JP2007138338A - Composite material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new composite material which maximally utilizes the specific properties of fine carbon fibers. <P>SOLUTION: This composite material has a skeleton structure formed by three-dimensionally binding carbon fiber structures which exhibit a three-dimensional network state composed of carbon fibers having outer diameters of 15 to 100 nm, have granular portions in which the carbon fibers are bound to each other in a form that the carbon fibers are extended, and are formed in a process for growing the carbon fibers, wherein a resin, a rubber, a metal or a carbonaceous material is impregnated into pores formed in the inside of the skeleton structure. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、微細な炭素繊維(いわゆる、カーボンナノチューブ)を利用した複合材料に関する。   The present invention relates to a composite material using fine carbon fibers (so-called carbon nanotubes).

従来から、樹脂にカーボンブラックなどのフィラーを配合することによって、所望の特性、(例えば導電性や力学特性など)が付与された樹脂組成物、いわゆる複合材料が提案されている。   Conventionally, a resin composition, so-called composite material, in which desired characteristics (for example, conductivity, mechanical characteristics, etc.) are imparted by blending a filler such as carbon black with a resin has been proposed.

近年においては、複合材料によって成形された成形体にさらに優れた導電性、力学特性を付与するために、従来用いられていたカーボンブラックに代えて、微細な炭素繊維(いわゆるカーボンナノチューブ)を配合する試みが行われている。カーボンナノチューブ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して前記したような物性を生かすことができれば、優れた複合材料を提供することができると期待されている。   In recent years, fine carbon fibers (so-called carbon nanotubes) are blended in place of conventionally used carbon black in order to impart further excellent electrical conductivity and mechanical properties to a molded body formed of a composite material. An attempt is being made. The graphite layer constituting the carbon nanotube 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, if such fine carbon fibers can be dispersed and blended 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. It is expected that an excellent composite material can be provided.

具体的には、例えば、特許文献1、2には、カーボンナノチューブをマトリクス中に含む複合材料が提案されている。また、特許文献3には、樹脂組成物中にカーボンナノチューブを配合するにあっては、単にカーボンナノチューブをそのまま配合するのではなく、カーボンナノチューブにより凝集体を形成し、または互いを絡み合わせたものを形成し、これを配合することも知られている。
特許第2641712号公報 特開2003−12939号公報 特許第3034027号公報
Specifically, for example, Patent Documents 1 and 2 propose composite materials containing carbon nanotubes in a matrix. In Patent Document 3, when carbon nanotubes are blended in a resin composition, the carbon nanotubes are not simply blended as they are, but aggregates are formed from the carbon nanotubes or entangled with each other. It is also known to form and blend this.
Japanese Patent No. 2641712 JP 2003-12939 A Japanese Patent No. 3034027

しかしながら、上記に挙げた各文献に代表される従来の複合材料にあっては、未だ微細炭素繊維(カーボンナノチューブ)の優れた特性を充分に利用できておらず、また、微細炭素繊維自体の改良の余地があった。   However, in the conventional composite materials represented by the above-mentioned documents, the excellent characteristics of the fine carbon fibers (carbon nanotubes) have not been fully utilized, and the fine carbon fibers themselves have been improved. There was room for.

本発明はこのような状況においてなされた発明であり、微細炭素繊維が有する特異な性質を最大限に利用した新規な骨格構造体および複合材料を提供することを主たる課題とする。   The present invention is an invention made in such a situation, and a main object is to provide a novel skeleton structure and a composite material that make the most of the unique properties of fine carbon fibers.

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、複合材料に対して、導電性や強度特性等の種々の特性を付与するためには、可能な限り微細な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た構造体であって、当該構造体を構成する炭素繊維自体の一本一本が極力欠陥の少ないものを、炭素を用いて3次元に結合せしめた骨格構造体を用いること、並びに、当該骨格構造体の内部に形成される空隙部に樹脂等を含浸せしめ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 problems, as a result of intensive studies, the present inventors have found that carbon fibers that are as fine as possible are used in order to impart various properties such as conductivity and strength properties to the composite material. Structures that are firmly bonded to each other without being separated from each other, and each of the carbon fibers constituting the structure is bonded to each other in three dimensions using carbon. The present inventors have found that it is effective to use a skeleton structure, and to impregnate a void formed in the skeleton structure with a resin or the like.

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炭素繊維構造体を、炭素により3次元に接合させることにより形成されることを特徴とする骨格構造体である。   That is, this invention which solves the said subject is exhibiting the three-dimensional network shape comprised from the carbon fiber of 15-100 nm in outer diameter, and couple | bonds the said carbon fiber mutually in the aspect which the said carbon fiber extends in multiple numbers. A skeletal structure having a granular part, and the granular part is formed by joining a carbon fiber structure formed in the carbon fiber growth process in three dimensions with carbon Is the body.

また、前記骨格構造体には、ホウ素が含有されていてもよい。   Further, the skeleton structure may contain boron.

また、前記ホウ素の含有量が、前記骨格構造体に対して0.001〜10質量%であってもよい。   Moreover, 0.001-10 mass% may be sufficient as content of the said boron with respect to the said frame | skeleton structure.

また、前記炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜500μmであってもよい。   The carbon fiber structure may have an area-based circle equivalent average diameter of 50 to 500 μm.

また、前記骨格構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが、1.4以下であり、且つ、IG’/Iが1.5以下であってもよい。 The skeletal structure may have an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 1.4 or less and an I G ′ / I G of 1.5 or less.

また、前記骨格構造体は、嵩密度が、0.2〜2.3g/cmであってもよい。 The skeleton structure may have a bulk density of 0.2 to 2.3 g / cm 3 .

