JP2007119647A - Composite material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composite material containing a newly structured carbon fiber structure that has preferred physical properties as a filler for use in a composite material and be capable of improving physical properties such as electrical properties, mechanical properties and thermal properties without lowering properties of a matrix by addition of a small amount of the structure. <P>SOLUTION: The carbon fiber structure has a three-dimensional network form composed of carbon fibers having an outer diameter of 15-100 nm. The carbon fiber structure has granular parts to bond the carbon fibers with each other in a state extending a plurality of carbon fibers and the granular parts are formed during the growing process of the carbon fiber. The composite material contains the carbon fiber structure, which contains boron, in the matrix at a ratio of 0.001-30 mass% based on the total composite material. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、新規な複合材料に関するものである。詳しく述べると、本発明は、マトリックス中に柔軟で強度が高く、強靭な特殊構造を有し、さらにホウ素を含有する微細炭素繊維構造体を配合してなる複合材料に関する。   The present invention relates to a novel composite material. More specifically, the present invention relates to a composite material obtained by blending a fine carbon fiber structure containing boron with a soft, high strength, tough special structure and further containing boron.

単独の素材では得られない特性を得るために素材の複合が行われている。従来、複合材料としては、ガラス繊維強化プラスチックが広く用いられていたが、炭素繊維が開発され、炭素繊維補強した繊維補強プラスチック(CFRP)が開発されてから、特に複合材料が一般的となった。   In order to obtain characteristics that cannot be obtained with a single material, the materials are combined. Conventionally, glass fiber reinforced plastic has been widely used as a composite material. However, since carbon fiber was developed and carbon fiber reinforced fiber reinforced plastic (CFRP) was developed, composite materials became particularly popular. .

これらの材料はスポーツ用品などに広く用いられると共に、航空機用の軽量かつ高強度・高弾性率の構造材料として注目されるようになった。その後、複合材料には、繊維補強材料のみならず、微粒子補強の材料も含まれるようになった。さらに、強度や耐熱性などが重要視される構造材料に加えて、電気・電子特性、光学特性、化学特性に着目する機能材料も複合材料として扱われている。   These materials are widely used in sports equipment and the like, and have attracted attention as lightweight, high-strength and high-elasticity structural materials for aircraft. Thereafter, composite materials include not only fiber reinforced materials but also fine particle reinforced materials. Furthermore, in addition to structural materials where strength and heat resistance are important, functional materials that focus on electrical / electronic properties, optical properties, and chemical properties are also treated as composite materials.

一方、電子機器の普及に伴い、電子部品から発生するノイズが周辺機器に影響を与える電波障害や、静電気による誤動作等のトラブルが増大し、大きな問題となっている。これらの問題の解決のために、この分野では導電性や制動性に優れた材料が要求されている。   On the other hand, with the widespread use of electronic devices, problems such as radio wave interference in which peripheral components are affected by noise generated from electronic components and malfunctions due to static electricity have become serious problems. In order to solve these problems, a material excellent in conductivity and braking performance is required in this field.

従来より、導電性の乏しい高分子材料においては、導電性の高いフィラー等を配合することにより、導電性機能を付与させた導電性高分子材料が広く利用されている。導電性フィラーとしては、金属繊維及び金属粉末、カーボンブラック、炭素繊維などが一般に用いられているが、金属繊維及び金属粉末を導電性フィラーとして用いた場合、耐食性に劣り、また機械的強度が得にくいという欠点がある。一方、炭素繊維を導電性フィラーとして使用する場合、一般の補強用炭素繊維では、所望の強度、弾性率はある程度の量を配合することにより達成することができるが、導電性に関しては十分なものとはならず、所望の導電性を得ようとすると高充填を必要とするため、元の樹脂本来の物性を低下させてしまう。なお、炭素繊維では、繊維径が細かい方が同量の繊維を加えた場合にマトリックス樹脂と繊維との間の接触面積が大きくなるため導電性付与効果に優れることが期待される。   Conventionally, in a polymer material having poor conductivity, a conductive polymer material imparted with a conductivity function by blending a highly conductive filler or the like has been widely used. As the conductive filler, metal fiber and metal powder, carbon black, carbon fiber, etc. are generally used. However, when the metal fiber and metal powder are used as the conductive filler, the corrosion resistance is poor and the mechanical strength is obtained. There is a drawback that it is difficult. On the other hand, when carbon fiber is used as a conductive filler, desired strength and elastic modulus can be achieved by blending a certain amount of general reinforcing carbon fiber, but it is sufficient in terms of conductivity. However, since high filling is required to obtain the desired conductivity, the original physical properties of the original resin are lowered. In addition, in the carbon fiber, when the fiber diameter is smaller, when the same amount of fiber is added, the contact area between the matrix resin and the fiber is increased, so that it is expected to be excellent in conductivity imparting effect.

炭素繊維は、現在、最終フィラメントにおいて炭素原子の異方性シートの良好な配向が確保されるように、注意深く維持した引張り力の下で前駆物質たる有機ポリマー、特にセルロース又はポリアクリロニトリルの連続フィラメントを制御下に熱分解することによって製造されており、炭化における重量損失や炭化速度が遅いなどのため高価になる。   Carbon fibers currently contain continuous filaments of organic polymers, especially cellulose or polyacrylonitrile, as precursors under carefully maintained tensile forces to ensure good orientation of the anisotropic sheet of carbon atoms in the final filament. It is manufactured by thermal decomposition under control, and becomes expensive due to a weight loss in carbonization and a slow carbonization rate.

さらに、近年、炭素繊維に関する別のものとして、カーボンナノチューブ(以下、「CNT」とも記する。)に代表されるカーボンナノ構造体などの微細炭素繊維が注目されている。   Furthermore, in recent years, fine carbon fibers such as carbon nanostructures represented by carbon nanotubes (hereinafter also referred to as “CNT”) have attracted attention as another example of carbon fibers.

カーボンナノ構造体を構成するグラファイト層は、通常では規則正しい六員環配列構造を有し、その特異な電気的性質とともに、化学的、機械的および熱的に安定した性質を持つ物質である。従って、例えば、各種樹脂、セラミックス、金属等の固体材料、あるいは燃料油、潤滑剤等の液体材料中に、このような微細炭素繊維を分散配合することにより、前記したような物性を生かすことができれば、その添加剤としての用途が期待されることとなる。   The graphite layer constituting the carbon nanostructure is a substance having a regular, six-membered ring arrangement structure, and chemically, mechanically and thermally stable properties as well as its unique electrical properties. Therefore, for example, by dispersing and blending such fine carbon fibers in solid materials such as various resins, ceramics, metals, or liquid materials such as fuel oil and lubricant, the above-described physical properties can be utilized. If possible, use as an additive is expected.

しかしながら、一方で、このような微細炭素繊維は、生成時点で既に塊になってしまい、これをそのまま使用すると、マトリックス中において分散が進まず性能不良をきたすおそれがある。従って、樹脂等のマトリックスに導電性等の所定の特性を発揮させようとする場合には、かなりの添加量を必要とするものであった。   However, on the other hand, such fine carbon fibers are already agglomerated at the time of production, and if they are used as they are, there is a risk that dispersion will not proceed in the matrix and performance will be deteriorated. Accordingly, when trying to exhibit predetermined characteristics such as conductivity in a matrix such as a resin, a considerable amount of addition is required.

特許文献1には、3.5〜70nmの直径の炭素フィブリルが互いに絡み合った凝集体で、その最長径が0.25mm以下で、径が0.10〜0.25mmの凝集体を含有する樹脂組成物が開示されている。なお、特許文献1における実施例等の記載から明らかなように、この炭素フィブリル凝集体の最長径、直径等の数値は、樹脂へ配合する前の凝集体の特性値である。また、特許文献2には50〜5000nmの直径の炭素繊維の凝集体であって、その繊維同士の接点が炭素質物の炭化物によって固着された大きさが5μm〜500μmの構造体を主体とする炭素繊維材料をマトリックス中に配合してなる複合体が開示されている。この特許文献2においても、構造体の大きさ等の数値は、樹脂へ配合する前の特性値である。   Patent Document 1 discloses a resin containing an aggregate in which carbon fibrils having a diameter of 3.5 to 70 nm are entangled with each other, the longest diameter is 0.25 mm or less, and the diameter is 0.10 to 0.25 mm. A composition is disclosed. As is clear from the description of Examples and the like in Patent Document 1, numerical values such as the longest diameter and diameter of the carbon fibril aggregate are characteristic values of the aggregate before blending into the resin. Patent Document 2 discloses an aggregate of carbon fibers having a diameter of 50 to 5000 nm, in which carbon fiber mainly includes a structure having a size of 5 μm to 500 μm in which a contact point between the fibers is fixed by a carbonaceous carbide. A composite comprising a fiber material blended in a matrix is disclosed. Also in this patent document 2, numerical values such as the size of the structure are characteristic values before blending into the resin.

このような炭素繊維凝集体を用いることにより、樹脂マトリックスへの分散性の向上は、より大きな塊で混合した場合よりもある程度期待される。しかしながら、特許文献1に記載される凝集体は、例えば、炭素フィブリルを振動ボールミル等でせん断力をかけて分散処理することによって得られるものであるが、嵩密度は高いため、少量の添加にて効率良く、導電性等の特性を改善する添加剤としては、未だ満足のいくものではなかった。また、特許文献2において示される炭素繊維構造体においては、繊維同士の接触点の固着が、炭素繊維の製造後に、この炭素繊維集合体を圧縮成形して繊維同士の接触点と形成した状態において熱処理し、炭素繊維表面に残留するピッチ等の残留有機物あるいはバインダーとして添加された有機物を炭化することによって形成されるものであることから、接触点の固着力が弱く、また、その構造体自体の電気的特性はあまり良好なものとはいえないものであった。従って、樹脂等のマトリックス中に配合された場合に、容易にその接触点が解離してしまうためその構造体形状を保持できないものとなり、例えば、少量添加にて、良好な電気的特性を発揮する上での、良好な導電パスをマトリックス中に形成することが困難であった。さらに、接触点の固着のためにバインダー等を添加して炭化すると、その接触点の部位のみにバインダー等を付着させることが困難であり、繊維全体にも付着するため、得られる構造体においては、繊維径が全体として太くかつ表面特性に劣るようなものしか得られないこととなる虞れが高いものであった。   By using such a carbon fiber aggregate, an improvement in dispersibility in the resin matrix is expected to some extent as compared with the case of mixing in a larger lump. However, the agglomerates described in Patent Document 1 are obtained, for example, by dispersing carbon fibrils by applying a shearing force with a vibrating ball mill or the like. It has not yet been satisfactory as an additive that efficiently improves properties such as conductivity. Further, in the carbon fiber structure shown in Patent Document 2, the contact point between the fibers is fixed in a state where the carbon fiber aggregate is compression-molded and formed as a contact point between the fibers after the carbon fiber is manufactured. Since it is formed by carbonizing the residual organic matter such as pitch remaining on the carbon fiber surface or the organic matter added as a binder after heat treatment, the adhesive strength of the contact point is weak, and the structure itself The electrical characteristics were not very good. Therefore, when blended in a matrix such as a resin, the contact point easily dissociates, so that the shape of the structure cannot be maintained. For example, good electrical characteristics are exhibited even when added in a small amount. Above, it was difficult to form a good conductive path in the matrix. Furthermore, when carbonization is performed by adding a binder or the like for fixing the contact point, it is difficult to attach the binder or the like only to the site of the contact point, and also adheres to the entire fiber. There is a high possibility that only fibers having a large fiber diameter and inferior surface characteristics will be obtained.

ところで、炭素繊維を樹脂等のマトリックス中に配合することにより導電性を付与するに際し、当該炭素繊維の結晶内にホウ素を含有する技術が知られている(例えば特許文献3)。当該技術は、炭素繊維の結晶内にホウ素を含有せしめることにより、炭素繊維の結晶性を向上させるとともに、適度に欠陥を生じさせることで電子状態を制御し、導電特性を上げることがねらいである。   By the way, when imparting conductivity by blending carbon fibers in a matrix such as a resin, a technique is known that contains boron in the carbon fiber crystals (for example, Patent Document 3). The technology aims to improve the crystallinity of the carbon fiber by incorporating boron into the crystal of the carbon fiber, and to control the electronic state by appropriately generating defects, thereby improving the conductive properties. .

しかしながら、前記で述べた理由と同様の理由により、特許文献3に開示されている炭素繊維では、必ずしも良好な導電パスをマトリックス中に形成することは困難であった。
特許第2862578号公報 特開2004−119386号公報 特開2004−3097号公報
However, for the same reason as described above, with the carbon fiber disclosed in Patent Document 3, it has been difficult to form a good conductive path in the matrix.
Japanese Patent No. 2862578 JP 2004-119386 A JP 2004-3097 A

本発明は、複合材料用フィラーとして好ましい物性を持ち、少量の添加にて、マトリックスの特性を損なわずに電気的特性、機械的特性、熱特性等の物理特性を改善できる新規な構造の炭素繊維構造体を含む複合材料を提供するものである。   The present invention provides a carbon fiber having a novel structure that has favorable physical properties as a filler for composite materials and can improve physical properties such as electrical properties, mechanical properties, thermal properties, etc. without impairing the properties of the matrix with a small amount of addition. A composite material including a structure is provided.

上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討の結果、その添加量が少なくても十分な特性向上を発揮させるためには、可能な限り微細な炭素繊維を用い、さらにこれら炭素繊維が一本一本ばらばらになることなく互いに強固に結合し、疎な構造体でマトリックスに保持されるものであること、また炭素繊維自体の一本一本が極力欠陥の少ないものであることが有効であるとともに、ホウ素を含有せしめることで電子状態を変えることが有効であることを見出し、本発明に到達したものである。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied, and in order to exhibit sufficient characteristics improvement even if the addition amount is small, the finest possible carbon fibers are used. Are firmly bonded to each other without being separated and held in a matrix with a sparse structure, and each carbon fiber itself has as few defects as possible. In addition to being effective, it has been found that changing the electronic state by incorporating boron is effective, and the present invention has been achieved.

