料以气体状或液状导入反应器内的 高温区域。第一制造方法在制造结束后，需要取出固定有催化剂的基板以回收碳纤维的作 业，因此不适合连续生产。另一方面，第二制造方法不需要此类繁琐的作业，因此适合连续 制造。第二制造方法中，尤其是呈脉冲状地导入原料液的方法（液体脉冲喷射；LPI法）是 能够高密度地产生有利于碳纤维制造的催化剂微粒子的方法。 作为第二制造方法（LPI法）的示例，在专利文献1?3中公开了如下方法：在载 气连续流动的反应器内，呈脉冲状地导入含有烃及催化剂成分的原料液，从而短时间且高 效地制造碳纤维。另外，专利文献4中公开了如下方法：将含有15mol %以上的甲烷的原料 液导入1100?1500°C的高温区域，从而在高效地使用催化剂的状态下连续制造碳纤维。 现有技术文献 专利文献 专利文献1:日本特开平6-146116号公报 专利文献2:日本特开平6-146117号公报 专利文献3:日本特开2004-360108号公报 专利文献4:国际公开第2006/030963号
技术实现思路
专利技术要解决的问题 第二制造方法（LPI法）中的碳纤维的成长是以在催化剂作用下初始纤维沿长度 方向成长的"长度方向成长"、与通过热CVD而初始纤维沿半径方向成长的"半径方向成长" 这两个阶段过程来进行。这些过程均在反应器的高温区域中进行。因此，通过将包含碳源 及催化剂微粒子的原料气体（通过对原料液进行蒸发或热分解而生成的混合物）快速送入 高温区域，从而能够高效地生成初始纤维。随后，通过使初始纤维在高温区域中滞留固定时 间，从而使初始纤维沿半径方向成长。 专利文献1?4所公开的以往的碳纤维制造方法中，使载气以固定的线速流动。因 此，在这些制造方法中，若要高效地生成初始纤维，需提高载气的线速而将原料气体快速送 入高温区域。但是，若提高载气的线速，则初始纤维在高温区域中的滞留时间将变短，因此 无法使初始纤维沿半径方向充分成长。其结果，导致碳纤维的收获率变低。另一方面，若降 低载气的线速，则从导入原料液到初始纤维开始成长的时间变长，从而导致碳纤维的制造 效率下降。另外，催化剂微粒子到达高温区域的时机的宽度变大，因此初始纤维的成长开始 时机会发生偏差。其结果，导致碳纤维的纤维直径的偏差变大。 本专利技术的目的在于提供能够高效地制造纤维直径偏差小的碳纤维的碳纤维制造 方法。另外，本专利技术的另一目的在于提供通过该碳纤维制造方法制造的碳纤维。 解决问题的方案 本专利技术人发现，通过呈脉冲状地导入载气能够解决上述问题，并在进一步研究后 做成了本专利技术。 即，本专利技术涉及以下的碳纤维制造方法。 一种碳纤维制造方法，包括如下工序：准备包含碳化合物及催化剂或催化剂 的前体的原料液的工序；准备具有被加热至碳纤维能够成长的温度的高温区域的反应器的 工序；将所述原料液导入所述反应器内，生成由含有碳源的气体与分散在所述气体中的催 化剂微粒子构成的混合物的工序；以及将载气呈脉冲状地导入所述反应器内，以将所述混 合物挤出至所述高温区域的工序。 如所述的碳纤维制造方法，在将所述载气呈脉冲状地导入所述反应器内 以将所述混合物挤出至所述高温区域的工序之后，还包括：在所述高温区域中，使所述混合 物中所含的所述碳源与所述催化剂微粒子接触以使初始纤维成长，随后在滞留有所述载气 的环境下使碳纤维成长的工序。 如或所述的碳纤维制造方法，所述混合物及所述载气被导入所述反应 器内的所述高温区域以外的区域。 如至中任一项所述的碳纤维制造方法，所述混合物通过使被导入所述 反应器内的所述原料液蒸发或热分解而生成。 如至中任一项所述的碳纤维制造方法，所述高温区域的温度处于 900?1300°C的范围内。 另外，本专利技术涉及以下的碳纤维。 一种碳纤维，纤维直径处于1?lOOOnm的范围内，且纤维直径的相对标准偏差 为20%以下。 专利技术效果 根据本专利技术的制造方法，能够以高收获率制造纤维直径的偏差小的碳纤维。另外， 本专利技术的制造方法与以往的LPI法相比，能够以短间隔导入原料液，而且能够削减载气的 使用量。因此，根据本专利技术的制造方法，能够大幅提高碳纤维的制造效率。 【专利附图】【附图说明】 图1是表示本专利技术的一实施方式的碳纤维的制造装置的结构的示意图。 图2A?图2C是说明制造碳纤维的流程的示意图。 图3A?图3C是以实施例1?3的制造方法制造的碳纤维的电子显微镜像。 图4A?图4C是以比较例1?3的制造方法制造的碳纤维的电子显微镜像。 标号说明 100碳纤维的制造装置 110原料液导入口 120载气导入口 130反应管 140过滤器 150 电炉 160 排气口 210原料液 220 载气 230原料气体 232 碳源 234催化剂微粒子 236初始纤维 238碳纤维 【具体实施方式】 本专利技术的碳纤维制造方法包括：1)准备原料液的第一工序；2)准备经过加热的反 应器的第二工序；3)将原料液导入反应器内的第三工序；4)将载气呈脉冲状地导入反应器 内的第四工序；以及5)使碳纤维生成的第五工序。如后所述，当进行第四工序后，第五工序 将自然自行。通常，第三工序、第四工序及第五工序为一连串的工序，这一连串的工序要反 复进行多次。以下，对各工序进行说明。 1)第一工序 在第一工序中，准备包含碳化合物、以及催化剂或催化剂的前体的原料液。例如， 通过使催化剂或催化剂的前体分散或溶解在包含碳化合物的液体中，从而能够调制原料 液。 碳化合物是用于生成碳纤维的碳的提供源。碳化合物的种类并无特别限定，但通 常使用烃。原料液中所含的碳化合物的示例包含：己烷或庚烷、辛烷、戊烷、己烯等液状的脂 肪族烃；苯或甲苯、萘、蒽等芳香族烃；甲醇或乙醇等醇；酮；醚等。这些碳化合物既可以使 用一种，也可以组合两种以上使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维制造方法，包括如下工序：准备原料液的工序，该原料液包含碳化合物及催化剂或催化剂的前体；准备反应器的工序，该反应器具有被加热至碳纤维能够成长的温度的高温区域；将所述原料液导入所述反应器内，生成由含有碳源的气体与分散在所述气体中的催化剂微粒子构成的混合物的工序；以及将载气呈脉冲状地导入所述反应器内，以将所述混合物挤出至所述高温区域的工序。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：向井绅，力间优介，古川陆，荻野勋，山口东吾，
申请(专利权)人：旭碳株式会社，国立大学法人北海道大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP