JP2004307334A - Carbon composition, composite material containing the same, and dispersing body - Google Patents

Carbon composition, composite material containing the same, and dispersing body Download PDF

Info

Publication number
JP2004307334A
JP2004307334A JP2004087979A JP2004087979A JP2004307334A JP 2004307334 A JP2004307334 A JP 2004307334A JP 2004087979 A JP2004087979 A JP 2004087979A JP 2004087979 A JP2004087979 A JP 2004087979A JP 2004307334 A JP2004307334 A JP 2004307334A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
particles
graphite
nano
polymer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2004087979A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hide Terada
秀 寺田
Toshifumi Shiratani
俊史 白谷
Masaki Yamamoto
昌樹 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Chemical Corp
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Chemical Corp filed Critical Mitsubishi Chemical Corp
Priority to JP2004087979A priority Critical patent/JP2004307334A/en
Publication of JP2004307334A publication Critical patent/JP2004307334A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a carbon composition which effectively induces various functions by using a nano-graphite fiber as a dispersing material. <P>SOLUTION: The carbon composition comprises the nano-graphite fiber of 30-95% and nano-graphite particles of 0.5-50%, where the total of both shares ≥40% of the total of the composition and the ratio of the nano-graphite particles vs. the nano-graphite fiber is 1-60%. These ratios are determined as area ratios observed on micrographs taken by a transmission electron microscope of ≥50,000 magnifications. The nano-graphite fiber having the shape of a carbon nanotube, a diameter of 1-100 nm, and an aspect ratio of ≥3 and the nano-graphite particles having a short diameter of 5-100 nm and an aspect ratio of 1 to <3 are preferable. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭素組成物に関し、詳しくは、ナノ黒鉛繊維とナノ黒鉛粒子とを含有する炭素組成物に関する。また、本発明は、上記の組成物を含有する複合材料および分散体に関する。   The present invention relates to a carbon composition, and more particularly, to a carbon composition containing nanographite fibers and nanographite particles. The present invention also relates to a composite material and a dispersion containing the above composition.

近年、ナノサイズの黒鉛構造を有する炭素繊維(ナノ黒鉛繊維)が種々の用途で注目を集めている。特に、従来の炭素繊維は黒鉛構造が長手方向に発達しているのに対し、ナノ黒鉛繊維は、黒鉛構造が長手方向に短いながらも連続しており、かつ層間構造すなわちLc方向で制御されている。従って、ナノ黒鉛繊維については、個体全体に制御された黒鉛構造から由来する物性(例えば電気伝導性など)を効率的に反映させるべく、異種材料への充填材としての試みが多方面で試みられている。   In recent years, carbon fibers having a nano-sized graphite structure (nano-graphite fibers) have attracted attention for various uses. In particular, while the conventional carbon fiber has a graphite structure developed in the longitudinal direction, the nanographite fiber has a graphite structure that is continuous but short in the longitudinal direction, and is controlled in the interlayer structure, that is, in the Lc direction. I have. Therefore, with regard to nano-graphite fibers, attempts have been made in various fields as fillers for different materials in order to efficiently reflect the physical properties (eg, electrical conductivity) derived from the controlled graphite structure throughout the individual. ing.

特に、2次元に発達した黒鉛炭素構造が円筒状に巻いた形状を有するカーボンナノチューブは、その特異な物性が着目され、その工業的な供給方法として種々の製法が試みられている。例えば、原料に炭素源ガスを使用し、微細に調製した遷移金属触媒の表面を起点にしてカーボンナノチューブを成長させる気相成長法(CVD法)や放電電極に炭素黒鉛を使用してアーク放電させてカーボンナノチューブ生成するアーク放電法があり、生産効率の面から気相成長法が量産法に適している。   In particular, carbon nanotubes having a shape in which a two-dimensionally developed graphitic carbon structure is wound into a cylindrical shape have attracted attention for their unique physical properties, and various production methods have been tried as industrial supply methods. For example, using a carbon source gas as a raw material, a vapor phase growth method (CVD method) in which carbon nanotubes are grown from the surface of a finely prepared transition metal catalyst as a starting point, or arc discharge using carbon graphite as a discharge electrode There is an arc discharge method in which carbon nanotubes are produced by using the method. From the viewpoint of production efficiency, a vapor phase growth method is suitable for a mass production method.

気相成長法の場合、カーボンナノチューブ生成過程において、触媒粒子のサイズと形状によってナノチューブの直径と形状が影響を受けるため、形状の制御が困難である。また、原料の炭素源ガスの供給速度と反応温度により、その黒鉛構造の成長が影響を受け、これらが原因となり、黒鉛構造をとらない炭素アモルファス又はコークを含むことが知られている。更に、触媒由来の遷移金属を含有する粒子が含まれることもある。すなわち、カーボンナノチューブの形状、黒鉛構造および金属の混入の制御は、気相成長法の生成原理に基づく課題であり、粗製物では上記の成分がカーボンナノチューブの不純物として含有され、それらが原因で電気伝導性が劣化するなど所望の性能が得られない。   In the case of the vapor phase growth method, it is difficult to control the shape because the diameter and shape of the nanotube are affected by the size and shape of the catalyst particles in the process of forming carbon nanotubes. Further, it is known that the growth rate of the graphite structure is affected by the supply rate of the carbon source gas as a raw material and the reaction temperature, and these cause carbon amorphous or coke which does not have a graphite structure. Further, particles containing a catalyst-derived transition metal may be included. That is, the control of the shape of the carbon nanotube, the graphite structure, and the contamination of the metal is a problem based on the generation principle of the vapor phase growth method. Desired performance cannot be obtained such as deterioration of conductivity.

一方、上記のナノ黒鉛繊維の一般的な応用技術としては、その高い導電性を活かし、樹脂、ゴム等に分散して除電性の複合材料を調製する技術、塗料に分散して静電塗料を調製する技術などが期待されている。この様に、他の材料に分散させることにより複合材料としての特性を発現させるには、ナノ黒鉛繊維の分散性を高める必要がある。   On the other hand, as a general applied technology of the above-mentioned nano-graphite fiber, a technology of preparing a composite material having static elimination by dispersing in resin, rubber, etc. utilizing the high conductivity, and dispersing in a coating material to form an electrostatic coating material. Techniques for preparation are expected. As described above, in order to exhibit characteristics as a composite material by dispersing it in another material, it is necessary to enhance the dispersibility of the nanographite fibers.

しかしながら、一般に、アスペクト比が3以上の形状のカーボンナノチューブ等は、黒鉛炭素構造の表面を持つため、表面張力が低く、上記の分散マトリックスに対して良好に分散させることが極めて困難であり、その結果、所望の材料特性が得られていないのが現状である。   However, in general, carbon nanotubes and the like having an aspect ratio of 3 or more have a surface of a graphite carbon structure, and therefore have a low surface tension and are extremely difficult to disperse well in the above-described dispersion matrix. As a result, desired material properties have not been obtained at present.

一方、官能基で表面を化学修飾したカーボンナノチューブ、または、窒素やホウ素を含有するBN又はBCNチューブと呼ばれるカーボンナノチューブの調製方法が提案されている(例えば非特許文献1〜3参照)。そして、これらの物質を応用することにより、分散マトリックスである樹脂やゴムと化学的な親和性の高いカーボンナノチューブを得ることへの期待がある。   On the other hand, there has been proposed a method for preparing carbon nanotubes whose surfaces are chemically modified with functional groups, or carbon nanotubes called BN or BCN tubes containing nitrogen or boron (for example, see Non-Patent Documents 1 to 3). By applying these substances, there is an expectation to obtain carbon nanotubes having high chemical affinity with resin or rubber as a dispersion matrix.

しかしながら、カーボンナノチューブの分散性を高めるには、それらの表面の化学的な親和性を高めること以外に、形態的な効果として、カーボンナノチューブの分散性が良い、すなわち、ほぐれ易い材料であることが必要であるが、それらについての有効な手段は見出されていないのが現状である。   However, in order to increase the dispersibility of carbon nanotubes, besides increasing the chemical affinity of their surface, as a morphological effect, the dispersibility of carbon nanotubes is good, that is, a material that is easily loosened. Although it is necessary, no effective means has been found for them at present.

カーボンナノチューブの製法として、炭素前駆体の有機ポリマーと熱分解性の有機ポリマーから成る複合化粒子を溶融紡糸した後に熱炭素化する方法が知られている(例えば非特許文献4及び特許文献1参照)。しかしながら、カーボンナノチューブの外観形状の効果としてほぐれ易や分散特性については知られていない。   As a method for producing carbon nanotubes, a method is known in which composite particles comprising an organic polymer of a carbon precursor and a thermally decomposable organic polymer are melt-spun and then subjected to thermal carbonization (for example, see Non-Patent Document 4 and Patent Document 1). ). However, there is no known effect of the appearance and shape of the carbon nanotube on the ease of loosening and dispersion characteristics.

一方、アーク放電によるカーボンナノチューブの生成例が報告されており、カーボンナノチューブにナノパーティクルが存在することも写真で示されているが、カーボンナノチューブのほぐれ易さについては報告されていない(非特許文献5)。そして、この製法過程は、強電界かつ高真空下で疑似液化した炭素微粒子の静電張力による形態変化と考えられている(非特許文献5)。従って、カーボンナノチューブとナノパーティクルの生成量を所望の範囲に制御することは極めて困難である。   On the other hand, an example of the generation of carbon nanotubes by arc discharge has been reported, and the photograph also shows that nanoparticles exist in the carbon nanotubes, but there is no report on the ease of loosening of the carbon nanotubes (Non-Patent Document 5). This production process is considered to be a morphological change due to the electrostatic tension of the carbon fine particles quasi-liquefied under a strong electric field and high vacuum (Non-Patent Document 5). Therefore, it is extremely difficult to control the amount of carbon nanotubes and nanoparticles generated in a desired range.

J.Mater.Chem.,7(12),2335-2337,1997J. Mater. Chem. , 7 (12), 2335-2337,1997 Appl.Phys.Lett.,75,3932,1999Appl. Phys. Lett. , 75,3932,1999 Chem.Phys.Lett.,316,365-372,2000Chem. Phys. Lett. , 316,365-372,2000 Advanced Materials 14,452-455,2002Advanced Materials 14,452-455,2002 Chem.Phys.Lett.204,277,1993Chem. Phys. Lett. 204,277,1993 特開2002−29719JP-A-2002-29719

本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、その目的は、ナノ黒鉛繊維を分散材として使用して各種の機能を誘導するために有効な炭素組成物を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a carbon composition that is effective for inducing various functions by using nanographite fibers as a dispersant.

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、例えば、ポリアクリロニトリル樹脂を原料とする所定の製法で得られ且つナノ黒鉛繊維を含む特定の炭素組成物により、上記の目的を容易に達成し得るとの知見を得、本発明の完成に至った。   The present inventors have made intensive studies and as a result, for example, the above object can be easily achieved by a specific carbon composition obtained by a predetermined production method using polyacrylonitrile resin as a raw material and containing nanographite fibers. Thus, the present invention was completed.

すなわち、本発明の第1の要旨は、炭素組成物であって、倍率5万倍以上の透過電子顕微鏡写真に基づく面積比として、ナノ黒鉛繊維の含有量が30〜95%、ナノ黒鉛粒子の含有量0.5〜50%であり、両者の合計量が組成物全体の40%以上であり、ナノ黒鉛繊維に対するナノ黒鉛粒子の割合が1〜60%であることを特徴とする炭素組成物に存する。   That is, the first gist of the present invention is a carbon composition, in which the content of nanographite fibers is 30 to 95% and the ratio of nanographite particles is as an area ratio based on a transmission electron micrograph at a magnification of 50,000 or more. The carbon composition, wherein the content is 0.5 to 50%, the total amount of both is 40% or more of the whole composition, and the ratio of nanographite particles to nanographite fibers is 1 to 60%. Exists.

そして、本発明の第2の要旨は、マトリックス中に上記の組成物が含有されていることを特徴とする複合材料に存し、更に、本発明の第3の要旨は、分散溶媒中に上記の組成物が分散して成ることを特徴とする炭素組成物の分散体に存する。   The second aspect of the present invention resides in a composite material characterized in that the above composition is contained in a matrix. Further, the third aspect of the present invention resides in that Wherein the composition is a dispersion of the carbon composition.

本発明によれば、ナノ黒鉛繊維を分散材として使用して各種の機能を誘導するために有効な炭素組成物が提供される。   According to the present invention, there is provided a carbon composition that is effective for inducing various functions by using nanographite fibers as a dispersant.

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々に変形して実施することが出来る。本発明の炭素組成物は、必須成分として、2つの成分、すなわち、ナノ黒鉛繊維とナノ黒鉛粒子とを特定範囲の量比で含有する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be variously modified and implemented within the scope of the gist. The carbon composition of the present invention contains, as essential components, two components, that is, nanographite fibers and nanographite particles in a specific ratio.

本発明におけるナノ黒鉛繊維の中心軸領域は、連続した炭素六角網面層が繊維軸を中心に同心円の巻物状に積層した構造を有し且つその網面が繊維長手方向に平行に配向されている。また、本発明におけるナノ黒鉛繊維は、直径が1〜100nm、アスペクト比が3以上の形状を持つものが好ましい。斯かるナノ黒鉛繊維の具体的例としては、黒鉛層が長軸方向に配向して存在するナノグラファイトファイバー及び外周部がほぼ平行した炭素網面層のグラフェン構造で繊維中心軸付近が空洞になっているカーボンナノチューブ等が挙げられる。   The central axis region of the nano-graphite fiber in the present invention has a structure in which continuous carbon hexagonal mesh layers are stacked in a concentric scroll shape around the fiber axis, and the mesh surface is oriented parallel to the fiber longitudinal direction. I have. Further, the nano-graphite fiber in the present invention preferably has a shape having a diameter of 1 to 100 nm and an aspect ratio of 3 or more. As a specific example of such a nano-graphite fiber, there is a graphene structure of a nano-graphite fiber in which a graphite layer is oriented in a major axis direction and a carbon netting layer in which an outer peripheral portion is almost parallel, and a hollow portion is formed around a fiber central axis. Carbon nanotubes and the like.