すなわち、上記課題を解決する本発明は、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される3次元ネットワーク状を呈しており、前記炭素繊維構造体は、前記炭素繊維が複数延出する態様で、当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものであり、さらに、ホウ素が含有されているものである炭素繊維構造体を、全体の0.001〜30質量%の割合でマトリックス中に含有することを特徴する複合材料である。   That is, the present invention that solves the above problems presents a three-dimensional network formed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of the carbon fibers extend, A carbon fiber structure having a granular part for bonding the carbon fibers to each other, the granular part being formed in the growth process of the carbon fiber, and further containing boron Is contained in the matrix in a proportion of 0.001 to 30% by mass of the whole.

本発明はまた、前記ホウ素の含有量が、前記炭素繊維構造体に対して0.001〜2.1質量%であることを特徴とする上記複合材料を示すものである。   The present invention also shows the composite material, wherein the boron content is 0.001 to 2.1% by mass with respect to the carbon fiber structure.

本発明はまた、前記炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜100μmであることを特徴とする上記複合材料を示すものである。   The present invention also provides the composite material, wherein the carbon fiber structure has an area-based circle-equivalent mean diameter of 50 to 100 μm.

本発明はさらに、前記炭素繊維構造体は、嵩密度が、0.0001〜0.05g/cmであることを特徴とする上記複合材料を示すものである。 The present invention further shows the composite material, wherein the carbon fiber structure has a bulk density of 0.0001 to 0.05 g / cm 3 .

本発明はまた、前記炭素繊維構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2〜1.4であり、且つ、IG’/Iが0.25〜0.75であることを特徴とする上記複合材料を示すものである。 In the carbon fiber structure according to the present invention, I D / I G measured by Raman spectroscopy is 0.2 to 1.4, and I G ′ / I G is 0.25 to 0. The composite material is characterized by being .75.

本発明はまた、前記炭素繊維構造体は、空気中での燃焼開始温度が700℃以上であることを特徴とする上記複合材料を示すものである。   The present invention also provides the composite material, wherein the carbon fiber structure has a combustion start temperature in air of 700 ° C. or higher.

本発明はまた、前記炭素繊維の結合箇所において、前記粒状部の粒径が、前記炭素繊維の外径よりも大きいことを特徴とする上記複合材料を示すものである。   The present invention also shows the above-mentioned composite material, wherein the particle diameter of the granular part is larger than the outer diameter of the carbon fiber at the bonded portion of the carbon fiber.

本発明はまた、前記炭素繊維構造体は、炭素源として、分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いて、生成されたものである上記複合材料を示すものである。   The present invention also shows the composite material, wherein the carbon fiber structure is produced using at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures as a carbon source.

本発明はまた、マトリックスが有機ポリマーを含むものである上記複合材料を示すものである。   The present invention also shows the above composite material in which the matrix comprises an organic polymer.

本発明はまた、マトリックスが無機材料を含むものである上記複合材料を示すものである。   The present invention also shows the above composite material in which the matrix includes an inorganic material.

本発明はまた、マトリックスが金属を含むものである上記複合材料を示すものである。   The present invention also shows the above composite material in which the matrix contains a metal.

本発明はまた、マトリックス中に、金属微粒子、シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、カーボンブラック、ガラス繊維および炭素繊維からなる群から選ばれた少なくとも一種の充填剤をさらに含むことを特徴とする上記複合材料を示すものである。   The present invention is also characterized in that the matrix further contains at least one filler selected from the group consisting of metal fine particles, silica, calcium carbonate, magnesium carbonate, carbon black, glass fiber and carbon fiber in the matrix. Indicates the material.

本発明においては、炭素繊維構造体が、上記したように3次元ネットワーク状に配された微細径の炭素繊維が、前記炭素繊維の成長過程において形成された粒状部によって互いに強固に結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を有するものであるために、樹脂等のマトリックス中に配合した場合に、当該炭素繊維構造体は、疎な構造を残したまま容易に分散し、少量の添加量においても、マトリックス中に、微細な炭素繊維を均一な広がりをもって配置することができる。   In the present invention, the carbon fiber structure is finely bonded to each other by the granular portions formed in the growth process of the carbon fibers, and the fine carbon fibers arranged in a three-dimensional network as described above, In order to have a shape in which a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion, when blended in a matrix such as a resin, the carbon fiber structure is easily dispersed while leaving a sparse structure, Even with a small amount of addition, fine carbon fibers can be arranged in the matrix with a uniform spread.

さらに、本願発明においては、炭素繊維構造体にはホウ素が含有せしめられているので、当該炭素繊維一本一本及び粒状部を結晶性の高い炭素繊維とすることができるとともに、電子状態を変えることができる。   Furthermore, in the present invention, since the carbon fiber structure contains boron, each of the carbon fibers and the granular portion can be made into a highly crystalline carbon fiber and the electronic state is changed. be able to.

また、ホウ素が含有せしめられていることで、触媒金属の除去が促進され、金属含有量が少なく不純物の少ない炭素繊維構造体を得ることができる。   In addition, by incorporating boron, removal of the catalyst metal is promoted, and a carbon fiber structure having a low metal content and a low impurity content can be obtained.

このように、本発明に係る複合材料においては、上述の炭素繊維構造体を比較的微量配することによっても、マトリックス全体に微細で結晶性の高い炭素繊維構造体が均一に分散分布されているため、例えば、電気的特性に関しては、マトリックス全体に良好な導電性パスが形成され、導電性向上させることができ、また機械的特性、熱特性等に関しても、マトリックス全体に微細炭素繊維からなるフィラーが満遍なく配されることで、特性向上が図れることとなるものである。このため、本発明により、電気伝導性、電波遮蔽性、熱伝導性等に優れた機能材料、強度の高い構造材料等として有用な複合材料が得られる。   As described above, in the composite material according to the present invention, the fine and highly crystalline carbon fiber structure is uniformly dispersed and distributed throughout the matrix even by arranging a relatively small amount of the above-described carbon fiber structure. Therefore, for example, with respect to electrical characteristics, a good conductive path can be formed throughout the matrix, and the conductivity can be improved. Also, with respect to mechanical characteristics, thermal characteristics, etc., the filler made of fine carbon fibers throughout the matrix. As a result, the characteristics can be improved. Therefore, according to the present invention, a composite material useful as a functional material excellent in electrical conductivity, radio wave shielding property, thermal conductivity, etc., a structural material having high strength, and the like can be obtained.

以下、本発明を好ましい実施形態に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments.

本発明の複合材料は、後述するような所定構造を有する3次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、全体の0.001〜30質量%の割合でマトリックス中に含有することを特徴するものである。   The composite material of the present invention is characterized in that a three-dimensional network-like carbon fiber structure having a predetermined structure as described later is contained in the matrix in a proportion of 0.001 to 30% by mass. .

本発明において用いられる炭素繊維構造体は、例えば、図3(a)および(b)に示すTEM写真に見られるように、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される3次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、前記炭素繊維構造体は、前記炭素繊維が複数延出する態様で、当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有している。そして、本発明において用いられる炭素繊維構造体は、図3(a)および(b)に示す炭素繊維構造体に、さらにホウ素が含有されていることを特徴とする炭素繊維構造体である。   The carbon fiber structure used in the present invention is, for example, a three-dimensional network-like carbon composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, as seen in the TEM photographs shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). It is a fiber structure, Comprising: The said carbon fiber structure has the granule part which couple | bonds the said carbon fiber mutually in the aspect with which the said carbon fiber extends in multiple numbers. The carbon fiber structure used in the present invention is a carbon fiber structure characterized by further containing boron in the carbon fiber structure shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b).

炭素繊維構造体を構成する炭素繊維の外径を、15〜100nmの範囲のものとするのは、外径が15nm未満であると、後述するように炭素繊維の断面が多角形状とならず、一方、炭素繊維の物性上直径が小さいほど単位量あたりの本数が増えるとともに、炭素繊維の軸方向への長さも長くなり、高い導電性が得られるため、100nmを越える外径を有することは、樹脂等のマトリックスへ改質剤、添加剤として配される炭素繊維構造体として適当でないためである。なお、炭素繊維の外径としては特に、20〜70nmの範囲内にあることが、より望ましい。この外径範囲のもので、筒状のグラフェンシートが軸直角方向に積層したもの、すなわち多層であるものは、曲がりにくく、弾性、すなわち変形後も元の形状に戻ろうとする性質が付与されるため、炭素繊維構造体が一旦圧縮された後においても、樹脂等のマトリックスに配された後において、疎な構造を採りやすくなる。   The outer diameter of the carbon fiber constituting the carbon fiber structure is in the range of 15 to 100 nm, when the outer diameter is less than 15 nm, the cross section of the carbon fiber is not polygonal as described later, On the other hand, as the diameter of the carbon fiber is smaller, the number per unit amount increases, the length of the carbon fiber in the axial direction also becomes longer, and high conductivity is obtained, so having an outer diameter exceeding 100 nm This is because it is not suitable as a carbon fiber structure to be disposed as a modifier or additive in a matrix such as a resin. The outer diameter of the carbon fiber is particularly preferably in the range of 20 to 70 nm. In this outer diameter range, a cylindrical graphene sheet laminated in a direction perpendicular to the axis, that is, a multilayer, is not easily bent, and is elastic, that is, has the property of returning to its original shape even after deformation. Therefore, even after the carbon fiber structure is once compressed, it is easy to adopt a sparse structure after being arranged in a matrix such as a resin.

なお、2400℃以上でアニール処理すると、積層したグラフェンシートの面間隔が狭まり真密度が1.89g/cmから2.1g/cmに増加するとともに、炭素繊維の軸直交断面が多角形状となり、この構造の炭素繊維は、積層方向および炭素繊維を構成する筒状のグラフェンシートの面方向の両方において緻密で欠陥の少ないものとなるため、曲げ剛性(EI)が向上する。 Incidentally, when annealing at 2400 ° C. or higher, with a true density narrowed spacing of graphene sheets stacked is increased from 1.89 g / cm 3 to 2.1 g / cm 3, perpendicular to the axis the cross-section of the carbon fiber becomes a polygonal shape The carbon fiber having this structure is dense and has few defects both in the laminating direction and in the plane direction of the cylindrical graphene sheet constituting the carbon fiber, so that the bending rigidity (EI) is improved.

加えて、該微細炭素繊維は、その外径が軸方向に沿って変化するものであることが望ましい。このように炭素繊維の外径が軸方向に沿って一定でなく、変化するものであると、樹脂等のマトリックス中において当該炭素繊維に一種のアンカー効果が生じるものと思われ、マトリックス中における移動が生じにくく分散安定性が高まるものとなる。   In addition, it is desirable that the fine carbon fiber has an outer diameter that changes along the axial direction. If the outer diameter of the carbon fiber is not constant along the axial direction and varies, it is considered that a kind of anchoring effect occurs in the carbon fiber in the matrix such as resin, and the movement in the matrix Is less likely to occur and the dispersion stability is increased.

そして本発明に係る炭素繊維構造体においては、このような所定外径を有する微細炭素繊維が3次元ネットワーク状に存在するが、これら炭素繊維は、当該炭素繊維の成長過程において形成された粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を呈しているものである。このように、微細炭素繊維同士が単に絡合しているものではなく、粒状部において相互に強固に結合されているものであることから、樹脂等のマトリックス中に配した場合に当該構造体が炭素繊維単体として分散されることなく、嵩高な構造体のままマトリックス中に分散配合されることができる。また、本発明に係る炭素繊維構造体においては、当該炭素繊維の成長過程において形成された粒状部によって炭素繊維同士が互いに結合されていることから、その構造体自体の電気的特性等も非常に優れたものであり、例えば、一定圧縮密度において測定した電気抵抗値は、微細炭素繊維の単なる絡合体、あるいは微細炭素繊維同士の接合点を当該炭素繊維合成後に炭素質物質ないしその炭化物によって付着させてなる構造体等の値と比較して、非常に低い値を示し、マトリックス中に分散配合された場合に、良好な導電パスを形成できることができる。   In the carbon fiber structure according to the present invention, fine carbon fibers having such a predetermined outer diameter are present in a three-dimensional network, and these carbon fibers are formed in a granular portion formed during the growth process of the carbon fibers. Are bonded to each other, and a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion. In this way, the fine carbon fibers are not simply entangled with each other, but are firmly bonded to each other in the granular portion, so that when the structure is disposed in a matrix such as a resin, the structure is Without being disperse | distributed as a carbon fiber single-piece | unit, it can be disperse-blended in a matrix with a bulky structure. Further, in the carbon fiber structure according to the present invention, since the carbon fibers are bonded to each other by the granular part formed in the growth process of the carbon fiber, the electrical characteristics of the structure itself are also very high. For example, the electrical resistance value measured at a constant compression density is such that a simple entangled body of fine carbon fibers or a joint point between fine carbon fibers is adhered by a carbonaceous material or a carbide thereof after the carbon fiber is synthesized. Compared with the value of the structure or the like, it shows a very low value, and when it is dispersed and blended in the matrix, a good conductive path can be formed.

当該粒状部は、上述するように炭素繊維の成長過程において形成されるものであるため、当該粒状部における炭素間結合は十分に発達したものとなり、正確には明らかではないが、sp結合およびsp結合の混合状態を含むと思われる。そして、生成後(後述する中間体および第一中間体)においては、粒状部と繊維部とが、炭素原子からなるパッチ状のシート片を貼り合せたような構造をもって連続しており、その後の高温熱処理後においては、図3(a)および(b)に示されるように、粒状部を構成するグラフェン層の少なくとも一部は、当該粒状部より延出する微細炭素繊維を構成するグラフェン層に連続するものとなる。本発明に係る炭素繊維構造体において、粒状部と微細炭素繊維との間は、上記したような粒状部を構成するグラフェン層が微細炭素繊維を構成するグラフェン層と連続していることに象徴されるように、炭素結晶構造的な結合によって(少なくともその一部が)繋がっているものであって、これによって粒状部と微細炭素繊維との間の強固な結合が形成されているものである。 Since the granular part is formed in the growth process of the carbon fiber as described above, the carbon-carbon bond in the granular part is sufficiently developed, and although it is not exactly clear, sp 2 bond and It seems to include a mixed state of sp 3 bonds. And after the generation (intermediate and first intermediate described later), the granular part and the fiber part are continuous with a structure in which patch-like sheet pieces made of carbon atoms are bonded together, and thereafter After the high-temperature heat treatment, as shown in FIGS. 3A and 3B, at least a part of the graphene layer constituting the granular part is formed on the graphene layer constituting the fine carbon fiber extending from the granular part. It will be continuous. In the carbon fiber structure according to the present invention, between the granular portion and the fine carbon fiber, it is symbolized that the graphene layer constituting the granular portion as described above is continuous with the graphene layer constituting the fine carbon fiber. As described above, they are connected by carbon crystal structural bonds (at least a part thereof), whereby a strong bond between the granular portion and the fine carbon fiber is formed.

