【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維の表面にナノカーボンが付着した炭素材料、その製造方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、導電性を有する樹脂（導電性樹脂）としては、樹脂にカーボンブラック、炭素繊維等の炭素材料を分散させたものが知られている。しかしながら、この導電性樹脂に、十分な導電性を発揮させるためには、多量のカーボンブラック、炭素繊維等の添加が必要であった。また、多量のカーボンブラック、炭素繊維等が分散された樹脂からは、黒色の成形品しか得られないという問題があった。
【０００３】
近年、少ない添加量で成形品に優れた導電性を付与することを目的に、従来のカーボンブラックや炭素繊維に替わり、樹脂にカーボンナノチューブを配合する提案がなされている。カーボンナノチューブとしては、１層のグラファイトシートを円筒状に丸めた形状を有する外径が１〜３ｎｍ程度の単層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブが同心円状に積層した外径が３〜５０ｎｍ程度の多層カーボンナノチューブが知られている。
【０００４】
これらカーボンナノチューブは、レーザアブレーション法、アーク放電法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｓｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによって得ることができる。例えば、アーク放電法によるカーボンナノチューブの製造方法としては、ヘリウムガス中にて２つの炭素電極間にアーク放電を発生させ、陰極にカーボンナノチューブを含む固体を析出させる方法が知られている（例えば、特開平６−１５７０１６号公報（特許文献１））。
【０００５】
しかしながら、このようにして得られたカーボンナノチューブは、凝集し、絡み合った状態にあるため、樹脂に添加してもその分散が困難であり、期待された導電性を得ることができないという問題があった。
また、カーボンナノチューブは非常に高価な材料であるため、その添加量をさらに減らす必要があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１５７０１６号公報（第２−３頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明の目的は、ナノカーボンを樹脂中に容易に分散させることができる、炭素繊維の表面にナノカーボンが付着した炭素材料、その製造方法および製造装置を提供することにある。また、本発明の目的は、ナノカーボンの量が少なくても優れた導電性を樹脂に付与できる炭素材料、その製造方法および製造装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の炭素材料は、炭素繊維と、炭素繊維表面に付着したナノカーボンとを有することを特徴とするものである。
また、前記ナノカーボンは、炭素繊維の端面に付着していることが望ましい。
また、前記ナノカーボンは、カーボンナノチューブであることが望ましい。
【０００９】
また、本発明の炭素材料の製造方法は、炭素繊維の表面にナノカーボンが付着した炭素材料の製造方法であって、アークトーチに設けられたトーチ電極と、これに対向する対向電極との間に、電流値を５〜２０Ａに設定した電源によって電圧を印加してアーク放電を発生させ、対向電極表面に配置された炭素繊維を、トーチ電極と炭素繊維との距離を０．５〜５ｍｍに保ちながらトーチ電極と炭素繊維を固定して載せた状態の対向電極とを０．５〜１０ｍｍ／秒の移動速度で相対移動させて切断することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の炭素材料の製造方法においては、前記炭素繊維表面に、サイズ剤が付着していることが望ましい。
また、本発明の炭素材料の製造方法においては、前記炭素繊維が、単繊維を束ねた炭素繊維束であって、この炭素繊維束に液状のサイズ剤を含浸させた状態、もしくは炭素繊維束を液状のサイズ剤に浸した状態で炭素繊維束を切断することが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
［炭素材料］
本発明の炭素材料は、炭素繊維と、炭素繊維表面に付着したナノカーボンとを有するものである。
本発明におけるナノカーボンとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノ粒子、ナノホーン、ＣＮナノチューブ、ＣＮ（ナノ）ファイバ、ＣＮナノ粒子、ＢＣＮナノチューブ、ＢＣＮ（ナノ）ファイバ、ＢＣＮナノ粒子、フラーレンもしくはこれらの混合物などが挙げられる。
【００１２】
カーボンナノチューブには、単層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブがある。単層カーボンナノチューブは、１層のグラファイトシートを円筒状に丸めた形状を有する外径が１〜３ｎｍ程度のカーボンナノチューブである。多層カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブが同心円状に積層した外径が３〜５０ｎｍ程度のカーボンナノチューブであり、カーボンナノファイバとも呼ばれる。
【００１３】
カーボンナノ粒子は、粒径が１０〜１，０００ｎｍの粒子状のナノカーボンである。
ナノホーンは、グラファイトシートを円錐状に丸め、先端が円錐状に閉じた形状を有するカーボンナノ粒子である（文献「Ｐｏｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｈｏｒｎ ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ／Ｋ．Ｍｕｒａｔａ， Ｋ．Ｋａｎｅｋｏ， Ｆ．Ｋｏｋａｉ， Ｋ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｍ．Ｙｕｄａｓａｋａ， Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ／Ｃｈｅｍ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ３３１， ｐｐ．１４−２０（２０００）」参照）。
【００１４】
ＣＮナノチューブ、ＣＮ（ナノ）ファイバおよびＣＮナノ粒子は、窒素（Ｎ）を含んだナノカーボン（Ｃ）であり、それぞれチューブ、ファイバおよび粒子の形状を有するものである。
ＢＣＮナノチューブ、ＢＣＮ（ナノ）ファイバおよびＢＣＮナノ粒子は、ＢＣＮ（ホウ素、窒素、炭素）のネットワークを有するナノカーボンであり、それぞれチューブ、ファイバおよび粒子の形状を有するものである。
【００１５】
本発明の炭素材料におけるナノカーボンとしては、上記のナノカーボンのいずれでもよいが、樹脂への導電性の付与の観点から（樹脂内の隣り合う炭素繊維どうしの電気的接続性の観点から、すなわち、炭素繊維端のナノカーボンが接点の役割を果たすことから）、チューブまたはファイバ形状のものが好ましく、カーボンナノチューブ（またはカーボンナノファイバ）がより好ましい。
また、ナノカーボンは、炭素繊維の表面に付着していれば、特に付着位置は限定はされないが、樹脂への導電性の付与の観点から（樹脂内の隣り合う炭素繊維どうしの電気的接続性の観点から、すなわち、炭素繊維端のナノカーボンが接点の役割を果たすことから）、炭素繊維の端面に付着していることが好ましい。
【００１６】