2層以上にグラフェンが積層したカーボンナノチューブは、電気伝導性などの性能発現の観点からグラフェンにおける結晶は長軸方向に配向した連続した構造であることが必要であり、長手方向に対して一定の角度をもって積層され、結晶子のエッジ部分が繊維外周部に存在する所謂ヘリングボン(Herring bone)タイプやカップスタック構造のものとは異なる。性能の発現の面から、直径は、好ましくは1〜50nm、更に好ましくは1〜30nmである。   In a carbon nanotube in which graphene is stacked in two or more layers, it is necessary that the crystal in graphene has a continuous structure oriented in the long axis direction from the viewpoint of performance development such as electric conductivity, and the crystal is constant with respect to the longitudinal direction. They are stacked at an angle, and are different from those of the so-called Herringbone type or cup-stack structure in which the edge portion of the crystallite exists at the outer periphery of the fiber. The diameter is preferably from 1 to 50 nm, more preferably from 1 to 30 nm, from the viewpoint of performance.

また、本発明におけるナノ黒鉛繊維は、繊維の表面領域の大部分がアモルファス構造であり、繊維の中心軸領域が黒鉛構造である。斯かる2層構造は、例えば樹脂や溶媒における分散剤として使用するに当たり、繊維それ自体の分散性を更に高める上で有効である。   In the nano-graphite fiber of the present invention, most of the surface region of the fiber has an amorphous structure, and the central axis region of the fiber has a graphite structure. Such a two-layer structure is effective for further increasing the dispersibility of the fiber itself when used as a dispersant in a resin or a solvent, for example.

本発明において、黒鉛は、電気伝導性などの性能発現の観点から、六角網平面方向による炭素結晶構造が2層以上に実質的に同じ方向に積層した構造を有するものであればよく、一般に“黒鉛”として定義されるものに限定されない。すなわち、一般に2800℃以上の高温で処理されて得られる単結晶組織の黒鉛、代表特性として結晶C軸方向の層間距離dが3.354Å等の特性で表現される黒鉛に限定されない。例えば、小山ら(「工業材料」第30巻、第7号、p109−115)に示される様な、三次元方向には結晶規則性が観られない乱層黒鉛構造をもとに構成される繊維でもよい。透過型電子顕微鏡(TEM)による100万倍以上の倍率の像において、繊維軸方向の結晶長さが最低限2nm以上であり、かつ実質的に直線状で2層以上の連続炭素結晶層が実質的に繊維軸方向に平行に積層した(結晶C軸が繊維軸にほぼ垂直)構造が認められるものであればよい。本発明においては、それらを主に含む領域を黒鉛構造と定義する。ここで、結晶子のC軸の法線と繊維中心軸が形成する角度は25°以下が好ましい。   In the present invention, graphite may have a structure in which a carbon crystal structure in a hexagonal mesh plane direction is laminated in two or more layers in substantially the same direction from the viewpoint of performance development such as electric conductivity. It is not limited to what is defined as "graphite". That is, it is not limited to graphite having a single crystal structure generally obtained by being treated at a high temperature of 2800 ° C. or higher, and graphite having an interlayer distance d in the crystal C-axis direction of 3.354 ° or the like as a representative characteristic. For example, as shown in Koyama et al. (“Industrial Materials”, Vol. 30, No. 7, p. 109-115), it is constructed based on a turbostratic graphite structure in which no crystal regularity is observed in three-dimensional directions. Fiber may be used. In an image at a magnification of 1,000,000 or more by a transmission electron microscope (TEM), the crystal length in the fiber axis direction is at least 2 nm or more, and two or more continuous carbon crystal layers are substantially linear and substantially linear. Any structure may be used as long as it has a structure that is laminated in parallel with the fiber axis direction (the crystal C axis is substantially perpendicular to the fiber axis). In the present invention, a region mainly containing them is defined as a graphite structure. Here, the angle formed by the normal to the C axis of the crystallite and the fiber central axis is preferably 25 ° or less.

一方、アモルファス構造とは前述の黒鉛構造に該当しない構造であり、例えば100万倍以上の倍率のTEM写真において、結晶長さが2nmよりも短いもの、または、結晶層が実質的な平行な配列で積層構造をとらないもの等を意味する。更に、TEM写真で観測されるある結晶層が、繊維軸に対する配向角が一定でないもの、すなわち、丸まった分散構造のものを意味する。   On the other hand, an amorphous structure is a structure that does not correspond to the above-described graphite structure. For example, in a TEM photograph at a magnification of 1,000,000 or more, a crystal length is shorter than 2 nm, or a crystal layer is arranged in a substantially parallel arrangement. Means those which do not have a laminated structure. Further, a certain crystal layer observed in the TEM photograph has a non-uniform orientation angle with respect to the fiber axis, that is, a crystal layer having a round dispersion structure.

本発明において、繊維の表面領域とは、表面層から中心軸方向に中心軸までの炭素層の厚み、または、中心軸まで炭素層が存在しない場合は炭素層の最内部の端までの距離に対し、表面層からの範囲として、通常49%までの範囲、好ましくは30%までの範囲、更に好ましくは20%までの範囲を指す。また、繊維の中心軸領域とは、表面層から中心軸方向に中心軸までの炭素層の厚み、または、中心軸まで炭素層が存在しない場合は炭素層の最内部の端までの距離に対し、表面層からの範囲として、通常50〜100%までの範囲、好ましくは70〜100%までの範囲、更に好ましくは80%〜100%までの範囲を指す。ここで、ナノ黒鉛繊維がカーボンナノチューブの様に繊維中心軸付近が空洞コアの場合は、表面層から中心軸までの距離とは、空洞コアを含まないチューブ壁の最内層の端部までの距離、すなわちチューブの壁の厚みを意味する。   In the present invention, the surface area of the fiber is the thickness of the carbon layer from the surface layer to the central axis in the direction of the central axis, or the distance to the innermost end of the carbon layer when the carbon layer does not exist up to the central axis. On the other hand, the range from the surface layer generally indicates a range of up to 49%, preferably a range of up to 30%, and more preferably a range of up to 20%. In addition, the central axis region of the fiber is the thickness of the carbon layer from the surface layer to the central axis in the central axis direction, or the distance to the innermost end of the carbon layer if the carbon layer does not exist to the central axis. The range from the surface layer is usually in the range of 50 to 100%, preferably in the range of 70 to 100%, and more preferably in the range of 80 to 100%. Here, when the nano graphite fiber is a hollow core near the fiber central axis like a carbon nanotube, the distance from the surface layer to the central axis is the distance from the end of the innermost layer of the tube wall not including the hollow core. , Ie the thickness of the tube wall.

本発明におけるナノ黒鉛繊維の上記構造に相当する一例としてカーボンナノチューブを例に挙げる。上記の構造は、倍率が100万倍以上で且つ隣接する画素間の距離が0.06nm以下である、カーボンナノチューブの透過電子顕微鏡像を使用し、以下の手順に従った画像解析によって得られ且つ以下に定義するAに対するBの比(B/A)又はCに対するDの比(D/C)が1.20以上(好ましくは1.40以上、更に好ましくは2.00以上)であることによって特徴づけることが出来る。   As an example corresponding to the above structure of the nano-graphite fiber in the present invention, a carbon nanotube is taken as an example. The above structure is obtained by image analysis according to the following procedure using a transmission electron microscope image of a carbon nanotube having a magnification of 1,000,000 or more and a distance between adjacent pixels of 0.06 nm or less, and The ratio of B to A (B / A) or D to C (D / C) defined below is 1.20 or more (preferably 1.40 or more, more preferably 2.00 or more) Can be characterized.

(1)上記の透過電子顕微鏡像におけるカーボンナノチューブの繊維表面上に壁の厚さ方向に3nm間隔の平行な2本の線(それぞれ線1、線2とする)を引く(後述の図1参照)。 (1) Two parallel lines (referred to as line 1 and line 2 respectively) at 3 nm intervals are drawn in the thickness direction of the wall on the fiber surface of the carbon nanotube in the transmission electron microscope image (see FIG. 1 described later). ).

(2)線1と繊維壁の外側が交差する点から壁の厚さ方向への距離(L)を横軸にプロットし、横軸の距離に対応する線1上の点から線1に垂直な線上で線2に接するまでにある画素の画素濃度を積算した値(P)を縦軸にプロットし、距離(L)と画素濃度積算値(P)の関係のグラフを得る(図2参照)。 (2) The distance (L) from the point where the line 1 intersects the outside of the fiber wall in the thickness direction of the wall is plotted on the horizontal axis, and the point on the line 1 corresponding to the distance on the horizontal axis is perpendicular to the line 1 On the vertical axis, the value (P) obtained by integrating the pixel densities of the pixels until the line 2 comes into contact with the line 2 is plotted on the vertical axis to obtain a graph of the relationship between the distance (L) and the pixel density integrated value (P) (see FIG. ).

(3)上記のグラフにおいて、チューブ壁の外側から20%の距離の領域における画素濃度積算値(P)の隣接する最大値と最小値の差の平均値をAとし、壁の外側から50〜100%の距離の領域における画素濃度積算値(P)の隣接する最大値と最小値の差の平均値をBとする。なお、ここで、隣接する最大値と最小値の差の平均値とは、最初の最大値とこれに隣接する最小値との差(Δ1)、当該最小値とこれに隣接する次の最大値との差(Δ2)・・・(Δn)の様に順次に全ての最大値と最小値との差を求め、これらの差を平均した値である。 (3) In the above graph, the average value of the difference between the adjacent maximum value and minimum value of the pixel density integrated value (P) in a region at a distance of 20% from the outside of the tube wall is A, and 50 to 50 to The average value of the difference between the adjacent maximum value and minimum value of the pixel density integrated value (P) in an area at a distance of 100% is B. Here, the average value of the difference between the adjacent maximum value and the minimum value is the difference (Δ1) between the first maximum value and the minimum value adjacent thereto, the minimum value and the next maximum value adjacent thereto. (Δ2)... (Δn), the difference between all the maximum values and the minimum values is sequentially obtained, and these differences are averaged.

(4)または、上記のグラフにおいて、壁の外側から1.5nmの距離の領域における画素濃度積算値(P)の隣接する最大値と最小値の差の平均値をCとし、壁の繊維中心軸側の最内部の層から外周部に向かって1.5nmの範囲の距離の領域における画素濃度積算値(P)の隣接する最大値と最小値の差の平均値をDとする。 (4) Alternatively, in the above graph, the average value of the difference between the adjacent maximum value and minimum value of the pixel density integrated value (P) in a region at a distance of 1.5 nm from the outside of the wall is C, and the fiber center of the wall is The average value of the difference between the adjacent maximum value and minimum value of the pixel density integrated value (P) in a region within a range of 1.5 nm from the innermost layer on the axial side toward the outer peripheral portion is defined as D.

図1の画像解析に使用した透過電子顕微鏡像の倍率は160万倍である。この画像解析手法を使用する際の透過電子顕微鏡像の倍率は、グラフェンシートが明らかに確認できる倍率が必要であり、通常100万倍以上の倍率が好ましい。なお、100万倍未満あるいは100万倍以上でもグラフェンシートが不鮮明な画像では、カーボンナノチューブの結晶化度を正確に表現することは出来ない。   The magnification of the transmission electron microscope image used for the image analysis of FIG. 1 is 1.6 million times. When using this image analysis method, the magnification of the transmission electron microscope image needs to be a magnification that allows the graphene sheet to be clearly confirmed, and is usually preferably 1,000,000 times or more. Note that even if the graphene sheet is unclear even if the graphene sheet is less than 1,000,000 times or 1,000,000 times or more, the crystallinity of the carbon nanotube cannot be accurately expressed.

図1の画像解析に使用した透過電子顕微鏡像の線1及び線2間の画素数は75画素であり、画素間の距離は0.04nmである。この画像解析手法を使用する際の透過電子顕微鏡像の画素間の距離は、0.06nm以下であることが好ましい。画素間の距離が0.06nmより大きい低解像度の画像では、カーボンナノチューブの結晶化度を正確に表現することが出来ない。   The number of pixels between the lines 1 and 2 of the transmission electron microscope image used for the image analysis of FIG. 1 is 75 pixels, and the distance between the pixels is 0.04 nm. The distance between pixels of a transmission electron microscope image when using this image analysis method is preferably 0.06 nm or less. In a low-resolution image in which the distance between pixels is larger than 0.06 nm, the crystallinity of the carbon nanotube cannot be accurately represented.

