JP2007139668A - Control rod for reactor and manufacturing method for the same - Google Patents

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ヘイコ ホッケ
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control rod made of an integral molding having a sufficient strength, having a sufficient neutron absorption capacity and having a structure facilitating emission of helium produced by controlling the porosity of the molding, and a manufacturing method for the same. <P>SOLUTION: The control rod includes a carbon nanostructure containing boron at least as part of a member. The carbon nanostructure, a boron compound and a thermosetting resin composition are mixed, molded, and heated and burned to make the control rod. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、原子炉の出力を制御するための制御棒およびその製造方法に関するものである。特に、本発明は沸騰水型原子炉に好適に用いられる制御棒およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a control rod for controlling the output of a nuclear reactor and a method for manufacturing the same. In particular, the present invention relates to a control rod suitably used for a boiling water reactor and a method for manufacturing the same.

一般に知られるように、原子炉内の制御棒は反応の制御の機能を果たす。これは一般に、中性子吸収材料を内蔵する複数の制御棒を設けそして原子炉内で制御棒を操作することにより達成される。一般に、沸騰水型原子炉(BWR)内で用いる制御棒は十字形でありそして燃料チャネル間の補完的な十字形間隙内に延在する。   As is generally known, the control rods in the reactor serve to control the reaction. This is generally accomplished by providing a plurality of control rods containing neutron absorbing material and operating the control rods in a nuclear reactor. In general, control rods used in boiling water reactors (BWRs) are cruciform and extend into complementary cruciform gaps between fuel channels.

このような制御棒としては従来種々のタイプのものが知られている。   Various types of control rods are conventionally known.

特許文献1には、中性子吸収材として炭化ホウ素を内蔵する4枚の翼を備え、横断面が十字形をなし原子炉の出力を制御するための制御棒において、前記翼の内部に含まれる炭化硼素中の10Bの濃度が制御棒の外側から内側に向かって低くなるように、10Bを分布させたことを特徴とする制御棒が開示されている。この制御棒においては、制御棒の高さ、および半径方法に中性子吸収剤である10Bの濃度を変化させ、吸収すべき中性子量相応の少ない10Bを用い、効率を高めている。 Patent Document 1 includes four blades containing boron carbide as a neutron absorber, and has a cross-shaped cross section, and a control rod for controlling the output of a nuclear reactor includes carbonization contained in the blades. A control rod characterized in that 10 B is distributed so that the concentration of 10 B in boron decreases from the outside toward the inside of the control rod is disclosed. In this control rod, the concentration of 10 B, which is a neutron absorber, is changed in the height and radius method of the control rod, and the efficiency is increased by using 10 B which is small in proportion to the amount of neutrons to be absorbed.

また、特許文献2には、2D−炭素繊維強化炭素複合材料で形成されてなる中性子吸収材収納用容器内部に炭化ホウ素ペレットなどの中性子吸収材を収納してなる制御棒が開示されている。この制御棒においては、2D−炭素繊維強化炭素複合材料で容器体を形成することによって、容器体を高強度で製造が容易なものとしている。   Patent Document 2 discloses a control rod in which a neutron absorbing material such as boron carbide pellets is housed inside a neutron absorbing material housing container formed of a 2D-carbon fiber reinforced carbon composite material. In this control rod, the container body is made of a 2D-carbon fiber reinforced carbon composite material to make the container body high in strength and easy to manufacture.

特許文献3には、炭素繊維から成る制御棒用成形体を製作し、前記成形体にコールタールピッチを含浸させて炭化・焼結し、さらに炭化ホウ素粉末を前記成形体外筒に封入し、焼結して、一体化させてなる制御棒が開示されている。   In Patent Document 3, a control rod molded body made of carbon fiber is manufactured, the molded body is impregnated with coal tar pitch, carbonized and sintered, and boron carbide powder is sealed in the outer cylinder of the molded body. As a result, an integrated control rod is disclosed.

特許文献4には、炭素繊維強化炭素複合材料(CCコンポジット)とホウ素が組み合わされたホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料から構成される制御棒容器とその内部に格納された中性子吸収材とが一体化された原子炉の制御棒が開示されている。構造体と中性子吸収材とを一体化することによって、構造物と中性子吸収材との相互作用がなく、かつ製造が容易なものとしている。   In Patent Document 4, a control rod container made of a boron mixed carbon fiber reinforced carbon composite material obtained by combining a carbon fiber reinforced carbon composite material (CC composite) and boron and a neutron absorber stored therein are integrated. A nuclear reactor control rod is disclosed. By integrating the structure and the neutron absorber, there is no interaction between the structure and the neutron absorber, and manufacturing is easy.

しかしながら、特許文献1および2に示される制御棒は、中性子吸収材である炭化ホウ素ないし10Bおよびこれを収納する容器体からなり、構造が複雑である。このため、中性子吸収性能の均質化が困難でかつ製造コストが高くなるという問題を有していた。 However, the control rods shown in Patent Documents 1 and 2 are composed of boron carbide or 10 B, which is a neutron absorbing material, and a container body that houses this, and the structure is complicated. For this reason, there existed a problem that homogenization of neutron absorption performance was difficult and manufacturing cost became high.

また特許文献3に示される制御棒は、外筒の製造に1〜10日、炭化ホウ素からなる充填物の焼結に1〜5日を要し、製造コストが高くなり、また中性子吸収後のヘリウムによる膨潤により制御棒が破損する虞れがあるという問題点を有していた。   In addition, the control rod shown in Patent Document 3 requires 1 to 10 days for the production of the outer cylinder, and 1 to 5 days for the sintering of the packing made of boron carbide. There was a problem that the control rod could be damaged by swelling with helium.

さらに特許文献4に示される制御棒においては、CCコンポジットにホウ素分散体を含浸させて吸収材とするものであるため、含浸量によるホウ素を高濃度化できず、十分な中性子吸収量が得られず、また中性子吸収後のヘリウムによる膨潤により制御棒が破損する虞れがあるという問題点を有していた。
特開平10−293188号公報 特開2004−119386号公報 特許第2784304号公報 特開2004−132758号公報
Further, in the control rod shown in Patent Document 4, since a CC composite is impregnated with a boron dispersion to form an absorbent material, the boron concentration cannot be increased by the impregnation amount, and a sufficient neutron absorption amount can be obtained. In addition, the control rod may be damaged by swelling with helium after neutron absorption.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-293188 JP 2004-119386 A Japanese Patent No. 2784304 JP 2004-132758 A

従って、本発明は、上記したような従来技術における制御棒の問題点を解決してなる原子炉用制御棒およびその製造方法を提供することを課題とする。本発明はさらに、中性子吸収後のヘリウムによる制御棒の膨潤に対して十分な強度を有する制御棒であって、十分な中性子吸収能を有し、さらにこの成形体の空隙度を制御することにより生成するヘリウムを放出しやすい構造を有する制御棒およびその製造方法を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a control rod for a nuclear reactor and a method for manufacturing the same, which solve the problems of the control rod in the conventional technology as described above. The present invention further provides a control rod having sufficient strength against swelling of the control rod by helium after neutron absorption, has sufficient neutron absorption capability, and further controls the porosity of the molded body. It is an object of the present invention to provide a control rod having a structure that easily releases generated helium and a method for manufacturing the same.

上記課題を解決する本発明は、ホウ素を含有するカーボンナノ構造体を部材の少なくとも一部とすることを特徴とする原子炉用制御棒である。   The present invention for solving the above problems is a control rod for a nuclear reactor characterized in that a carbon nanostructure containing boron is used as at least a part of the member.