本発明における炭素繊維は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）からなるアクリル繊維を加熱して炭化させたＰＡＮ系炭素繊維、ピッチからなるピッチ繊維を加熱して炭化させたピッチ系炭素繊維、などである。これら炭素繊維は、単繊維の断面径が２〜１０μｍ（好ましくは４〜８μｍ）程度のものであり、本発明におけるナノカーボンとは明確に区別されるものである。炭素繊維の形態は、特に限定はされないが、導電性付与のために樹脂に添加する場合は、炭素繊維を所定の長さに切断したチョップドファイバが好ましい。
【００１７】
次に、本発明の炭素材料の製造について説明する。
［製造装置］
図１は、本発明の炭素材料の製造に用いられる製造装置の一例を示す図である。この製造装置は、アーク放電によって炭素繊維を切断することにより、炭素繊維の表面にナノカーボンが付着した炭素材料を製造する装置であり、トーチ電極１０を有する溶接用のアークトーチ１と、アークトーチ１に対向して配置された電極板２（対向電極）と、アークトーチ１と電極板２との間にアーク３（アーク放電の発生領域）を発生させるための電圧を印加する電源４と、電極板２表面に炭素繊維２０を配置するために、炭素繊維２０の両端を電極板２に固定するクリップ５と、アークトーチ１に特定ガスを供給するガスボンベ６と、ガスボンベ６からのガスの流量を調整するガス調整器、流量計７とを具備して概略構成されるものである。
【００１８】
図２は、アークトーチ１の先端部の拡大断面図である。アークトーチ１の先端部は、トーチ電極１０と、トーチ電極１０を保持する電極ホルダ１１と、所定間隔をあけてトーチ電極１０を覆う、中空の切頭円筒状のノズル１２と、トーチ電極１０とノズル１２との間の空間であって、アークトーチ１と電極板２との間で発生したアーク３に供給される被包ガスのガス流路１３とから概略構成されるものである。
【００１９】
アークトーチ１としては、汎用のＴＩＧ（Ｔｕｎｇｕｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）アークトーチ等の溶接用アークトーチを用いることができる。また、ＴＩＧアークトーチの代わりに、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）トーチ、ＴＩＧアークトーチに類似した構造を持つ溶接用トーチ、例えば、ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ）トーチ、プラズマガウジング（プラズマ切断）用トーチを用いることができる。また、溶射用トーチ（プラズマスプレイ用トーチ）や、溶鉱炉用移行型アークトーチを用いてもよい。
【００２０】
トーチ電極１０としては、アークトーチ１がＴＩＧアークトーチの場合、トリウム入りタングステン電極あるいはセリウム入りタングステン電極が用いられる。本発明の炭素材料の製造においては、これらタングステン電極を用いてもよいが、タングステンの溶融微粒子が電子放出源に付着することを避けるために、トーチ電極１０として純黒鉛を用いた方がよい。また、トーチ電極１０として、モリブデン、ニッケルなどの高融点金属を主成分とする電極を用いてもよい。トーチ電極１０の直径は、特に限定されないが、汎用のアークトーチを用いる場合、１〜７ｍｍ程度とされる。
【００２１】
電極板２は、トーチ電極１０の対向電極である。電極板２としては、トーチ電極１０と同様の材質のものを用いることができ、例えば、カーボングラファイト（黒鉛）板、タングステン板、モリブテン板、ステンレス板などを用いることができる。中でも、アークの電極点が発生する１０００℃以上の高温に耐えるという点で、カーボングラファイト板が最も好ましい。
また、電極板２は、アーク３の熱から電極板２を保護する（すなわち、アーク３の熱による電極板２の破損を抑える）ために、水冷された電極台（図示略）上に置いてもよい。あるいは、電極板２を直接水冷してもよい。
【００２２】
なお、電極板（対向電極）は、図１に示すような単なる平板状の電極板２でなく、図３に示す屋根型の電極板２１、図４に示す断面円弧型の電極板２２であってもよい。アークは、電極間ができるだけ短い距離で放電しようとする性質があるため、このように峰の部分を有する電極板は、アークを照射する位置（すなわちそれらの形状の峰の位置）を特定できるという利点がある。さらに、対向電極としては、板状ではなく、図５、図６に示すように，炭素繊維と対向電極との接触箇所が１点となるような突起状構造の対向電極２３、２４も好ましい。この場合、図３、図４の電極板に比べ、峰の位置において確実にアークを照射する（アークトーチと対向電極の峰との間でアークを発生させる）ことができる。さらにまた、図７のように峰が丸みを帯びた対向電極２５であれば、峰の丸みで炭素繊維２０がばらばらに広がるため、より効率的に加工が行える。すなわち、炭素繊維２０が重なっていると、加工効率（＝切断および先端のナノカーボン化加工）が悪くなる。
【００２３】
電源４としては、ＴＩＧ溶接用電源等の溶接電源を用いることができる。
また、この製造装置は、アーク放電による炭素繊維２０の切断を容易にするために、トーチ電極１０と電極板２とを相対移動させる移動手段を具備していてもよい。移動手段としては、アークトーチ１を３方向（すなわち、電極板２に平行な面（Ｘ方向およびＹ方向）、およびその面に垂直な方向（Ｚ方向））に移動させる装置、例えば、ＮＣ装置（数値制御装置）等を用いることができる。あるいはまた、アークトーチ１を固定しておき、電極板２を移動させるようにしてもよい。あるいは、さらにまた、アークトーチ１と電極板２の両方を連動させて移動させるようにしてもよい。このような移動手段を具備していれば、炭素繊維２０の切断を自動的に、かつ連続して行うことができるので、本発明の炭素材料を効率よく製造することができる。
【００２４】
［製造方法］
この製造装置を用いた本発明の炭素材料の製造は、例えば、以下のようにして行われる。
まず、電極板２上に炭素繊維２０を配置し、その両端をクリップ５によって電極板２に固定する。
ついで、アークトーチ１を炭素繊維２０の上方に、トーチ電極１０と電極板２とが対向するように配置し、電源４によってトーチ電極１０と電極板２と間に電圧を印加してアーク３を発生させる。
アークトーチ１を、炭素繊維２０を横切るように手動または自動で移動させながら、このアーク３によって電極板２表面に配置された炭素繊維２０を切断し、炭素繊維２０の切断面にナノカーボンが付着した本発明の炭素材料を得る。
【００２５】
ここで、ＴＩＧ溶接用トーチおよびその直流／交流電源を用いたトーチアーク法によって、アークトーチ１のトーチ電極１０と電極板２と間に発生するアーク３は、アーク温度が２０００〜１００００℃のトーチアークであり、両極性バーストパルス高圧電源等を用いた、いわゆるコールドアーク法による、アーク温度が６００℃以下のグライディングアークとは、区別されるものである。
【００２６】
炭素繊維２０としては、炭素繊維の単繊維を複数本、例えば数千〜数万本引き揃えたトウ（炭素繊維束）が用いられる。炭素繊維束は、アクリル繊維束、ピッチ繊維束などの前駆体繊維束を加熱、炭化させることにより得ることができる。
炭素繊維２０には、通常は結束させることを目的に使用されるサイズ剤（一次サイズ剤）が付着していることが好ましい。サイズ剤の存在により、炭素繊維２０の切断面にナノカーボンが生成しやすくなる。
【００２７】
また、炭素繊維２０に液状のサイズ剤を含浸させた状態、もしくは炭素繊維２０を液状のサイズ剤に浸した状態で、アーク３による炭素繊維２０の切断を行うことが好ましい。多量のサイズ剤（二次サイズ剤）の存在により、炭素繊維２０の切断面により多くのナノカーボンを生成させることができる。また、切断時の炭素繊維２０のばらけや飛散を抑えることができる。また、得られる炭素材料がばらけずに塊となっているので、樹脂に添加する際の取扱性もよい。