なお、本願明細書において、粒状部から炭素繊維が「延出する」するとは、粒状部と炭素繊維とが他の結着剤(炭素質のものを含む)によって、単に見かけ上で繋がっているような状態をさすものではなく、上記したように炭素結晶構造的な結合によって繋がっている状態を主として意味するものである。   In the present specification, the term “extending” the carbon fiber from the granular part simply means that the granular part and the carbon fiber are apparently connected by other binder (including carbonaceous material). It does not indicate such a state, but mainly means a state in which they are connected by carbon crystal structural bonds as described above.

また、当該粒状部は、上述するように炭素繊維の成長過程において形成されるが、その痕跡として粒状部の内部には、少なくとも1つの触媒粒子、あるいはその触媒粒子がその後の熱処理工程において揮発除去されて生じる空孔を有している。この空孔(ないし触媒粒子)は、粒状部より延出している各微細炭素繊維の内部に形成される中空部とは、本質的に独立したものである(なお、ごく一部に、偶発的に中空部と連続してしまったものも観察される。)。   Further, as described above, the granular part is formed in the carbon fiber growth process. As a trace, at least one catalyst particle or the catalyst particle is volatilized and removed in the subsequent heat treatment process. And the resulting voids. These pores (or catalyst particles) are essentially independent from the hollow portions formed inside the fine carbon fibers extending from the granular portions (note that only a small part is accidental) In addition, it is also observed that it is continuous with the hollow part.)

この触媒粒子ないし空孔の数としては特に限定されるものではないが、粒状部1つ当りに1〜1000個程度、より望ましくは3〜500個程度存在する。このような範囲の数の触媒粒子の存在下で粒状部が形成されたことによって、後述するような所望の大きさの粒状部とすることができる。   The number of catalyst particles or holes is not particularly limited, but is about 1 to 1000, more preferably about 3 to 500, per granular part. By forming the granular portion in the presence of such a number of catalyst particles, it is possible to obtain a granular portion having a desired size as described later.

また、この粒状部中に存在する触媒粒子ないし空孔の1つ当りの大きさとしては、例えば、1〜100nm、より好ましくは2〜40nm、さらに好ましくは3〜15nmである。   The size of each catalyst particle or hole present in the granular part is, for example, 1 to 100 nm, more preferably 2 to 40 nm, and further preferably 3 to 15 nm.

さらに、特に限定されるわけではないが、この粒状部の粒径は、図2に示すように、前記微細炭素繊維の外径よりも大きいことが望ましい。具体的には、例えば、前記微細炭素繊維の外径の1.3〜250倍、より好ましくは1.5〜100倍、さらに好ましくは2.0〜25倍である。なお、前記値は平均値である。このように炭素繊維相互の結合点である粒状部の粒径が微細炭素繊維外径の1.3倍以上と十分に大きなものであると、当該粒状部より延出する炭素繊維に対して高い結合力がもたらされ、樹脂等のマトリックス中に当該炭素繊維構造体を配した場合に、ある程度のせん弾力を加えた場合であっても、3次元ネットワーク構造を保持したままマトリックス中に分散させることができる。一方、粒状部の大きさが微細炭素繊維の外径の250倍を超える極端に大きなものとなると、炭素繊維構造体の繊維状の特性が損なわれる虞れがあり、例えば、各種マトリックス中への添加剤、配合剤として適当なものとならない虞れがあるために望ましくない。なお、本明細書でいう「粒状部の粒径」とは、炭素繊維相互の結合点である粒状部を1つの粒子とみなして測定した値である。   Further, although not particularly limited, it is desirable that the particle size of the granular portion is larger than the outer diameter of the fine carbon fiber as shown in FIG. Specifically, for example, the outer diameter of the fine carbon fiber is 1.3 to 250 times, more preferably 1.5 to 100 times, and still more preferably 2.0 to 25 times. In addition, the said value is an average value. Thus, when the particle diameter of the granular part which is a bonding point between carbon fibers is sufficiently large as 1.3 times or more of the outer diameter of the fine carbon fiber, it is higher than the carbon fiber extending from the granular part. When a carbon fiber structure is arranged in a matrix such as a resin due to a bonding force, even if a certain amount of elasticity is applied, the three-dimensional network structure is maintained and dispersed in the matrix. be able to. On the other hand, if the size of the granular part is extremely large exceeding 250 times the outer diameter of the fine carbon fiber, the fibrous properties of the carbon fiber structure may be impaired, for example, into various matrices. This is not desirable because it may not be suitable as an additive or compounding agent. The “particle size of the granular part” in the present specification is a value measured by regarding the granular part, which is a bonding point between carbon fibers, as one particle.

その粒状部の具体的な粒径は、炭素繊維構造体の大きさ、炭素繊維構造体中の微細炭素繊維の外径にも左右されるが、例えば、平均値で20〜5000nm、より好ましくは25〜2000nm、さらに好ましくは30〜500nm程度である。   The specific particle size of the granular part depends on the size of the carbon fiber structure and the outer diameter of the fine carbon fiber in the carbon fiber structure, but for example, an average value of 20 to 5000 nm, more preferably It is about 25 to 2000 nm, more preferably about 30 to 500 nm.

さらにこの粒状部は、前記したように炭素繊維の成長過程において形成されるものであるため、比較的球状に近い形状を有しており、その円形度は、平均値で0.2〜<1、好ましくは0.5〜0.99、より好ましくは0.7〜0.98程度である。   Furthermore, since this granular part is formed in the growth process of the carbon fiber as described above, it has a relatively spherical shape, and the circularity is 0.2 to <1 on average. , Preferably 0.5 to 0.99, more preferably about 0.7 to 0.98.

加えて、この粒状部は、前記したように炭素繊維の成長過程において形成されるものであって、例えば、微細炭素繊維同士の接合点を当該炭素繊維合成後に炭素質物質ないしその炭化物によって付着させてなる構造体等と比較して、当該粒状部における、炭素繊維同士の結合は非常に強固なものであり、炭素繊維構造体における炭素繊維の破断が生じるような条件下においても、この粒状部(結合部)は安定に保持される。具体的には例えば、後述する実施例において示すように、当該炭素繊維構造体を液状媒体中に分散させ、これに一定出力で所定周波数の超音波をかけて、炭素繊維の平均長がほぼ半減する程度の負荷条件としても、該粒状部の平均粒径の変化率は、10%未満、より好ましくは5%未満であって、粒状部、すなわち、繊維同士の結合部は、安定に保持されているものである。   In addition, the granular portion is formed in the carbon fiber growth process as described above, and, for example, the joining point between the fine carbon fibers is adhered by the carbonaceous material or the carbide after the carbon fiber synthesis. Compared with the structure, etc., the bonds between the carbon fibers in the granular part are very strong, and even under conditions where the carbon fiber breaks in the carbon fiber structure, the granular part (Coupling part) is held stably. Specifically, for example, as shown in the examples described later, the carbon fiber structure is dispersed in a liquid medium, and ultrasonic waves with a predetermined output and a predetermined frequency are applied to the carbon fiber structure so that the average length of the carbon fibers is almost halved. Even when the load condition is such that the change rate of the average particle diameter of the granular part is less than 10%, more preferably less than 5%, the granular part, that is, the bonded part of the fibers is stably held. It is what.

さらにまた、本発明に用いられる炭素繊維構造体にはホウ素が含有されているため、炭素繊維一本一本を結晶性の高い炭素繊維とすることができる。本発明において、「炭素繊維構造体にホウ素が含有されている」とは、炭素繊維構造体を構成する炭素繊維及び粒状部における炭素原子の一部がホウ素に置換されている状態のみならず、その表面にホウ素が付着した状態をも含むものをいう。   Furthermore, since the carbon fiber structure used in the present invention contains boron, each carbon fiber can be made into a carbon fiber with high crystallinity. In the present invention, "boron is contained in the carbon fiber structure" is not only a state in which a part of carbon atoms in the carbon fiber and the granular part constituting the carbon fiber structure is substituted with boron, It also includes a state in which boron is attached to the surface.

炭素繊維構造体にホウ素を含有(ドーピング)する方法については、本発明は特に限定することはないが、例えば、低温(例えば1500℃以下)で熱処理されたのみで未だ結晶の発達していない状態の炭素繊維、さらには熱処理していない(アズグロウン)状態の炭素繊維とホウ素(ホウ素化合物を含む)とを混合し、その後、高温で黒鉛化処理(アニーリング処理)することにより、炭素繊維構造体にホウ素を含有せしめることができる。1600℃以上、さらには1800℃以上の温度でアニーリング処理された状態の炭素繊維にホウ素を含有せしめることも不可能ではないが、ホウ素をドーピングさせるためのエネルギーの面から考えれば好ましくなく、ホウ素は炭素繊維の結晶化を促進するための触媒としても作用し、また、アニーリングの際に触媒金属の除去に効果があることから、アニーリング処理の前段階でホウ素を含有せしめることが好適である。   The method for containing (doping) boron in the carbon fiber structure is not particularly limited. For example, the carbon fiber structure is not heat-treated at a low temperature (eg, 1500 ° C. or less) and has not yet developed crystals. Carbon fiber, and carbon fiber in an unheated (as-grown) state and boron (including a boron compound) are mixed, and then graphitized (annealed) at a high temperature to obtain a carbon fiber structure. Boron can be included. It is not impossible to incorporate boron into the carbon fiber that has been annealed at a temperature of 1600 ° C. or higher, or even 1800 ° C. or higher, but it is not preferable from the viewpoint of energy for doping boron. It also acts as a catalyst for promoting the crystallization of carbon fibers, and is effective in removing the catalytic metal during annealing. Therefore, it is preferable to contain boron before the annealing treatment.

炭素繊維構造体に含有するホウ素としても、本発明は特に限定することはない。なおここで、本発明における「ホウ素」とは、元素状のホウ素のみならずホウ素化合物も包含する概念である。前記のように炭素繊維構造体にホウ素を含有せしめるにあっては、高温(例えば1600℃以上)でアニーリング処理を行う関係上、少なくとも1600℃に達する前に分解などによって蒸発しない状態のホウ素を用いることが必要である。この条件を満たすホウ素としては、例えば、元素状のホウ素、B,HBO,BC,BNなどを挙げることができる。 Even if boron is contained in the carbon fiber structure, the present invention is not particularly limited. Here, “boron” in the present invention is a concept including not only elemental boron but also boron compounds. As described above, when boron is included in the carbon fiber structure, boron that is not evaporated by decomposition or the like before reaching at least 1600 ° C. is used because of annealing treatment at a high temperature (eg, 1600 ° C. or higher). It is necessary. Examples of boron that satisfies this condition include elemental boron, B 2 O 3 , H 3 BO 4 , B 4 C, and BN.

ホウ素の含有量としては、炭素繊維構造体に対して0.001〜2.1質量%であることが好ましく、0.01〜1.8質量%であることが特に好ましい。ホウ素の含有量が0.001質量%未満の場合、ホウ素含有による効果、つまり炭素繊維の結晶性を向上せしめることが難しくなる。一方、含有量が2.1質量%を超えると、固溶限界を超えるため添加しても効果が少なく、処理コストが高くなるだけでなく、熱処理の段階で、溶融燒結し易く、固まったり、繊維表面をホウ素化合物が被覆してしまい、逆に導電性を悪化させる場合がある。   As content of boron, it is preferable that it is 0.001-2.1 mass% with respect to a carbon fiber structure, and it is especially preferable that it is 0.01-1.8 mass%. When the boron content is less than 0.001% by mass, it is difficult to improve the effect of boron content, that is, the crystallinity of the carbon fiber. On the other hand, if the content exceeds 2.1% by mass, it is less effective even if added because it exceeds the solid solution limit, and not only the processing cost increases, but also at the stage of heat treatment, it is easy to melt and set, In some cases, the surface of the fiber is covered with a boron compound, and the conductivity may be deteriorated.

また、本発明において用いられる炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜100μm、より好ましくは60〜90μm程度程度であることが望ましい。ここで面積基準の円相当平均径とは、炭素繊維構造体の外形を電子顕微鏡などを用いて撮影し、この撮影画像において、各炭素繊維構造体の輪郭を、適当な画像解析ソフトウェア、例えばWinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各繊維構造体の円相当径を計算し、これを平均化したものである。   The carbon fiber structure used in the present invention desirably has an area-based circle-equivalent mean diameter of about 50 to 100 μm, more preferably about 60 to 90 μm. Here, the area-based circle-equivalent mean diameter is obtained by photographing the outer shape of the carbon fiber structure using an electron microscope or the like, and in this photographed image, the contour of each carbon fiber structure is represented by an appropriate image analysis software such as WinRoof. (Trade name, manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.) is used to determine the area within the contour, calculate the equivalent circle diameter of each fiber structure, and average it.

複合化される樹脂等のマトリックス材の種類によっても左右されるため、全ての場合において適用されるわけではないが、この円相当平均径は、樹脂等のマトリックス中に配合された場合における当該炭素繊維構造体の最長の長さを決める要因となるものであり、概して、円相当平均径が50μm未満であると、導電性が十分に発揮されないおそれがあり、一方、100μmを越えるものであると、例えば、マトリックス中へ混練等によって配合する際に大きな粘度上昇が起こり混合分散が困難あるいは成形性が劣化する虞れがあるためである。   Since it depends on the type of matrix material such as a resin to be compounded, it may not be applied in all cases, but this circle-equivalent average diameter is the carbon when mixed in a matrix such as a resin. This is a factor that determines the longest length of the fiber structure. Generally, when the average equivalent circle diameter is less than 50 μm, there is a possibility that the electrical conductivity may not be sufficiently exhibited, whereas it exceeds 100 μm. This is because, for example, when blending into a matrix by kneading or the like, a large increase in viscosity occurs, making it difficult to mix and disperse or to deteriorate moldability.