本発明はまた、ホウ素を含有するカーボンナノ構造体中のホウ素の含有量が、原子単位換算にて好ましくは10〜70質量%であることを特徴とする制御棒を提供するものである。。   The present invention also provides a control rod characterized in that the boron content in the carbon nanostructure containing boron is preferably 10 to 70% by mass in terms of atomic units. .

本発明においてはさらに、前記カーボンナノ構造体が、好ましくは外径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る炭素繊維構造体炭素繊維構造体であることを特徴とする制御棒を提供するものである。   In the present invention, the carbon nanostructure is preferably a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure includes the carbon fibers. The carbon fiber structure is a carbon fiber structure that has a granular portion that binds the carbon fibers to each other, and the granular portion is formed in the growth process of the carbon fiber. The present invention provides a control rod characterized by the above.

本発明は、好ましくはホウ素を含有するカーボンナノ構造体を部材として一体成型してなる制御棒を提供するものである。   The present invention preferably provides a control rod formed by integrally molding carbon nanostructures containing boron as members.

上記課題を解決する本発明はまた、カーボンナノ構造体、ホウ素化合物および熱硬化性樹脂組成物を混合し、成型後、加熱焼成することを特徴とする制御棒の製造方法を提供するものである。   The present invention that solves the above-mentioned problems also provides a method for producing a control rod, which comprises mixing a carbon nanostructure, a boron compound, and a thermosetting resin composition, followed by heating and firing. .

本発明はまた、カーボンナノ構造体、ホウ素化合物および熱硬化性樹脂組成物の混合物を注型重合して成型を行うものである制御棒の製造方法を提供するものである。   The present invention also provides a method for producing a control rod, in which a mixture of a carbon nanostructure, a boron compound, and a thermosetting resin composition is cast and polymerized.

本発明はさらに、加熱焼成温度が好ましくは1500〜2800℃である制御棒の製造方法を提供するものである。   The present invention further provides a method for producing a control rod having a heating and firing temperature of preferably 1500 to 2800 ° C.

本発明の制御棒は、その構造が単純であって製造コストが低く、また、カーボンナノ構造体の高い強度を活かして十分な強度を有する一方で、ホウ素を効率良く保持して十分な中性子吸収能を発揮し、かつ成形体の空隙率が容易に制御できるために中性子吸収後に生成するヘリウムを放出しやすい構造を呈するため、使用時に破損等を生じる虞れが少なく安定した特性を発揮できるものとなる。   The control rod of the present invention is simple in structure and low in manufacturing cost, and has sufficient strength by taking advantage of the high strength of carbon nanostructures, while retaining boron efficiently and sufficiently absorbing neutrons. It has a structure that is easy to release helium generated after neutron absorption because it can easily control the porosity of the molded body, and can exhibit stable characteristics with little risk of damage during use. It becomes.

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.

本発明の制御棒は、ホウ素を含有するカーボンナノ構造体を部材の少なくとも一部とすることを特徴とするものである。   The control rod of the present invention is characterized in that a carbon nanostructure containing boron is at least a part of the member.

本発明の制御棒は、例えば、後述するような製造方法により得ることが可能であるが、カーボンナノ構造体を構成する炭素は曲率を有するsp結合を有するため、グラファイトのように完全な平面構造を与えるsp結合に比較して、反応性に富むものであり、このため例えば、ホウ酸のような化合物をホウ素源に用いても、カーボンナノ構造体と当該ホウ素化合物を混合後、加熱処理を加えることによって炭化ホウ素を生成し、効率よく中性子吸収能を有するホウ素を固定化することが可能であり、かつ高強度の成型体となるものである。 The control rod of the present invention can be obtained, for example, by a manufacturing method as described later. However, since the carbon constituting the carbon nanostructure has a sp 2 bond having a curvature, it is completely flat like graphite. Compared with the sp 2 bond that gives the structure, it is rich in reactivity. For this reason, even if a compound such as boric acid is used as the boron source, the carbon nanostructure and the boron compound are mixed and then heated. By applying the treatment, boron carbide can be generated, and boron having neutron absorption ability can be immobilized efficiently, and a high-strength molded body can be obtained.