サイズ剤としては、炭素繊維に通常使用されているサイズ剤を用いることができ、例えば、エポキシ系サイズ剤、ウレタン系サイズ剤などが挙げられる。
【００２８】
電源４には市販の溶接用電源（定電流電源）を用いることができる。利用可能な電源の仕様としては、出力電圧が１００Ｖ以下、電流が１００Ａ以下で十分である。アークの発生（トリガ）は、電圧印加後、一端トーチ電極１０と電極板２とを接触させた後、引き離すという接触点弧法の他、高電圧印加法あるいは高周波印加法が利用できる。大抵の市販の溶接用電源には、高電圧印加トリガあるいは高周波印加トリガが内蔵されている。
【００２９】
トーチ電極１０と電極板２と間に流すアーク電流としては、直流、直流パルス、交流および交流パルスを用いることができる。中でも、ナノカーボンをより多く発生させることができる直流または直流パルスが好ましい。すなわち、直流または直流パルスを使用した場合、交流または交流パルスを使用した場合に比べて、切断箇所の温度が高く、かつ加熱領域が広いため、炭素繊維２０のカーボンの蒸発が盛んになり、ナノカーボンが生成しやすくなる。
【００３０】
アーク電流の電流値（電源４における設定値）は、５〜２０Ａの範囲とされる。電流値が５Ａ未満では、炭素繊維２０の切断が困難となる、もしくは炭素繊維２０の切断面にナノカーボンが生成しにくくなる。一方、電流値が２０Ａを超えると、炭素繊維２０が燃えたり、電極板２が破損したりするおそれがある。アーク電流としてパルス電流を用いる場合、その周波数は、特に限定はされないが、汎用電源の実情から見て、１Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲が適当である。
【００３１】
トーチ電極１０の先端と炭素繊維２０表面との距離は、０．５〜５ｍｍとされる。トーチ電極１０と炭素繊維２０との距離が０．５ｍｍ未満では、トーチ電極１０と炭素繊維２０とが接触してアークの発生が困難となることがあり、一方、トーチ電極１０と炭素繊維２０との距離が５ｍｍを超えると、アークの接触位置がジャンプするため連続的な切断ができなかったり、または、アークを維持する電圧が電源電圧を超えるため、アークが持続できず消弧してしまったりする。
【００３２】
アークトーチ１の移動速度は、０．５〜１０ｍｍ／秒の範囲とされる。アークトーチ１の移動速度が遅すぎると、炭素繊維２０が燃えてしまう。一方、アークトーチ１の移動速度が早すぎると、炭素繊維２０の切断が困難となる、もしくは炭素繊維２０の切断面にナノカーボンが生成しにくくなる。
【００３３】
アーク３を連続的に（あるいは間欠的に）長時間発生させる場合、トーチ電極１０および電極ホルダ１１が加熱されすぎ、トーチ電極１０の消耗が激しくなり、また、電極ホルダ１１自体が破損する可能性が生じるので、電極ホルダ１１を通常のＴＩＧアークトーチと同様に水冷することが好ましい。
また、アークトーチ１のガス流路１３にガスを流すことにより、電極ホルダ１１をさらに冷却すれば、電極ホルダ１１自体が加熱によって破損することがなくいなり、さらに、トーチ電極１０も電極ホルダ１１で冷却されるため、電極の消耗が抑制される。
【００３４】
ガスボンベ６から供給され、アークトーチ１のガス流路１３に流されるガス、すなわちアーク３に供給される被包ガスは、特に限定されず、ガスとしては、例えば、アルゴン、ヘリウムなどの希ガス；空気；窒素ガス；二酸化炭素等の炭酸ガス；酸素ガス；水素ガス、もしくはこれらの混合ガスなどを用いることができる。また、何も流さなくてもよい。ただし、トーチ電極１０および電極ホルダ１１の冷却の観点から、アークトーチ１にはガスを流した方が好ましい。また、アークトーチ１に十分な量のガスを流せば、陰極堆積物がトーチ電極１０（陰極）に堆積することを防止できる。仮にガスの量が少ないと、トーチ電極１０に堆積が発生して、トーチ電極１０の形状が変わってしまう場合がある。この場合、アーク放電を不安定にしてしまうことになる。
【００３５】
ガスとしては、ナノカーボンと化学反応せず、生成されたナノカーボンが破壊される可能性が少ないことから、希ガスが好適に用いられる。すなわち、大気中では、ナノカーボンと大気中の酸素などが化学反応（燃焼）し、ナノカーボンがガス化または変質する可能性が高いことから、希ガスを使用して、この反応を防ぐことは非常に効果的である。
また、ガスとして空気や窒素ガスを用いると、窒素を含んだナノカーボン、いわゆるＣＮナノチューブ、ＣＮ（ナノ）ファイバおよびＣＮナノ粒子を得ることができる。
【００３６】
本発明の炭素材料の製造は、大気中にて行うことが可能であるが、作業場所の清浄を保つために本発明の炭素材料の製造を不活性ガス中で行いたい場合、あるいは風などに起因される対流の影響を防ぎたい場合などには、容器（図示略）内に作業部を含む製造装置全体を入れてもよい。ここで、容器としては、真空容器、加圧容器などの密閉型の容器でもよく、開放型の容器でもよい。
【００３７】
容器内の圧力は、特に限定されないが、操作性の面からは大気圧前後が好ましい。ここで、大気圧前後とは、例えば、０．９〜１．１気圧（９０ｋＰａ〜１１０ｋＰａ）程度を含む。同様に、大気とは、一般に、主天体を取り巻く気体のガスであり、主に地球のものをいう。地球では、窒素と酸素を主成分とし、他に二酸化炭素、ネオン、ヘリウム、メタン、水素などを少量含む混合物である。また、水蒸気も含んでいる。
【００３８】
以上説明した本発明の炭素材料にあっては、炭素繊維表面にナノカーボンが付着したものであるので、炭素材料を樹脂に添加し、樹脂とともに混練すると、ナノカーボンが炭素繊維に付着した状態で炭素繊維とともに樹脂中に分散される。よって、ナノカーボンを樹脂中に容易に分散させることができる。また、樹脂中に分散した炭素繊維間にナノカーボンによる電気的なネットワークが形成されやすくなるので、樹脂の導電性が著しく向上する。したがって、本発明の炭素材料によれば、樹脂への炭素材料の添加量を、従来よりも低減することが可能となる。また、ナノカーボン自体の添加量はごくわずかであるので、ナノカーボンのみを添加したものに比べて、導電性樹脂のコストを大幅に下げることができる。
また、ナノカーボンによるネットワークは、ナノカーボンが炭素繊維の端面に付着している場合や、ナノカーボンがカーボンナノチューブ（またはカーボンナノファイバ）である場合に、さらに形成されやすくなる。
【００３９】
また、本発明の炭素材料の製造装置および製造方法にあっては、対向配置されたトーチ電極１０と電極板２と間に電圧を印加してアーク放電を発生させ、このアーク放電によって電極板２表面に配置された炭素繊維２０を切断して、炭素繊維２０の表面にナノカーボンが付着した炭素材料を得ているので、容易にナノカーボンを有する本発明の炭素材料を得ることができる。また、生成したナノカーボンが炭素繊維２０に付着した状態で、樹脂に添加することができるので、ナノカーボンを単体で回収する必要がない。
【００４０】
【実施例】
以下、実施例および比較例により本発明をさらに詳しく説明する。なお、本発明はこれら実施例によって制限されるものではない。
【００４１】
［実施例１］
炭素材料の製造装置として、図１に示す構成の装置を用いた。アークトーチ１および電源４としては、（株）日立製作所製、２００Ｃ ＴＩＧ溶接機を用いた。溶接機の電流の設定値を２０Ａ（直流）とした。トーチ電極１０としては、直径２ｍｍのタングステン電極を用いた。電極板２としては、１００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍのカーボン板を用いた。
【００４２】
以下の操作は、すべて大気中にて行った。
まず、電極板２表面に、炭素繊維２０として、三菱レイヨン（株）製の炭素繊維ＴＲ５０Ｓ（単繊維数１２，０００本のトウ、表面に一次サイズ剤：エポキシ系化合物が付着したもの）を配置し、両端をクリップ５で電極板２に固定した。