また、前記骨格構造体は、空気中での燃焼開始温度が700℃以上であってもよい。   The skeleton structure may have a combustion start temperature in air of 700 ° C. or higher.

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くてもよい。   Moreover, the particle diameter of the said granular part may be larger than the outer diameter of the said carbon fiber in the coupling | bond part of the said carbon fiber.

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ってもよい。   Moreover, the said carbon fiber structure may be produced | generated using the at least 2 or more carbon compound from which decomposition temperature differs as a carbon source.

また、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炭素繊維構造体を、炭素により3次元に接合させることにより形成される骨格構造体を有し、当該骨格構造体の内部に形成される空隙部には樹脂、ゴム、金属、またはカーボン系材料が含浸されていることを特徴とする複合材料である。   Moreover, this invention which solves the said subject is exhibiting the three-dimensional network shape comprised from carbon fiber with an outer diameter of 15-100 nm, and couple | bonds the said carbon fiber mutually in the aspect which the said carbon fiber extends in multiple numbers. And having a granular part, and the granular part has a skeletal structure formed by joining a carbon fiber structure formed in the carbon fiber growth process in three dimensions with carbon, A void formed in the skeleton structure is impregnated with a resin, rubber, metal, or carbon-based material.

また、前記骨格構造体には、ホウ素が含有されていてもよい。   Further, the skeleton structure may contain boron.

また、前記ホウ素の含有量が、前記骨格構造体に対して0.001〜10質量%であってもよい。   Moreover, 0.001-10 mass% may be sufficient as content of the said boron with respect to the said frame | skeleton structure.

また、前記炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜500μmであってもよい。   The carbon fiber structure may have an area-based circle equivalent average diameter of 50 to 500 μm.

また、前記骨格構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが、1.4以下であり、且つ、IG’/Iが1.5以下であってもよい。 The skeletal structure may have an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 1.4 or less and an I G ′ / I G of 1.5 or less.

また、前記骨格構造体は、嵩密度が、0.2〜2.3g/cmであってもよい。 The skeleton structure may have a bulk density of 0.2 to 2.3 g / cm 3 .

また、前記骨格構造体は、空気中での燃焼開始温度が700℃以上であってもよい。   The skeleton structure may have a combustion start temperature in air of 700 ° C. or higher.

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くてもよい。   Moreover, the particle diameter of the said granular part may be larger than the outer diameter of the said carbon fiber in the coupling | bond part of the said carbon fiber.

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ってもよい。   Moreover, the said carbon fiber structure may be produced | generated using the at least 2 or more carbon compound from which decomposition temperature differs as a carbon source.

本発明においては、複合材料の骨組みとなる骨格構造体が、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炭素繊維構造体を、炭素により3次元に結合してなるものであるために、炭素繊維構造体自体が有する3次元的な広がりに加えて、当該炭素繊維構造体同士がさらに3次元に結合しているため、従来にない広がりを持った、骨格構造体とすることができ、微細炭素繊維が有する導電性や力学特性及び熱伝導特性を充分に発揮することが可能となる。   In the present invention, the fine structure carbon fibers arranged in a three-dimensional network as described above in the skeleton structure serving as the framework of the composite material are strongly bonded to each other by the granular portions formed in the carbon fiber growth process. The carbon fiber structure having a shape in which a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion is three-dimensionally bonded with carbon, so that the carbon fiber structure itself has a three-dimensional structure. In addition to the wide spread, the carbon fiber structures are further three-dimensionally bonded to each other, so that a skeletal structure with an unprecedented spread can be obtained, and the electrical conductivity and mechanical properties of fine carbon fibers. In addition, the heat conduction characteristics can be sufficiently exhibited.

また、元々3次元ネットワーク状を呈する炭素繊維を出発物質としているため、従来のように外力を加えて無理に作った凝集体とは異なり、炭素繊維の一本一本に欠陥がないことも本発明の特徴であり、当該特徴によっても導電性や力学特性及び熱伝導特性を向上せしめることができる。   In addition, since carbon fibers that originally have a three-dimensional network form are used as starting materials, it is different from conventional aggregates that have been forcibly made by applying external force, so that there is no defect in each carbon fiber. This is a feature of the invention, and it is possible to improve electrical conductivity, mechanical properties, and heat conduction properties.

さらに、本願発明において、骨格構造体にホウ素を含有せしめたときは、構造に多少の欠陥を含んでいる場合であっても、高い導電性を得ることができる。   Furthermore, in the present invention, when boron is contained in the skeleton structure, high conductivity can be obtained even if the structure contains some defects.

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、炭素繊維構造体からなる骨格構造体と、当該骨格構造体の内部に形成される空隙部に含浸される樹脂、ゴム、金属、またはカーボン系材料と、から構成される。   The composite material of the present invention includes a skeleton structure composed of a carbon fiber structure, and a resin, rubber, metal, or carbon-based material impregnated in a void formed inside the skeleton structure. .

まずは、本発明の特徴の1つである骨格構造体について説明する。   First, a skeleton structure which is one of the features of the present invention will be described.

骨格構造体は、炭素繊維構造体を炭素により3次元に結合させることにより形成されている。   The skeleton structure is formed by three-dimensionally bonding a carbon fiber structure with carbon.

ここで、本発明において用いられる炭素繊維構造体は、例えば、図1に示すSEM写真または図2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ことを特徴とする炭素繊維構造体である。   Here, the carbon fiber structure used in the present invention is, for example, a three-dimensional network composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm as seen in the SEM photograph shown in FIG. 1 or the TEM photograph shown in FIG. The carbon fiber structure is characterized in that the carbon fiber structure has a granular portion that bonds the carbon fibers to each other in a form in which a plurality of the carbon fibers extend. Is the body.