なお、本発明の制御棒において、「ホウ素を含有するカーボンナノ構造体」とは、必ずしも、カーボンナノ構造体を構成する炭素原子に対して、ホウ素原子が共有結合によって化学的に結合された状態のみを意味するものではなく、ホウ素がカーボンナノ構造体に物理的に付着ないし吸着された状態をも意味するものであるが、好ましくは、少なくともその一部が上記したように化学的に結合された状態で固定化されていることが望ましい。   In the control rod of the present invention, the “carbon nanostructure containing boron” is not necessarily a state in which boron atoms are chemically bonded to the carbon atoms constituting the carbon nanostructure by a covalent bond. This means that boron is physically attached to or adsorbed to the carbon nanostructure, but preferably, at least a part thereof is chemically bonded as described above. It is desirable that it is fixed in the state.

このような本発明の制御棒において、ホウ素を含有するカーボンナノ構造体中のホウ素の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、原子単位換算にて好ましくは10〜70質量%、より好ましくは10〜40質量%であることが望ましい。ホウ素の含有量が、10〜70質量%において、十分な中性子吸収能を達成するため、及び制御棒の部材として安定な構造体を形成するために好ましい。なお、本発明の制御棒において含有させるホウ素としては、経済的な観点から、中性子吸収能を有する10Bの含有割合が20%程度とされる天然ホウ素で十分であるが、もちろん10Bの含有割合を高濃度、例えば60質量%以上に高めた濃縮化ホウ素を用いることも可能であり、この場合には、制御棒におけるホウ素含有量が上記範囲のものよりも低いものであっても十分な中性子吸収能を発揮させることが可能である。 In such a control rod of the present invention, the content of boron in the carbon nanostructure containing boron is not particularly limited, but for example, preferably 10 to 70% by mass in terms of atomic unit, More preferably, the content is 10 to 40% by mass. The boron content is preferably 10 to 70% by mass in order to achieve a sufficient neutron absorption capacity and to form a stable structure as a control rod member. As the boron to be contained in the control rod of the present invention, from the economic point of view, the content of which is sufficient in natural boron content of 10 B having a neutron absorbing capability is about 20%, of course 10 B It is also possible to use concentrated boron whose proportion is increased to a high concentration, for example, 60% by mass or more. In this case, it is sufficient even if the boron content in the control rod is lower than the above range. It is possible to exhibit neutron absorption ability.

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.

本発明の制御棒は、好ましくは一体的に成型されるものであるので、その形状等は、例えば、十字形、円筒形、円環形等任意のものとすることができる。   Since the control rod of the present invention is preferably molded integrally, the shape or the like can be any shape such as a cross, a cylinder, or a ring.

また本発明の制御棒は、特に限定されるものではないが、その空隙率が、例えば、好ましくは0.05〜10%程度、より好ましくは0.1〜2%程度であることが望ましい。空隙率が0.05〜10%の範囲内にあると、中性子吸収により発生するヘリウムを容易に放出することが可能であり、かつ制御棒の機械的強度も十分に優れたものとなるためである。   Further, the control rod of the present invention is not particularly limited, but the porosity is preferably, for example, preferably about 0.05 to 10%, and more preferably about 0.1 to 2%. When the porosity is in the range of 0.05 to 10%, helium generated by neutron absorption can be easily released, and the mechanical strength of the control rod is sufficiently excellent. is there.

このような本発明に係る制御棒は、例えば、以下のようにして製造することが可能である。   Such a control rod according to the present invention can be manufactured, for example, as follows.