ついで、トーチ電極１０と炭素繊維２０との距離が約１ｍｍとなるように、アークトーチ１を炭素繊維２０の上方に配置した。アークトーチ１へアルゴンガスを８Ｌ／分の流量で流しながら、電源４によってトーチ電極１０と電極板２と間に３ｋＶの高周波トリガ電圧を印加してアーク３を発生させた。この際、アーク電圧はおよそ２５Ｖであった。
アークトーチ１を、炭素繊維２０を横切るように約２ｍｍ／秒の速度で移動させながら、このアーク３によって電極板２表面に配置された炭素繊維２０を切断した。
【００４３】
切断された炭素繊維２０の切断面を、日本電子（株）製、ＪＳＭ−６３４０Ｆ、電界放射形走査型電子顕微鏡にて観察した。倍率×３，０００、×１０，０００、×５０，０００の電子顕微鏡写真をそれぞれ図８〜図１０に示す。
図に示すように、断面径約７μｍの炭素繊維の単繊維（図３の左側）の切断面に、網状に重なった外径５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の多数の多層カーボンナノチューブおよび粒径１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の多数のカーボンナノ粒子が付着していることが確認された。
【００４４】
［実施例２］
炭素繊維２０の表面に付着させる一次サイズ剤の濃度を０．４質量％から３質量％に変更した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維２０の切断を行った。
【００４５】
切断された炭素繊維２０の切断面を、日本電子（株）製、ＪＳＭ−６３４０Ｆ、電界放射形走査型電子顕微鏡にて観察した。倍率×３，０００および×５０，０００の電子顕微鏡写真を図１１および図１２に示す。
図に示すように、断面径約７μｍの炭素繊維の単繊維の切断面に、外径５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の多数の多層カーボンナノチューブおよび粒径１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の多数のカーボンナノ粒子が綿状に重なって付着していることが確認された。高濃度の一次サイズ剤を炭素繊維に付着させた場合は、低濃度の一次サイズ剤を付着させた実施例１に比べ、多量のナノカーボンが生成することが確認された。
【００４６】
［比較例１］
大気中トーチアーク（実施例１、２）にかえて、大気中コールドアークにて炭素繊維の切断を行った。装置としてはハイデン研究所製のグライディングアーク発生装置を用いた。
以下の操作は、すべて大気中にて行った。
まず、コールドアークのタングステン陰極（直径１ｍｍの棒状電極）に、三菱レイヨン（株）製の炭素繊維ＴＲ５０Ｓを巻きつけた。
ついで、グライディングアークを発生させ、陰極表面および炭素繊維上にアーク陰極点を走らせて炭素繊維を切断した。
【００４７】
切断された炭素繊維の切断面を、日本電子（株）製、ＪＳＭ−６３４０Ｆ、電界放射形走査型電子顕微鏡にて観察した。倍率×３，０００の電子顕微鏡写真を図１３に示す。
図に示すように、炭素繊維の切断部分は先鋭化しており、ナノカーボンの生成は認められなかった。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の炭素材料は、炭素繊維と、炭素繊維表面に付着したナノカーボンとを有するものであるので、ナノカーボンを樹脂中に容易に分散させることができ、ナノカーボンの量が少なくても優れた導電性を樹脂に付与できる
また、ナノカーボンが、炭素繊維の端面に付着していれば、樹脂の導電性がさらに向上する。
また、ナノカーボンが、カーボンナノチューブであれば、樹脂の導電性がさらに向上する。
【００４９】
また、本発明の炭素材料の製造方法は、アークトーチに設けられたトーチ電極と、これに対向する対向電極との間に、電流値を５〜２０Ａに設定した電源によって電圧を印加してアーク放電を発生させ、対向電極表面に配置された炭素繊維を、トーチ電極と炭素繊維との距離を０．５〜５ｍｍに保ちながらトーチ電極と炭素繊維を固定して載せた状態の対向電極とを０．５〜１０ｍｍ／秒の移動速度で相対移動させて切断する方法であるので、本発明の炭素材料を容易に、かつ低コストで製造することができる。
【００５０】
また、炭素繊維として、炭素繊維表面にサイズ剤が付着しているものを用いれば、ナノカーボンが生成しやすくなる。
また、炭素繊維の単繊維を束ねた炭素繊維束に液状のサイズ剤を含浸させた状態、もしくは炭素繊維束を液状のサイズ剤に浸した状態で炭素繊維を切断すれば、ナノカーボンをより多く生成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭素材料の製造装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】アークトーチの先端部の一例を示す断面図である。
【図３】対向電極の他の例を示す斜視図である。
【図４】対向電極の他の例を示す斜視図である。
【図５】対向電極の他の例を示す斜視図である。
【図６】対向電極の他の例を示す斜視図である。
【図７】対向電極の他の例を示す斜視図である。
【図８】実施例１で切断された炭素繊維の切断面の電子顕微鏡写真（倍率×３，０００）である。
【図９】実施例１で切断された炭素繊維の切断面の電子顕微鏡写真（倍率×１０，０００）である。
【図１０】実施例１で切断された炭素繊維の切断面の電子顕微鏡写真（倍率×５０，０００）である。
【図１１】実施例２で切断された炭素繊維の切断面の電子顕微鏡写真（倍率×３，０００）である。
【図１２】実施例２で切断された炭素繊維の切断面の電子顕微鏡写真（倍率×５０，０００）である。
【図１３】比較例１で切断された炭素繊維の切断面の電子顕微鏡写真（倍率×３，０００）である。
【符号の説明】
１ アークトーチ
２ 電極板（対向電極）
３ アーク（アーク放電）
４ 電源
１０ トーチ電極
２０ 炭素繊維[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon material in which nanocarbon is attached to the surface of a carbon fiber, a method for producing the same, and a production apparatus.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Conventionally, as a resin having conductivity (conductive resin), a resin in which a carbon material such as carbon black or carbon fiber is dispersed in a resin is known. However, in order for this conductive resin to exhibit sufficient conductivity, it was necessary to add a large amount of carbon black, carbon fiber, or the like. In addition, there is a problem that only a black molded product can be obtained from a resin in which a large amount of carbon black, carbon fiber, and the like are dispersed.