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であり、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である。   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, the smaller the diameter due to the physical properties of the carbon fiber, the greater the number per unit amount and the longer the length of the carbon fiber in the axial direction, so that high conductivity can be obtained, and the outer diameter must exceed 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. A cylindrical graphene sheet laminated in a direction perpendicular to the axis, that is, a multi-layered one in this outer diameter range is difficult to bend and is elastic, that is, has a property of returning to its original shape even after deformation. Because.

なお、1800℃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。   When the annealing treatment is performed at 1800 ° C. or higher, the spacing between the stacked graphene sheets is narrowed and the true density is increased, and the carbon fiber has a polygonal axial cross section. Since it becomes dense and has few defects in both the surface directions of the cylindrical graphene sheet to be formed, the bending rigidity (EI) is improved.

加えて、当該微細炭素繊維は、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、樹脂等を含浸させた際に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、含浸される樹脂等が移動することを生じにくくすることができる。   In addition, the fine carbon fiber desirably has an outer diameter that changes along the axial direction. As described above, when the outer diameter of the carbon fiber is not constant along the axial direction and changes, it is considered that a kind of anchor effect is produced in the carbon fiber when impregnated with a resin or the like. It is possible to prevent the resin or the like from moving.

そして本発明に用いられ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、骨格構造体を形成した際に強固な構造とすることができる。また、本発明に用いられ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、複合材料とした場合に良好な導電パスを形成することができる。   In the carbon fiber structure used in the present invention, fine carbon fibers having such a predetermined outer diameter are present in a three-dimensional network, and these carbon fibers are granular formed in the growth process of the carbon fibers. The carbon fibers are bonded to each other at the portion, and a plurality of the carbon fibers extend from the granular portion. In this way, the fine carbon fibers are not merely entangled with each other, but are firmly bonded to each other in the granular portion, so that a strong structure is formed when the skeleton structure is formed. Can do. Further, in the carbon fiber structure used in the present invention, since the carbon fibers are bonded to each other by the granular portion 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 a simple entanglement of fine carbon fibers, or a junction between fine carbon fibers attached by a carbonaceous material or a carbide thereof after synthesis of the carbon fiber. Compared with the value of the structure or the like obtained, the value is very low, and a good conductive path can be formed when a composite material is used.

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、、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。本発明に用いられ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, at least a part of the graphene layer constituting the granular part is continuous with the graphene layer constituting the fine carbon fiber extending from the granular part. In the carbon fiber structure used in the present invention, between the granular portion and the fine carbon fiber, it is a symbol 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, the carbon crystal structural bonds are connected (at least a part thereof), thereby forming a strong bond between the granular portion and the fine carbon fiber. .

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」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” of the carbon fiber from the granular part simply means that the granular part and the carbon fiber are apparently connected to each other by another 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、これを用いて骨格構造体を形成し本発明の複合材料を得た場合に、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となる。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、本発明の複合材を形成する骨格構造体を構成する上で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 skeleton structure is formed using this to obtain a composite material of the present invention, a three-dimensional network structure is maintained even when a certain amount of elasticity is applied. Become. On the other hand, if the size of the granular portion is extremely large exceeding 250 times the outer diameter of the fine carbon fiber, the fibrous characteristics of the carbon fiber structure may be impaired, and the composite material of the present invention is formed. This is not desirable because it may not be suitable for constructing the skeleton structure. 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.

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50〜500μm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。この円相当平均径が50μm以下であると、3次元構造体として導電性、強度等の効果を十分に発揮することができない。なお、骨格構造体に用いられる炭素繊維構造体は、大きいほうが好ましいが、大きすぎると粉体としての取扱が困難となるため、500μm以下であることが好ましい。   The carbon fiber structure used in the present invention preferably has an area-based circle-equivalent mean diameter of about 50 to 500 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. When this circle-equivalent average diameter is 50 μm or less, the three-dimensional structure cannot sufficiently exhibit effects such as conductivity and strength. The carbon fiber structure used for the skeletal structure is preferably larger, but if it is too large, it becomes difficult to handle as a powder, and therefore it is preferably 500 μm or less.

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、最終的に複合材料とした場合に良好な導電パスや熱伝導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、複合材料を構成する骨格構造体が粗になってしまい、充分な強度が得られない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. On the other hand, if the average distance exceeds 300 μm, the skeletal structure constituting the composite material becomes rough, and sufficient strength may not be obtained. Because there is.

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、複合材料となった場合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 a composite material is formed.

次に上記で説明した炭素繊維構造体を用いて形成する骨格構造体について説明する。   Next, the skeleton structure formed using the carbon fiber structure described above will be described.

本発明の複合材料の骨格をなす骨格構造体は、上記3次元ネットワーク状の炭素繊維構造体がさらに炭素により3次元に接合されることにより構成されている。このような骨格構造体によれば、従来の、炭素繊維単体を接合してなる骨格構造体に比べて、出発物質である炭素繊維自体が3次元ネットワークを有している分だけ、強固な結合力と、高い導電性を持った骨格構造体となっている。   The skeletal structure that forms the skeleton of the composite material of the present invention is configured by three-dimensionally joining the three-dimensional network-like carbon fiber structure with carbon. According to such a skeletal structure, as compared with the conventional skeleton structure formed by bonding carbon fibers alone, the carbon fiber which is the starting material itself has a three-dimensional network, so that the bond is strong. It is a skeletal structure with high power and high conductivity.