本発明におけるナノ黒鉛粒子としては、電気伝導性などの性能発現の観点から表面が黒鉛構造のものが好ましく、また、短径が5〜100nmで且つアスペクト比が1以上3未満の形状を有するものが好ましい。斯かるナノ黒鉛粒子としては、例えば、粒子の周辺部分が最低2層の黒鉛層を有し、且つ、それが明確なエッジ部分を持たずに閉じた構造の結晶により構成されたものが挙げられ、この場合、2層以上のグラフェンが典型的には同心球、同心円または同一の点を中心に略一定で平行な面間隔で配列され3次元構造を持つ。ナノ黒鉛粒子の形状は、球状、楕円状および角状の何れでもよい。ここでのナノ黒鉛粒子は、ナノサイズの遷移金属の微粒子を触媒とした触媒気相製法、所謂CVD法によって得られる生成物中にしばしば見られる、触媒金属粒子の表面をグラフェン構造を有する炭素成分で覆ったものとは異なり、主として炭素成分から成り、TEMにおいて粒子の中心部が電子を良く透過する像として観察される粒子である。   As the nano-graphite particles in the present invention, those having a graphite surface are preferred from the viewpoint of performance development such as electric conductivity, and those having a minor axis of 5 to 100 nm and an aspect ratio of 1 or more and less than 3. Is preferred. Examples of such nano-graphite particles include those in which the peripheral portion of the particle has at least two graphite layers, and is formed of a crystal having a closed structure without a clear edge portion. In this case, two or more layers of graphene are typically arranged at substantially constant and parallel plane intervals around a concentric sphere, concentric circle, or the same point, and have a three-dimensional structure. The shape of the nanographite particles may be spherical, elliptical, or angular. Here, the nano-graphite particles are a carbon component having a graphene structure on the surface of the catalytic metal particles, which is often found in a product obtained by a so-called CVD method using a catalytic vapor phase production method using nano-sized transition metal fine particles as a catalyst. Unlike those covered with, the particles are mainly composed of a carbon component, and are observed in a TEM as an image in which the central portion of the particles transmits electrons well.

本発明の炭素組成物は、例えばポリアクリロニトリル樹脂の様な炭素化可能な有機物の炭素化生成物として得られ、上記の2成分を必須成分とする。そして、複合材料のフィラーとして特性を発揮させる等の実用上の観点で、組成物全体に対する上記の2成分の合計量の割合は、ナノ黒鉛繊維とナノ黒鉛粒子とが混合しているために何れにも決し難い成分も含め、40%以上、好ましくは45%以上、更に好ましくは50%以上である。なお、本発明の炭素組成物のフィラーとしての特性発現を妨げない限り、例えば、アモルファス状炭素などの様に上記2成分以外の成分を含有していてもよい。   The carbon composition of the present invention is obtained as a carbonization product of a carbonizable organic substance such as a polyacrylonitrile resin, and contains the above two components as essential components. In terms of practical use, such as exhibiting properties as a filler of a composite material, the ratio of the total amount of the above two components to the entire composition may be any value because the nano-graphite fiber and the nano-graphite particles are mixed. The content is 40% or more, preferably 45% or more, and more preferably 50% or more, including those that are difficult to determine. The carbon composition of the present invention may contain a component other than the above two components, such as amorphous carbon, as long as the carbon composition does not hinder the development of properties as a filler.

上記と同様の理由で、炭素組成物中のナノ黒鉛繊維の割合は、30〜95%、好ましくは40〜90%とされ、ナノ黒鉛粒子の割合は、0.5〜50%、好ましくは1〜45%である。   For the same reason as above, the proportion of nanographite fibers in the carbon composition is 30 to 95%, preferably 40 to 90%, and the proportion of nanographite particles is 0.5 to 50%, preferably 1 to 50%. ~ 45%.

また、ナノ黒鉛繊維に対するナノ黒鉛粒子の割合は、ナノ黒鉛繊維とナノ黒鉛粒子とが混合しているために何れにも決し難い成分を除いて、1〜60%、好ましくは2.5〜55%である。ナノ黒鉛粒子の割合が余りにも少ない場合は、ナノ黒鉛繊維の分散性が損なわれ、逆に、ナノ黒鉛粒子の割合が余りにも多い場合は、これをフィラーとして複合材に使用した際にナノ黒鉛繊維のフィラーとしての性能上の特長が損なわれる。また、ナノ黒鉛粒子のアスペクト比が3以上の場合は、ナノ黒鉛繊維の分散性の向上が十分でない。   The ratio of the nanographite particles to the nanographite fibers is 1 to 60%, preferably 2.5 to 55%, except for components which are hardly determined due to the mixture of the nanographite fibers and the nanographite particles. %. If the proportion of the nanographite particles is too small, the dispersibility of the nanographite fibers will be impaired.On the other hand, if the proportion of the nanographite particles is too large, when the nanographite is used as a filler in the composite, The performance characteristics of the fiber filler are impaired. When the aspect ratio of the nano graphite particles is 3 or more, the dispersibility of the nano graphite fibers is not sufficiently improved.

ここで、上記した各成分の形状および割合とは、倍率5万倍以上の透過電子顕微鏡写真に基づく形状および面積比として算出された割合を言う。好適な算出方法は、炭素組成物について任意の3以上の箇所を5万倍以上(好適には10万倍以上)の倍率でTEMで観察して得た各々の面積を基準として算出する方法である。視野中の全炭素組成物の面積に対する各成分の割合は、コンピューターによる画像処理によって容易に求めることが出来る。また、画像処理の際に特に必要な画素密度は、通常、1平方マイクロメートル当たり5万以上とされるが、数値の精度の観点から、好ましくは20万以上であり、1画素間の距離が0.25nm以下となる画素密度であることが構造を判別する上で最も好ましい。   Here, the shape and ratio of each component described above means a ratio calculated as a shape and area ratio based on a transmission electron micrograph at a magnification of 50,000 or more. A preferred calculation method is a method of calculating based on the respective areas obtained by observing any three or more portions of the carbon composition with a TEM at a magnification of 50,000 times or more (preferably 100,000 times or more) using a TEM. is there. The ratio of each component to the area of the entire carbon composition in the visual field can be easily determined by image processing using a computer. The pixel density particularly required for image processing is usually 50,000 or more per square micrometer, but from the viewpoint of numerical accuracy, it is preferably 200,000 or more, and the distance between one pixel is It is most preferable that the pixel density be 0.25 nm or less in order to determine the structure.

本発明の炭素組成物の構成元素は、炭素を主成分とし、他に水素と窒素を含み、これらの3成分以外の元素含量は0.5重量%以下であることが好ましい。窒素の含有量は、ナノ黒鉛繊維の電気伝導性を損なわずに前述の分散マトリックスとの化学的に親和性をもたせるために有効な量であればよく、具体的には、上記の3成分の総量に対し、通常1〜15重量%、好ましくは1〜12重量%である。また、この窒素元素を基点にし、別途の化学反応にてナノ黒鉛繊維に種々の官能基を付与させることも可能である。   The constituent elements of the carbon composition of the present invention contain carbon as a main component, hydrogen and nitrogen, and the content of elements other than these three components is preferably 0.5% by weight or less. The content of nitrogen may be any amount that is effective to impart a chemical affinity to the above-described dispersion matrix without impairing the electrical conductivity of the nanographite fiber. It is usually 1 to 15% by weight, preferably 1 to 12% by weight, based on the total amount. Further, it is also possible to impart various functional groups to the nano graphite fiber by a separate chemical reaction from the nitrogen element as a base point.

ところで、上記3元素以外の元素の内、特に以下に示す遷移金属を上記の範囲を超えて含有する場合は、導電特性、磁気特性および熱伝導特性が大きく異なるため、例えば有機ポリマー等をマトリックスとする複合材料のフィラーとして本発明の組成物を使用した場合に、その複合材料から所望の特性が得られなくなることがある。また、遷移金属は酸化され易いことから、フィラーそのものが酸化され易くなり、それを含む複合材料全体の機械的強度などの特性が劣化し易くなる。従って、遷移金属の含有量の総計は全体の0.5重量%以下であることが好ましい。なお、ここでの遷移金属とは、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Mo等が挙げられる。   By the way, among the elements other than the above three elements, especially when the following transition metals are contained beyond the above range, the conductive properties, magnetic properties and heat conductive properties are greatly different. For example, an organic polymer or the like is used as a matrix. When the composition of the present invention is used as a filler of a composite material, desired properties may not be obtained from the composite material in some cases. Further, since the transition metal is easily oxidized, the filler itself is easily oxidized, and properties such as mechanical strength of the entire composite material including the filler are easily deteriorated. Therefore, the total content of the transition metals is preferably 0.5% by weight or less of the whole. Here, the transition metal includes Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Mo and the like.

一方、炭素成長触媒を必要としない後述の製法で得られた炭素組成物は、気相成長製法の場合に認められる触媒由来の金属成分、例えば、Fe、Ni、Co等の遷移金属成分およびAlに代表される13〜16族元素を殆ど含有しておらず、含有していても、その量は工程中の不純物として0.5重量%以下である。   On the other hand, the carbon composition obtained by the below-described production method that does not require a carbon growth catalyst is a catalyst-derived metal component found in the case of a vapor phase production method, for example, a transition metal component such as Fe, Ni, or Co and an Al component. Group 13 to 16 elements represented by the formula (1), and even if contained, the amount is 0.5% by weight or less as an impurity in the process.

本発明の炭素組成物は、ナノ黒鉛繊維とナノ黒鉛粒子の両者を必須成分とするが、各成分の作用は次の様に推測される。すなわち、ナノ黒鉛繊維は複合材のフィラーとして求められる本来の機能を発現し、ナノ黒鉛粒子はナノ黒鉛繊維の分散性を向上させる役割を奏する。具体的には、ナノ黒鉛粒子は、分散媒との混練時において、ナノ黒鉛繊維の束の隙間に作用して束のほぐれと拡散を助ける他、マトリックスである樹脂またはゴムをナノ黒鉛繊維個体間の隙間に誘導し、表面でアンカー効果として保持する機能を有する。その際、ナノ黒鉛繊維の表面層がアモルファス構造であれば、その表面の微細な凹凸により黒鉛繊維自身でアンカー効果を更に高めることが出来、より高度な分散性を発揮する。その結果、フィラー充填系複合材の問題である材料の脆性に対し、フィラーとマトリックス間の密着性と接着性を向上させることにより界面強度の高い複合材を与える。すなわち、アスペクト比が3以上のフィラーの分散挙動は、先端部分が分散の起点となりマトリックス材とのせん断応力によって分散されることになる。また、本発明におけるナノ黒鉛繊維は、繊維の中心軸周辺のみが黒鉛層であるため、黒鉛層のみから成る繊維に比してフレキシビリティーが高く、この点からも分散性が高くなることが予想される。逆に、一般的な気相成長製法で得られるカーボンナノチューブの様に、フィラーの側面でお互いの固体の相互作用や形態的絡み合いが多いものは好ましくない。しかしながら、アモルファス構造のみから成る繊維は、繊維強度の点で劣る。これに対し、本発明におけるナノ黒鉛繊維は、上記の両者の特徴を併せ持っているので優れている。   Although the carbon composition of the present invention contains both nanographite fibers and nanographite particles as essential components, the action of each component is presumed as follows. That is, the nanographite fibers exhibit the original function required as a filler of the composite material, and the nanographite particles play a role of improving the dispersibility of the nanographite fibers. Specifically, the nano-graphite particles, when kneaded with the dispersion medium, act on the gaps between the nano-graphite fiber bundles to aid in loosening and diffusion of the bundles, and the resin or rubber serving as a matrix between the nano-graphite fiber individuals And has a function of holding as an anchor effect on the surface. At this time, if the surface layer of the nano-graphite fiber has an amorphous structure, the anchor effect can be further enhanced by the graphite fiber itself due to fine irregularities on the surface, thereby exhibiting a higher degree of dispersibility. As a result, a composite material having a high interfacial strength is provided by improving the adhesiveness and the adhesiveness between the filler and the matrix with respect to the brittleness of the material, which is a problem of the filler-filled composite material. That is, the dispersion behavior of the filler having an aspect ratio of 3 or more is such that the leading end portion becomes the starting point of dispersion and is dispersed by the shear stress with the matrix material. In addition, the nano-graphite fiber of the present invention has a higher flexibility than a fiber consisting of only a graphite layer because only the periphery of the fiber is a graphite layer around the central axis of the fiber. is expected. Conversely, it is not preferable that the filler has a large amount of solid interaction and morphological entanglement on the side surface of the filler, such as a carbon nanotube obtained by a general vapor deposition method. However, fibers consisting only of an amorphous structure are inferior in fiber strength. On the other hand, the nanographite fiber of the present invention is excellent because it has both of the above characteristics.

本発明におけるナノ黒鉛粒子は、例えば混練などの分散工程時にフィラー側面の個体間の間隔を確保し、相互作用を弱める働きをする成分であり、良好な分散性を発揮させるために必要な成分である。また、上記の効果の他、分散が容易なフィラーであることは複合材料における導電性や剛性などの元来のフィラーの効果を少ないフィラーの充填量で発揮させることが出来るため、本来のマトリックスの性能を損なわない複合材を供することが可能であり、例えば、表面の着色性、表面平滑性および樹脂成型時の粘度制御などの効果が発揮される。   Nano-graphite particles in the present invention, for example, during the dispersion process such as kneading, to ensure the spacing between the solids on the side of the filler, is a component that acts to weaken the interaction, a component necessary to exhibit good dispersibility is there. In addition to the above-mentioned effects, the fact that the filler is easily dispersed can exhibit the effects of the original filler such as conductivity and rigidity in the composite material with a small filler loading. It is possible to provide a composite material that does not impair the performance, and for example, effects such as surface colorability, surface smoothness, and viscosity control during resin molding are exhibited.