[0003]
In recent years, in order to impart excellent conductivity to a molded article with a small amount of addition, a proposal has been made to mix carbon nanotubes with a resin instead of conventional carbon black or carbon fiber. As the carbon nanotube, a single-walled graphite sheet having a shape obtained by rounding a single-layer graphite sheet into a cylindrical shape has an outer diameter of about 1 to 3 nm, and an outer diameter of about 3 to 50 nm formed by concentrically stacking single-walled carbon nanotubes. Multi-walled carbon nanotubes are known.
[0004]
These carbon nanotubes can be obtained by a laser ablation method, an arc discharge method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, or the like. For example, as a method for producing carbon nanotubes by an arc discharge method, a method is known in which an arc discharge is generated between two carbon electrodes in a helium gas to deposit a solid containing the carbon nanotubes on a cathode (for example, JP-A-6-157016 (Patent Document 1)).
[0005]
However, since the carbon nanotubes thus obtained are aggregated and entangled, it is difficult to disperse the carbon nanotubes even when added to a resin, and there is a problem that the expected conductivity cannot be obtained. Was.
In addition, since carbon nanotubes are very expensive materials, the amount of carbon nanotubes needed to be further reduced.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-6-157016 (page 2-3, FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide a carbon material in which nanocarbon is adhered to the surface of carbon fiber, which can easily disperse nanocarbon in a resin, and a method and apparatus for producing the carbon material. Another object of the present invention is to provide a carbon material capable of imparting excellent conductivity to a resin even if the amount of nanocarbon is small, and a method and apparatus for producing the carbon material.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
That is, the carbon material of the present invention is characterized by having carbon fibers and nanocarbon attached to the carbon fiber surface.
Further, it is desirable that the nanocarbon is attached to an end face of the carbon fiber.
Preferably, the nanocarbon is a carbon nanotube.
[0009]
Further, the method for producing a carbon material of the present invention is a method for producing a carbon material in which nanocarbon is attached to the surface of a carbon fiber, wherein a torch electrode provided on an arc torch and a counter electrode facing the same are provided. Then, a voltage is applied by a power supply having a current value set to 5 to 20 A to generate an arc discharge, and the carbon fibers disposed on the surface of the counter electrode are reduced to a distance of 0.5 to 5 mm between the torch electrode and the carbon fibers. It is characterized in that the torch electrode and the counter electrode on which the carbon fiber is fixed and mounted are relatively moved at a moving speed of 0.5 to 10 mm / sec while cutting, and cut.
[0010]
In the method for producing a carbon material according to the present invention, it is preferable that a sizing agent is attached to the surface of the carbon fiber.
In the method for producing a carbon material according to the present invention, the carbon fiber is a carbon fiber bundle obtained by bundling single fibers, and the carbon fiber bundle is impregnated with a liquid sizing agent, or It is desirable to cut the carbon fiber bundle while immersed in the liquid sizing agent.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[Carbon material]
The carbon material of the present invention has carbon fibers and nanocarbon attached to the carbon fiber surface.
As the nanocarbon in the present invention, a carbon nanotube, a carbon nanofiber, a carbon nanoparticle, a nanohorn, a CN nanotube, a CN (nano) fiber, a CN nanoparticle, a BCN nanotube, a BCN (nano) fiber, a BCN nanoparticle, a fullerene or the like And the like.
[0012]
Carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes. The single-walled carbon nanotube is a carbon nanotube having an outer diameter of about 1 to 3 nm having a shape obtained by rounding a single-layer graphite sheet into a cylindrical shape. The multi-walled carbon nanotube is a carbon nanotube having an outer diameter of about 3 to 50 nm in which single-walled carbon nanotubes are concentrically stacked, and is also called a carbon nanofiber.
[0013]
The carbon nanoparticles are particulate nanocarbon having a particle size of 10 to 1,000 nm.
The nanohorn is a carbon nanoparticle having a shape in which a graphite sheet is rounded in a conical shape and the tip is closed in a conical shape (refer to the document “Pore Structure of Single-Wall Carbon Nanohorn Aggregates / K. Murata, K. Kaneko, F.K. , K. Takahashi, M. Yudasaka, S. Iijima / Chem. Phys. Lett., Vol. 331, pp. 14-20 (2000)).
[0014]
The CN nanotube, CN (nano) fiber, and CN nanoparticle are nanocarbon (C) containing nitrogen (N), and have the shape of a tube, a fiber, and a particle, respectively.
BCN nanotubes, BCN (nano) fibers, and BCN nanoparticles are nanocarbons having a network of BCN (boron, nitrogen, carbon), each having the shape of a tube, a fiber, and a particle.
[0015]
As the nanocarbon in the carbon material of the present invention, any of the above-mentioned nanocarbons may be used, but from the viewpoint of imparting conductivity to the resin (from the viewpoint of electrical connectivity between adjacent carbon fibers in the resin, Since the nano-carbon at the end of the carbon fiber plays the role of a contact point), a tube or fiber shape is preferable, and a carbon nanotube (or carbon nano-fiber) is more preferable.
The position of the nanocarbon is not particularly limited as long as it is attached to the surface of the carbon fiber, but from the viewpoint of imparting conductivity to the resin (the electrical connection between adjacent carbon fibers in the resin). From the viewpoint of (i.e., because the nanocarbon at the end of the carbon fiber plays the role of a contact point), it is preferable that the carbon is attached to the end face of the carbon fiber.
[0016]
The carbon fibers in the present invention include PAN-based carbon fibers obtained by heating and carbonizing acrylic fibers made of polyacrylonitrile (PAN), pitch-based carbon fibers obtained by heating pitch fibers made of pitch and carbonized, and the like. These carbon fibers have a cross-sectional diameter of a single fiber of about 2 to 10 μm (preferably 4 to 8 μm), and are clearly distinguished from nanocarbon in the present invention. The form of the carbon fiber is not particularly limited, but when it is added to a resin for imparting conductivity, a chopped fiber obtained by cutting the carbon fiber to a predetermined length is preferable.