すなわち、本発明に係る制御棒は、カーボンナノ構造体、ホウ素化合物および成型のための熱硬化性樹脂組成物を所定の割合で混合し、例えば、室温(25℃±5℃)〜140℃に加熱して棒状に成型後、600〜1500℃に加熱して、熱硬化性樹脂を炭化し、カーボンナノ構造体にホウ素を固定化させる、好ましくはカーボンナノ構造体とホウ素化合物を反応させることで炭化ホウ素を生成することで、製造することができる。上述したように、カーボンナノ構造体を構成する炭素は曲率を有するsp結合を有するため、グラファイトのように完全な平面構造を与えるsp結合に比較して、反応性に富むものであり、このため例えば、ホウ酸のような化合物をホウ素源に用いても、カーボンナノ構造体と当該ホウ素化合物を混合後、加熱処理を加えることによって炭化ホウ素を生成し、効率よく中性子吸収能を有するホウ素を固定化することが可能であり、かつ高強度の成型体となるものである。また、この構造体の空隙率は、上記熱硬化性樹脂組成物の添加量を調節することで制御可能である。 That is, the control rod according to the present invention is a mixture of a carbon nanostructure, a boron compound, and a thermosetting resin composition for molding at a predetermined ratio, for example, from room temperature (25 ° C. ± 5 ° C.) to 140 ° C. After heating and forming into a rod shape, heating to 600-1500 ° C. to carbonize the thermosetting resin and immobilize boron to the carbon nanostructure, preferably by reacting the carbon nanostructure with the boron compound It can be manufactured by producing boron carbide. As described above, since the carbon constituting the carbon nanostructure has a sp 2 bond having a curvature, the carbon nanostructure is rich in reactivity compared to the sp 2 bond that gives a complete planar structure like graphite. For this reason, for example, even when a compound such as boric acid is used as a boron source, boron carbide is efficiently produced by mixing the carbon nanostructure and the boron compound and then heat-treating, and has a good neutron absorption capability. Can be fixed, and a high-strength molded body can be obtained. Moreover, the porosity of this structure is controllable by adjusting the addition amount of the said thermosetting resin composition.

このような製造方法において、カーボンナノ構造体、ホウ素化合物および熱硬化性樹脂組成物の混合物を所定の棒状に成型する方法としては、特に限定されるものではないが、熱硬化性樹脂組成物の一般的な成型方法である、注型重合によって、成型を行うものであることが好ましい。   In such a production method, the method of molding the mixture of the carbon nanostructure, the boron compound and the thermosetting resin composition into a predetermined rod shape is not particularly limited. It is preferable to perform molding by casting polymerization, which is a general molding method.

次に、本発明において用いられるカーボンナノ構造体とは、主として、炭素の六員環配列構造を有する構造体であって、この構造体の三次元のディメンションのうち少なくとも1つの寸法がナノメートルの領域にある、たとえば、10〜150nm程度、好ましくは20〜90nmのものである。   Next, the carbon nanostructure used in the present invention is mainly a structure having a carbon six-membered ring arrangement structure, and at least one of the three-dimensional dimensions of the structure is nanometer. In the region, for example, about 10 to 150 nm, preferably 20 to 90 nm.

この炭素の六員環配列構造としては、代表的には、シート状のグラファイトグラフェンシートを例示することができ、さらには、たとえば、炭素の六員環に五員環もしくは七員環が組み合わされた構造等をも含むことができる。   A typical example of the carbon six-membered ring arrangement structure is a sheet-like graphite graphene sheet. Further, for example, a five-membered ring or seven-membered ring is combined with a six-membered ring of carbon. The structure etc. can also be included.

