熱CVD法による鉄超微粒子触媒を用いた気相成長炭素繊維の製造

采用超细铁颗粒催化剂热CVD法生产气相生长碳纤维

• 批准号: 03650785
• 负责人: 橋本 健治
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• 财政年份: 1991
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1991 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-03650785/
• 关键词: 気相成長炭素繊維; 鉄超微粒子; フェロセン; ベンゼン; 長繊維

炭素繊維は機械的強度、熱的・化学的安定性等の多くの特性を持つことから主に複合材の強化材として使用される。現在、生産されているPAN系、ピッチ系の炭素繊維は製造法が複雑であるため、制御が困難であり、製造コストが高い。一方、炭素源をベンゼンに、そして金属超微粒子を触媒として気相法により製造する炭素繊維(気相成長炭素繊維)は一つの反応器で製造できるため、制御法が簡単であり、製造コストが安価になる可能性がある。しかし、従来、短繊維(数100μm以下)しか製造できていない。種々の使用目的のためには1mm以上の繊維が必要である。そこで、本年度は長繊維の製造法を開発することを目的として以下の二つのついて研究を行った。1.鉄有機金属化合物(フェロセン)の熱分解による鉄超微粒子生成速度の解析:炭素繊維の成長速度は触媒となる鉄超微粒子のサイズに強く影響を受ける。そこで、フェロセンの熱分解による鉄超微粒子の生成と成長速度を解析した。超微粒子についてPopvlation Balance式を適用することで粒子径分布を求める式を導出した。得られる式は実験値をよく表現した。また、気相成長炭素繊維の成長に適した粒子径に成長するためには0.数秒必要であることが分かった。2.長繊維製造法の開発:鉄超微粒子生成には0.数秒必要であり、その後、炭素源であるベンゼンと接触させることが好ましいことが分かった。そこで、フェロセンの導入場所とベンゼン導入場所をガスの滞留時間が0.数秒に相当する距離だけ離した。その結果、50mm程度の長繊維が10秒の短時間で製造できた。これは従来、報告されている速度の100倍に相当する。また、引っ張り強度は従来の繊維の数〜10倍であった。

碳纤维具有机械强度、热稳定性和化学稳定性等多种性能，因此主要用作复合材料的增强材料。目前生产的PAN基和沥青基碳纤维的制造方法复杂，难以控制且制造成本昂贵。另一方面，以苯为碳源、超细金属颗粒为催化剂的气相法生产的碳纤维（气相生长碳纤维）可以在一个反应​​器中生产，因此控制方法简单，生产成本低可能会便宜一些。然而，迄今为止仅能够生产短纤维（数个100μm以下）。各种用途需要1毫米或更大的纤维。因此，今年我们针对以下两个问题进行了研究，旨在开发一种生产长纤维的方法。 1.通过铁有机金属化合物（二茂铁）的热分解来分析超细铁颗粒的生成速率：碳纤维的生长速率很大程度上受到充当催化剂的超细铁颗粒的尺寸的影响。因此，我们分析了二茂铁热分解导致的超细铁颗粒的产生和生长速率。我们通过应用超细颗粒的人口平衡公式推导了确定颗粒尺寸分布的公式。所得公式很好地表达了实验值。还发现需要十分之几秒才能将颗粒生长到适合生长气相生长碳纤维的颗粒尺寸。 2.长纤维生产方法的开发：发现生产超细铁颗粒需要几秒钟的时间，并且优选之后将其与碳源苯接触。因此，二茂铁引入位点和苯引入位点分开对应于十分之几秒的气体停留时间的距离。结果，可以在10秒的短时间内生产出约50毫米的长纤维。这比之前报告的速度快 100 倍。此外，其拉伸强度比传统纤维高出数倍。