また、本発明に用いられる骨格構造体にあっては、ホウ素が含有されていてもよい。ホウ素を含有することにより、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、「骨格構造体にホウ素が含有されている」とは、骨格構造体を構成する炭素原子の一部がホウ素に置換されている状態の他、骨格構造体の表面にホウ素が付着した状態をも含むものをいう。   In the skeleton structure used in the present invention, boron may be contained. By containing boron, each carbon fiber can be made into a highly crystalline carbon fiber. In the present invention, “boron is contained in the skeletal structure” means that boron is attached to the surface of the skeletal structure in addition to a state in which a part of carbon atoms constituting the skeletal structure is substituted by boron. The thing including the state which was done.

骨格構造体を構成する炭素繊維および接合炭素にホウ素を含有(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、高温でアニーリング処理することにより、炭素繊維および接合炭素にホウ素を含有せしめることができる。2000℃以上、さらには2300℃以上の温度で黒鉛化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するため、黒鉛化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 and the bonding carbon constituting the skeletal structure is not particularly limited. For example, the carbon fiber and the bonding carbon are still heat-treated at a low temperature (for example, 1500 ° C. or less), but still By mixing carbon fibers in an undeveloped state, carbon fibers in an unheated (as-grown) state, and boron (including boron compound), and then annealing at a high temperature, carbon fibers and Boron can be included in the bonding carbon. Although it is not impossible to incorporate boron into carbon fiber that has been graphitized at a temperature of 2000 ° C. or higher, and further 2300 ° C. or higher, it is not preferable in view of energy for doping boron. Since it also acts as a catalyst for promoting crystallization of carbon fibers, it is preferable to contain boron before the graphitization treatment.

骨格構造体に含有されるホウ素としても、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。前記のように骨格構造体にホウ素を含有せしめるにあっては、高温(例えば1800℃以上)でアニーリング処理を行う関係上、少なくとも1800℃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 skeletal 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 skeletal structure, annealing is performed at a high temperature (for example, 1800 ° C. or higher), and therefore boron that is not evaporated by decomposition or the like before reaching at least 1800 ° C. is used. is required. 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、骨格構造体に対して0.001〜10質量%であることが好ましく、0.01〜3.0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10質量%を超えると、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 0.001-10 mass% with respect to a skeleton structure, and it is especially preferable that it is 0.01-3.0 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 10% by mass, not only the processing cost becomes high, but also at the stage of heat treatment, it is easy to be melt-sintered and hardened, or the fiber surface is coated with boron, conversely, the conductivity deteriorates. There is a case to let you.

また、本発明の複合材料を構成する骨格構造体の大きさや形状については、特に限定されることはなく利用分野や要求される性能などにより適宜選択することが可能であるが、例えば、その嵩密度が、具体的には、0.2〜2.3g/cm、より好ましくは0.4〜2.1cmであることが望ましい。嵩密度が2.3g/cmを超えるものであると、骨格構造体の空隙に対して樹脂等を含浸させることが困難となるためである。 Further, the size and shape of the skeletal structure constituting the composite material of the present invention are not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the application field, required performance, and the like. density, specifically, 0.2~2.3g / cm 3, and particularly preferably in the range 0.4~2.1cm 3. This is because if the bulk density exceeds 2.3 g / cm 3 , it becomes difficult to impregnate the voids of the skeleton structure with a resin or the like.

また、本発明において用いられる骨格構造体は、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おける欠陥が少ないことが望ましく、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、0.25以下、より好ましくは0.1以下であり、且つ、IG’/Iが0.6〜1.5であることが望ましい。ここで、2000cm−1までの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おける欠陥量が少ないことが認められるためである。 In addition, the skeletal structure used in the present invention desirably has high strength and electrical conductivity, and preferably has few defects in the graphene sheet constituting the carbon fiber. Specifically, for example, Raman spectroscopy is used. It is desirable that the measured I D / I G ratio is 0.25 or less, more preferably 0.1 or less, and I G ′ / I G is 0.6 to 1.5. Incidentally, in Raman spectroscopic analysis of up to 2000 cm -1, the peak around 1580 cm -1 in a large single crystal graphite (G-band) only appear. 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, as described above, it is recognized that the amount of defects in the graphene sheet is small within the predetermined range.

なお、構造に多少の欠陥を含んでいても高い導電性を得ることが目的の用途である場合は、グラフェンシート中にホウ素を添加することが望ましく、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0.2〜0.8であることが望ましい。この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, it is desirable to add boron to the graphene sheet when the purpose is to obtain high conductivity even if the structure contains some defects. Specifically, for example, Raman spectroscopy It is desirable that the I D / I G ratio measured in (1) is 0.2 to 1.4, and I G ′ / I G is 0.2 to 0.8. 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 the thickness is within the predetermined range. 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骨格構造体は、空気中での燃焼開始温度が700℃以上、より好ましくは800〜900℃であることが望ましい。前記したように骨格構造体を構成する炭素繊維構造体が欠陥が少なく、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。   In addition, the skeletal structure used in the present invention desirably has a combustion start temperature in air of 700 ° C. or higher, more preferably 800 to 900 ° C. As described above, since the carbon fiber structure constituting the skeleton structure has few defects and the carbon fiber has an intended outer diameter, such a high thermal stability is obtained.