より具体的には、カーボンナノ構造体としては、たとえば、一枚のグラフェンシートが筒状に丸まってできる直径数nm程度の単層カーボンナノチューブや、筒状のグラフェンシートが軸直角方向に積層した多層カーボンナノチューブ(多壁カーボンナノチューブ)、単層カーボンナノチューブの端部が円錐状で閉じたカーボンナノホーン、このカーボンナノホーンが直径100nm程度の球状の集合体となったカーボンナノホーン集合体等を例示することができる。さらに、炭素の六員環配列構造を有するカーボンオニオン等や、炭素の六員環配列構造中に五員環が導入されたフラーレンやナノカプセル等が包含される。なお、本発明においてこれらのカーボンナノ構造体は、上記したような種類の単独体とすることも、あるいは、2種以上の混合体とすることも可能である。   More specifically, as the carbon nanostructure, for example, a single-walled carbon nanotube having a diameter of about several nanometers, which is a single graphene sheet rounded into a cylindrical shape, or a cylindrical graphene sheet laminated in a direction perpendicular to the axis Examples include multi-walled carbon nanotubes (multi-walled carbon nanotubes), carbon nanohorns in which the ends of single-walled carbon nanotubes are closed in a conical shape, and carbon nanohorn aggregates in which the carbon nanohorn is a spherical aggregate having a diameter of about 100 nm. Can do. Further, carbon onions having a carbon six-membered ring arrangement structure, fullerenes and nanocapsules in which a five-membered ring is introduced into the carbon six-membered ring arrangement structure, and the like are included. In the present invention, these carbon nanostructures can be a single type of the above-mentioned type or a mixture of two or more types.

これらのカーボンナノ構造体のうち、特に、筒状のグラフェンシートが軸直交断面が多角形状であるカーボンナノチューブを用いることが、後述する本発明の製造方法において、一種の賦形剤として用いられる熱硬化性樹脂組成物中におけるカーボンナノ構造体の分散性を高める上から好ましいものである。カーボンナノチューブの軸直交断面が多角形状であることは、2500℃以上の温度にて熱処理を施すことに起因するものであるが、この熱処理により、カーボンナノチューブを繊維方向および積層方向の両方において緻密で欠陥の少ないものとし、曲げ剛性を著しく向上させることができる。この結果、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を付与することができるので、絡み合った構造をとり難く熱硬化性樹脂に容易に分散させることができるためである。なお、カーボンナノチューブは単層でもよいが、グラフェンシートが軸直角方向に積層した多層のものの方が、曲げ剛性を向上させる上で好ましいものである。   Among these carbon nanostructures, in particular, the use of carbon nanotubes having a cylindrical graphene sheet having a polygonal shape in which the axis orthogonal to the cross section is a polygon is a heat used as a kind of excipient in the production method of the present invention described later. This is preferable from the viewpoint of enhancing the dispersibility of the carbon nanostructure in the curable resin composition. The fact that the carbon nanotube has a polygonal cross section perpendicular to the axis is due to heat treatment at a temperature of 2500 ° C. or higher. This heat treatment causes the carbon nanotubes to be dense in both the fiber direction and the lamination direction. The bending rigidity can be remarkably improved with few defects. As a result, it is difficult to bend and elasticity, that is, a property of returning to the original shape even after deformation can be imparted, so that it is difficult to form an entangled structure and it can be easily dispersed in a thermosetting resin. The carbon nanotubes may be single-walled, but a multi-layered structure in which graphene sheets are laminated in the direction perpendicular to the axis is preferable in terms of improving bending rigidity.

さらに、カーボンナノ構造体としては、以下に詳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用いることが好ましい。   Further, as the carbon nanostructure, it is preferable to use a three-dimensional network-like carbon fiber structure having a predetermined structure as described in detail below.

本発明において好ましく用いられるこの炭素繊維構造体は、例えば、図4(a)および(b)に示すTEM写真に見られるように、好ましくは外径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。   The carbon fiber structure preferably used in the present invention is preferably a three-dimensional structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, as can be seen from the TEM photographs shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). It is a network-like carbon fiber structure, and the carbon fiber structure has a granular portion that binds the carbon fibers to each other in a form in which a plurality of the carbon fibers extend.