[0017]
Next, the production of the carbon material of the present invention will be described.
[manufacturing device]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a manufacturing apparatus used for manufacturing the carbon material of the present invention. This manufacturing apparatus is an apparatus for manufacturing a carbon material having nanocarbon adhered to the surface of a carbon fiber by cutting the carbon fiber by arc discharge, and includes a welding arc torch 1 having a torch electrode 10 and an arc torch. 1, a power supply 4 for applying a voltage for generating an arc 3 (an arc discharge generation region) between the arc torch 1 and the electrode plate 2; In order to arrange the carbon fibers 20 on the surface of the electrode plate 2, a clip 5 for fixing both ends of the carbon fibers 20 to the electrode plate 2, a gas cylinder 6 for supplying a specific gas to the arc torch 1, and a gas flow rate from the gas cylinder 6 And a flow meter 7 for adjusting the pressure.
[0018]
FIG. 2 is an enlarged sectional view of the tip of the arc torch 1. The tip of the arc torch 1 includes a torch electrode 10, an electrode holder 11 for holding the torch electrode 10, a hollow truncated cylindrical nozzle 12 covering the torch electrode 10 at a predetermined interval, and a torch electrode 10. It is a space between the nozzle 12 and a gas flow path 13 for the enveloped gas supplied to the arc 3 generated between the arc torch 1 and the electrode plate 2.
[0019]
As the arc torch 1, a welding arc torch such as a general-purpose TIG (Tungusten Inert Gas) arc torch can be used. Instead of the TIG arc torch, a MIG (Metal Electrode Inert Gas) torch, a welding torch having a structure similar to the TIG arc torch, for example, a MAG (Metal Electrode Active Gas) torch, a plasma gouging (plasma cutting) torch. Can be used. Further, a thermal spraying torch (plasma spray torch) or a transitional arc torch for a blast furnace may be used.
[0020]
When the arc torch 1 is a TIG arc torch, a tungsten electrode containing thorium or a tungsten electrode containing cerium is used as the torch electrode 10. In the production of the carbon material of the present invention, these tungsten electrodes may be used, but pure graphite is preferably used as the torch electrode 10 in order to prevent the molten fine particles of tungsten from adhering to the electron emission source. Further, as the torch electrode 10, an electrode mainly composed of a high melting point metal such as molybdenum or nickel may be used. The diameter of the torch electrode 10 is not particularly limited, but is about 1 to 7 mm when a general-purpose arc torch is used.
[0021]
The electrode plate 2 is a counter electrode of the torch electrode 10. As the electrode plate 2, a material similar to that of the torch electrode 10 can be used. For example, a carbon graphite (graphite) plate, a tungsten plate, a molybdenum plate, a stainless steel plate, or the like can be used. Among them, a carbon graphite plate is most preferable in that it can withstand a high temperature of 1000 ° C. or more at which an arc electrode point occurs.
Further, the electrode plate 2 is placed on a water-cooled electrode base (not shown) in order to protect the electrode plate 2 from the heat of the arc 3 (ie, to suppress damage to the electrode plate 2 due to the heat of the arc 3). Is also good. Alternatively, the electrode plate 2 may be directly water-cooled.
[0022]
The electrode plate (counter electrode) is not a simple plate-like electrode plate 2 as shown in FIG. 1, but a roof-type electrode plate 21 shown in FIG. 3 and an arc-shaped electrode plate 22 shown in FIG. You may. Since the arc tends to discharge between the electrodes as short as possible, the electrode plate having such a peak portion can specify the position to irradiate the arc (that is, the position of the peak of those shapes). There are advantages. Further, as the counter electrode, it is preferable to use not the plate-shaped but the protruding counter electrodes 23 and 24 in which the contact point between the carbon fiber and the counter electrode is one point as shown in FIGS. In this case, compared with the electrode plates of FIGS. 3 and 4, it is possible to reliably irradiate the arc at the peak position (to generate an arc between the arc torch and the peak of the counter electrode). Furthermore, if the counter electrode 25 has a rounded peak as shown in FIG. 7, the carbon fibers 20 spread apart due to the rounded peak, so that the processing can be performed more efficiently. That is, if the carbon fibers 20 overlap, the processing efficiency (= cutting and nanocarbonization of the tip) deteriorates.
[0023]
As the power supply 4, a welding power supply such as a TIG welding power supply can be used.
In addition, the manufacturing apparatus may include moving means for relatively moving the torch electrode 10 and the electrode plate 2 in order to easily cut the carbon fiber 20 by arc discharge. As a moving means, a device for moving the arc torch 1 in three directions (that is, a plane (X direction and Y direction) parallel to the electrode plate 2 and a direction (Z direction) perpendicular to the plane), for example, an NC apparatus (Numerical control device) or the like can be used. Alternatively, the arc torch 1 may be fixed, and the electrode plate 2 may be moved. Alternatively, both the arc torch 1 and the electrode plate 2 may be moved in conjunction with each other. If such a moving means is provided, the carbon fibers 20 can be cut automatically and continuously, so that the carbon material of the present invention can be efficiently produced.
[0024]
[Production method]
The production of the carbon material of the present invention using this production apparatus is performed, for example, as follows.
First, the carbon fibers 20 are arranged on the electrode plate 2, and both ends thereof are fixed to the electrode plate 2 by clips 5.
Next, the arc torch 1 is disposed above the carbon fiber 20 so that the torch electrode 10 and the electrode plate 2 are opposed to each other. generate.
While moving the arc torch 1 manually or automatically across the carbon fibers 20, the arc 3 cuts the carbon fibers 20 arranged on the surface of the electrode plate 2, and nanocarbon adheres to the cut surface of the carbon fibers 20. The obtained carbon material of the present invention is obtained.
[0025]
Here, the arc 3 generated between the torch electrode 10 of the arc torch 1 and the electrode plate 2 by the torch arc method using a TIG welding torch and its DC / AC power supply has a torch with an arc temperature of 2000 to 10000C. It is an arc, and is distinguished from a gliding arc having an arc temperature of 600 ° C. or less by a so-called cold arc method using a bipolar burst pulse high voltage power supply or the like.
[0026]
As the carbon fiber 20, a tow (carbon fiber bundle) in which a plurality of single fibers of carbon fiber, for example, thousands to tens of thousands of fibers are aligned is used. The carbon fiber bundle can be obtained by heating and carbonizing a precursor fiber bundle such as an acrylic fiber bundle and a pitch fiber bundle.
It is preferable that a sizing agent (primary sizing agent) normally used for the purpose of binding is attached to the carbon fibers 20. The presence of the sizing agent makes it easier to generate nanocarbon on the cut surface of the carbon fiber 20.
[0027]
Further, it is preferable to cut the carbon fiber 20 by the arc 3 in a state where the carbon fiber 20 is impregnated with the liquid sizing agent or in a state where the carbon fiber 20 is immersed in the liquid sizing agent. Due to the presence of a large amount of the sizing agent (secondary sizing agent), more nanocarbon can be generated on the cut surface of the carbon fiber 20. In addition, the carbon fibers 20 can be prevented from scattering or scattering during cutting. Further, since the obtained carbon material is in a lump without being separated, the handleability when adding to the resin is also good.