本発明の炭素組成物は、例えば、異種ポリマーのマトリックス中にミクロン及びサブミクロンサイズのドメインとして相分離されたアクリロニトリル等の炭素化可能な有機物を含有するものを任意の一方向に配向させた後、窒素またはアルゴン等の不活性ガス雰囲気中、大気圧下、通常500〜1500℃、好ましくは550〜1200℃の温度で炭素化させて得ることが出来る。炭素化可能な有機物は、次の延伸過程で変形し得るものであればよい。延伸時に加熱しながら変形させることも可能であることから、熱で軟化するものでもよい。その具体例としては、ピッチ、コールタール、芳香族炭化水素、熱可塑性樹脂などの液相炭化を経る材料と、木質原料、フェノール樹脂、ポリアクリロニトリル等の固相炭化を経る材料などが挙げられる。以降、ポリアクリロニトリルを使用した好ましい例について説明する。   The carbon composition of the present invention is obtained by, for example, orienting a carbon composition containing a carbonizable organic substance such as acrylonitrile phase-separated as a micron and submicron size domain in a matrix of a heterogeneous polymer in any one direction. And carbonization in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon under atmospheric pressure, usually at a temperature of 500 to 1500 ° C, preferably 550 to 1200 ° C. The carbonizable organic substance may be any substance that can be deformed in the next stretching process. Since it can be deformed while heating during stretching, it may be softened by heat. Specific examples thereof include materials that undergo liquid phase carbonization such as pitch, coal tar, aromatic hydrocarbons, and thermoplastic resins, and materials that undergo solid phase carbonization such as wood raw materials, phenolic resins, and polyacrylonitrile. Hereinafter, a preferred example using polyacrylonitrile will be described.

本発明の炭素組成物を得るためには、アクリロニトリルの単位を含有するポリマーに十分な配向を与え、その配向を保持しつつ炭素化に至らせることが重要である。すなわち、本発明におけるナノ黒鉛繊維およびナノ黒鉛粒子は、確実に延伸されたポリマードメインの存在から誘導され、延伸倍率によってナノ黒鉛繊維に対するナノ黒鉛粒子の量比が制御される。特に、延伸されたポリマードメインの幅をある一定の範囲に制御することが重要であり、その様なドメイン形態を形成することにより、その後の加熱による炭素化過程において、ドメインを構成するアクリロニトリルを成分とするポリマーの化学構造(アクリロニトリル連鎖長)に対する疑似結晶形態に従って、ナノ黒鉛繊維とナノ黒鉛粒子を所望の比で得ることが出来る。   In order to obtain the carbon composition of the present invention, it is important to give a polymer containing acrylonitrile units a sufficient orientation and to carry out carbonization while maintaining the orientation. That is, the nano-graphite fiber and the nano-graphite particle in the present invention are surely derived from the presence of the drawn polymer domain, and the ratio of the nano-graphite particle to the nano-graphite fiber is controlled by the draw ratio. In particular, it is important to control the width of the stretched polymer domain within a certain range. By forming such a domain morphology, the acrylonitrile constituting the domain becomes a component in the subsequent carbonization process by heating. According to the quasi-crystal morphology with respect to the chemical structure (acrylonitrile chain length) of the polymer to be used, nanographite fibers and nanographite particles can be obtained in a desired ratio.

ポリマーの延伸が不充分な場合、または、炭素化のための高温処理過程においてポリマーの延伸形態が緩和された場合、炭素化後にナノ黒鉛繊維には長手方向をLaとした結晶性が得られず、更に、ナノサイズの形状で且つ結晶構造が制御されたナノ黒鉛粒子も得られない。従って、単にアクリロニトリルを含有するポリマー、例えばポリマー粒子などを熱溶融させて外観形状として一方向に変形させて炭素化しても本発明の組成物は得られない。延伸後に得られるアクリロニトリルを含むポリマードメインの好ましい形状は、延伸方向に垂直方向で定義される幅が5〜150nmで、延伸方向に平行な長さの幅に対する比(アスペクト比)は3以上250以下である。ナノ黒鉛繊維とナノ黒鉛粒子の生成比の制御精度の観点から、更に好ましくは、幅10〜70nmであり、長さの幅に対するアスペクト比が3〜150である。この様なポリマードメインを得るのに好ましい延伸倍率は、ポリマーの種類、分子量、材料形態にも依存するが、一般的には3〜30倍の範囲が挙げられる。ここでの延伸倍率とは、長軸方向の長さと、延伸前のポリマー粒子の直径の比を指す。   If the stretching of the polymer is insufficient, or if the stretched form of the polymer is relaxed during the high-temperature treatment process for carbonization, the crystallinity with the longitudinal direction of La will not be obtained in the nanographite fiber after carbonization. Furthermore, nanographite particles having a nanosized shape and a controlled crystal structure cannot be obtained. Therefore, the composition of the present invention cannot be obtained by simply melting a polymer containing acrylonitrile, for example, polymer particles, by heat melting and deforming the appearance in one direction to carbonize. The preferred shape of the acrylonitrile-containing polymer domain obtained after stretching is such that the width defined in the direction perpendicular to the stretching direction is 5 to 150 nm and the ratio of the length parallel to the stretching direction to the width (aspect ratio) is 3 or more and 250 or less. It is. From the viewpoint of control accuracy of the production ratio of the nanographite fibers and the nanographite particles, the width is more preferably 10 to 70 nm, and the aspect ratio to the width is 3 to 150. The preferred draw ratio for obtaining such a polymer domain depends on the type, molecular weight and material form of the polymer, but is generally in the range of 3 to 30 times. The stretching ratio here refers to the ratio of the length in the major axis direction to the diameter of the polymer particles before stretching.

上記の製造方法において、炭素化温度が低すぎる場合は黒鉛化形成収率が低くなりやすく、逆に、高すぎる場合は炭素化収率に影響がないものの工程効率のロスが大きい。実際の工程において前記の温度範囲で炭素化を行うに際し、室温から当該温度まで昇温する温度履歴を含むことは、ポリマーの炭素化反応を均質に進行させる点で好ましい。具体的には、例えば、毎分5℃での昇温過程、毎分5℃での降温過程で400℃まで降温する等の条件が挙げられる。   In the above production method, if the carbonization temperature is too low, the graphitization formation yield tends to be low. Conversely, if the carbonization temperature is too high, there is no effect on the carbonization yield, but the process efficiency is greatly lost. When carbonization is performed in the above temperature range in an actual process, it is preferable to include a temperature history of raising the temperature from room temperature to the temperature in order to allow the carbonization reaction of the polymer to proceed uniformly. Specifically, for example, conditions such as a temperature rising process at 5 ° C. per minute and a temperature lowering process at 5 ° C. per minute to 400 ° C. may be mentioned.

また、一般的に知られている手法として、上記の温度で炭素化する前に、予め、ポリアクリロニトリルを不融化および耐炎化の目的で酸化および架橋反応させる工程を含んでもよい。例えば、酸素雰囲気下、通常120〜300℃、好ましくは160〜250℃で1時間以上保持し、ポリアクリロニトリル換算で1〜7重量%の酸化による重量増が検出されるまで酸化処理を行なう。酸化処理条件は特に制限されず、例えば、オゾンガス雰囲気下、60〜150℃温度で所定の時間保持する等の方法も挙げられる。   Further, as a generally known technique, before carbonization at the above-mentioned temperature, a step of oxidizing and cross-linking polyacrylonitrile in advance for the purpose of infusibility and flame resistance may be included. For example, in an oxygen atmosphere, the temperature is generally maintained at 120 to 300 ° C., preferably 160 to 250 ° C. for 1 hour or more, and the oxidation treatment is performed until a weight increase by oxidation of 1 to 7% by weight in terms of polyacrylonitrile is detected. The oxidation treatment conditions are not particularly limited, and for example, a method of holding at a temperature of 60 to 150 ° C. for a predetermined time in an ozone gas atmosphere may be used.

ここで、マトリックスポリマー中に相分離されたアクリロニトリルの単位を含有するポリマーのドメインとは、ポリアクリロニトリルを初めとするアクリロニトリルをモノマーに含む重合体を指す。好ましいドメインのサイズは、その後の延伸配向の制御が可能な範囲として、50〜1000nm、好ましくは50〜600nmである。本発明におけるナノ黒鉛繊維およびナノ黒鉛粒子は、これらのポリマードメインを確実に延伸することによって形成され、延伸倍率によってナノ黒鉛繊維に対するナノ黒鉛粒子の量比が制御されることから、これらのドメインは、機械的に延伸され易い性状を有するが、その後の工程でその形態を保持する条件で炭素化に至らせる必要がある。   Here, the domain of a polymer containing acrylonitrile units phase-separated in a matrix polymer refers to a polymer containing acrylonitrile as a monomer, including polyacrylonitrile. A preferred size of the domain is 50 to 1000 nm, preferably 50 to 600 nm, as a range in which the subsequent stretching orientation can be controlled. The nano-graphite fiber and the nano-graphite particle in the present invention are formed by reliably stretching these polymer domains, and the stretching ratio controls the amount ratio of the nano-graphite particle to the nano-graphite fiber. It has the property of being easily stretched mechanically, but it is necessary to bring about carbonization under the conditions that maintain the shape in subsequent steps.

ドメインを構成するポリマー成分としては、炭素収率の点でポリアクリロニトリルのホモポリマー又はアクリロニトリルを主成分とする共重合ポリマ−の何れでもよいが、アクリロニトリル構成比の含有量は、黒鉛構造を有する炭素を誘導する観点から、通常40重量以上%、好ましくは50重量%以上である。また、共重合モノマーとしては、後述する合成上の観点から、アクリル酸メチル、アクリル酸イソブチル等のエステルの他、アクリル酸、イタコン酸などの酸が例示できる。これらの成分から成るドメインがマトリックスに対して物理的に隙間無く、すなわち、分離されることなく一体の固体を形成していることが、このポリマー材料を機械的な手法で延伸配向させるために必要である。   The polymer component constituting the domain may be either a homopolymer of polyacrylonitrile or a copolymer containing acrylonitrile as a main component in terms of carbon yield.However, the content of the acrylonitrile constituent ratio is as follows. From the viewpoint of inducing, the content is usually 40% by weight or more, preferably 50% by weight or more. Examples of the copolymerizable monomer include esters such as methyl acrylate and isobutyl acrylate, and acids such as acrylic acid and itaconic acid from the viewpoint of synthesis described later. It is necessary for the mechanical orientation of the polymer material that the domains of these components be physically solid with respect to the matrix, that is, form an integral solid without separation. It is.

上記のドメインを含有するポリマー材料を作製するには、予め重合処方と条件によって以下に記述の範囲に粒径が制御されて調製されたポリマー粒子をマトリックスポリマーに分散させる方法、具体的には双方のポリマーを粒子状態で物理的に混合混練により分散する方法の他、溶媒を使用してゲル状のマトリックスに粒子を分散した後に溶媒を除去する方法などが挙げられる。   In order to prepare a polymer material containing the above domains, a method of dispersing polymer particles prepared in advance in a particle size controlled in the range described below by a polymerization recipe and conditions in a matrix polymer, specifically, both In addition to a method of physically dispersing the polymer in a particle state by mixing and kneading, a method of dispersing the particles in a gel matrix using a solvent and then removing the solvent is used.

使用するマトリックスポリマーの種類は、ポリアクリロニトリルと相溶性の低いものが分散形態を維持する上で好ましい。また、熱溶融して使用する場合は、重合時に反応温度やアルキルチオール類などの連鎖移動剤の使用により、分子量の制御が行い易いポリマーが選ばれる。斯かるポリマーの具体例としては、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ4−メチル−1−ペンテン等が挙げられる。また、溶媒は、ポリアクリロニトリルの貧溶媒であることが、ドメインサイズを維持する上で好ましい。   As the type of the matrix polymer to be used, those having low compatibility with polyacrylonitrile are preferable in order to maintain the dispersed form. In the case where the polymer is used by heat melting, a polymer whose molecular weight can be easily controlled by using a reaction temperature or a chain transfer agent such as alkyl thiols during polymerization is selected. Specific examples of such a polymer include polystyrene, polypropylene, polyethylene, poly 4-methyl-1-pentene, and the like. Further, the solvent is preferably a poor solvent for polyacrylonitrile in order to maintain the domain size.

また、ドメインを作製する他の方法として、2種類のポリマーの界面特性の差を利用した方法、具体的には、任意の方法で合成したアクリロニトリル単位を含む共重合ポリマーとマトリックスのポリマーとを一緒に良溶媒で溶解して溶液または膨潤ゲルを調製し、これを任意の貧溶媒に浸漬させ、アクリロニトリルを含むポリマーを表面張力差により相分離させた後に溶媒を除去する方法、アクリロニトリル単位を含む共重合ポリマーとマトリックスポリマーとを共に熱で溶融させた後にアクリロニトリル単位のポリマーを分子間親和力によって相分離させる方法などが例示できる。   Further, as another method for producing a domain, a method utilizing the difference in interface characteristics between two kinds of polymers, specifically, a copolymer containing acrylonitrile units synthesized by an arbitrary method and a matrix polymer are used together. A solution or swollen gel is prepared by dissolving the mixture in a good solvent, and then immersed in any poor solvent to separate the acrylonitrile-containing polymer by phase difference due to the difference in surface tension and then removing the solvent. For example, a method in which the polymer of the acrylonitrile unit is phase-separated by intermolecular affinity after the polymerized polymer and the matrix polymer are both melted by heat.

上記の方法で得られたドメインのポリマーは任意の一方向へ延伸して配向されるが、2以上の方向に延伸する等、少なくとも一方向に延伸して配向されればよい。相分離したドメインの単位でアスペクト比が通常3以上(好ましくは5以上)に変形したアクリロニトリルポリマーから成るドメインの形態を示す。延伸方法は、特に限定されないが、機械的に一軸方向にドメイン含有複相ポリマーフィルムを引張って延伸する方法、限定したサイズのノズルからポリマー溶液または熱溶融したポリマーを糸形状で曳き出す紡糸によって延伸する方法等が例示できる。   The domain polymer obtained by the above method is stretched and oriented in any one direction, but may be stretched and oriented in at least one direction, such as stretching in two or more directions. The morphology of a domain composed of an acrylonitrile polymer, which is usually a unit of phase-separated domains and having an aspect ratio of 3 or more (preferably 5 or more). The stretching method is not particularly limited, and is a method of mechanically stretching the domain-containing multiphase polymer film in a uniaxial direction and stretching, or by drawing a polymer solution or a hot-melted polymer in a thread form from a nozzle of a limited size. And the like.