炭素繊維構造体を構成する炭素繊維の外径を、好ましくは15〜100nmの範囲のものとするのは、この範囲の場合に後述するように炭素繊維の断面が多角形状となり、熱硬化性樹脂中へのカーボンナノ構造体の分散性を高める観点より、かつ高強度の制御棒を製造する観点より好ましいからである。   The outer diameter of the carbon fiber constituting the carbon fiber structure is preferably in the range of 15 to 100 nm. In this range, the carbon fiber has a polygonal cross section, as will be described later, and a thermosetting resin. This is because it is preferable from the viewpoint of increasing the dispersibility of the carbon nanostructure therein and from the viewpoint of manufacturing a high-strength control rod.

なお、炭素繊維構造体における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、熱硬化性樹脂組成物中に配された後において、疎な構造を採りやすくなる。   In addition, especially as an outer diameter of the carbon fiber in a carbon fiber structure, it is more desirable to exist in the range of 20-70 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 disposed in the thermosetting resin composition.

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、本発明に用いられるカーボンナノ構造体ないし上記炭素繊維構造体における該微細炭素繊維は、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、熱硬化性樹脂組成物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 outer diameter of the carbon nanostructure used in the present invention or the fine carbon fiber in the carbon fiber structure changes along the axial direction. Thus, if 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 occurs in the carbon fiber in the thermosetting resin composition, In this case, the dispersion stability is increased.

そして本発明において好ましく用いられる上記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、熱硬化性樹脂組成物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。   In the carbon fiber structure preferably used in the present invention, fine carbon fibers having such a predetermined outer diameter exist in a three-dimensional network, and these carbon fibers are formed during the growth process of the carbon fibers. The granular parts are bonded to each other and have a shape in which a plurality of the carbon fibers extend from the granular part. In this way, the fine carbon fibers are not simply entangled with each other, but are tightly bonded to each other in the granular part, so when disposed in the matrix of the thermosetting resin composition The structure can be dispersed and blended in the matrix as a bulky structure without being dispersed as a single carbon fiber.

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(後述する第一中間体および第二中間体)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4(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 (first intermediate and second 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, After the subsequent high-temperature heat treatment, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), at least a part of the graphene layer constituting the granular part is graphene constituting the fine carbon fiber extending from the granular part It will be continuous in layers. 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好ましくは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、熱硬化性樹脂組成物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、最終的に得られる制御棒の特性が所期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 preferably 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 the carbon fiber structure is disposed in a matrix such as a thermosetting resin composition resin, a bonding force is provided, and a three-dimensional network structure is maintained even when a certain amount of elasticity is applied. It can be dispersed in the matrix as it is. 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 characteristics of the carbon fiber structure may be impaired, and the control rod finally obtained This is not desirable because there is a possibility that the characteristics of the above will not be expected. 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、平均値で好ましくは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 fibers in the carbon fiber structure, but for example, an average value of preferably 20 to 5000 nm is more preferable. Preferably it is 25-2000 nm, More preferably, it is about 30-500 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、平均値で好ましくは0.2〜1、より好ましくは0.5〜0.99、さらに好ましくは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 nearly spherical shape, and the circularity is preferably 0.2 to 1, more preferably 0.5 to 0.99, and still 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 between the fibers is stably held. It is what.

また、本発明において好ましく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。   In addition, the carbon fiber structure preferably used in the present invention has an area-based circle-equivalent mean diameter of 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.

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、得られる制御棒の機械的強度が所望の水準に得られる点、及び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らず、混合分散性あるいは成形性が良好であるという点より、円相当平均径が50〜100μmであることが好ましい。   This circle-equivalent mean diameter is a factor that determines the longest length of the carbon fiber structure when blended in a matrix such as a resin. In general, the mechanical strength of the obtained control rod is desired. The average equivalent circle diameter is from 50 to 100 μm from the point that it can be obtained at a standard level, and that there is no significant increase in viscosity when mixing into a matrix by kneading or the like, and that the mixing and dispersibility or moldability is good. preferable.