また、本発明において用いられる炭素繊維構造体は、上記したように、3次元ネットワーク状に存在する炭素繊維が粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を呈しているが、1つの炭素繊維構造体において、炭素繊維を結合する粒状部が複数個存在して3次元ネットワークを形成している場合、隣接する粒状部間の平均距離は、例えば、0.5μm〜300μm、より好ましくは0.5〜100μm、さらに好ましくは1〜50μm程度となる。なお、この隣接する粒状部間の距離は、1つの粒状体の中心部からこれに隣接する粒状部の中心部までの距離を測定したものである。粒状体間の平均距離が、0.5μm未満であると、炭素繊維が3次元ネットワーク状に十分に発展した形態とならないため、例えば、マトリックス中に分散配合された場合に、良好な導電パスを形成し得ないものとなる虞れがあり、一方、平均距離が300μmを越えるものであると、マトリックス中に分散配合させる際に、粘性を高くさせる要因となり、炭素繊維構造体のマトリックスに対する分散性が低下する虞れがあるためである。   Further, as described above, the carbon fiber structure used in the present invention has a shape in which carbon fibers existing in a three-dimensional network are bonded to each other in the granular portion, and a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion. However, in a single carbon fiber structure, when a plurality of granular portions that combine carbon fibers are present to form a three-dimensional network, the average distance between adjacent granular portions is, for example, 0.5 μm. ˜300 μm, more preferably 0.5 to 100 μm, and even more preferably about 1 to 50 μm. In addition, the distance between this adjacent granule part measures the distance from the center part of one granular material to the center part of the granule part adjacent to this. When the average distance between the granular materials is less than 0.5 μm, the carbon fiber does not sufficiently develop into a three-dimensional network. For example, when dispersed in a matrix, a good conductive path is obtained. On the other hand, if the average distance exceeds 300 μm, it becomes a factor of increasing the viscosity when dispersed in the matrix, and the dispersibility of the carbon fiber structure in the matrix This is because there is a risk of lowering.

さらに、本発明において用いられる炭素繊維構造体は、上記したように、3次元ネットワーク状に存在する炭素繊維が粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記炭素繊維が複数延出する形状を呈しており、このため当該構造体は炭素繊維が疎に存在した嵩高な構造を有するが、具体的には、例えば、その嵩密度が0.0001〜0.05g/cm、より好ましくは0.001〜0.02g/cmであることが望ましい。嵩密度が0.05g/cmを超えるものであると、少量添加によって、樹脂等のマトリックスの物性を改善することが難しくなるためである。 Furthermore, as described above, the carbon fiber structure used in the present invention has a shape in which carbon fibers existing in a three-dimensional network are bonded to each other in the granular portion, and a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion. For this reason, the structure has a bulky structure in which carbon fibers are sparsely present. Specifically, for example, the bulk density is 0.0001 to 0.05 g / cm 3 , more preferably 0.00. It is desirable that it is 001-0.02 g / cm < 3 >. This is because if the bulk density exceeds 0.05 g / cm 3 , it becomes difficult to improve the physical properties of the matrix such as a resin by adding a small amount.

また、本発明において用いられる炭素繊維構造体は、3次元ネットワーク状に存在する炭素繊維がその成長過程において形成された粒状部において互いに結合されていることから、上記したように構造体自体の電気的特性等も非常に優れたものであるが、例えば、一定圧縮密度0.8g/cmにおいて測定した粉体抵抗値が、0.02Ω・cm以下、より望ましくは、0.001〜0.010Ω・cmであることが好ましい。粉体抵抗値が0.02Ω・cmを超えるものであると、樹脂等のマトリックスに配合された際に、良好な導電パスを形成することが難しくなるためである。 In addition, since the carbon fiber structure used in the present invention is bonded to each other in the granular portion formed in the growth process, the carbon fibers existing in a three-dimensional network form are electrically connected as described above. For example, the powder resistance value measured at a constant compression density of 0.8 g / cm 3 is 0.02 Ω · cm or less, more preferably 0.001 to 0.00. It is preferably 010 Ω · cm. This is because when the powder resistance value exceeds 0.02 Ω · cm, it is difficult to form a good conductive path when blended in a matrix such as a resin.

また、本発明において用いられる炭素繊維構造体は、高い強度および導電性を有する上から、炭素繊維を構成するグラフェンシート中にホウ素が含有されていることが望ましく、具体的には、例えば、ラマン分光分析法で測定されるI/I比が0.2〜1.4であり、且つ、IG’/Iが0.25〜0.75であることが望ましい。ここで、ラマン分光分析では、大きな単結晶の黒鉛では1580cm−1付近のピーク(Gバンド)しか現れない。結晶が有限の微小サイズであることや格子欠陥により、1360cm−1付近にピーク(Dバンド)が出現する。また、測定範囲を広げると、2700cm−1付近にG’バンドが出現する。このため、DバンドとGバンドの強度比(R=I1360/I1580=I/I)及びG’バンドとGバンドの強度比(I2700/I1580=IG’/I)が上記したように所定範囲であると、グラフェンシート中にホウ素が含有されていると考えられるからである。なお、ホウ素がグラフェンシート内に含有されるとラマン分光におけるGバンドの波形が非対称となり、高波数側に肩が認められるようになる。 In addition, the carbon fiber structure used in the present invention desirably has boron contained in the graphene sheet constituting the carbon fiber from the viewpoint of having high strength and conductivity. Specifically, for example, Raman I D / I G ratio of the measured by spectroscopy is 0.2 to 1.4, and it is desirable I G '/ I G is 0.25 to 0.75. Here, in the Raman spectroscopic analysis, only a peak (G band) near 1580 cm −1 appears in large single crystal graphite. A peak (D band) appears in the vicinity of 1360 cm −1 due to the crystal having a finite minute size or lattice defects. Further, when the measurement range is expanded, a G ′ band appears in the vicinity of 2700 cm −1 . Therefore, the intensity ratio between the D band and the G band (R = I 1360 / I 1580 = I D / I G ) and the intensity ratio between the G ′ band and the G band (I 2700 / I 1580 = I G ′ / I G ) This is because it is considered that boron is contained in the graphene sheet when it is within the predetermined range as described above. When boron is contained in the graphene sheet, the G band waveform in Raman spectroscopy becomes asymmetric, and a shoulder is recognized on the high wave number side.

また、本発明において用いられる前記炭素繊維構造体は、空気中での燃焼開始温度が700℃以上、より好ましくは750〜900℃であることが望ましい。前記したように炭素繊維構造体のグラフェンシート中にホウ素を含有し、かつ炭素繊維が所期の外径を有するものであることから、このような高い熱的安定性を有するものとなる。   Moreover, it is desirable that the carbon fiber structure used in the present invention has a combustion start temperature in air of 700 ° C. or higher, more preferably 750 to 900 ° C. As described above, since the graphene sheet of the carbon fiber structure contains boron and the carbon fiber has an intended outer diameter, it has such a high thermal stability.

上記したような所期の形状を有する炭素繊維構造体は、特に限定されるものではないが、例えば、次のようにして調製することができる。   The carbon fiber structure having the desired shape as described above is not particularly limited, but can be prepared, for example, as follows.

基本的には、遷移金属超微粒子を触媒として炭化水素等の有機化合物をCVD法で化学熱分解して繊維構造体(以下、中間体という)を得、これにホウ素またはホウ素化合物を混合した状態でさらに高温熱処理する。なお、ホウ素またはホウ素化合物は、炭化水素等の有機化合物に予め混合せしめておいてもよく(つまり中間体を得る前段階でホウ素を添加しておく)、さらには、高温熱処理後にホウ素を混合せしめることも可能である。   Basically, an organic compound such as a hydrocarbon is chemically pyrolyzed by CVD using transition metal ultrafine particles as a catalyst to obtain a fiber structure (hereinafter referred to as an intermediate), which is mixed with boron or a boron compound. Further heat treatment at Note that boron or a boron compound may be mixed in advance with an organic compound such as hydrocarbon (that is, boron is added before obtaining an intermediate), and further boron is mixed after high-temperature heat treatment. It is also possible.

原料有機化合物としては、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの炭化水素、一酸化炭素(CO)、エタノール等のアルコール類などが使用できる。特に限定されるわけではないが、本発明において用いる繊維構造体を得る上においては、炭素源として、分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることが好ましい。なお、本明細書において述べる「少なくとも2つ以上の炭素化合物」とは、必ずしも原料有機化合物として2種以上のものを使用するというものではなく、原料有機化合物としては1種のものを使用した場合であっても、繊維構造体の合成反応過程において、例えば、トルエンやキシレンの水素脱アルキル化(hydrodealkylation)などのような反応を生じて、その後の熱分解反応系においては分解温度の異なる2つ以上の炭素化合物となっているような態様も含むものである。   As the raw material organic compound, hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, alcohols such as carbon monoxide (CO) and ethanol can be used. Although not particularly limited, in obtaining the fiber structure used in the present invention, it is preferable to use at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures as the carbon source. The “at least two or more carbon compounds” described in the present specification does not necessarily mean that two or more kinds of raw material organic compounds are used, and one kind of raw material organic compound is used. However, in the process of synthesizing the fiber structure, for example, a reaction such as hydrodealkylation of toluene or xylene occurs, and in the subsequent thermal decomposition reaction system, two decomposition temperatures are different. The aspect which becomes the above carbon compound is also included.

なお、熱分解反応系において炭素源としてこのように2種以上の炭素化合物を存在させた場合、それぞれの炭素化合物の分解温度は、炭素化合物の種類のみでなく、原料ガス中の各炭素化合物のガス分圧ないしモル比によっても変動するものであるため、原料ガス中における2種以上の炭素化合物の組成比を調整することにより、炭素化合物として比較的多くの組み合わせを用いることができる。   In addition, when two or more types of carbon compounds are present as carbon sources in the thermal decomposition reaction system, the decomposition temperature of each carbon compound is not limited to the type of the carbon compound, but the carbon compound in the raw material gas. Since it varies depending on the gas partial pressure or molar ratio, a relatively large number of combinations can be used as carbon compounds by adjusting the composition ratio of two or more carbon compounds in the raw material gas.

例えば、メタン、エタン、プロパン類、ブタン類、ペンタン類、へキサン類、ヘプタン類、シクロプロパン、シクロヘキサンなどといったアルカンないしシクロアルカン、特に炭素数1〜7程度のアルカン;エチレン、プロピレン、ブチレン類、ペンテン類、ヘプテン類、シクロペンテンなどといったアルケンないしシクロオレフィン、特に炭素数1〜7程度のアルケン;アセチレン、プロピン等のアルキン、特に炭素数1〜7程度のアルキン;ベンゼン、トルエン、スチレン、キシレン、ナフタレン、メチルナフタレン、インデン、フェナントレン等の芳香族ないし複素芳香族炭化水素、特に炭素数6〜18程度の芳香族ないし複素芳香族炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール類、特に炭素数1〜7程度のアルコール類;その他、一酸化炭素、ケトン類、エーテル類等の中から選択した2種以上の炭素化合物を、所期の熱分解反応温度域において異なる分解温度を発揮できるようにガス分圧を調整し、組み合わせて用いること、および/または、所定の温度領域における滞留時間を調整することで可能であり、その混合比を最適化することで効率よく本発明に係る炭素繊維構造体を製造することができる。   For example, alkanes or cycloalkanes such as methane, ethane, propanes, butanes, pentanes, hexanes, heptanes, cyclopropane, cyclohexane, etc., particularly alkanes having about 1 to 7 carbon atoms; ethylene, propylene, butylenes, Alkenes or cycloolefins such as pentenes, heptenes and cyclopentenes, especially alkenes having about 1 to 7 carbon atoms; alkynes such as acetylene and propyne, especially alkynes having about 1 to 7 carbon atoms; benzene, toluene, styrene, xylene, naphthalene , Aromatic or heteroaromatic hydrocarbons such as methylnaphthalene, indene and phenanthrene, especially aromatic or heteroaromatic hydrocarbons having about 6 to 18 carbon atoms, alcohols such as methanol and ethanol, especially about 1 to 7 carbon atoms Of alcohol; its Combine two or more carbon compounds selected from carbon monoxide, ketones, ethers, etc., by adjusting the gas partial pressure so that different decomposition temperatures can be exhibited in the desired thermal decomposition reaction temperature range. The carbon fiber structure according to the present invention can be efficiently produced by using the material and / or adjusting the residence time in a predetermined temperature range and optimizing the mixing ratio.

このような2種以上の炭素化合物の組み合わせのうち、例えば、メタンとベンゼンとの組み合わせにおいては、メタン/ベンゼンのモル比が、>1〜600、より好ましくは1.1〜200、さらに好ましくは3〜100とすることが望ましい。なお、この値は、反応炉の入り口におけるガス組成比であり、例えば、炭素源の1つとしてトルエンを使用する場合には、反応炉内でトルエンが100%分解して、メタンおよびベンゼンが1:1で生じることを考慮して、不足分のメタンを別途供給するようにすれば良い。例えば、メタン/ベンゼンのモル比を3とする場合には、トルエン1モルに対し、メタン2モルを添加すれば良い。なお、このようなトルエンに対して添加するメタンとしては、必ずしも新鮮なメタンを別途用意する方法のみならず、当該反応炉より排出される排ガス中に含まれる未反応のメタンを循環使用することにより用いることも可能である。   Among such combinations of two or more carbon compounds, for example, in the combination of methane and benzene, the molar ratio of methane / benzene is> 1 to 600, more preferably 1.1 to 200, still more preferably. It is desirable to set it as 3-100. This value is the gas composition ratio at the entrance of the reactor. For example, when toluene is used as one of the carbon sources, toluene is decomposed 100% in the reactor, and methane and benzene are 1 In consideration of the occurrence of: 1, a shortage of methane may be supplied separately. For example, when the methane / benzene molar ratio is 3, 2 moles of methane may be added to 1 mole of toluene. In addition, as methane added to such toluene, not only a method of preparing fresh methane separately, but also the unreacted methane contained in the exhaust gas discharged from the reactor is circulated and used. It is also possible to use it.

このような範囲内の組成比とすることで、炭素繊維部および粒状部のいずれもが十分を発達した構造を有する炭素繊維構造体を得ることが可能となる。   By setting the composition ratio within such a range, it becomes possible to obtain a carbon fiber structure having a structure in which both the carbon fiber part and the granular part are sufficiently developed.