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)を得る。金属繊維にホウ素を含有する場合には、この段階、若しくは、タールなどの炭化水素を分離したのち、ホウ素またはホウ素化合物を混合した状態とする。そして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 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). When the metal fiber contains boron, after separating hydrocarbons such as this stage or tar, boron or a boron compound is mixed. Further, a high temperature heat treatment is performed. 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用い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. It can be used by adjusting the residence time in a predetermined temperature range, and the carbon fiber structure used in the present invention can be efficiently produced by 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、本発明に用い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 used in the present invention, in addition to the approach of using two or more carbon compounds having different decomposition temperatures as described above at an optimum mixing ratio, the carbon fiber structure is supplied to the reactor. 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 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、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ため、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に骨格構造体に用いてもよい。また高温熱処理(1800℃以上)を中間体に施した後、骨格構造体に用いてもよいが、上記したようにホウ素をドーピングさせるエネルギーの面からすると好ましくない。   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 ( It has an incomplete (burnt) structure and its Raman spectroscopic analysis reveals that the D band is very large and has many defects. Moreover, since the produced | generated intermediate body contains an unreacted raw material, a non-fibrous carbide, a tar content, and a catalyst metal, after removing volatile content, such as an unreacted raw material and a tar content, by heating at 800-1200 degreeC. It may be used for a skeletal structure. Further, after the high-temperature heat treatment (1800 ° C. or higher) is applied to the intermediate body, it may be used for the skeletal structure, but it is not preferable in terms of energy for doping boron as described above.

なお、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50〜500μmに解砕・粉砕処理する工程を経ることで、所望の円相当平均径を有する炭素繊維構造体を得る。   In addition, before or after such high-temperature heat treatment, a carbon fiber structure having a desired circle-equivalent average diameter is obtained by performing a process of crushing and pulverizing the circle-equivalent average diameter of the carbon fiber structure to 50 to 500 μm. Get the body.

このような特性を有する本発明における骨格構造体の製造方法については、特に限定されることはないが、具体例を示すと以下の通りである。   The method for producing the skeleton structure having such characteristics is not particularly limited, but specific examples are as follows.

まず、上記で説明した炭素繊維構造体と、有機バインダーとを双腕型ニーダーやミキサー型混練機を用いて混合混練する。バインダーとしては、熱硬化性樹脂あるいはピッチなどが挙げられる。熱硬化性樹脂は、常温では液体状態のもの、固形状であるが加熱温度50〜90℃程度で液体状になるものがあるが、100〜200℃程度の加熱による硬化工程により架橋・重合して高分子となり固化する性質を有し、加えて、高温に加熱しても流動状態とならずに分解して炭素化するという性質を有しているものであればいずれのものであってもよい。ピッチは様々な種類のものがあるが、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ等、いずれのものであってもよい。   First, the carbon fiber structure described above and an organic binder are mixed and kneaded using a double-arm kneader or a mixer-type kneader. Examples of the binder include a thermosetting resin or pitch. Thermosetting resins are in a liquid state at room temperature or in a solid form but become liquid at a heating temperature of about 50 to 90 ° C., but are crosslinked and polymerized by a curing process by heating at about 100 to 200 ° C. In addition, it has the property of becoming a polymer and solidifying, and in addition, any material that has the property of decomposing and carbonizing without being in a fluid state even when heated to a high temperature may be used. Good. There are various types of pitch, but any pitch such as isotropic pitch and mesophase pitch may be used.

なお、混練時に溶剤を用いる熱硬化性樹脂においては、混練後において熱硬化性樹脂を硬化させない程度の温度で溶剤を乾燥させておく。   In addition, in the thermosetting resin using a solvent at the time of kneading, the solvent is dried at a temperature that does not cure the thermosetting resin after kneading.

続いて、炭素繊維構造体が熱硬化性樹脂と混合混練されて塊状になっている場合には、解砕して次工程である成形工程に供することとする。   Subsequently, when the carbon fiber structure is mixed and kneaded with the thermosetting resin to form a lump, the carbon fiber structure is crushed and used for the next forming step.

成形工程においては、金型を用いて上下からプレスする方法、ゴム型を用いて静水圧にて等方的にプレスする方法などが好適である。   In the molding step, a method of pressing from above and below using a mold, a method of isotropic pressing using isostatic pressure using a rubber die, and the like are suitable.

プレス時における成形圧力は、1〜2000kg/cm程度が好ましい。なお、成形時に炭素繊維構造体間が熱硬化性樹脂にて結合されるが、熱硬化性樹脂が硬化していないと結合力が弱く、圧力を抜くと、炭素繊維構造体が有する復元性により結合したのものが外れてしまうため、プレス時に100〜200℃程度の温度に加熱して熱硬化性樹脂を硬化させて結合力を高めておくことが好ましい。 The molding pressure during pressing is preferably about 1 to 2000 kg / cm 3 . The carbon fiber structures are bonded with thermosetting resin at the time of molding, but if the thermosetting resin is not cured, the bonding force is weak, and if the pressure is released, the carbon fiber structure has a restorability. Since the bonded ones come off, it is preferable that the thermosetting resin is cured by heating to a temperature of about 100 to 200 ° C. during pressing to increase the bonding force.

次に、熱硬化性樹脂を硬化して得た成形体を脱酸素雰囲気または不活性ガス雰囲気中で加熱することにより熱硬化性樹脂を炭化させる。熱硬化性樹脂は、300〜900℃の範囲で分解して炭素化し、さらに高温にてアニーリング処理を施すことにより、炭素繊維構造体を構成す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。なお、アニーリング処理の際に、熱硬化性樹脂が炭化した部分も炭素繊維構造体と同様改質され、黒鉛化することとなる。   Next, the thermosetting resin is carbonized by heating the molded body obtained by curing the thermosetting resin in a deoxygenated atmosphere or an inert gas atmosphere. The thermosetting resin is decomposed and carbonized in the range of 300 to 900 ° C., and further subjected to an annealing treatment at a high temperature, whereby the patch-like sheet pieces constituting the carbon fiber structure are bonded to each other to form a plurality of pieces. A graphene sheet-like layer is formed. In the annealing process, the carbonized portion of the thermosetting resin is also modified in the same manner as the carbon fiber structure and graphitized.