マトリックスポリマー中でのドメインの分散状態や延伸形態は、例えば、TEMで観察した際に認められるポリアクリロニトリル相とマトリックスポリマー相との電子線の透過度の相対比がコントラストとなって現れることをもとに確認することが出来る。   For example, the relative state of the electron beam transmittance between the polyacrylonitrile phase and the matrix polymer phase, which is observed when observed with a TEM, may appear as a contrast in the dispersed state and stretched form of the domains in the matrix polymer. And can be confirmed.

ドメインの前駆体である、ポリアクリロニトリルが主成分の粒子は、水系の溶媒中、水溶性の過硫酸またはアゾ系の開始剤を使用し、アクリロニトリルモノマーを重合する方法などで合成することが出来る。または、この系に界面活性剤を使用した乳化重合により合成してもよい。   Particles mainly composed of polyacrylonitrile, which is a precursor of the domain, can be synthesized by a method of polymerizing an acrylonitrile monomer using a water-soluble persulfuric acid or azo-based initiator in an aqueous solvent. Alternatively, it may be synthesized by emulsion polymerization using a surfactant in this system.

ポリアクリロニトリルを主成分とする粒子は、配向の観点から、粒径30〜1000nmで重量平均分子量1000〜1000000であることが好ましい。粒径が大き過ぎる場合は、ドメイン中に配向不良の個所が生じ易く、小さ過ぎる場合は、配向時にドメインが不連続になり易く、延伸後のドメイン形態の制御が困難である。また、ポリアクリロニトリルは分子間および分子内での相互作用で凝集性が強く、機械的な延伸など分子を配向させることが困難であることが多い。また、延伸させる際に、マトリックスポリマーとの表面張力の差により、界面でスリップ現象を起こし、配向が不充分となることがある。そのために、本発明ではポリアクリロニトリルを主成分とする粒子はアクリロニトリルに共重合モノマーを使用した重合体粒子とすることも可能である。   The particles containing polyacrylonitrile as a main component preferably have a particle size of 30 to 1000 nm and a weight average molecular weight of 1,000 to 1,000,000 from the viewpoint of orientation. If the particle size is too large, poorly oriented portions are likely to occur in the domains. If the particle size is too small, the domains are likely to be discontinuous during orientation, and it is difficult to control the domain form after stretching. In addition, polyacrylonitrile has strong cohesion due to the interaction between molecules and within the molecule, and it is often difficult to orient the molecules by mechanical stretching or the like. Further, during stretching, a slip phenomenon may occur at the interface due to a difference in surface tension with the matrix polymer, and the orientation may be insufficient. Therefore, in the present invention, the particles containing polyacrylonitrile as the main component can be polymer particles using acrylonitrile and a copolymerized monomer.

共重合ポリマーにおけるアクリロニトリルの含有量は、炭素化後に黒鉛構造を得る観点から、共重合ポリマー中の割合として、通常40mol%以上、更に好ましくは60mol%以上である。具体的に使用する共重合モノマーとしては、重合規則性と定量性を得る観点から、マトリックスに使用するポリマーと共通のモノマー又はアクリル酸メチル等のアクリロニトリルとの重合反応速度比が近いモノマーが好ましい。   From the viewpoint of obtaining a graphite structure after carbonization, the content of acrylonitrile in the copolymer is usually at least 40 mol%, more preferably at least 60 mol%, as a proportion in the copolymer. From the viewpoint of obtaining the polymerization regularity and quantitativeness, a copolymer monomer specifically used is preferably a monomer having a similar polymerization reaction rate ratio between the polymer used for the matrix and a common monomer or acrylonitrile such as methyl acrylate.

更に、上記の重合方法の他、マトリックスポリマーと同じ成分の微粒子を水溶液中に分散させた後、アクリロニトリルを主成分とするモノマーを添加し、微粒子表面で重合させるシード重合の方法を採用することも出来る。   Further, in addition to the above polymerization method, it is also possible to adopt a seed polymerization method in which fine particles of the same component as the matrix polymer are dispersed in an aqueous solution, a monomer containing acrylonitrile as a main component is added, and polymerization is performed on the surface of the fine particles. I can do it.

本発明の炭素組成物は、一方向に配向したアクリロニトリルを含むポリマーから成る束状の微細な有機繊維を炭素化させて得られる組成物であってもよい。ここでの配向したアクリロニトリルの単位を含むポリマーの束は、一部または全部結晶化されたものを含んでよい。   The carbon composition of the present invention may be a composition obtained by carbonizing bundled fine organic fibers made of a polymer containing acrylonitrile oriented in one direction. The polymer bundles containing oriented acrylonitrile units herein may include partially or fully crystallized ones.

配向した微細な束状のポリマー繊維の作製方法の例としては、前述の様に、マトリックスポリマーに分散したドメインを延伸した後、マトリックスポリマーを溶媒で溶出することにより、固形分で残る延伸されたアクリロニトリル単位を含むポリマーを取り出す方法が挙げられる。この方法でのポリマーとしては、ドメイン及びマトリックスの何れのポリマーも前述と同じものが使用できる。ドメイン中のアクリロニトリルを含む有機繊維の束をマトリックスポリマーから溶出させる溶媒は、そのポリマーの組み合わせの種類に応じて選択されるが、ポリアクリロニトリルの貧溶媒が好ましい。例えば、マトリックスポリマーがポリビニルアルコールの場合、水、エタノール、イソプロピルアルコール等を溶媒に使用すれば、フィルム中で配向して分散しているアクリロニトリルを単位とするポリマーの配向繊維の束を効果的に取り出すことが出来る。   As an example of the method for producing the oriented fine bundle-shaped polymer fibers, as described above, after the domains dispersed in the matrix polymer are stretched, the matrix polymer is eluted with a solvent, so that the stretch remaining as a solid content is performed. A method of taking out a polymer containing an acrylonitrile unit may be mentioned. As the polymer in this method, the same polymer as described above can be used for both the domain and the matrix. The solvent that elutes the bundle of acrylonitrile-containing organic fibers in the domain from the matrix polymer is selected according to the type of the polymer combination, but a poor solvent for polyacrylonitrile is preferable. For example, when the matrix polymer is polyvinyl alcohol, if water, ethanol, isopropyl alcohol, or the like is used as a solvent, a bundle of oriented fibers of the polymer having acrylonitrile as a unit oriented and dispersed in the film is effectively taken out. I can do it.

更に他の方法として、アクリロニトリル含有共重合ポリマーを、別の種類のマトリックスポリマーを使用せずに単独で使用し、溶融紡糸またはゲルフィルムから溶媒を乾固させる方法で繊維またはフィルムとなした後に引っ張り延伸し、これを前記と同様な条件で炭素化する方法も採用可能である。この方法の場合、配向した微細ポリマー繊維の単離物を炭素前駆体としていないが、繊維およびフィルム形状の延伸体が部分的に配向された単位を含むため、本発明の炭素組成物を得ることが可能となる。アクリロニトリル共重合ポリマーの作製方法は、前述のドメイン成分の粒子の調製手法が使用できる他、溶液重合による方法なども可能である。   As still another method, an acrylonitrile-containing copolymer is used alone without using another type of matrix polymer, and is then stretched into a fiber or a film by a method of drying a solvent from a melt-spun or gel film and then pulling. It is also possible to adopt a method of stretching and carbonizing it under the same conditions as described above. In the case of this method, the isolated polymer of oriented fine polymer fiber is not used as the carbon precursor, but the fiber and the film-shaped stretched product contain partially oriented units, so that the carbon composition of the present invention can be obtained. Becomes possible. As a method for producing the acrylonitrile copolymer, the above-described method for preparing particles of the domain component can be used, and a method based on solution polymerization can also be used.

次に、本発明の複合材料について説明する。本発明の複合材料は、マトリックス中に上記の炭素組成物が含有されていることを特徴とする。すなわち、本発明の炭素組成物は、樹脂、ゴム等への機能性付与材として使用した場合に分散性が良いこと等から好適な充填材として使用することが出来る。また、本発明の複合材料は、充填材により付与された導電性や剛性を活かし、機能性組成物として、帯電防止材、除電材、静電塗料、電磁波吸収材などの多方面に利用することが出来る。本発明の炭素組成物が含まれていることの確認は、溶媒、酸などで試料中のマトリックス成分を溶解し、濾別して得た固形成分をTEMで観察する手段などで行うことが出来る。   Next, the composite material of the present invention will be described. The composite material of the present invention is characterized in that the above-mentioned carbon composition is contained in a matrix. That is, the carbon composition of the present invention can be used as a suitable filler because of its good dispersibility when used as a functional imparting material for resins, rubbers and the like. In addition, the composite material of the present invention makes use of the conductivity and rigidity imparted by the filler, and is used as a functional composition in various fields such as an antistatic material, a static elimination material, an electrostatic paint, and an electromagnetic wave absorbing material. Can be done. Confirmation that the carbon composition of the present invention is contained can be carried out by dissolving the matrix component in the sample with a solvent, an acid, or the like, and observing the solid component obtained by filtration with a TEM.

上記の樹脂としては、特に限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等のポリオレフィン類、ポリメチルメタクリレート、ポリイソブチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート等のアクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、AS又はABS(アクリロニトリル・スチレンの共重合またはアクリロニトリル・スチレン・ブタジエンの3元共重合)樹脂、フッ素系樹脂などの熱可塑性樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。   Examples of the resin include, but are not limited to, polyethylene, polypropylene, polyolefins such as polystyrene, polymethyl methacrylate, polyisobutyl methacrylate, acrylic resins such as polymethyl acrylate, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyester resins such as polybutylene terephthalate, Polyamide resin, polyacetal resin, polyetherimide resin, polyphenylene oxide resin, polyphenylene sulfide resin, polyethersulfone resin, polyetheretherketone resin, AS or ABS (copolymerization of acrylonitrile / styrene or ternary copolymer of acrylonitrile / styrene / butadiene) Polymerization) Resin, thermoplastic resin such as fluorine resin, unsaturated polyester, epoxy resin, phenol resin Urea resin include thermosetting resins such as silicone resin.

また、上記のゴムとは、広くエラストマーを指し、天然ゴムの他、一般的な合成ゴムが使用可能である。具体例としては、天然ゴム、ポリイソプレンを主成分とする合成天然ゴム、1,2−ポリブタジエン及び1,4−ポリブタジエンを成分とするブタジエンゴム、ブタジエン−スチレン共重合体を成分とするブタジエン−スチレンゴム(通称SBR)、ブタジエン−アクリロニトリル共重合体を成分とするブタジエン−アクリロニトリルゴム(通称NBR)、エチレン−プロピレン共重合体を成分とするエチレン−プロピレンゴム(通称EPM及びEPDM)、ポリジメチルシロキサンを主成分とするシリコーンゴムの他、ポリクロロプレンを主成分とするクロロプレンゴム等が挙げられる。   The above-mentioned rubber widely refers to an elastomer, and a general synthetic rubber can be used in addition to a natural rubber. Specific examples include natural rubber, synthetic natural rubber containing polyisoprene as a main component, butadiene rubber containing 1,2-polybutadiene and 1,4-polybutadiene as components, and butadiene-styrene containing a butadiene-styrene copolymer as a component. Rubber (commonly known as SBR), butadiene-acrylonitrile rubber as a component (commonly known as NBR), ethylene-propylene rubber (commonly referred to as EPM and EPDM) including an ethylene-propylene copolymer as a component, and polydimethylsiloxane. In addition to silicone rubber as a main component, chloroprene rubber and the like containing polychloroprene as a main component are exemplified.

本発明の炭素組成物は、上記の樹脂やゴムと顔料などの任意の添加剤と共にミキサーやニーダーで混合し、押し出しスクリュー等で混練することで分散させることが出来る。得られた組成物は、射出成型機、加圧金型成型などでシート、フィルム、その他所望の形状に成形され、フィラーの分散性が良好な複合材料として各種の用途に使用される。マトリックス中における本発明の炭素組成物の配合割合は、用途により適宜選択される。例えば、マスターバッチとしての用途の場合の濃度は通常1〜30重量%である。また、最終製品の場合の濃度は通常1〜15重量%である。   The carbon composition of the present invention can be dispersed by mixing with the above resin or rubber and optional additives such as pigments with a mixer or kneader and kneading with an extrusion screw or the like. The obtained composition is formed into a sheet, film, or other desired shape by an injection molding machine, pressure molding, or the like, and is used in various applications as a composite material having good filler dispersibility. The mixing ratio of the carbon composition of the present invention in the matrix is appropriately selected depending on the application. For example, the concentration for use as a masterbatch is usually 1 to 30% by weight. The concentration of the final product is usually 1 to 15% by weight.