なお、雰囲気ガスには、アルゴン、ヘリウム、キセノン等の不活性ガスや水素を用いることができる。   Note that an inert gas such as argon, helium, or xenon, or hydrogen can be used as the atmospheric gas.

また、触媒としては、鉄、コバルト、モリブデンなどの遷移金属あるいはフェロセン、酢酸金属塩などの遷移金属化合物と硫黄あるいはチオフェン、硫化鉄などの硫黄化合物の混合物を使用する。   As the catalyst, a transition metal such as iron, cobalt or molybdenum, or a mixture of a transition metal compound such as ferrocene or metal acetate and sulfur or a sulfur compound such as thiophene or iron sulfide is used.

中間体の合成は、通常行われている炭化水素等のCVD法を用い、原料となる炭化水素および触媒の混合液を蒸発させ、水素ガス等をキャリアガスとして反応炉内に導入し、800〜1300℃の温度で熱分解する。これにより、外径が15〜100nmの繊維相互が、前記触媒の粒子を核として成長した粒状体によって結合した疎な三次元構造を有する炭素繊維構造体(中間体)が複数集まった数cmから数十センチの大きさの集合体を合成する。   The synthesis of the intermediate is carried out by using a CVD method such as hydrocarbon which is usually performed, evaporating a mixed liquid of hydrocarbon and catalyst as raw materials, introducing hydrogen gas or the like into the reaction furnace as a carrier gas, Pyrolysis at a temperature of 1300 ° C. Thereby, from several centimeters in which a plurality of carbon fiber structures (intermediates) having a sparse three-dimensional structure in which fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm are bonded together by granular materials grown using the catalyst particles as nuclei are collected. Synthesize an aggregate of several tens of centimeters.

原料となる炭化水素の熱分解反応は、主として触媒粒子ないしこれを核として成長した粒状体表面において生じ、分解によって生じた炭素の再結晶化が当該触媒粒子ないし粒状体より一定方向に進むことで、繊維状に成長する。しかしながら、本発明に係る炭素繊維構造体を得る上においては、このような熱分解速度と成長速度とのバランスを意図的に変化させる、例えば上記したように炭素源として分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いることで、一次元的方向にのみ炭素物質を成長させることなく、粒状体を中心として三次元的に炭素物質を成長させる。もちろん、このような三次元的な炭素繊維の成長は、熱分解速度と成長速度とのバランスにのみ依存するものではなく、触媒粒子の結晶面選択性、反応炉内における滞留時間、炉内温度分布等によっても影響を受け、また、前記熱分解反応と成長速度とのバランスは、上記したような炭素源の種類のみならず、反応温度およびガス温度等によっても影響受けるが、概して、上記したような熱分解速度よりも成長速度の方が速いと、炭素物質は繊維状に成長し、一方、成長速度よりも熱分解速度の方が速いと、炭素物質は触媒粒子の周面方向に成長する。従って、熱分解速度と成長速度とのバランスを意図的に変化させることで、上記したような炭素物質の成長方向を一定方向とすることなく、制御下に多方向として、本発明に係るような三次元構造を形成することができるものである。なお、生成する中間体において、繊維相互が粒状体により結合された前記したような三次元構造を容易に形成する上では、触媒等の組成、反応炉内における滞留時間、反応温度、およびガス温度等を最適化することが望ましい。   The thermal cracking reaction of the hydrocarbon as a raw material mainly occurs on the surface of the granular particles grown using the catalyst particles or the core, and the recrystallization of carbon generated by the decomposition proceeds in a certain direction from the catalytic particles or granular materials. Grows in a fibrous form. However, in obtaining the carbon fiber structure according to the present invention, the balance between the thermal decomposition rate and the growth rate is intentionally changed. For example, as described above, at least two carbon sources having different decomposition temperatures are used. By using the above carbon compound, the carbon material is grown three-dimensionally around the granular material without growing the carbon material only in a one-dimensional direction. Of course, the growth of such three-dimensional carbon fibers does not depend only on the balance between the thermal decomposition rate and the growth rate, but the crystal surface selectivity of the catalyst particles, the residence time in the reactor, and the furnace temperature. The balance between the pyrolysis reaction and the growth rate is influenced not only by the type of carbon source as described above but also by the reaction temperature and gas temperature, etc. When the growth rate is faster than the thermal decomposition rate, the carbon material grows in a fibrous form. On the other hand, when the thermal decomposition rate is faster than the growth rate, the carbon material grows in the circumferential direction of the catalyst particles. To do. Therefore, by intentionally changing the balance between the pyrolysis rate and the growth rate, the carbon material growth direction as described above is made to be a multi-direction under control without changing the growth direction to a constant direction, as in the present invention. A three-dimensional structure can be formed. In order to easily form the three-dimensional structure in which the fibers are bonded to each other by the granular material in the produced intermediate, the composition of the catalyst, the residence time in the reaction furnace, the reaction temperature, and the gas temperature Etc. are desirable.

なお、本発明に係る炭素繊維構造体を効率良く製造する方法としては、上記したような分解温度の異なる2つ以上の炭素化合物を最適な混合比にて用いるアプローチ以外に、反応炉に供給される原料ガスに、その供給口近傍において乱流を生じさせるアプローチを挙げることができる。ここでいう乱流とは、激しく乱れた流れであり、渦巻いて流れるような流れをいう。   In addition, as a method for efficiently producing the carbon fiber structure according to the present invention, the carbon fiber structure is supplied to the reaction furnace in addition to the above approach using two or more carbon compounds having different decomposition temperatures at an optimum mixing ratio. An approach for generating turbulent flow in the vicinity of the supply port of the raw material gas can be mentioned. The turbulent flow here is a flow that is turbulent and turbulent and flows in a spiral.

反応炉においては、原料ガスが、その供給口より反応炉内へ導入された直後において、原料混合ガス中の触媒としての遷移金属化合物の分解により金属触媒微粒子が形成されるが、これは、次のような段階を経てもたらされる。すなわち、まず、遷移金属化合物が分解され金属原子となり、次いで、複数個、例えば、約100原子程度の金属原子の衝突によりクラスター生成が起こる。この生成したクラスターの段階では、微細炭素繊維の触媒として作用せず、生成したクラスター同士が衝突により更に集合し、約3nm〜10nm程度の金属の結晶性粒子に成長して、微細炭素繊維の製造用の金属触媒微粒子として利用されることとなる。   In the reaction furnace, immediately after the raw material gas is introduced into the reaction furnace from the supply port, metal catalyst fine particles are formed by the decomposition of the transition metal compound as the catalyst in the raw material mixed gas. It is brought about through such a stage. That is, first, the transition metal compound is decomposed to become metal atoms, and then cluster generation occurs by collision of a plurality of, for example, about 100 atoms. At the stage of this generated cluster, it does not act as a catalyst for fine carbon fibers, and the generated clusters are further aggregated by collision and grow into crystalline particles of metal of about 3 nm to 10 nm to produce fine carbon fibers. It will be used as metal catalyst fine particles.

この触媒形成過程において、上記したように激しい乱流による渦流が存在すると、ブラウン運動のみの金属原子又はクラスター同士の衝突と比してより激しい衝突が可能となり、単位時間あたりの衝突回数の増加によって金属触媒微粒子が短時間に高収率で得られ、又、渦流によって濃度、温度等が均一化されることにより粒子のサイズの揃った金属触媒微粒子を得ることができる。さらに、金属触媒微粒子が形成される過程で、渦流による激しい衝突により金属の結晶性粒子が多数集合した金属触媒微粒子の集合体を形成する。このようにして金属触媒微粒子が速やかに生成されるため、炭素化合物の分解が促進されて、十分な炭素物質が供給されることになり、前記集合体の各々の金属触媒微粒子を核として放射状に微細炭素繊維が成長し、一方で、前記したように一部の炭素化合物の熱分解速度が炭素物質の成長速度よりも速いと、炭素物質は触媒粒子の周面方向にも成長し、前記集合体の周りに粒状部を形成し、所期の三次元構造を有する炭素繊維構造体を効率よく形成する。なお、前記金属触媒微粒子の集合体中には、他の触媒微粒子よりも活性の低いないしは反応途中で失活してしまった触媒微粒子も一部に含まれていることも考えられ、集合体として凝集するより以前にこのような触媒微粒子の表面に成長していた、あるいは集合体となった後にこのような触媒微粒子を核として成長した非繊維状ないしはごく短い繊維状の炭素物質層が、集合体の周縁位置に存在することで、本発明に係る炭素繊維構造体の粒状部を形成しているものとも思われる。   In this catalyst formation process, if there is a vortex due to intense turbulence as described above, more intense collision is possible compared to collisions between metal atoms or clusters with only Brownian motion, and by increasing the number of collisions per unit time Metal catalyst fine particles can be obtained in a high yield in a short time, and metal catalyst fine particles having a uniform particle size can be obtained by equalizing the concentration, temperature, etc. by vortex. Furthermore, in the process of forming the metal catalyst fine particles, an aggregate of metal catalyst fine particles in which a large number of metal crystalline particles are gathered is formed by vigorous collision due to the vortex. In this way, the metal catalyst fine particles are rapidly generated, so that the decomposition of the carbon compound is promoted and sufficient carbon material is supplied, and the metal catalyst fine particles of the aggregate are radially formed as nuclei. On the other hand, when the fine carbon fibers grow, and as described above, when the thermal decomposition rate of some of the carbon compounds is faster than the growth rate of the carbon material, the carbon material also grows in the circumferential direction of the catalyst particles, A granular part is formed around the body, and a carbon fiber structure having an intended three-dimensional structure is efficiently formed. The metal catalyst fine particle aggregate may include a part of catalyst fine particles that are less active than other catalyst fine particles or have been deactivated during the reaction. A non-fibrous or very short fibrous carbon material layer that has grown on the surface of such a catalyst fine particle before agglomeration or has grown into an aggregate after such a fine particle has become an aggregate. It seems that the granular part of the carbon fiber structure according to the present invention is formed by being present at the peripheral position of the body.

反応炉の原料ガス供給口近傍において、原料ガスの流れに乱流を生じさせる具体的手段としては、特に限定されるものではなく、例えば、原料ガス供給口より反応炉内に導出される原料ガスの流れに干渉し得る位置に、何らかの衝突部を設ける等の手段を採ることができる。前記衝突部の形状としては、何ら限定されるものではなく、衝突部を起点として発生した渦流によって十分な乱流が反応炉内に形成されるものであれば良いが、例えば、各種形状の邪魔板、パドル、テーパ管、傘状体等を単独であるいは複数組み合わせて1ないし複数個配置するといった形態を採択することができる。   The specific means for generating a turbulent flow in the raw material gas flow in the vicinity of the raw material gas supply port of the reaction furnace is not particularly limited. For example, the raw material gas introduced into the reaction furnace from the raw material gas supply port It is possible to adopt means such as providing some type of collision part at a position where it can interfere with the current flow. The shape of the collision part is not limited in any way, as long as a sufficient turbulent flow is formed in the reactor by the vortex generated from the collision part. It is possible to adopt a form in which one or a plurality of plates, paddles, taper tubes, umbrellas, etc. are arranged alone or in combination.

このようにして、触媒および炭化水素の混合ガスを800〜1300℃の範囲の一定温度で加熱生成して得られた中間体は、炭素原子からなるパッチ状のシート片を貼り合わせたような(生焼け状態の、不完全な)構造を有し、ラマン分光分析をすると、Dバンドが非常に大きく、また、G’バンドが小さく、欠陥が多い。また、生成した中間体は、未反応原料、非繊維状炭化物、タール分および触媒金属を含んでいる。   Thus, the intermediate obtained by heating and producing the mixed gas of catalyst and hydrocarbon at a constant temperature in the range of 800 to 1300 ° C. is like a patch-like sheet piece made of carbon atoms ( When it is analyzed by Raman spectroscopy, the D band is very large, the G ′ band is small, and there are many defects. The produced intermediate contains unreacted raw material, non-fibrous carbide, tar content and catalytic metal.

このような中間体からこれら残留物を除去し、欠陥が少ない所期の炭素繊維構造体を得るために、適切な方法で1600〜3000℃の高温熱処理する。   In order to remove these residues from such an intermediate and obtain the desired carbon fiber structure with few defects, high-temperature heat treatment at 1600 to 3000 ° C. is performed by an appropriate method.

すなわち、例えば、この中間体を800〜1200℃で加熱して未反応原料やタール分などの揮発分を除去した後、1600〜3000℃の高温でアニール処理することによって所期の構造体を調製し、同時に繊維に含まれる触媒金属を蒸発させて除去する。なお、この際、物質構造を保護するために不活性ガス雰囲気中に還元ガスや微量の一酸化炭素ガスを添加してもよい。   That is, for example, the intermediate is heated at 800 to 1200 ° C. to remove volatile components such as unreacted raw materials and tars, and then annealed at a high temperature of 1600 to 3000 ° C. to prepare the desired structure. At the same time, the catalyst metal contained in the fiber is removed by evaporation. At this time, a reducing gas or a small amount of carbon monoxide gas may be added to the inert gas atmosphere in order to protect the material structure.

前記中間体を1600〜3000℃の範囲の温度でアニール処理すると、炭素原子からなるパッチ状のシート片は、それぞれ結合して複数のグラフェンシート状の層を形成する。   When the intermediate is annealed at a temperature in the range of 1600 to 3000 ° C., the patch-like sheet pieces made of carbon atoms are bonded to each other to form a plurality of graphene sheet-like layers.