バインダーにピッチを用いる場合は、プレス成形後150〜400℃で酸化性雰囲気で不融化処理し、その後、800〜1500℃で炭素化する。   When using a pitch for a binder, it infusibilizes in an oxidizing atmosphere at 150-400 degreeC after press molding, and carbonizes at 800-1500 degreeC after that.

なお、当該高温熱処理をする段階において、成形体とホウ素とを混合しておくことにより、炭素繊維の結晶内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、炭素繊維構造体の結晶内にホウ素を効率良く含有せしめるためには、炭素繊維構造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、水溶液として添加し、予め水分を蒸発させる方法や加熱過程で水分を蒸発する方法も用いることができる。水溶液を均一に混合すれば水分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 included (doped) in the crystal of the carbon fiber by mixing the compact and boron. Here, in order to efficiently contain boron in the crystal of the carbon fiber structure, it is necessary to mix the carbon fiber structure 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 water as an aqueous solution and evaporating water in advance or a method of evaporating water during the heating process can be used. If the aqueous solution is uniformly mixed, the boron compound can be uniformly attached to the fiber surface after moisture evaporation.

熱硬化性樹脂またはピッチのいずれを用いてもバインダーが硬化あるいは不融化するまでは成形体に圧力を加え、炭素繊維構造体の復元による接合部分の接離を防止することが好ましい。さらに好ましくは、炭素化及び黒鉛化工程においてのバインダーが炭素化し、炭素繊維構造体およびバインダー由来の炭素が黒鉛化する際も圧力を加えておくことが好ましい。1800℃以上の温度の高温にて熱処理を施すと炭素繊維構造体が拘束されたまま熱処理され、アニーリングにより成形体内での炭素繊維構造体の形状は固定化することができる。   It is preferable to apply pressure to the formed body until the binder is hardened or infusible by using either thermosetting resin or pitch to prevent contact and separation of the joint portion due to restoration of the carbon fiber structure. More preferably, pressure is also applied when the binder in the carbonization and graphitization steps is carbonized and the carbon fiber structure and the carbon derived from the binder are graphitized. When heat treatment is performed at a high temperature of 1800 ° C. or higher, the carbon fiber structure is heat-treated while being constrained, and the shape of the carbon fiber structure in the molded body can be fixed by annealing.

次に、上記の炭素化及び黒鉛化工程を終えた、炭素繊維構造体が炭素で接合してなる骨格構造体の内部に形成される空隙部に樹脂、ゴム、金属、カーボン系材料を含浸させる含浸工程を行う。   Next, a resin, rubber, metal, or carbon-based material is impregnated into the void formed inside the skeleton structure in which the carbon fiber structure is bonded with carbon after the above carbonization and graphitization steps are completed. An impregnation step is performed.

含浸工程において含浸せしめる樹脂としては、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等を挙げることができる。また、含浸させるゴムとしては、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、ノルボルネンゴム等を挙げることができる。また、含浸せしめる金属としては、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等が挙げられる。さらに含浸せしめるカーボン系材料としては、例えばグラッシーカーボンを挙げることができる。   Examples of the resin to be impregnated in the impregnation step include polypropylene, polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyacetal, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyvinyl acetate, polyamide, polyamideimide, polyetherimide, polyether ether ketone, polyvinyl alcohol, polyphenylene ether, Various thermoplastic resins such as poly (meth) acrylate and liquid crystal polymer, epoxy resins, vinyl ester resins, phenol resins, unsaturated polyester resins, furan resins, imide resins, urethane resins, melamine resins, silicone resins and urea resins A thermosetting resin etc. can be mentioned. The rubber to be impregnated includes natural rubber, styrene / butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), nitrile rubber (NBR), and chloroprene rubber (CR). Butyl rubber (IIR), urethane rubber, silicone rubber, fluorine rubber, acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber, ethylene acrylic rubber, norbornene rubber and the like. Examples of the metal to be impregnated include aluminum, magnesium, lead, copper, tungsten, titanium, niobium, hafnium, vanadium, and alloys and mixtures thereof. Further, examples of the carbon-based material to be impregnated include glassy carbon.

含浸方法としては、圧力方式と吸引方式のいずれもが適用可能である。圧力方式の含浸装置を用いる場合には、雌金型と雄金型からなる圧縮用金型の中に前述の骨格構造体と含浸材料を挿入し、圧力により含浸材料を骨格構造体の内部に形成された空隙部に含浸させる。前記圧縮用金型はヒーターにより加熱することができる。含浸材料が硬化剤により硬化させる樹脂モノマーである場合には前記ヒーターによる加熱は必要としない。この圧力方式は、上記の含浸材料のすべてに適用可能である。   As the impregnation method, either a pressure method or a suction method can be applied. When a pressure type impregnation apparatus is used, the aforementioned skeleton structure and impregnation material are inserted into a compression mold composed of a female mold and a male mold, and the impregnation material is placed inside the skeleton structure by pressure. The formed void is impregnated. The compression mold can be heated by a heater. When the impregnating material is a resin monomer that is cured by a curing agent, heating by the heater is not necessary. This pressure system is applicable to all of the above impregnated materials.