次に、本発明の炭素組成物の分散体について説明する。本発明の分散体は、分散溶媒中に前記の炭素組成物が分散して成ることを特徴とする。分散溶媒としては、炭素組成物が溶解しない限り、各所の溶媒を任意に使用することが出来る。好適な分散溶媒の一例としては、水の他、エタノール等のアルコールが挙げられる。分散溶媒中の炭素組成物の濃度は通常0.1〜10重量%である。分散溶媒中への炭素組成物の分散は、通常の攪拌機を使用して行うことが出来る。   Next, the dispersion of the carbon composition of the present invention will be described. The dispersion of the present invention is characterized in that the carbon composition is dispersed in a dispersion solvent. As the dispersing solvent, any solvent can be used arbitrarily as long as the carbon composition is not dissolved. Examples of suitable dispersion solvents include water and alcohols such as ethanol. The concentration of the carbon composition in the dispersion solvent is usually from 0.1 to 10% by weight. Dispersion of the carbon composition in the dispersion solvent can be performed using a usual stirrer.

本発明の炭素組成物の分散体は、例えば、成形品の表面に塗布し、本発明の複合材料の機能性組成物の利用方法と同様に、帯電防止材、除電材、静電塗料、電磁波吸収材として使用することが出来る。本発明の炭素組成物の分散体には、塗布・乾燥後における炭素組成物の被覆性の観点から、バインダー樹脂を配合することが出来る。バインダー樹脂は分散溶媒の種類により適宜選択される。分散溶媒が水の場合は、アクリル樹脂などの水溶性樹脂が好適である。バインダー樹脂の濃度は通常1〜15重量%である。塗布・乾燥後における炭素組成物の被覆性は、樹脂のトップコートによっても高めることが出来る。なお、分散溶媒には、必要に応じ、炭素組成物の分散性を一層高めるため、各種の界面活性剤を添加してもよい。   The dispersion of the carbon composition of the present invention is, for example, applied to the surface of a molded article, and used in the same manner as the method of using the functional composition of the composite material of the present invention, such as an antistatic material, a neutralizing material, an electrostatic paint, Can be used as an absorbent. A binder resin can be blended with the dispersion of the carbon composition of the present invention from the viewpoint of coatability of the carbon composition after coating and drying. The binder resin is appropriately selected depending on the type of the dispersion solvent. When the dispersion solvent is water, a water-soluble resin such as an acrylic resin is preferable. The concentration of the binder resin is usually 1 to 15% by weight. The coatability of the carbon composition after application and drying can also be enhanced by a resin top coat. In addition, various surfactants may be added to the dispersion solvent as needed in order to further enhance the dispersibility of the carbon composition.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.

実施例1:
ドデシル硫酸ナトリウム0.32gを水145gに溶解させ、ここにアクリロニトリル12.71g、アクリル酸メチル2.29g、n−ブチルメルカプタン0.30gの混合物を加え、窒素ガスの流通下で250〜300rpmで撹拌しながら、室温から昇温しながら60℃で過硫酸カリウム水溶液(0.1gを水5gで溶解)を加えて重合を開始させ、70℃で3時間重合させた。反応停止後に水を除去して平均粒径105nmのポリアクリロニトリル樹脂粒子12.0gを得た。
Example 1
0.32 g of sodium dodecyl sulfate is dissolved in 145 g of water, and a mixture of 12.71 g of acrylonitrile, 2.29 g of methyl acrylate, and 0.30 g of n-butylmercaptan is added thereto, and the mixture is stirred at 250 to 300 rpm under a flow of nitrogen gas. While increasing the temperature from room temperature, an aqueous solution of potassium persulfate (0.1 g dissolved in 5 g of water) was added at 60 ° C. to start polymerization, and polymerization was performed at 70 ° C. for 3 hours. After the reaction was stopped, water was removed to obtain 12.0 g of polyacrylonitrile resin particles having an average particle size of 105 nm.

ポリビニルアルコール(クラレ製:商品名「クラレポバールPVA217」)10gを水 200gに溶解させ、ここに上記のポリアクリロニトリル樹脂粒子2.0gを混合撹拌して分散を行い、キャストして溶媒を乾燥することにより、樹脂粒子がドメインとして分散したポリビニルアルコールのフィルムを得た。TEM写真でフィルム試料のドメイン形状を確認した。その結果、TEM写真のコントラストにより、100〜150nmの粒子状のアクリロニトリル含有ポリマーの像が確認できた。これを160℃で1軸の引っ張り延伸を行った(延伸倍率6倍)。6倍延伸後のフィルム試料についてもTEMによる観察を行った。その結果、幅(延伸方向の垂直方向)が30〜50nmの範囲、長さの幅に対するアスペクト比が10〜15の範囲に延伸されたドメインの像が確認された。   10 g of polyvinyl alcohol (manufactured by Kuraray: trade name "Kuraray Poval PVA217") is dissolved in 200 g of water, and 2.0 g of the above-mentioned polyacrylonitrile resin particles are mixed, stirred, dispersed, cast and dried. As a result, a polyvinyl alcohol film having resin particles dispersed as domains was obtained. The domain shape of the film sample was confirmed by a TEM photograph. As a result, an image of the acrylonitrile-containing polymer in the form of particles having a particle size of 100 to 150 nm was confirmed by the contrast of the TEM photograph. This was uniaxially stretched at 160 ° C. (stretching ratio: 6 times). The film sample after the 6-fold stretching was also observed by TEM. As a result, an image of the domain stretched in the range of the width (perpendicular to the stretching direction) of 30 to 50 nm and the aspect ratio to the width of the length in the range of 10 to 15 was confirmed.

上記の延伸後のフィルムを酸素雰囲気中で220℃、2時間加熱してアクリロニトリルを架橋重合させた後、窒素雰囲気中で1000℃、1時間加熱することにより、炭素組成物を得た。TEMでの3視野観察(倍率:19.3万倍)により、上記の炭素組成物には、カーボンナノチューブ34%とナノ黒鉛粒子12%が含有されていることを確認した。なお、残余の成分は、カーボンナノチューブとナノ黒鉛粒子とが混合しているために何れにも決し難い黒鉛成分(5%)とアモルファス状炭素であった。上記の各成分の割合は何れも視野中での当該生成物の面積比である(以下、同じ)。また、カーボンナノチューブの直径は10〜20nm、アスペクト比は20〜50であり、ナノ黒鉛粒子の短径は15〜40nm、アスペクト比は1〜1.8であった。   The stretched film was heated in an oxygen atmosphere at 220 ° C. for 2 hours to crosslink and polymerize acrylonitrile, and then heated in a nitrogen atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour to obtain a carbon composition. By TEM observation in three visual fields (magnification: 193,000 times), it was confirmed that the carbon composition contained 34% of carbon nanotubes and 12% of nanographite particles. The remaining components were a graphite component (5%) and amorphous carbon, which were difficult to determine due to the mixture of carbon nanotubes and nanographite particles. The ratio of each of the above components is an area ratio of the product in the visual field (the same applies hereinafter). The diameter of the carbon nanotube was 10 to 20 nm, the aspect ratio was 20 to 50, and the minor axis of the nanographite particles was 15 to 40 nm, and the aspect ratio was 1 to 1.8.

実施例2:
室温でスチレン31.8gを水350gに分散させた後に、過硫酸カリウム300gを加えて溶解させた。これを撹拌しつつ、40分間で70℃まで昇温し、この温度で8時間重合反応を行ない、スチレンの転化率(使用スチレンモノマー重量に対するポリスチレン重量の比)88%で平均粒径565nmのポリスチレン粒子が分散した懸濁液を得た。この懸濁液90g(ポリスチレン7.83gおよび反応残りのスチレンモノマー含有)とアクリロニトリル2.4gを水250gに分散および溶解させ、更に、過硫酸カリウム25mgを溶解させた後、撹拌しつつ30分間で65℃に昇温し、この温度で8時間撹拌して重合反応を行った。反応終了後に、反応液である懸濁液を遠心分離して粒子を取り出し、水分を乾燥除去することにより、平均粒径610nmのポリスチレン−ポリアクリロニトリルのシード共重合粒子8.28gを得た。
Example 2:
After 31.8 g of styrene was dispersed in 350 g of water at room temperature, 300 g of potassium persulfate was added and dissolved. With stirring, the temperature was raised to 70 ° C. in 40 minutes, and a polymerization reaction was carried out at this temperature for 8 hours. A polystyrene having an styrene conversion rate (ratio of polystyrene weight to styrene monomer weight used) of 88% and an average particle size of 565 nm was used. A suspension in which the particles were dispersed was obtained. 90 g of this suspension (containing 7.83 g of polystyrene and styrene monomer remaining after the reaction) and 2.4 g of acrylonitrile were dispersed and dissolved in 250 g of water, and 25 mg of potassium persulfate was further dissolved. The temperature was raised to 65 ° C., and the mixture was stirred at this temperature for 8 hours to carry out a polymerization reaction. After completion of the reaction, the suspension as a reaction solution was centrifuged to take out particles, and water was removed by drying to obtain 8.28 g of polystyrene-polyacrylonitrile seed copolymer particles having an average particle diameter of 610 nm.

上記のポリマー粒子を270℃で加熱溶融させながら、1mm径のノズル孔から溶融樹脂の自重で垂下させ、垂下時に糸状に伸びたポリマーを直径12cmのドラムを600rpmで回転させて巻き付ける方法により糸の形態で延伸した。ノズル孔から曳き出す前にポリマー粒子が溶融したポリマーの一部を取り出し、これの薄片をTEMで観察した。その結果、TEMの電子線のコントラストにより、ポリスチレンのマトリックスの中にアクリロニトリルを含むポリマードメインが存在することが確認でき、そのドメインサイズの分布は200〜500nmであった。   While the above polymer particles are heated and melted at 270 ° C., the molten resin is dripped from a nozzle hole having a diameter of 1 mm by its own weight. Stretched in form. Before being pulled out from the nozzle hole, a part of the polymer in which the polymer particles were melted was taken out, and a thin section thereof was observed with a TEM. As a result, the TEM electron beam contrast confirmed that a polymer domain containing acrylonitrile was present in the polystyrene matrix, and the domain size distribution was 200 to 500 nm.

更に、延伸して得られた樹脂糸から延伸断面を出し、同様にTEMでポリアクリロニトリルのドメイン形状を調べた結果、幅(延伸方向の垂直方向)が10〜50nmの範囲でアスペクト比が5以上の形で糸の巻き取り延伸方向に配列されていた。この糸状の延伸ポリマーを酸素雰囲気中で220℃で3時間加熱してアクリロニトリルを架橋重合させた後に、窒素雰囲気中で1000℃で1時間加熱して炭素組成物を得た。TEMの3視野の観察(倍率8万倍)により、上記の炭素組成物には、直径10〜20nm、アスペクト比20〜50のカーボンナノチューブ58%と、短径20〜40nm、アスペクト比1〜1.8の多角形のナノ黒鉛粒子31%が含有されていることを確認した。なお、残余の成分は、カーボンナノチューブとナノ黒鉛粒子とが混合しているために何れにも決し難い黒鉛成分(6%)とアモルファス状炭素であった。   Further, a drawn cross section was taken out from the resin yarn obtained by drawing, and the domain shape of polyacrylonitrile was similarly examined by TEM. As a result, the width (vertical direction of the drawing direction) was 10 to 50 nm and the aspect ratio was 5 or more. In the winding and drawing direction of the yarn. After heating this filamentous polymer in an oxygen atmosphere at 220 ° C. for 3 hours to carry out cross-linking polymerization of acrylonitrile, it was heated in a nitrogen atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour to obtain a carbon composition. According to TEM observation in three visual fields (magnification: 80,000 times), the above carbon composition contained 58% of carbon nanotubes having a diameter of 10 to 20 nm and an aspect ratio of 20 to 50, a minor axis of 20 to 40 nm, and an aspect ratio of 1 to 1. It was confirmed that the sample contained 31% of polygonal nano-graphite particles of 0.8. Note that the remaining components were a graphite component (6%) and amorphous carbon, which are difficult to determine due to the mixture of carbon nanotubes and nanographite particles.

上記のカーボンナノチューブについてTEM(倍率:400万倍)で観察した際の写真を図3に示す。カーボンナノチューブ壁の外側領域の大部分はアモルファス構造であり、内側領域は黒鉛構造であった。ここに示す繊維軸方向に3nmの区間3カ所を画像解析にかけ、チューブ壁厚み方向およびチューブ壁の繊維軸方向の1nmを25画素(1画素当たり0.04nm)で解析した。壁の表面層から中心軸方向に向かって存在する結晶層に対する画素の輝度のプロットを図4及び図5に示す。   FIG. 3 shows a photograph of the carbon nanotubes observed with a TEM (magnification: 4,000,000 times). Most of the outer region of the carbon nanotube wall had an amorphous structure, and the inner region had a graphite structure. Image analysis was performed on three sections of 3 nm in the fiber axis direction shown here, and 1 nm in the tube wall thickness direction and the fiber axis direction of the tube wall was analyzed with 25 pixels (0.04 nm per pixel). FIGS. 4 and 5 show plots of pixel luminance with respect to the crystal layer existing from the surface layer of the wall toward the central axis direction.

図4及び図5から明らかな様に、カーボンナノチューブ壁の内側領域は周期的関数の振幅が大きく、外側領域は周期的関数の振幅が小さい。このことはカーボンナノチューブ壁の内側の結晶化度が高く、外側の結晶化度が低いことを示している。   As is clear from FIGS. 4 and 5, the inner region of the carbon nanotube wall has a large amplitude of the periodic function, and the outer region has a small amplitude of the periodic function. This indicates that the crystallinity inside the carbon nanotube wall is high and the crystallinity outside the carbon nanotube wall is low.