なお、当該高温熱処理をする段階において、前記中間体とホウ素とを混合しておくことにより、炭素繊維構造体にホウ素を含有せしめる(ドーピングする)ことができる。ここで、炭素繊維構造体にホウ素を効率良く含有せしめるためには、中間体とホウ素とをよく混合し、これらが均一に接触するようにすることが必要である。そのためには、ホウ素(またはホウ素化合物)の粒子はできるだけ粒径の小さいものを使用することが好ましい。粒子が大きいと部分的に高濃度領域が発生することになり、固結化の原因になりかねない。具体的にはホウ素の粒度は平均粒径で100μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは20μm以下とする。また、ホウ素源として硼酸等を用いる場合は、溶液添加し、予め溶剤を蒸発させる方法や加熱過程で溶剤を蒸発する方法も用いることができる。溶液を均一に混合すれば溶剤蒸発後はホウ素化合物を繊維表面に均一に付着させることができる。   In the stage of performing the high temperature heat treatment, boron can be contained in the carbon fiber structure (doping) by mixing the intermediate and boron. Here, in order to efficiently contain boron in the carbon fiber structure, it is necessary to mix the intermediate and boron well so that they are in uniform contact. For this purpose, it is preferable to use boron (or boron compound) particles having a particle size as small as possible. If the particles are large, a high concentration region is partially generated, which may cause solidification. Specifically, the average particle size of boron is 100 μm or less, preferably 50 μm or less, and more preferably 20 μm or less. When boric acid or the like is used as the boron source, a method of adding a solution and evaporating the solvent in advance or a method of evaporating the solvent during the heating process can be used. If the solution is mixed uniformly, the boron compound can be uniformly attached to the fiber surface after the solvent is evaporated.

また、このような高温熱処理前もしくは処理後において、炭素繊維構造体の円相当平均径を数cmに解砕処理する工程と、解砕処理された炭素繊維構造体の円相当平均径を50〜100μmに粉砕処理する工程とを経ることで、所望の円相当平均径を有する炭素繊維構造体を得る。なお、解砕処理を経ることなく、粉砕処理を行っても良い。また、本発明に係る炭素繊維構造体を複数有する集合体を、使いやすい形、大きさ、嵩密度に造粒する処理を行っても良い。さらに好ましくは、反応時に形成された上記構造を有効に活用するために、嵩密度が低い状態(極力繊維が伸びきった状態でかつ空隙率が大きい状態)で、アニール処理するとさらに樹脂への導電性付与に効果的である。   Moreover, before or after such high-temperature heat treatment, a step of crushing the equivalent circle average diameter of the carbon fiber structure to several centimeters, and a circle equivalent average diameter of the crushed carbon fiber structure of 50 to A carbon fiber structure having a desired circle-equivalent mean diameter is obtained through a step of pulverizing to 100 μm. In addition, you may perform a grinding | pulverization process, without passing through a crushing process. Moreover, you may perform the process which granulates the aggregate | assembly which has two or more carbon fiber structures which concern on this invention in the shape, size, and bulk density which are easy to use. More preferably, in order to effectively utilize the structure formed at the time of the reaction, if annealing is performed in a state where the bulk density is low (a state where the fiber is fully stretched and the porosity is large), further conductivity to the resin is achieved. It is effective for imparting sex.

本発明において用いられる微細炭素繊維構造体は、
A)嵩密度が低い、
B)樹脂等のマトリックスに対する分散性が良い、
C)導電性が高い、
D)熱伝導性が高い、
E)摺動性が良い、
F)化学的安定性が良い、
G)熱的安定性が高い、
などの特性があり、これらを活かして後述するような樹脂、セラミックス、金属等の固体材料に対する複合材料用フィラーとして広い範囲に利用でき、本発明に係る複合材料とすることができる。
Fine carbon fiber structure used in the present invention,
A) low bulk density,
B) Good dispersibility in the matrix of resin, etc.
C) High conductivity
D) High thermal conductivity,
E) Good slidability,
F) Good chemical stability
G) High thermal stability,
These can be used in a wide range as fillers for composite materials for solid materials such as resins, ceramics, and metals as will be described later, and can be used as composite materials according to the present invention.

次に、本発明の複合材料において、前述のごとき炭素繊維構造体を分散させるマトリックスとしては、有機ポリマー、無機材料、金属等が好ましく使用することができ、有機ポリマーが最も好ましい。   Next, in the composite material of the present invention, as the matrix for dispersing the carbon fiber structure as described above, an organic polymer, an inorganic material, a metal or the like can be preferably used, and an organic polymer is most preferable.

有機ポリマーとして、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリビニルアセテート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンエーテル、ポリ(メタ)アクリレート及び液晶ポリマー等の各種熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂およびユリア樹脂等の各種熱硬化性樹脂、天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、イソプレンゴム(IR)、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブチルゴム(IIR)、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム(ACM)、エピクロロヒドリンゴム、エチレンアクリルゴム、ノルボルネンゴム及び熱可塑性エラストマー等の各種エラストマーが挙げられる。   Examples of organic polymers include polypropylene, polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyacetal, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyvinyl acetate, polyamide, polyamideimide, polyetherimide, polyetheretherketone, polyvinyl alcohol, polyphenylene ether, and poly (meth) acrylate. And various thermoplastic resins such as liquid crystal polymers, epoxy resins, vinyl ester resins, phenol resins, unsaturated polyester resins, furan resins, imide resins, urethane resins, melamine resins, silicone resins and urea resins, Natural rubber, styrene / butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), Various elastomers such as tolyl rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), butyl rubber (IIR), urethane rubber, silicone rubber, fluorine rubber, acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber, ethylene acrylic rubber, norbornene rubber and thermoplastic elastomer Is mentioned.

また、有機ポリマーは、接着剤、繊維、塗料、インキ等の各種組成物の形態であってもよい。   The organic polymer may be in the form of various compositions such as adhesives, fibers, paints, and inks.

すなわち、マトリックスが、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、ウレタン系接着剤、フェノール系接着剤、ポリエステル系接着剤、塩化ビニル系接着剤、ユリア系接着剤、メラミン系接着剤、オレフィン系接着剤、酢酸ビニル系接着剤、ホットメルト系接着剤、シアノアクリレート系接着剤、ゴム系接着剤及びセルロース系接着剤等の接着剤、アクリル繊維、アセテート繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、ノボロイド繊維、セルロース繊維、ビスコースレーヨン繊維、ビニリデン繊維、ビニロン繊維、フッ素繊維、ポリアセタール繊維、ポリウレタン繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリ塩化ビニル繊維及びポリプロピレン繊維等の繊維、さらにフェノール樹脂系塗料、アルキド樹脂系塗料エポキシ樹脂系塗料、アクリル樹脂系塗料、不飽和ポリエステル系塗料、ポリウレタン系塗料、シリコーン系塗料、フッ素樹脂系塗料、合成樹脂エマルジョン系塗料等の塗料であってよい。   That is, the matrix is, for example, epoxy adhesive, acrylic adhesive, urethane adhesive, phenol adhesive, polyester adhesive, vinyl chloride adhesive, urea adhesive, melamine adhesive, olefin adhesive Adhesives, vinyl acetate adhesives, hot melt adhesives, cyanoacrylate adhesives, rubber adhesives and cellulose adhesives, acrylic fibers, acetate fibers, aramid fibers, nylon fibers, novoloid fibers, Cellulose fiber, viscose rayon fiber, vinylidene fiber, vinylon fiber, fluorine fiber, polyacetal fiber, polyurethane fiber, polyester fiber, polyethylene fiber, polyvinyl chloride fiber, polypropylene fiber, etc., phenol resin paint, alkyd resin paint Epoxy resin paint, Acrylic resin paint, unsaturated polyester paint, polyurethane paint, silicone paint, fluorine resin paint may be a paint such as a synthetic resin emulsion based paint.

無機材料としては、例えばセラミック材料又は無機酸化物ポリマーからなる。好ましい具体例としては、カーボンカーボンコンポジットなどの炭素材料、ガラス、ガラス繊維、板ガラス及び他の成形ガラス、ケイ酸塩セラミクス並びに他の耐火性セラミクス、例えば酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素及び酸化ジルコニウムが挙げられる。   As an inorganic material, it consists of a ceramic material or an inorganic oxide polymer, for example. Preferred examples include carbon materials such as carbon carbon composites, glass, glass fibers, sheet glass and other molded glasses, silicate ceramics and other refractory ceramics such as aluminum oxide, silicon carbide, magnesium oxide, silicon nitride, Examples include boron nitride and zirconium oxide.

また、マトリクスが金属である場合、適切な金属としては、アルミニウム、マグネシウム、鉛、銅、タングステン、チタン、ニオブ、ハフニウム、バナジウム、並びにこれらの合金及び混合物が挙げられる。   Also, when the matrix is a metal, suitable metals include aluminum, magnesium, lead, copper, tungsten, titanium, niobium, hafnium, vanadium, and alloys and mixtures thereof.

さらに、本発明の複合材料には、上述した炭素繊維構造体に加えて他の充填剤を含んでいてもよく、そのような充填剤としては例えば、金属微粒子、シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、カーボンブラック、ガラス繊維、炭素繊維などが挙げられ、これらを一種または二種以上組み合わせて用いることができる。   Furthermore, the composite material of the present invention may contain other fillers in addition to the carbon fiber structure described above. Examples of such fillers include metal fine particles, silica, calcium carbonate, magnesium carbonate, Carbon black, glass fiber, carbon fiber, etc. are mentioned, These can be used individually or in combination of two or more.

本発明の複合材料は、前記のようなマトリックスに前述の炭素繊維構造体を有効量含む。
その量は、複合材料の用途やマトリックスによって異なるが、凡そ0.001%〜30%である。0.001%未満では、構造材としての強度の補強効果が小さかったり、電気導電性も十分でない。30%より多くなると、逆に強度が低下し、塗料、接着剤等の接着性も悪くなる。本発明の複合材料においては、このようにフィラーとしての炭素繊維構造体の配合量が比較的低いものであっても、マトリックス中に、微細な炭素繊維を均一な広がりをもって配置することができ、上述したように電気伝導性、電波遮蔽性、熱伝導性等に優れた機能材料、強度の高い構造材料等として有用な複合材料となるものである。
The composite material of the present invention contains an effective amount of the above-described carbon fiber structure in the matrix as described above.
The amount varies depending on the use of the composite material and the matrix, but is approximately 0.001% to 30%. If it is less than 0.001%, the reinforcing effect of strength as a structural material is small, and the electrical conductivity is not sufficient. On the other hand, if it exceeds 30%, the strength is lowered, and the adhesion of paints, adhesives, etc. is also deteriorated. In the composite material of the present invention, even if the amount of the carbon fiber structure as the filler is relatively low, fine carbon fibers can be arranged in the matrix with a uniform spread, As described above, it is a composite material useful as a functional material excellent in electrical conductivity, radio wave shielding property, thermal conductivity, etc., a structural material having high strength, and the like.

さらに、本発明に係る複合材料に関して、これを、配合される炭素繊維構造体の機能別に具体例を示すと、次のようなものが例示されるが、もちろん、これらに何ら限定されるものではない。   Furthermore, regarding the composite material according to the present invention, specific examples according to the function of the carbon fiber structure to be blended are exemplified as follows, but of course not limited thereto. Absent.

1)導電性を利用するもの
樹脂に混合することによる、導電性樹脂及び導電性樹脂成型体として,例えば包装材、ガスケット、容器、抵抗体、導電性繊維、電線、接着剤、インク、塗料等に好適に用いられる。また、樹脂との複合材に加え、無機材料、特にセラミックス、金属等の材料に添加した複合材においても同様の効果が期待できる。
1) Utilizing conductivity As a conductive resin and a conductive resin molding by mixing with a resin, for example, a packaging material, gasket, container, resistor, conductive fiber, electric wire, adhesive, ink, paint, etc. Is preferably used. In addition to composite materials with resins, similar effects can be expected with composite materials added to inorganic materials, particularly ceramics and metals.

2)熱伝導性を利用するもの
上記導電性の利用の場合と同様の用い方ができる。
2) Using thermal conductivity The same usage as in the case of using the above-mentioned conductivity can be performed.

3)電磁波遮蔽性を利用するもの
樹脂に混合することにより、電磁波遮蔽性塗料や成形して電磁波遮蔽材等として好適である。
3) Utilizing electromagnetic wave shielding properties By mixing with a resin, it is suitable as an electromagnetic wave shielding material or the like by forming an electromagnetic wave shielding paint or molding.

4)物理的特性を利用するもの
摺動性を高めるために樹脂、金属に混合してロール、ブレーキ部品、タイヤ、ベアリング、潤滑油、歯車、パンタグラフ等に利用する。
4) Items that use physical properties In order to improve slidability, they are mixed with resin and metal and used for rolls, brake parts, tires, bearings, lubricants, gears, pantographs, etc.

また、軽量で強靭な特性を活かして電線、家電・車輌・飛行機等のボディ、機械のハウジングに利用できる。   In addition, it can be used for the body of electric wires, home appliances / vehicles / airplanes, and machine housings by utilizing its light weight and tough characteristics.

このほか、従来の炭素繊維、ビーズの代替としても使用でき、例えば電池の極材、スイッチ、防振材に応用する。   In addition, it can be used as an alternative to conventional carbon fibers and beads, and is applied to, for example, battery pole materials, switches, and vibration-proof materials.

5)フィラー特性を利用するもの
炭素繊維構造体の有する微細繊維は優れた強度を持ち、柔軟性があり、網目構造を構成するフィラー特性が優れている。この特性を利用することによって、リチウムイオン2次電池、鉛蓄電池、キャパシター、燃料電池等のエネルギーディバイスの電極の強化とサイクル特性の向上に寄与できる。
5) Utilization of filler characteristics The fine fibers of the carbon fiber structure have excellent strength, flexibility, and excellent filler characteristics that constitute a network structure. By utilizing this characteristic, it can contribute to the enhancement of the electrodes of energy devices such as lithium ion secondary batteries, lead storage batteries, capacitors, fuel cells, and improvement of cycle characteristics.

以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited to the following Example at all.

なお、以下において、本発明に用いられる炭素繊維構造体の各物性値は次のようにして測定した。   In addition, below, each physical-property value of the carbon fiber structure used for this invention was measured as follows.

<面積基準の円相当平均径>
まず、粉砕品の写真をSEMで撮影する。得られたSEM写真において、炭素繊維構造体の輪郭が明瞭なもののみを対象とし、炭素繊維構造体が崩れているようなものは輪郭が不明瞭であるために対象としなかった。1視野で対象とできる炭素繊維構造体(60〜80個程度)はすべて用い、3視野で約200個の炭素繊維構造体を対象とした。対象とされた各炭素繊維構造体の輪郭を、画像解析ソフトウェア WinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各繊維構造体の円相当径を計算し、これを平均化した。
<Area-based circle equivalent average diameter>
First, a photograph of the pulverized product is taken with an SEM. In the obtained SEM photograph, only the carbon fiber structure with a clear outline was targeted, and the carbon fiber structure with a broken outline was not targeted because the outline was unclear. All carbon fiber structures (about 60 to 80) that can be targeted in one field of view were used, and about 200 carbon fiber structures were targeted in three fields of view. Trace the contour of each carbon fiber structure targeted using image analysis software WinRoof (trade name, manufactured by Mitani Corp.), obtain the area within the contour, and calculate the equivalent circle diameter of each fiber structure This was averaged.