一方、吸引方式の含浸装置を用いる場合、含浸材料が金属やカーボン系材料の場合には適用できないが、硬化剤により硬化させる樹脂モノマーなどに対して有効な方法である。   On the other hand, when a suction type impregnation apparatus is used, it is not applicable when the impregnation material is a metal or a carbon-based material, but it is an effective method for a resin monomer to be cured by a curing agent.

本発明の複合材料全体に対する骨格構造体の体積%については、骨格構造体の空隙率や含浸材料の種類によって左右されるものであり、一概に特定することはできないが、10〜99.9%であることが好ましく、30〜90%が特に好ましい。骨格構造体の体積%が10%以下であると、骨格構造体の強度が充分なものとならない。一方、骨格構造体の体積%が、99.9%以上であると、空隙部への材料の含浸が困難となるためである。   The volume% of the skeletal structure with respect to the entire composite material of the present invention depends on the porosity of the skeleton structure and the type of impregnating material, and cannot be generally specified, but is 10 to 99.9%. Is preferable, and 30 to 90% is particularly preferable. When the volume% of the skeleton structure is 10% or less, the strength of the skeleton structure is not sufficient. On the other hand, when the volume% of the skeletal structure is 99.9% or more, it is difficult to impregnate the voids with the material.

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が、もちろん、これらに何ら限定されるものではない。   Further, regarding the composite material according to the present invention, when specific examples are shown according to the function of the carbon fiber structure to be blended, the following are exemplified, but of course, it is not limited to these at all. .

1)導電性を利用するもの
樹脂を含浸することによる、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、電線、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、金属等の材料を含浸した複合材料においても同様の効果が期待できる。
1) What uses conductivity As a conductive resin and a conductive resin molding by impregnating a resin, for example, it is suitably used for packaging materials, gaskets, containers, resistors, electric wires, and the like. In addition to the composite material with the resin, the same effect can be expected for a composite material impregnated with an inorganic material, particularly a material such as ceramics or metal.

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
樹脂を含浸することにより、電磁波遮蔽材等として好適である。
3) Utilizing electromagnetic wave shielding properties Impregnation with resin is suitable as an electromagnetic wave shielding material.

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、金属を含浸することで、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ことができる。
4) Utilizing physical properties Impregnating with resin or metal to improve slidability can be 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することも可能であろう。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、防振材に応用することもできる。   In addition, it will be possible to use it for electric wires, bodies of home appliances / vehicles / airplanes, and housings of machines by utilizing its light weight and tough characteristics. In addition, it can be used as an alternative to conventional carbon fibers and beads, and can be 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.

<導電性>
得られた板状試験片の導電性を、四探針低抵抗率計(三菱化学(株)製、ロレスタGP)を用いて測定し、同抵抗計により体積抵抗(Ω・cm)に換算し、平均値を算出した。
<Conductivity>
The conductivity of the obtained plate specimen was measured using a four-point probe low resistivity meter (Made by Mitsubishi Chemical Co., Ltd., Loresta GP) and converted to volume resistance (Ω · cm) using the same resistance meter. The average value was calculated.

<TG燃焼温度>
マックサイエンス製TG−DTAを用い、空気を0.1リットル/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 liter / 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.

<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。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。
<Restorability>
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 the density was measured to 0.9 g / cm 3 , the pressure was released and the density after restoration was 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.

(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).

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。   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.

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4に示す。図4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. 4, 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 portion 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0.82であった。   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 0.82.

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3に、またその粒度分布を表1に示した。   Further, an SEM photograph of the obtained carbon fiber structure as it is placed on an electron microscope sample holder and observed is shown in FIG. 3, and the particle size distribution is shown in Table 1.

また、得られた炭素繊維構造体の円相当平均径は、155μm、嵩密度は0.0029g/cm、ラマンI/I比値は、復元後の密度は0.25g/cmであった。 Furthermore, the circle-equivalent mean diameter of the obtained carbon fibrous structures, 155 .mu.m, a bulk density of 0.0029 g / cm 3, Raman I D / I G ratio, the density after decompression at 0.25 g / cm 3 there were.

さらに炭素繊維構造体における粒状部の粒径は平均で、443nm(SD207nm)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0.67(SD0.14)であった。   Further, the average particle size of the granular portion in the carbon fiber structure was 443 nm (SD 207 nm), which was 7.38 times the outer diameter of the fine carbon fiber in the carbon fiber structure. The circularity of the granular part was 0.67 (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、12.8μmであったが、超音波印加500分後の平均繊維長(D50)は、6.7μm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4.8%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。 Further, when the carbon fiber structure was subjected to the destructive test according to the procedure described above, the initial average fiber length (D 50 ) after 30 minutes of application of the ultrasonic wave was 12.8 μm. The average fiber length (D 50 ) was almost half of 6.7 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 average diameter (D 50 ) 30 minutes after application of ultrasonic waves, the rate of change (decrease) is only 4. 8%, and taking into account measurement errors, etc., the cut granular part itself is functioning as a bonding point between the fibers without being destroyed even under a load condition in which many cuts are generated in the fine carbon fiber. 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)骨格構造体の形成
上記i)で合成した炭素繊維構造体を用いて骨格構造体を形成した。
ii) Formation of skeletal structure A skeletal structure was formed using the carbon fiber structure synthesized in i) above.