As the sizing agent, a sizing agent generally used for carbon fibers can be used, and examples thereof include an epoxy sizing agent and a urethane sizing agent.
[0028]
As the power source 4, a commercially available welding power source (constant current power source) can be used. As specifications of an available power supply, an output voltage of 100 V or less and a current of 100 A or less are sufficient. For the generation (trigger) of the arc, a high voltage application method or a high frequency application method can be used in addition to a contact ignition method in which the torch electrode 10 is brought into contact with the electrode plate 2 after application of a voltage and then separated. Most commercially available welding power supplies have a built-in high voltage application trigger or high frequency application trigger.
[0029]
As an arc current flowing between the torch electrode 10 and the electrode plate 2, a direct current, a direct current pulse, an alternating current, and an alternating current pulse can be used. Among them, a direct current or a direct current pulse capable of generating more nanocarbon is preferable. That is, when a direct current or a direct current pulse is used, the temperature of the cut portion is higher and the heating area is wider than when an alternating current or an alternating current pulse is used. Carbon is easily generated.
[0030]
The current value (set value in the power supply 4) of the arc current is in the range of 5 to 20A. If the current value is less than 5 A, it becomes difficult to cut the carbon fiber 20, or it becomes difficult to generate nanocarbon on the cut surface of the carbon fiber 20. On the other hand, when the current value exceeds 20 A, there is a possibility that the carbon fibers 20 may burn or the electrode plate 2 may be damaged. When a pulse current is used as the arc current, its frequency is not particularly limited, but a range of 1 Hz to 500 Hz is appropriate in view of the actual situation of a general-purpose power supply.
[0031]
The distance between the tip of the torch electrode 10 and the surface of the carbon fiber 20 is 0.5 to 5 mm. If the distance between the torch electrode 10 and the carbon fiber 20 is less than 0.5 mm, the torch electrode 10 and the carbon fiber 20 may come into contact with each other, making it difficult to generate an arc. If the distance exceeds 5mm, continuous cutting cannot be performed because the contact position of the arc jumps, or the arc cannot be sustained because the voltage for maintaining the arc exceeds the power supply voltage, and the arc will be extinguished. I do.
[0032]
The moving speed of the arc torch 1 is in a range of 0.5 to 10 mm / sec. If the moving speed of the arc torch 1 is too slow, the carbon fibers 20 will burn. On the other hand, if the moving speed of the arc torch 1 is too fast, it becomes difficult to cut the carbon fiber 20, or it becomes difficult to generate nanocarbon on the cut surface of the carbon fiber 20.
[0033]
When the arc 3 is generated continuously (or intermittently) for a long time, the torch electrode 10 and the electrode holder 11 are excessively heated, and the torch electrode 10 is greatly consumed, and the electrode holder 11 itself may be damaged. Therefore, it is preferable to water-cool the electrode holder 11 in the same manner as a normal TIG arc torch.
Further, if the electrode holder 11 is further cooled by flowing gas through the gas flow path 13 of the arc torch 1, the electrode holder 11 itself does not break due to heating, and the torch electrode 10 is also moved by the electrode holder 11. Since the cooling is performed, the consumption of the electrode is suppressed.
[0034]
The gas supplied from the gas cylinder 6 and supplied to the gas passage 13 of the arc torch 1, that is, the encapsulating gas supplied to the arc 3 is not particularly limited. Examples of the gas include rare gases such as argon and helium; Air; nitrogen gas; carbon dioxide gas such as carbon dioxide; oxygen gas; hydrogen gas, or a mixed gas thereof can be used. Also, it is not necessary to flow anything. However, from the viewpoint of cooling the torch electrode 10 and the electrode holder 11, it is preferable to supply gas to the arc torch 1. Further, if a sufficient amount of gas is supplied to the arc torch 1, it is possible to prevent the cathode deposit from depositing on the torch electrode 10 (cathode). If the amount of gas is small, deposition may occur on the torch electrode 10 and the shape of the torch electrode 10 may change. In this case, the arc discharge becomes unstable.
[0035]
As the gas, a rare gas is preferably used because it does not chemically react with the nanocarbon and the possibility that the generated nanocarbon is destroyed is small. That is, in the atmosphere, nanocarbon and oxygen in the atmosphere chemically react (combust), and there is a high possibility that the nanocarbon is gasified or deteriorated. Therefore, it is not possible to prevent this reaction using a rare gas. Very effective.
In addition, when air or nitrogen gas is used as the gas, nanocarbon containing nitrogen, so-called CN nanotube, CN (nano) fiber, and CN nanoparticle can be obtained.
[0036]
Although the production of the carbon material of the present invention can be performed in the air, if the production of the carbon material of the present invention is to be performed in an inert gas to keep the work place clean, When it is desired to prevent the influence of the resulting convection, the entire manufacturing apparatus including the working unit may be placed in a container (not shown). Here, the container may be a closed container such as a vacuum container or a pressurized container, or may be an open container.
[0037]
The pressure in the vessel is not particularly limited, but is preferably around atmospheric pressure from the viewpoint of operability. Here, the term “atmospheric pressure” includes, for example, about 0.9 to 1.1 atm (90 kPa to 110 kPa). Similarly, the atmosphere is generally a gaseous gas surrounding the main celestial body, and mainly refers to that of the earth. On the earth, it is a mixture containing nitrogen and oxygen as main components and a small amount of carbon dioxide, neon, helium, methane, hydrogen and the like. It also contains water vapor.
[0038]
In the carbon material of the present invention described above, since nanocarbon is attached to the carbon fiber surface, when the carbon material is added to the resin and kneaded with the resin, the nanocarbon is attached to the carbon fiber It is dispersed in the resin together with the carbon fibers. Therefore, the nanocarbon can be easily dispersed in the resin. Further, since an electric network of nanocarbon is easily formed between carbon fibers dispersed in the resin, the conductivity of the resin is significantly improved. Therefore, according to the carbon material of the present invention, the amount of the carbon material added to the resin can be reduced as compared with the conventional case. Further, since the addition amount of the nanocarbon itself is very small, the cost of the conductive resin can be significantly reduced as compared with the case where only the nanocarbon is added.
Further, the network of nanocarbon is more easily formed when the nanocarbon is attached to the end face of the carbon fiber or when the nanocarbon is a carbon nanotube (or carbon nanofiber).
[0039]
In the apparatus and method for producing a carbon material according to the present invention, an arc discharge is generated by applying a voltage between the torch electrode 10 and the electrode plate 2 which are disposed opposite to each other, and the arc discharge is generated by the arc discharge. Since the carbon material 20 having nanocarbon adhered to the surface of the carbon fiber 20 is obtained by cutting the carbon fiber 20 disposed on the surface, the carbon material of the present invention having nanocarbon can be easily obtained. Further, since the generated nanocarbon can be added to the resin in a state where it is attached to the carbon fiber 20, it is not necessary to collect the nanocarbon alone.