<嵩密度の測定>
内径70mmで分散板付透明円筒に1g粉体を充填し、圧力0.1Mpa、容量1.3リットルの空気を分散板下部から送り粉体を吹出し、自然沈降させる。5回吹出した時点で沈降後の粉体層の高さを測定する。このとき測定箇所は6箇所とることとし、6箇所の平均を求めた後、嵩密度を算出した。
<Measurement of bulk density>
A transparent cylinder with an inner diameter of 70 mm is filled with 1 g of powder, and air with a pressure of 0.1 Mpa and a capacity of 1.3 liters is sent from the lower part of the dispersion plate to blow out the powder and let it settle naturally. At the time of blowing out 5 times, the height of the powder layer after settling is measured. At this time, the number of measurement points was six, and after calculating the average of the six points, the bulk density was calculated.

<ラマン分光分析>
堀場ジョバンイボン製LabRam800を用い、アルゴンレーザーの514nmの波長を用いて測定した。
<Raman spectroscopy>
Using a LabRam800 manufactured by Horiba Jobin Yvon, measurement was performed using a wavelength of 514 nm of an argon laser.

<TG燃焼温度>
マックサイエンス製TG−DTAを用い、空気を0.1L/分の流速で流通させながら、10℃/分の速度で昇温し、燃焼挙動を測定した。燃焼時にTGは減量を示し、DTAは発熱ピークを示すので、発熱ピークのトップ位置を燃焼開始温度と定義した。
<TG combustion temperature>
Using TG-DTA manufactured by Mac Science, the temperature was increased at a rate of 10 ° C./min while circulating air at a flow rate of 0.1 L / min, and the combustion behavior was measured. During combustion, TG indicates a decrease in weight and DTA indicates an exothermic peak. Therefore, the top position of the exothermic peak was defined as the combustion start temperature.

<粉体抵抗および復元性>
CNT粉体1gを秤取り、樹脂製ダイス(内寸40L、10W、80Hmm)に充填圧縮し、変位および荷重を読み取る。4端子法で定電流を流して、そのときの電圧を測定し、0.9g/cmの密度まで測定したら、圧力を解除し復元後の密度を測定した。粉体抵抗については、0.5、0.8および0.9g/cmに圧縮したときの抵抗を測定することとする。
<Powder resistance and resilience>
1 g of CNT powder is weighed, filled and compressed in a resin die (inner dimensions 40 L, 10 W, 80 Hmm), and the displacement and load are read. When a constant current was passed by the 4-terminal method, the voltage at that time was measured, and when the density was measured to a density of 0.9 g / cm 3 , the pressure was released and the density after restoration was measured. As for powder resistance, resistance when compressed to 0.5, 0.8 and 0.9 g / cm 3 is measured.

<粒状部の平均粒径、円形度、微細炭素繊維との比>
面積基準の円相当平均径の測定と同様に、まず、炭素繊維構造体の写真をSEMで撮影する。得られたSEM写真において、炭素繊維構造体の輪郭が明瞭なもののみを対象とし、炭素繊維構造体が崩れているようなものは輪郭が不明瞭であるために対象としなかった。1視野で対象とできる炭素繊維構造体(60〜80個程度)はすべて用い、3視野で約200個の炭素繊維構造体を対象とした。
<Average particle size of granular part, circularity, ratio with fine carbon fiber>
Similar to the measurement of the area-based circle-equivalent mean diameter, first, a photograph of the carbon fiber structure is taken with an SEM. In the obtained SEM photograph, only the carbon fiber structure with a clear outline was targeted, and the carbon fiber structure with a broken outline was not targeted because the outline was unclear. All carbon fiber structures (about 60 to 80) that can be targeted in one field of view were used, and about 200 carbon fiber structures were targeted in three fields of view.

対象とされた各炭素繊維構造体において、炭素繊維相互の結合点である粒状部を1つの粒子とみなして、その輪郭を、画像解析ソフトウェア WinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各粒状部の円相当径を計算し、これを平均化して粒状部の平均粒径とした。また、円形度(R)は、前記画像解析ソフトウェアを用いて測定した輪郭内の面積(A)と、各粒状部の実測の輪郭長さ(L)より、次式により各粒状部の円形度を求めこれを平均化した。   In each of the targeted carbon fiber structures, a granular portion that is a bonding point between carbon fibers is regarded as one particle, and its outline is defined by using image analysis software WinRoof (trade name, manufactured by Mitani Corporation). By tracing, the area in the contour was obtained, the equivalent circle diameter of each granular part was calculated, and this was averaged to obtain the average particle diameter of the granular part. Further, the circularity (R) is calculated based on the following equation from the area (A) in the contour measured using the image analysis software and the measured contour length (L) of each granular portion. Was averaged.

R=A×4π/L2
さらに、対象とされた各炭素繊維構造体における微細炭素繊維の外径を求め、これと前記各炭素繊維構造体の粒状部の円相当径から、各炭素繊維構造体における粒状部の大きさを微細炭素繊維との比として求め、これを平均化した。
R = A × 4π / L 2
Furthermore, the outer diameter of fine carbon fibers in each targeted carbon fiber structure is obtained, and the size of the granular portion in each carbon fiber structure is determined from this and the equivalent circle diameter of the granular portion in each carbon fiber structure. It calculated | required as a ratio with a fine carbon fiber, and averaged this.

<粒状部の間の平均距離>
面積基準の円相当平均径の測定と同様に、まず、炭素繊維構造体の写真をSEMで撮影する。得られたSEM写真において、炭素繊維構造体の輪郭が明瞭なもののみを対象とし、炭素繊維構造体が崩れているようなものは輪郭が不明瞭であるために対象としなかった。1視野で対象とできる炭素繊維構造体(60〜80個程度)はすべて用い、3視野で約200個の炭素繊維構造体を対象とした。
<Average distance between granular parts>
Similar to the measurement of the area-based circle-equivalent mean diameter, first, a photograph of the carbon fiber structure is taken with an SEM. In the obtained SEM photograph, only the carbon fiber structure with a clear outline was targeted, and the carbon fiber structure with a broken outline was not targeted because the outline was unclear. All carbon fiber structures (about 60 to 80) that can be targeted in one field of view were used, and about 200 carbon fiber structures were targeted in three fields of view.

対象とされた各炭素繊維構造体において、粒状部が微細炭素繊維によって結ばれている箇所を全て探し出し、このように微細炭素繊維によって結ばれる隣接する粒状部間の距離(一端の粒状体の中心部から他端の粒状体の中心部までを含めた微細炭素繊維の長さ)をそれぞれ測定し、これを平均化した。   In each target carbon fiber structure, find all the places where the granular parts are connected by the fine carbon fibers, and the distance between adjacent granular parts connected by the fine carbon fibers in this way (the center of the granular material at one end) The length of the fine carbon fiber including the part to the central part of the granular material at the other end) was measured and averaged.

<炭素繊維構造体の破壊試験>
蓋付バイアル瓶中に入れられたトルエン100mlに、30μg/mlの割合で炭素繊維構造体を添加し、炭素繊維構造体の分散液試料を調製した。
<Destructive test of carbon fiber structure>
A carbon fiber structure was added to 100 ml of toluene in a vial with a lid at a rate of 30 μg / ml to prepare a dispersion sample of the carbon fiber structure.

このようにして得られた炭素繊維構造体の分散液試料に対し、発信周波数38kHz、出力150wの超音波洗浄器((株)エスエヌディ製、商品名:USK-3)を用いて、超音波を照射し、分散液試料中の炭素繊維構造体の変化を経時的に観察した。   The dispersion sample of the carbon fiber structure thus obtained was subjected to ultrasonic waves using an ultrasonic cleaner having a transmission frequency of 38 kHz and an output of 150 w (trade name: USK-3, manufactured by SND Co., Ltd.). Irradiation was performed, and changes in the carbon fiber structure in the dispersion liquid sample were observed over time.

まず超音波を照射し、30分経過後において、瓶中から一定量2mlの分散液試料を抜き取り、この分散液中の炭素繊維構造体の写真をSEMで撮影する。得られたSEM写真の炭素繊維構造体中における微細炭素繊維(少なくとも一端部が粒状部に結合している微細炭素繊維)をランダムに200本を選出し、選出された各微細炭素繊維の長さを測定し、D50平均値を求め、これを初期平均繊維長とした。 First, ultrasonic waves are irradiated, and after 30 minutes, a predetermined amount of 2 ml of the dispersion liquid sample is extracted from the bottle, and a photograph of the carbon fiber structure in the dispersion liquid is taken with an SEM. 200 fine carbon fibers (fine carbon fibers having at least one end bonded to the granular part) in the carbon fiber structure of the obtained SEM photograph were randomly selected, and the length of each selected fine carbon fiber It was measured to obtain the D 50 average, which was used as the initial average fiber length.

一方、得られたSEM写真の炭素繊維構造体中における炭素繊維相互の結合点である粒状部をランダムに200個を選出し、選出された各粒状部をそれぞれ1つの粒子とみなしてその輪郭を、画像解析ソフトウェア WinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各粒状部の円相当径を計算し、このD50平均値を求めた。そして得られたD50平均値を粒状部の初期平均径とした。 On the other hand, 200 granular parts which are the bonding points between carbon fibers in the carbon fiber structure of the obtained SEM photograph are selected at random, and each selected granular part is regarded as one particle, and its outline is defined. Then, the image analysis software WinRoof (trade name, manufactured by Mitani Corporation) was traced to determine the area within the contour, calculate the equivalent circle diameter of each granular portion, and determine the D 50 average value. And the resulting D 50 average value as the initial average diameter of the granular part.

その後、一定時間毎に、前記と同様に瓶中から一定量2mlの分散液試料を抜き取り、この分散液中の炭素繊維構造体の写真をSEMで撮影し、この得られたSEM写真の炭素繊維構造体中における微細炭素繊維のD50平均長さおよび粒状部のD50平均径を前記と同様にして求めた。 Thereafter, a fixed amount of 2 ml of the dispersion liquid sample was taken out from the bottle at regular intervals in the same manner as described above, a photograph of the carbon fiber structure in the dispersion liquid was taken with an SEM, and the carbon fiber of the obtained SEM photograph the D 50 average diameter of D 50 average length and granular part of the carbon fibers in the structure in was determined in the same manner as above.

そして、算出される微細炭素繊維のD50平均長さが、初期平均繊維長の約半分となった時点(本実施例においては超音波を照射し、500分経過後)における、粒状部のD50平均径を、初期平均径と対比しその変動割合(%)を調べた。 And the D 50 average length of the calculated fine carbon fiber is about half of the initial average fiber length (in this example, after irradiating ultrasonic waves and 500 minutes have elapsed), the D of the granular portion The 50 average diameter was compared with the initial average diameter, and the variation ratio (%) was examined.

<導電性>
複合材料の試験片を、四探針式低抵抗率計(ロレスタGP、三菱化学製)を用いて塗膜表面9箇所の抵抗(Ω)を測定し、同抵抗計により体積抵抗率(Ω・cm)に換算し、平均値を算出した。
<Conductivity>
Using a four-probe type low resistivity meter (Loresta GP, manufactured by Mitsubishi Chemical), measure the resistance (Ω) of the coating surface of the composite material test piece at 9 locations. cm), and the average value was calculated.

<熱伝導率>
試験片所定の形状に切り出し、レーザーフラッシュ法にて熱伝導率(W/mK)を測定した。
<Thermal conductivity>
A test piece was cut into a predetermined shape, and the thermal conductivity (W / mK) was measured by a laser flash method.

(実施例1)
i)炭素繊維構造体の合成
CVD法によって、トルエンを原料として炭素繊維構造体を合成した。
Example 1
i) Synthesis of carbon fiber structure A carbon fiber structure was synthesized by a CVD method using toluene as a raw material.

触媒としてフェロセン及びチオフェンの混合物を使用し、水素ガスの還元雰囲気で行った。トルエン、触媒を水素ガスとともに380℃に加熱し、生成炉に供給し、1250℃で熱分解して、炭素繊維構造体(第一中間体)を得た。   A mixture of ferrocene and thiophene was used as a catalyst, and the reaction was performed in a hydrogen gas reducing atmosphere. Toluene and the catalyst were heated to 380 ° C. together with hydrogen gas, supplied to the production furnace, and pyrolyzed at 1250 ° C. to obtain a carbon fiber structure (first intermediate).

なお、この炭素繊維構造体(第一中間体)を製造する際に用いられた生成炉の概略構成を図6に示す。図6に示すように、生成炉1は、その上端部に、上記したようなトルエン、触媒および水素ガスからなる原料混合ガスを生成炉1内へ導入する導入ノズル2を有しているが、さらにこの導入ノズル2の外側方には、円筒状の衝突部3が設けられている。この衝突部3は、導入ノズル2の下端に位置する原料ガス供給口4より反応炉内に導出される原料ガスの流れに干渉し得るものとされている。なお、この実施例において用いられた生成炉1では、導入ノズル2の内径a、生成炉1の内径b、筒状の衝突部3の内径c、生成炉1の上端から原料混合ガス導入口4までの距離d、原料混合ガス導入口4から衝突部3の下端までの距離e、原料混合ガス導入口4から生成炉1の下端までの距離をfとすると、各々の寸法比は、おおよそa:b:c:d:e:f=1.0:3.6:1.8:3.2:2.0:21.0に形成されていた。また、反応炉への原料ガス導入速度は、1850NL/min、圧力は1.03atmとした。   In addition, the schematic structure of the production | generation furnace used when manufacturing this carbon fiber structure (1st intermediate body) is shown in FIG. As shown in FIG. 6, the production furnace 1 has an introduction nozzle 2 for introducing a raw material mixed gas composed of toluene, a catalyst and hydrogen gas as described above into the production furnace 1 at the upper end thereof. Further, a cylindrical collision portion 3 is provided outside the introduction nozzle 2. The collision unit 3 is capable of interfering with the flow of the raw material gas introduced into the reaction furnace from the raw material gas supply port 4 located at the lower end of the introduction nozzle 2. In the production furnace 1 used in this embodiment, the inner diameter a of the introduction nozzle 2, the inner diameter b of the production furnace 1, the inner diameter c of the cylindrical collision portion 3, and the raw material mixed gas inlet 4 from the upper end of the production furnace 1 are used. Distance d, the distance e from the raw material mixed gas inlet 4 to the lower end of the collision part 3, and the distance from the raw material mixed gas inlet 4 to the lower end of the production furnace 1 are f, : B: c: d: e: f = 1.0: 3.6: 1.8: 3.2: 2.0: 21.0. The raw material gas introduction rate into the reactor was 1850 NL / min, and the pressure was 1.03 atm.