具体的には、i)で合成した炭素繊維構造体にメタノールを溶剤としたフェノール樹脂(群栄化学工業株式会社レヂトップ)をバインダーとして添加混合した。バインダーは、炭素繊維構造体に対して25質量%添加し、混錬はミキサー方式の混錬機(株式会社シンキー製あわとり錬太郎)を用いた。次に、得られた混錬物を70℃のホットプレート上で乾燥し、乾燥後、150℃で加熱成形してフェノール樹脂を硬化した。次に得られた成形体をアルゴンガス雰囲気において、2500℃に加熱し、バインダー成分を炭化及び黒鉛化させた骨格構造体を得た。   Specifically, the carbon fiber structure synthesized in i) was added and mixed with a phenol resin (Gunei Chemical Industry Co., Ltd., Resitop) using methanol as a solvent. The binder was added in an amount of 25% by mass based on the carbon fiber structure, and kneading was performed using a mixer-type kneading machine (Shinky Awatori Rentaro Co., Ltd.). Next, the obtained kneaded material was dried on a hot plate at 70 ° C., and after drying, was molded by heating at 150 ° C. to cure the phenol resin. Next, the obtained molded body was heated to 2500 ° C. in an argon gas atmosphere to obtain a skeleton structure in which the binder component was carbonized and graphitized.

実施例1における骨格構造体の物性値を表3に示す。   Table 3 shows the physical property values of the skeletal structure in Example 1.

(実施例2)
実施例1と同様に樹脂を硬化して得た成形体に、Bをメタノールに溶解した溶液を含浸後乾燥する工程をホウ素添加量が成形体に対して3.5質量%となるよう繰り返した。ホウ素を担持させた成形体を実施例1と同様に、アルゴンガス雰囲気中において、2500℃に加熱し、バインダー成分を炭化及び黒鉛化させた骨格構造体を得た。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, the molded body obtained by curing the resin was impregnated with a solution obtained by dissolving B 2 O 3 in methanol and then dried, and the boron addition amount was 3.5% by mass with respect to the molded body. Repeated. In the same manner as in Example 1, the formed body supporting boron was heated to 2500 ° C. in an argon gas atmosphere to obtain a skeleton structure in which the binder component was carbonized and graphitized.

実施例2における骨格構造体の物性値を表3に示す。   Table 3 shows the physical property values of the skeleton structure in Example 2.

本発明の骨格構造体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 frame structure of the present invention. 本発明の骨格構造体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 frame structure of the present invention. 本発明の骨格構造体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 frame structure 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 (18)

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炭素繊維構造体を、炭素により3次元に接合させることにより形成されることを特徴とする骨格構造体。   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 The granular part is formed by joining a carbon fiber structure formed in the carbon fiber growth process in three dimensions with carbon. ホウ素が含有されていることを特徴とする請求項1に記載の骨格構造体。   The skeletal structure according to claim 1, wherein boron is contained. 前記ホウ素の含有量が、前記骨格構造体に対して0.001〜10質量%であることを特徴とする請求項2に記載の骨格構造体。   The skeleton structure according to claim 2, wherein the boron content is 0.001 to 10 mass% with respect to the skeleton structure. 前記炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜500μmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の骨格構造体。   The skeleton structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon fiber structure has an area-based circle-equivalent mean diameter of 50 to 500 µm. 前記骨格構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが1.4以下であり、且つ、IG’/Iが1.5以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の骨格構造体。 2. The skeleton structure has an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 1.4 or less and an I G ′ / I G of 1.5 or less. The skeleton structure according to any one of -4. 前記骨格構造体は、嵩密度が、0.2〜2.3g/cmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の骨格構造体。 The skeleton structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the skeleton structure has a bulk density of 0.2 to 2.3 g / cm 3 . 前記骨格構造体は、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1〜6のいずれか1つに記載の骨格構造体。   The skeleton structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the skeleton 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1〜7のいずれか1つに記載の骨格構造体。   The skeletal structure according to any one of claims 1 to 7, wherein a particle size 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1〜8のいずれか1つに記載の骨格構造体。   The skeleton structure according to any one of claims 1 to 8, wherein the carbon fiber structure is formed using at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures as a carbon source. 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炭素繊維構造体を、炭素により3次元に接合させることにより形成される骨格構造体を有し、
当該骨格構造体の内部に形成される空隙部には樹脂、ゴム、金属、またはカーボン系材料が含浸されていることを特徴とする複合材料。
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 The granular part has a skeletal structure formed by joining a carbon fiber structure formed in the carbon fiber growth process in three dimensions with carbon,
A composite material, wherein a void formed inside the skeleton structure is impregnated with resin, rubber, metal, or a carbon-based material.
前記骨格構造体には、ホウ素が含有されていることを特徴とする請求項10に記載の複合材料。   The composite material according to claim 10, wherein the skeleton structure contains boron. 前記ホウ素の含有量が、前記骨格構造体に対して0.001〜10質量%であることを特徴とする請求項11に記載の複合材料。   The composite material according to claim 11, wherein a content of the boron is 0.001 to 10 mass% with respect to the skeleton structure. 前記炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜500μmであることを特徴とする請求項10〜12のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to claim 10, wherein the carbon fiber structure has an area-based circle-equivalent mean diameter of 50 to 500 μm. 前記骨格構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが1.4以下であり、且つ、IG’/Iが1.5以下であることを特徴とする請求項10〜13のいずれか1つに記載の複合材料。 11. The skeleton structure has an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 1.4 or less and an I G ′ / I G of 1.5 or less. The composite material as described in any one of ˜13. 前記骨格構造体は、嵩密度が、0.2〜2.3g/cmであることを特徴とする請求項10〜14のいずれか1つに記載の複合材料。 The composite material according to claim 10, wherein the skeletal structure has a bulk density of 0.2 to 2.3 g / cm 3 . 前記骨格構造体は、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10〜15のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 10 to 15, wherein the skeletal 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10〜16のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 10 to 16, 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10〜17のいずれか1つに記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 10 to 17, wherein the carbon fiber structure is formed using at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures as a carbon source.
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