図4からB/Aを算出すると、1.77、3.16、4.01となった。何れの値も1.20よりも大きい。これはカーボンナノチューブ壁の内側領域の結晶化度が外側領域より高いことを示している。また、図5からD/Cを算出すると、1.45、2.22、4.97となった。何れの値も1.20よりも大きい。これはカーボンナノチューブ壁の内側領域の結晶化度が外側領域より高いことを示している。   B / A was calculated from FIG. 4 to be 1.77, 3.16, 4.01. Both values are greater than 1.20. This indicates that the crystallinity of the inner region of the carbon nanotube wall is higher than that of the outer region. Also, when D / C was calculated from FIG. 5, it was 1.45, 2.22, and 4.97. Both values are greater than 1.20. This indicates that the crystallinity of the inner region of the carbon nanotube wall is higher than that of the outer region.

実施例3:
メチルメタクリレート32.7gを水350mlに分散して70℃に昇温し、ここに撹拌しつつ過硫酸カリウム100mgを加え、同温度(70℃)で4時間重合を行い、反応液としてポリメチルメタクリレートの粒子(平均粒径320nm)が水に分散された液を得た。この液90g(ポリメチルメタクリレート8.4gを含有)とアクリロニトリル8.0gおよびメチルメタクリレート12.0gを水260gに混合して分散させ、65℃に昇温し、過硫酸カリウム100mgを加え、同温度(65℃)で4時間反応を行った。反応後の懸濁液を遠心分離して粒子を取り出し、水を除去することにより、平均粒径480nmの粒子を24.8g得た。
Example 3
32.7 g of methyl methacrylate was dispersed in 350 ml of water, heated to 70 ° C., 100 mg of potassium persulfate was added thereto with stirring, polymerization was carried out at the same temperature (70 ° C.) for 4 hours, and polymethyl methacrylate was used as a reaction solution. Was obtained by dispersing particles (average particle size: 320 nm) in water. 90 g of this liquid (containing 8.4 g of polymethyl methacrylate), 8.0 g of acrylonitrile and 12.0 g of methyl methacrylate were mixed and dispersed in 260 g of water, the temperature was raised to 65 ° C, 100 mg of potassium persulfate was added, and the same temperature was added. (65 ° C.) for 4 hours. The suspension after the reaction was centrifuged to remove the particles, and water was removed to obtain 24.8 g of particles having an average particle size of 480 nm.

気流式溶融樹脂共押し出し装置(日本ノズル社製:商品名「メルトブローン」)を使用し、上記の粒子3gを2.5℃/分で昇温した後、320℃で溶融させながら、直径0.5mmのノズル孔からブロー圧0.1MPaでアルゴンガスを吹きながら、糸状の形態で延伸し、平均直径50nm(径分布1〜70nm)の短糸を得た。その断面をTEMで観察し、ポリアクリロニトリルのドメイン形状を調べた結果、幅(延伸方向の垂直方向)が10〜50nmの範囲であり、アスペクト比が5以上のドメイン形態で糸の延伸方向に配列されていた。この糸状の延伸ポリマーを酸素雰囲気中で3時間加熱してアクリロニトリルを架橋重合させた後、窒素雰囲気中で1時間加熱して炭素組成物を得た。   Using an air-flow type molten resin co-extrusion device (manufactured by Nippon Nozzle Co., Ltd., trade name: "Melt Blown"), 3 g of the above particles were heated at a rate of 2.5 ° C./min. Stretching was performed in the form of a thread while blowing argon gas at a blow pressure of 0.1 MPa from a nozzle hole of 5 mm to obtain a short thread having an average diameter of 50 nm (diameter distribution of 1 to 70 nm). The cross section was observed with a TEM, and the domain shape of the polyacrylonitrile was examined. As a result, the width (direction perpendicular to the stretching direction) was in the range of 10 to 50 nm and the aspect ratio was 5 or more. It had been. The drawn polymer in the form of a thread was heated in an oxygen atmosphere for 3 hours to cross-link and polymerize acrylonitrile, and then heated in a nitrogen atmosphere for 1 hour to obtain a carbon composition.

TEMでの3視野の観察(倍率:12.8万倍)により、上記の炭素組成物には、カーボンナノチューブ54%とナノ黒鉛粒子6%が含有されていることを確認した。なお、残余の成分は、カーボンナノチューブとナノ黒鉛粒子とが混合しているために何れにも決し難い黒鉛成分(12%)とアモルファス状炭素であった。カーボンナノチューブは、壁部に連続したグラフェン層を有し、かつ、繊維軸に対して略垂直にC軸を持つ様に配向したグラフェンの2層以上積層しており、その先端部は層状グラフェンによって閉じ、直径は10〜20nm、アスペクト比は20〜50であった。また、ナノ黒鉛粒子は、短径10〜30nm、アスペクト比1〜2の3次元多角形であり、中央部を除く外周部は黒鉛構造が2層以上層状に重なり、かつ、その黒鉛層はエッジ部分がなく閉じた形状の多角形粒子であった。元素分析の結果、この炭素組成物は、窒素と炭素と水素から構成されており、窒素:9.48重量%、炭素:89.32重量%、水素:1.20重量%であり、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Mo等の遷移金属は検出限界以下であった。   Observation of three visual fields with a TEM (magnification: 128,000 times) confirmed that the carbon composition contained 54% of carbon nanotubes and 6% of nanographite particles. The remaining components were a graphite component (12%) and amorphous carbon, which are difficult to determine due to the mixture of carbon nanotubes and nanographite particles. The carbon nanotube has a continuous graphene layer on the wall and is laminated with two or more layers of graphene oriented so as to have a C axis substantially perpendicular to the fiber axis, and the tip is formed by layered graphene. Closed, diameter was 10-20 nm, aspect ratio was 20-50. The nano-graphite particles are three-dimensional polygons having a minor axis of 10 to 30 nm and an aspect ratio of 1 to 2. The outer peripheral portion except the central portion has two or more layers of graphite structure in layers, and the graphite layer has an edge. It was a closed polygonal particle without any parts. As a result of elemental analysis, this carbon composition was composed of nitrogen, carbon, and hydrogen, and contained 9.48% by weight of nitrogen, 89.32% by weight of carbon, and 1.20% by weight of hydrogen. Transition metals such as Fe, Co, Ni, Zr, and Mo were below the detection limit.

比較例1:
実施例2に記載のポリマー粒子を270℃熱溶融した後、糸状に曳き出して延伸して巻き取ることなく、そのまま、実施例2と同じ条件、すなわち、酸素雰囲気中で220℃で3時間加熱してアクリロニトリルを架橋重合させて不融化させた後、窒素雰囲気中で1000℃で1時間加熱するにより、炭素組成物を得た。TEMで10視野の観察を行った結果、この炭素組成物の中には、カーボンナノチューブとナノ黒鉛粒子を初め黒鉛構造を有する生成物は確認できず、電子線透過性が極めて低い不定形の炭化物が確認されただけであった。
Comparative Example 1:
The polymer particles described in Example 2 were heated and melted at 270 ° C., then pulled out into a thread form, stretched, and wound without being heated under the same conditions as in Example 2, that is, at 220 ° C. for 3 hours in an oxygen atmosphere. After the acrylonitrile was crosslinked and infusibilized by heating, it was heated at 1000 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a carbon composition. As a result of observing 10 visual fields with a TEM, in this carbon composition, products having a graphite structure including carbon nanotubes and nano-graphite particles could not be confirmed, and amorphous carbides having extremely low electron beam permeability were found. Was only confirmed.

比較例2:
丸底フラスコ中、水40mlに、硝酸コバルト4.7g、モリブデン酸アンモニウム1.4g、硝酸マグネシウム14.5gを加え、機械的に1時間撹拌した。40℃減圧下で18時間かけて水を除去し、更に、150℃、10mmHgで30分かけて乾燥し、更に、550℃(室温から5℃/minの速度で昇温)で6時間加熱し、5.2gの固体を得た。分析の結果、この固体は、Co、Mo、MgOをモル比で0.2、0.1、0.7で含有していた。これをジェットミル粉砕し、80メッシュの篩通過品を次の反応の触媒として使用した。
Comparative Example 2:
In a round bottom flask, 4.7 g of cobalt nitrate, 1.4 g of ammonium molybdate, and 14.5 g of magnesium nitrate were added to 40 ml of water, and mechanically stirred for 1 hour. The water was removed at 40 ° C. under reduced pressure for 18 hours, further dried at 150 ° C., 10 mmHg for 30 minutes, and further heated at 550 ° C. (temperature rising from room temperature at a rate of 5 ° C./min) for 6 hours. 5.2 g of a solid were obtained. As a result of analysis, this solid contained Co, Mo, and MgO at a molar ratio of 0.2, 0.1, and 0.7. This was pulverized by a jet mill, and a product passed through an 80-mesh sieve was used as a catalyst for the next reaction.

石英ガラス反応管(10.2L)中に上記の触媒0.64gを石英ガラスボートに入れて静置し、窒素ガスで反応管中をパージした後、600℃に加熱し、1時間水素ガスを導入して触媒表面を還元した。この後、導入ガスを一酸化炭素(0.9L/min)と水素(0.1L/min)の混合ガスに変更し、6時間流通し、触媒表面に炭素物を析出させた。   In a quartz glass reaction tube (10.2 L), 0.64 g of the above catalyst was placed in a quartz glass boat and allowed to stand. After purging the reaction tube with nitrogen gas, the reactor was heated to 600 ° C. and hydrogen gas was supplied for 1 hour. Introduced to reduce the catalyst surface. Thereafter, the introduced gas was changed to a mixed gas of carbon monoxide (0.9 L / min) and hydrogen (0.1 L / min), and the mixture was allowed to flow for 6 hours to deposit carbonaceous materials on the catalyst surface.

反応終了後、炭素が析出した生成物19.4gを回収した(収量には回収した触媒重量含む)。TEMで観察した結果、この炭素生成物は、直径20〜40nm、長さが100nm以上であり、中央部が中空で外周部が長手方向に連続したグラフェン構造を有するナノ黒鉛繊維を主成分とする炭素繊維状の生成物を主成分とするものであった。他の成分は、(a)直径50〜500nm、長さが何れも100nm以上のアモルファス状炭素繊維、(b)中心に触媒金属粒子を持ちそれから2方向以上に放射状に成長したと見られる結晶性炭素ファイバーの集合体、(c)これらの成分が絡まって存在する炭素ファイバーの集合体であった。TEMで観察した結果、この炭素生成物中には結晶性の炭素から成るアスペクト比3未満の粒子状生成物は存在していなかった。   After completion of the reaction, 19.4 g of a product from which carbon was precipitated was recovered (the yield includes the weight of the recovered catalyst). As a result of observation with a TEM, this carbon product has a diameter of 20 to 40 nm and a length of 100 nm or more, and is mainly composed of a nanographite fiber having a graphene structure in which a central portion is hollow and an outer peripheral portion is continuous in a longitudinal direction. The main component was a carbon fiber product. Other components are (a) an amorphous carbon fiber having a diameter of 50 to 500 nm and a length of 100 nm or more, and (b) a crystalline metal which has catalytic metal particles at the center thereof and which is considered to have grown radially in two or more directions. An aggregate of carbon fibers, and (c) an aggregate of carbon fibers in which these components were entangled. As a result of observation with a TEM, no particulate product composed of crystalline carbon having an aspect ratio of less than 3 was found in the carbon product.

上記の実施例1及び比較例2で得られた炭素生成物の各々について、10mgを10mlの所定の溶媒中で3分間超音波分散させた後、5分間静置した分散液における炭素生成物の分散サイズをレーザー回折法により測定した。なお、レーザー回折法には、堀場製作所製「HORIBA LA−500」レーザ回折式粒度分布測定装置を使用した。それぞれの溶媒中で測定した分散粒径の分布から、代表値としてメジアン径を以下の表1に示す。表1から明らかな様に、本発明の組成物は各溶媒中で良好な分散状態を示す。   For each of the carbon products obtained in Example 1 and Comparative Example 2, 10 mg of each of the carbon products was ultrasonically dispersed in 10 ml of a predetermined solvent for 3 minutes, and then left standing for 5 minutes. The dispersion size was measured by the laser diffraction method. The laser diffraction method used was a HORIBA LA-500 laser diffraction particle size distribution analyzer manufactured by Horiba, Ltd. From the distribution of the dispersed particle diameter measured in each solvent, the median diameter is shown in Table 1 below as a representative value. As is clear from Table 1, the composition of the present invention shows a good dispersion state in each solvent.

比較例3:
実施例2においてポリマー粒子を320℃で加熱溶融させながら、1mm径のノズル孔から溶融樹脂の自重で垂下させた。垂下時に糸状に伸びたポリマーを直径12cmのドラムで巻き取る際、220rpmで回転させて巻き付ける方法により糸を巻き取った。得られた樹脂糸から延伸断面を出し、実施例2と同様にTEMでポリアクリロニトリルのドメイン形状を調べた結果、ポリアクリロニトリル成分が熱溶融後に凝集して出来た、幅(延伸方向の垂直方向)が200〜1000nmの範囲で、糸の長さ方向のとのアスペクト比が2以下のものを多く含むドメインが存在していた。
Comparative Example 3:
In Example 2, while the polymer particles were heated and melted at 320 ° C., they were dropped from the nozzle hole having a diameter of 1 mm by the weight of the molten resin. When the polymer, which had been formed into a thread during the hanging, was wound by a drum having a diameter of 12 cm, the thread was wound by rotating the polymer at 220 rpm. A stretched cross section was obtained from the obtained resin yarn, and the domain shape of polyacrylonitrile was examined by TEM in the same manner as in Example 2. As a result, the polyacrylonitrile component was aggregated after hot melting, and was formed in a width (perpendicular to the stretching direction). Was in the range of 200 to 1000 nm, and there were domains containing many of those having an aspect ratio with respect to the length direction of the yarn of 2 or less.