[0040]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited by these examples.
[0041]
[Example 1]
An apparatus having a configuration shown in FIG. 1 was used as a carbon material manufacturing apparatus. As the arc torch 1 and the power supply 4, a 200C TIG welding machine manufactured by Hitachi, Ltd. was used. The set value of the current of the welding machine was 20 A (DC). As the torch electrode 10, a tungsten electrode having a diameter of 2 mm was used. As the electrode plate 2, a carbon plate of 100 mm × 100 mm × 3 mm was used.
[0042]
The following operations were all performed in the atmosphere.
First, on the surface of the electrode plate 2, carbon fiber TR50S manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd. (tow having 12,000 single fibers, primary sizing agent: epoxy-based compound adhered to the surface) is disposed as carbon fiber 20. Then, both ends were fixed to the electrode plate 2 with clips 5.
Next, the arc torch 1 was arranged above the carbon fiber 20 so that the distance between the torch electrode 10 and the carbon fiber 20 was about 1 mm. An arc 3 was generated by applying a high-frequency trigger voltage of 3 kV between the torch electrode 10 and the electrode plate 2 by the power supply 4 while flowing argon gas at a flow rate of 8 L / min to the arc torch 1. At this time, the arc voltage was about 25V.
While moving the arc torch 1 at a speed of about 2 mm / sec across the carbon fibers 20, the arcs 3 cut the carbon fibers 20 arranged on the surface of the electrode plate 2.
[0043]
The cut surface of the cut carbon fiber 20 was observed with a field emission scanning electron microscope, JSM-6340F, manufactured by JEOL Ltd. Electron micrographs at magnifications of × 3,000, × 10,000 and × 50,000 are shown in FIGS. 8 to 10, respectively.
As shown in the figure, a multiplicity of multi-walled carbon nanotubes having an outer diameter of about 5 nm to 50 nm and a particle size of about 10 nm to 200 nm superposed in a net shape on a cut surface of a single fiber (left side in FIG. 3) of a carbon fiber having a sectional diameter of about 7 μm. It was confirmed that a large number of carbon nanoparticles were attached.
[0044]
[Example 2]
The carbon fibers 20 were cut in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the primary sizing agent attached to the surface of the carbon fibers 20 was changed from 0.4% by mass to 3% by mass.
[0045]
The cut surface of the cut carbon fiber 20 was observed with a field emission scanning electron microscope, JSM-6340F, manufactured by JEOL Ltd. Electron micrographs at magnifications of × 3,000 and × 50,000 are shown in FIGS. 11 and 12.
As shown in the figure, a large number of multi-walled carbon nanotubes having an outer diameter of about 5 nm to 50 nm and a large number of carbon nanoparticles having a particle diameter of about 10 nm to 200 nm are formed on a cut surface of a single fiber of a carbon fiber having a cross-sectional diameter of about 7 μm. It was confirmed that they adhered to each other. It was confirmed that when a high concentration of the primary sizing agent was attached to the carbon fiber, a larger amount of nanocarbon was generated as compared with Example 1 where the low concentration of the primary sizing agent was attached.
[0046]
[Comparative Example 1]
Instead of the torch arc in the air (Examples 1 and 2), the carbon fiber was cut by a cold arc in the air. A gliding arc generator manufactured by Heiden Laboratory was used as an apparatus.
The following operations were all performed in the atmosphere.
First, carbon fiber TR50S manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd. was wound around a tungsten cathode (a rod-shaped electrode having a diameter of 1 mm) of a cold arc.
Next, a gliding arc was generated, and the carbon fiber was cut by running an arc cathode spot on the cathode surface and the carbon fiber.
[0047]
The cut surface of the cut carbon fiber was observed with a field emission scanning electron microscope, JSM-6340F, manufactured by JEOL Ltd. An electron micrograph at a magnification of 3,000 is shown in FIG.
As shown in the figure, the cut portion of the carbon fiber was sharpened, and production of nanocarbon was not recognized.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, since the carbon material of the present invention has carbon fiber and nanocarbon attached to the carbon fiber surface, the nanocarbon can be easily dispersed in the resin, Excellent conductivity can be imparted to resin even if the amount is small
Further, if the nanocarbon is attached to the end face of the carbon fiber, the conductivity of the resin is further improved.
If the nanocarbon is a carbon nanotube, the conductivity of the resin is further improved.
[0049]
Further, the method for producing a carbon material according to the present invention is characterized in that a voltage is applied between a torch electrode provided on an arc torch and a counter electrode facing the arc torch by applying a voltage from a power supply having a current value of 5 to 20 A. A discharge is generated, and the carbon fiber disposed on the surface of the counter electrode is separated from the torch electrode and the counter electrode in a state where the carbon fiber is fixedly mounted while maintaining the distance between the torch electrode and the carbon fiber at 0.5 to 5 mm. Since the cutting method is performed by relatively moving at a moving speed of 0.5 to 10 mm / sec, the carbon material of the present invention can be manufactured easily and at low cost.
[0050]
In addition, when a carbon fiber having a sizing agent attached to the surface of the carbon fiber is used, nanocarbon is easily generated.
Also, if carbon fibers are cut in a state in which a liquid sizing agent is impregnated in a carbon fiber bundle obtained by bundling carbon fiber single fibers, or in a state where the carbon fiber bundle is immersed in a liquid sizing agent, more nanocarbon can be obtained. Can be generated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one example of an apparatus for producing a carbon material of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a tip portion of the arc torch.
FIG. 3 is a perspective view showing another example of the counter electrode.
FIG. 4 is a perspective view showing another example of the counter electrode.
FIG. 5 is a perspective view showing another example of the counter electrode.
FIG. 6 is a perspective view showing another example of the counter electrode.
FIG. 7 is a perspective view showing another example of the counter electrode.
8 is an electron micrograph (magnification: 3,000) of a cut surface of the carbon fiber cut in Example 1. FIG.
FIG. 9 is an electron micrograph (magnification: 10,000) of a cut surface of the carbon fiber cut in Example 1.
FIG. 10 is an electron micrograph (magnification: 50,000) of a cut surface of the carbon fiber cut in Example 1.
11 is an electron micrograph (magnification: 3,000) of a cut surface of the carbon fiber cut in Example 2. FIG.
FIG. 12 is an electron micrograph (magnification: 50,000) of a cut surface of the carbon fiber cut in Example 2.
FIG. 13 is an electron micrograph (magnification: 3,000) of a cut surface of the carbon fiber cut in Comparative Example 1.
[Explanation of symbols]
1 arc torch
2 electrode plate (counter electrode)
3 arc (arc discharge)
4 Power supply
10 Torch electrode
20 carbon fiber