上記のようにして合成された中間体を窒素中で900℃で焼成して、タールなどの炭化水素を分離し、第二中間体を得た。この第二中間体のラマン分光測定のR値は0.98であった。また、この第一中間体をトルエン中に分散して電子顕微鏡用試料調製後に観察したSEMおよびTEM写真を図1、2に示す。   The intermediate synthesized as described above was calcined at 900 ° C. in nitrogen to separate hydrocarbons such as tar to obtain a second intermediate. The R value of this second intermediate measured by Raman spectroscopy was 0.98. 1 and 2 show SEM and TEM photographs observed after the first intermediate is dispersed in toluene and a sample for an electron microscope is prepared.

次に、この第二中間体と、これに対し0.1質量%のB(Wako Chemical Company 製)とを、20分間エタノール中に超音波(KUBOTA UP50H)を用いて均一分散せしめた。その後、24時間減圧乾燥した。 Next, the second intermediate and 0.1% by mass of B 2 O 3 (manufactured by Wako Chemical Company) were uniformly dispersed in ethanol for 20 minutes using ultrasonic waves (KUBOTA UP50H). . Then, it dried under reduced pressure for 24 hours.

このホウ素を添加した第二中間体をアルゴン中で2300℃で高温熱処理し、得られた炭素繊維構造体の集合体を気流粉砕機にて粉砕し、本発明において用いられる炭素繊維構造体を得た。   The boron-added second intermediate is heat treated at 2300 ° C. in argon at high temperature, and the resulting carbon fiber structure aggregate is pulverized by an airflow pulverizer to obtain a carbon fiber structure used in the present invention. It was.

得られた炭素繊維構造体をトルエン中に超音波で分散して電子顕微鏡用試料調製後に観察したSEM写真を図4に示す。   FIG. 4 shows an SEM photograph obtained by dispersing the obtained carbon fiber structure in toluene with ultrasonic waves and observing it after preparing a sample for an electron microscope.

また、得られた炭素繊維構造体をそのまま電子顕微鏡用試料ホルダーに載置して観察したSEM写真を図5に、またその粒度分布を表1に示した。   Further, FIG. 5 shows an SEM photograph of the obtained carbon fiber structure as it is placed on an electron microscope sample holder, and Table 1 shows the particle size distribution.

また、得られた炭素繊維構造体の円相当平均径は、75.8μm、嵩密度は0.0035g/cm、ラマンI/I比値は0.68、IG’/I比値は0.44、TG燃焼温度は818℃、粉体抵抗値は0.0048Ω・cm、復元後の密度は0.33g/cmであった。 Furthermore, the circle-equivalent mean diameter of the obtained carbon fibrous structures, 75.8Myuemu, bulk density 0.0035 g / cm 3, Raman I D / I G ratio is 0.68, I G '/ I G ratio The value was 0.44, the TG combustion temperature was 818 ° C., the powder resistance value was 0.0048 Ω · cm, and the density after restoration was 0.33 g / cm 3 .

さらに炭素繊維構造体における粒状部の粒径は平均で、452nm(SD208nm)であり、炭素繊維構造体における微細炭素繊維の外径の7.38倍となる大きさであった。また粒状部の円形度は、平均値で0.68(SD0.14)であった。   Further, the average particle size of the granular portion in the carbon fiber structure was 452 nm (SD 208 nm), which was 7.38 times the outer diameter of the fine carbon fiber in the carbon fiber structure. Further, the circularity of the granular portion was 0.68 (SD 0.14) on average.

また、前記した手順によって炭素繊維構造体の破壊試験を行ったところ、超音波印加30分後の初期平均繊維長(D50)は、13.0μmであったが、超音波印加500分後の平均繊維長(D50)は、6.8μmとほぼ半分の長さとなり、炭素繊維構造体において微細炭素繊維に多くの切断が生じたことが示された。しかしながら、超音波印加500分後の粒状部の平均径(D50)を、超音波印加30分後の初期初期平均径(D50)と対比したところ、その変動(減少)割合は、わずか4.7%であり、測定誤差等を考慮すると、微細炭素繊維に多くの切断が生じた負荷条件下でも、切断粒状部自体はほとんど破壊されることなく、繊維相互の結合点として機能していることが明らかとなった。 Moreover, when the destructive test of the carbon fiber structure was performed according to the above-described procedure, the initial average fiber length (D 50 ) after 30 minutes of application of ultrasonic waves was 13.0 μm, but after 500 minutes of application of ultrasonic waves, The average fiber length (D 50 ) was approximately half of 6.8 μm, indicating that many cuts were generated in the fine carbon fibers in the carbon fiber structure. However, when the average diameter (D 50 ) of the granular part 500 minutes after application of ultrasonic waves is compared with the initial initial average diameter (D 50 ) 30 minutes after application of ultrasonic waves, the variation (decrease) rate is only 4 .7%, and taking into account measurement errors, etc., even under load conditions where many cuts occurred in the fine carbon fiber, the cut granular part itself hardly functions and functions as a bonding point between the fibers. It became clear.

なお、実施例1で合成した炭素繊維構造体の各種物性値を表2にまとめた。   The various physical property values of the carbon fiber structure synthesized in Example 1 are summarized in Table 2.

ii)複合材料の生成
上記i)で合成した実施例1の炭素繊維構造体をマトリックス中に含有する、本発明の複合材料を生成した。
ii) Production of Composite Material A composite material of the present invention was produced, which contains the carbon fiber structure of Example 1 synthesized in i) above in a matrix.

具体的には、下記表3に示す配合にて、上記i)にて合成した炭素繊維構造体を、エポキシ樹脂(アデカレジン、旭電化工業(株)製)、硬化剤(アデカハードナー、旭電化工業(株)製)に配合し、自転−公転型遠心力撹拌機(あわとり練太郎AR−250、シンキー製)にて10分間混練し、エポキシ系接着剤組成物を製造した。   Specifically, the carbon fiber structure synthesized in the above i) with the formulation shown in Table 3 below was prepared by using an epoxy resin (Adeka Resin, manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd.), a curing agent (Adeka Hardener, Asahi Denka Kogyo Co., Ltd.). And an epoxy adhesive composition was produced by kneading for 10 minutes with a rotation-revolution centrifugal stirrer (Awatori Netaro AR-250, manufactured by Sinky Corporation).

ここで得られたエポキシ系接着剤組成物を、ガラス板上に、塗布幅100mm、間隙200μmのアプリケータにて塗布し、170℃で30分間保持し、硬化塗膜を作製した。   The epoxy adhesive composition obtained here was applied onto a glass plate with an applicator having a coating width of 100 mm and a gap of 200 μm, and kept at 170 ° C. for 30 minutes to prepare a cured coating film.

作製した塗膜を50mm角に切り出し、試験片を得た。この試験片を用いて体積抵抗率及び熱伝導率を測定した。その結果を表3に示す。   The prepared coating film was cut into a 50 mm square to obtain a test piece. Volume resistivity and thermal conductivity were measured using this test piece. The results are shown in Table 3.

また、炭素繊維構造体の含有量が0.5質量%となるようにして、同様にエポキシ樹脂被膜を製膜した。   Further, an epoxy resin film was formed in the same manner so that the content of the carbon fiber structure was 0.5% by mass.

(比較例1)
ii)複合材料の生成
炭素繊維構造体に代えて、市販されているカーボンブラックをマトリクス中に含有する、比較例1の複合材料を生成した。
(Comparative Example 1)
ii) Production of Composite Material A composite material of Comparative Example 1 was produced that contained commercially available carbon black in the matrix instead of the carbon fiber structure.

具体的な方法は、炭素繊維構造体の代わりにカーボンブラックを用いた点以外は、上記実施例1における複合材料の生成と同様である。   The specific method is the same as that of the composite material in Example 1 except that carbon black is used instead of the carbon fiber structure.

比較例1の複合材料の試験片を用いて体積抵抗率及び熱伝導率を測定した。その結果を上記実施例1のそれと併記して表3に示す。   The volume resistivity and thermal conductivity were measured using the composite specimen of Comparative Example 1. The results are shown in Table 3 together with those of Example 1.

P-4100E:旭電化工業(株)製、アデカレジンEP-4100E;ビスフェノールA型エポキシ樹脂、エポキシ当量190
上記表1からも明らかなように、複合材料を構成する炭素繊維構造体にホウ素を含有せしめることにより、体積抵抗率および熱伝導率を向上することができる。
P-4100E: manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd., Adeka Resin EP-4100E; bisphenol A type epoxy resin, epoxy equivalent 190
As apparent from Table 1 above, the volume resistivity and the thermal conductivity can be improved by incorporating boron into the carbon fiber structure constituting the composite material.

本発明の複合材料に用いる炭素繊維構造体の中間体のSEM写真である。It is a SEM photograph of the intermediate body of the carbon fiber structure used for the composite material of this invention. 本発明の複合材料に用いる炭素繊維構造体の中間体のTEM写真である。It is a TEM photograph of the intermediate body of the carbon fiber structure used for the composite material of this invention. (a)(b)は、それぞれ本発明の複合材料に用いる炭素繊維構造体の中間体のTEM写真である。(A) (b) is a TEM photograph of the intermediate body of the carbon fiber structure used for the composite material of the present invention, respectively. 本発明の複合材料に用いる炭素繊維構造体のSEM写真である。It is a SEM photograph of the carbon fiber structure used for the composite material of the present invention. 本発明の複合材料に用いる炭素繊維構造体のSEM写真である。It is a SEM photograph of the carbon fiber structure used for the composite material of the present invention. 本発明の実施例において炭素繊維構造体の製造に用いた生成炉の概略構成を示す図面である。It is drawing which shows schematic structure of the production | generation furnace used for manufacture of the carbon fiber structure in the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 生成炉
2 導入ノズル
3 衝突部
4 原料ガス供給口
a 導入ノズルの内径
b 生成炉の内径
c 衝突部の内径
d 生成炉の上端から原料混合ガス導入口までの距離
e 原料混合ガス導入口から衝突部の下端までの距離
f 原料混合ガス導入口から生成炉の下端までの距離
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Generation furnace 2 Introduction nozzle 3 Collision part 4 Raw material gas supply port a Inner diameter of introduction nozzle b Inner diameter of production furnace c Inner diameter of collision part d Distance from upper end of production furnace to raw material mixed gas introduction port e From raw material mixed gas introduction port Distance to the lower end of the collision part f Distance from the raw material mixed gas inlet to the lower end of the generating furnace

Claims (12)

外径15〜100nmの炭素繊維から構成される3次元ネットワーク状を呈しており、前記炭素繊維が複数延出する態様で、当該炭素繊維を互いに結合する粒状部を有しており、かつ、当該粒状部は前記炭素繊維の成長過程において形成されてなるものであり、さらに、ホウ素が含有されているものである炭素繊維構造体を、全体の0.001〜30質量%の割合でマトリックス中に含有することを特徴する複合材料。   It has a three-dimensional network configuration composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, has a granular portion that binds the carbon fibers to each other in a form in which a plurality of the carbon fibers extend, and the A granular part is formed in the growth process of the said carbon fiber, Furthermore, the carbon fiber structure which is what contains the boron is contained in the matrix in the ratio of 0.001-30 mass% of the whole. A composite material characterized by containing. 前記ホウ素の含有量が、前記炭素繊維構造体に対して0.001〜2.1質量%であることを特徴とする請求項1に記載の複合材料。   2. The composite material according to claim 1, wherein a content of the boron is 0.001 to 2.1% by mass with respect to the carbon fiber structure. 前記炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜100μmであることを特徴とする請求項1または2に記載の複合材料。   The composite material according to claim 1, wherein the carbon fiber structure has an area-based circle-equivalent mean diameter of 50 to 100 μm. 前記炭素繊維構造体は、嵩密度が、0.0001〜0.05g/cmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the carbon fiber structure has a bulk density of 0.0001 to 0.05 g / cm 3 . 前記炭素繊維構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2〜1.4であり、且つ、IG’/Iが0.25〜0.75であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の複合材料。 The carbon fiber structure has an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 0.2 to 1.4 and an I G ′ / I G of 0.25 to 0.75. The composite material according to any one of claims 1 to 4. 前記炭素繊維構造体は、空気中での燃焼開始温度が700℃以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon fiber structure has a combustion start temperature in air of 700 ° C or higher. 前記炭素繊維の結合箇所において、前記粒状部の粒径が、前記炭素繊維の外径よりも大きいことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 1 to 6, wherein a particle diameter of the granular portion is larger than an outer diameter of the carbon fiber at a bonding portion of the carbon fibers. 前記炭素繊維構造体は、炭素源として、分解温度の異なる少なくとも2つ以上の炭素化合物を用いて、生成されたものである請求項1〜7のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 1 to 7, wherein the carbon fiber structure is formed using at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures as a carbon source. マトリックスが有機ポリマーを含むものである請求項1〜8のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to claim 1, wherein the matrix contains an organic polymer. マトリックスが無機材料を含むものである請求項1〜8のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 1 to 8, wherein the matrix contains an inorganic material. マトリックスが金属を含むものである請求項1〜8のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 1 to 8, wherein the matrix contains a metal. マトリックス中に、金属微粒子、シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、カーボンブラック、ガラス繊維および炭素繊維からなる群から選ばれた少なくとも一種の充填剤をさらに含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の複合材料。   The matrix according to any one of claims 1 to 11, further comprising at least one filler selected from the group consisting of metal fine particles, silica, calcium carbonate, magnesium carbonate, carbon black, glass fibers, and carbon fibers. A composite material according to any one of the above.
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