上記の樹脂糸を実施例2と同じ条件で酸素雰囲気中で220℃で3時間加熱してアクリロニトリルを架橋重合させた後に、窒素雰囲気中で1000℃で1時間加熱して炭素組成物を得た。TEMで3視野を観察(倍率10万倍)した結果、視野中の殆どが不定形状で不定サイズの粒子であった。すなわち、直径が1〜100nmでアスペクト比が3以上の繊維構造と短径が5〜100nmでアスペクト比が1以上3未満の粒子構造は観察されず、その極く一部の視野において、直径10〜20nmの繊維構造が僅かに観察された。   The above resin yarn was heated at 220 ° C. for 3 hours in an oxygen atmosphere under the same conditions as in Example 2 to crosslink and polymerize acrylonitrile, and then heated at 1000 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a carbon composition. . As a result of observing three visual fields with a TEM (magnification 100,000 times), almost all of the visual fields were particles of irregular shape and irregular size. That is, a fiber structure having a diameter of 1 to 100 nm and an aspect ratio of 3 or more and a particle structure having a short diameter of 5 to 100 nm and an aspect ratio of 1 or more and less than 3 are not observed. A slight が 20 nm fiber structure was observed.

参考例1:
気相成長法による市販のカーボンナノチューブ「Graphite Fibrils」(Hyperion Catalysis International, Inc.製:登録商標)のCCタイプのTEM写真(倍率:125万倍)は図6に示す通りである。図6では金属が含有されていることに由来する影が多数観察されていることが分かる。
Reference Example 1:
FIG. 6 shows a TEM photograph (magnification: 1.25 million times) of a CC type of a commercially available carbon nanotube "Graphite Fibrils" (registered trademark, manufactured by Hyperion Catalysis International, Inc.) by a vapor phase growth method. In FIG. 6, it can be seen that many shadows derived from the inclusion of the metal are observed.

図7は画像解析のために用意された図6の要部拡大図である。図7内のカーボンナノチューブ壁上に3nm間隔で引かれている2本の線間の領域全体(3カ所ずつ)を上記方法により画像解析を行って得られたグラフをそれぞれ図8及び図9に示す。   FIG. 7 is an enlarged view of a main part of FIG. 6 prepared for image analysis. FIGS. 8 and 9 show graphs obtained by performing image analysis on the entire region (three places) between two lines drawn at 3 nm intervals on the carbon nanotube wall in FIG. 7 by the above method. Show.

図8からB/Aを算出すると、0.67、0.68、0.80となった。何れの値も1.20よりも小さい。これはカーボンナノチューブ壁の内側領域の結晶化度が外側領域より高くはないことを示している。また、図9からD/Cを算出すると。0.99、0.71、0.89となった。何れの値も1.20よりも小さい。これはカーボンナノチューブ壁の内側領域の結晶化度が外側領域より高くはないことを示している。   When B / A was calculated from FIG. 8, they were 0.67, 0.68, and 0.80. Both values are smaller than 1.20. This indicates that the crystallinity of the inner region of the carbon nanotube wall is not higher than that of the outer region. Also, assume that D / C is calculated from FIG. 0.99, 0.71, and 0.89. Both values are smaller than 1.20. This indicates that the crystallinity of the inner region of the carbon nanotube wall is not higher than that of the outer region.

図10及び図11は、実施例2の画像解析データ(図4と5に示すデータ)及び比較例3の画像解析データ(図8と9に示すデータ)から各1カ所の画像解析領域のデータを抽出し、上記方法に従って得られたグラフを比較した図である。実施例2のデータはカーボンナノチューブを構成する壁における内側領域の周期的関数の振幅が外側領域に比べて明らかに大きくなっている。これに対し、比較例3ののデータは、カーボンナノチューブ壁の内側領域の周期的関数の振幅が外側領域に比べて大きくはなっていないことを示している。   FIGS. 10 and 11 show data of one image analysis area from the image analysis data of Example 2 (data shown in FIGS. 4 and 5) and the image analysis data of Comparative Example 3 (data shown in FIGS. 8 and 9). FIG. 4 is a diagram comparing extracted graphs according to the above method. According to the data of Example 2, the amplitude of the periodic function in the inner region of the wall constituting the carbon nanotube is clearly larger than that in the outer region. On the other hand, the data of Comparative Example 3 shows that the amplitude of the periodic function in the inner region of the carbon nanotube wall is not larger than that in the outer region.

また、上記の市販のカーボンナノチューブ10mgを上述の方法で水10ccに3分間超音波分散させた後、5分間静置した分散液における炭素組成物の分散サイズを前記と同様のレーザー回折法により測定した結果、4.25umであった。上記の市販のカーボンナノチューブは、図6と図7に示す様に、壁の外側領域に明確なアモルファス構造を持たない構造である。この事実からも、本発明において好ましい態様として使用される、壁の外側領域に明確なアモルファス構造
を有するカーボンナノチューブがそれ自体の表面構造により優れた分散性を発揮することが分かる。
In addition, 10 mg of the above-mentioned commercially available carbon nanotubes were ultrasonically dispersed in 10 cc of water for 3 minutes by the above-described method, and then the dispersion size of the carbon composition in the dispersion which was allowed to stand for 5 minutes was measured by the same laser diffraction method as described above. As a result, it was 4.25 μm. As shown in FIGS. 6 and 7, the above-mentioned commercially available carbon nanotube has a structure having no clear amorphous structure in the outer region of the wall. This fact also indicates that the carbon nanotube having a clear amorphous structure in the outer region of the wall, which is used as a preferred embodiment in the present invention, exhibits more excellent dispersibility due to its own surface structure.

カーボンナノチューブの透過電子顕微鏡像中の画像解析に使用する領域を示す説明図Explanatory diagram showing areas used for image analysis in transmission electron microscope images of carbon nanotubes カーボンナノチューブの壁の結晶化度を評価する画像解析手法を示す模式的説明図Schematic explanatory view showing an image analysis method for evaluating the crystallinity of the carbon nanotube wall 実施例2で得られ組成物中のカーボンナノチューブの図面代用TEM写真Drawing substitute TEM photograph of carbon nanotube in the composition obtained in Example 2. 図3を利用した画像解析から得られたグラフGraph obtained from image analysis using FIG. 図3を利用した画像解析から得られたグラフGraph obtained from image analysis using FIG. 気相成長法による市販のカーボンナノチューブの図面代用TEM写真Drawing substitute TEM picture of commercial carbon nanotube by vapor phase growth method 画像解析のために用意された図6の要部拡大図Main part enlarged view of FIG. 6 prepared for image analysis 図7の領域の画像解析から得られたグラフGraph obtained from image analysis of the region in FIG. 図7の領域の画像解析から得られたグラフGraph obtained from image analysis of the region in FIG. 実施例2と比較例3の画像解析から得られたグラフを比較する説明図Explanatory diagram comparing graphs obtained from image analysis of Example 2 and Comparative Example 3 実施例2と比較例3の画像解析から得られたグラフを比較する説明図Explanatory diagram comparing graphs obtained from image analysis of Example 2 and Comparative Example 3

Claims (6)

炭素組成物であって、倍率5万倍以上の透過電子顕微鏡写真に基づく面積比として、ナノ黒鉛繊維の含有量が30〜95%、ナノ黒鉛粒子の含有量0.5〜50%であり、両者の合計量が組成物全体の40%以上であり、ナノ黒鉛繊維に対するナノ黒鉛粒子の割合が1〜60%であることを特徴とする炭素組成物。   A carbon composition, wherein the content of nanographite fibers is 30 to 95%, and the content of nanographite particles is 0.5 to 50%, as an area ratio based on a transmission electron micrograph at a magnification of 50,000 or more, A carbon composition, wherein the total amount of both is 40% or more of the entire composition, and the ratio of nanographite particles to nanographite fibers is 1 to 60%. 元素構成としてCが主成分で他にHとNを含み、元素構成比においてNが1〜15重量%である請求項1に記載の炭素組成物。   2. The carbon composition according to claim 1, wherein C is a main component and H and N are further included as an elemental composition, and N is 1 to 15% by weight in an elemental composition ratio. 3. ナノ黒鉛繊維の形状がカーボンナノチューブであり、その直径が1〜100nm、アスペクト比が3以上である請求項1又は2に記載の炭素組成物。   The carbon composition according to claim 1, wherein the shape of the nano-graphite fiber is a carbon nanotube, the diameter is 1 to 100 nm, and the aspect ratio is 3 or more. ナノ黒鉛粒子の短径が5〜100nm、アスペクト比が1以上3未満である請求項1〜3の何れかに記載の炭素組成物。   The carbon composition according to any one of claims 1 to 3, wherein the minor diameter of the nanographite particles is 5 to 100 nm and the aspect ratio is 1 or more and less than 3. マトリックス中に請求項1〜4の何れかに記載の組成物が含有されていることを特徴とする複合材料。   A composite material comprising the composition according to any one of claims 1 to 4 in a matrix. 分散溶媒中に請求項1〜4の何れかに記載の組成物が分散して成ることを特徴とする炭素組成物の分散体。   A dispersion of a carbon composition, wherein the composition according to any one of claims 1 to 4 is dispersed in a dispersion solvent.
JP2004087979A 2003-03-25 2004-03-24 Carbon composition, composite material containing the same, and dispersing body Withdrawn JP2004307334A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004087979A JP2004307334A (en) 2003-03-25 2004-03-24 Carbon composition, composite material containing the same, and dispersing body

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003082019 2003-03-25
JP2004087979A JP2004307334A (en) 2003-03-25 2004-03-24 Carbon composition, composite material containing the same, and dispersing body

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004307334A true JP2004307334A (en) 2004-11-04

Family

ID=33478162

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004087979A Withdrawn JP2004307334A (en) 2003-03-25 2004-03-24 Carbon composition, composite material containing the same, and dispersing body

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004307334A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008214177A (en) * 2007-03-05 2008-09-18 Sony Corp Method for producing single layer carbon nanotube, and methohd for producing single layer carbon nanotube-applied device
JP2009099982A (en) * 2007-10-17 2009-05-07 Samsung Electronics Co Ltd Method of forming nano dot, method of fabricating memory device including nano dot, charge trap layer including nano dot, and memory device including it
US8628748B2 (en) 2007-03-13 2014-01-14 Toyo Tanso Co., Ltd. Purification method for carbon material containing carbon nanotubes, carbon material produced by the same method, and resin molding, fiber, heat sink, slider, material for field electron emission source, conduction aid for electrode, catalyst support

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008214177A (en) * 2007-03-05 2008-09-18 Sony Corp Method for producing single layer carbon nanotube, and methohd for producing single layer carbon nanotube-applied device
US8628748B2 (en) 2007-03-13 2014-01-14 Toyo Tanso Co., Ltd. Purification method for carbon material containing carbon nanotubes, carbon material produced by the same method, and resin molding, fiber, heat sink, slider, material for field electron emission source, conduction aid for electrode, catalyst support
JP5424481B2 (en) * 2007-03-13 2014-02-26 東洋炭素株式会社 Method for purifying carbon material containing carbon nanotubes
JP2009099982A (en) * 2007-10-17 2009-05-07 Samsung Electronics Co Ltd Method of forming nano dot, method of fabricating memory device including nano dot, charge trap layer including nano dot, and memory device including it
US8748968B2 (en) 2007-10-17 2014-06-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Method of forming nano dots, method of fabricating the memory device including the same, charge trap layer including the nano dots and memory device including the same
KR101463064B1 (en) * 2007-10-17 2014-11-19 삼성전자주식회사 Method of forming nano dot, memory device comprising nano dot formed using the same and method of manufacturing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9732445B2 (en) Low temperature stabilization process for production of carbon fiber having structural order
Harris Carbon nanotube composites
JP3962376B2 (en) Composite materials containing polar polymers and single-walled carbon nanotubes
JP4182215B2 (en) Carbon nanotube-dispersed polar organic solvent and method for producing the same
TWI325450B (en)
EP1984431B1 (en) Rigid random coils and composition comprising the same
EP2264233A1 (en) Carbon fiber and method for production thereof
JP4521397B2 (en) Carbon fiber
Fu et al. Composite fibers from poly (vinyl alcohol) and poly (vinyl alcohol)‐functionalized multiwalled carbon nanotubes
US10927478B2 (en) Fabric of continuous graphene fiber yarns from functionalized graphene sheets
JP5171786B2 (en) Carbon nanofiber aggregate, method for producing carbon nanofiber, and method for producing carbon fiber composite material
JP6941215B2 (en) Heat dissipation sheet
Zhang et al. Uniform doping of onion-like carbon nanofillers in carbon nanofibers via functionalization and in-situ polymerization for improved fiber graphitic structure and mechanical properties
Le Lam Electrospinning of single wall carbon nanotube reinforced aligned fibrils and yarns
JP2004307334A (en) Carbon composition, composite material containing the same, and dispersing body
JP2004176236A (en) Method for producing carbon fiber
JP4342871B2 (en) Extra fine carbon fiber and method for producing the same
JP2010031439A (en) Production method of carbon fiber
WO2004085310A1 (en) Carbon composition, and composite material and dispersion comprising said composition
JP3877155B2 (en) Carbon nanotube and method for producing the same
Sinha et al. Study of Electrospun Poly\acrylonitrile (PAN) and PAN/CNT Composite Nanofibrous Webs
Kim et al. Properties of polyacrylonitrile/single wall carbon nanotube composite films prepared in nitric acid
JP6997982B2 (en) Fiber manufacturing methods, monofilaments, and multifilaments
KR101568330B1 (en) - Carbonnanotube-polymer nanocomplex with fluidizing bed multi-walled carbon nanotube and preparation method thereof
Verma Design, fabrication and characterization of PVA/Nanocarbon composite fibers

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20070605