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、好ましくは0.5〜300μm、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、0.5〜300の場合に、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るために、得られる制御棒が良好な空隙性を形成し得るものとなり、かつマトリックス中に分散配合させる際に、粘性を高くさせたり、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ことがないので好ましい。   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 parts connecting carbon fibers are present to form a three-dimensional network, the average distance between adjacent granular parts is preferably 0, for example. 0.5 to 300 μm, more preferably 0.5 to 100 μm, and still 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 0.5 to 300, the carbon fiber is sufficiently developed into a three-dimensional network, so that the obtained control rod can form a good porosity. And, when dispersed and blended in the matrix, it is preferable because the viscosity is not increased and the dispersibility of the carbon fiber structure in the matrix is not lowered.

さらに、本発明の制御棒の製造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、得られる制御棒の空隙度の制御性が低下する虞れがある。 Furthermore, in the carbon fiber structure used in the manufacture of the control rod of the present invention, as described above, the 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, it is 0.001 to 0.02 g / cm 3 . If the bulk density exceeds 0.05 g / cm 3 , the controllability of the porosity of the resulting control rod may be reduced.

また、本発明の制御棒はホウ素を含有するカーボンナノ構造体によって構成されるが、高い強度および安定な中性子吸収能を発揮させる上から、カーボンナノ構造体を構成するグラフェンシート中の炭素原子にホウ素原子が結合されていることが望ましく、それを与えるカーボンナノ構造体原料のラマン分光分析法(アルゴンレーザーの514nmの波長を用いて測定)で測定されるI/I比は、0.2以下、より好ましくは0.1以下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。従って、I/Iが低いことは欠陥の少ない黒鉛構造からなるカーボンナノ構造体を示唆する。 In addition, the control rod of the present invention is composed of carbon nanostructures containing boron. From the standpoint of exhibiting high strength and stable neutron absorption capability, the control rods of the graphene sheet constituting the carbon nanostructures The boron atom is desirably bonded, and the I D / I G ratio measured by Raman spectroscopy (measured using a wavelength of 514 nm of an argon laser) of the carbon nanostructure raw material giving the boron atom is 0. It is desirable that it is 2 or less, more preferably 0.1 or less. 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. Therefore, a low I D / I G suggests a carbon nanostructure having a graphite structure with few defects.

ホウ素はsp2混成軌道を生成しやすく、同じ結合からなる黒鉛の炭素と置換されやすい。従ってI/Iが低い炭素繊維構造体を用いることで、ホウ素含有量が高められた制御棒を得ることができる。 Boron tends to generate sp2 hybrid orbitals, and is easily replaced with graphite carbon composed of the same bonds. Therefore I D / I G is The use of low carbon fibrous structures may be boron content to obtain a control rod elevated.

本発明において好適に用いられる前記炭素繊維構造体はまた、空気中での燃焼開始温度が750℃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。   The carbon fiber structure suitably used in the present invention preferably has a combustion start temperature in air of 750 ° C. or higher, more preferably 800 to 900 ° C. As described above, since the carbon fiber structure has few defects and the carbon fiber has an intended outer diameter, the carbon fiber structure has such a high thermal stability.

本発明において好適に用いられる前記炭素繊維構造体は、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。   Although the said carbon fiber structure used suitably in this invention is not specifically limited, For example, it can prepare 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、これをさらに高温熱処理する。   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), which is further heat-treated.

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、本発明に係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 according to 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 this specification does not necessarily mean that two or more kinds of raw material organic compounds are used, but a case where 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, and even more preferably 3 It is desirable to set it to -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.

後述する第一中間体の合成は、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 first intermediate, which will be described later, is carried out using the usual CVD method for hydrocarbons, etc., evaporating the mixed liquid of hydrocarbons and catalysts as raw materials and introducing hydrogen gas etc. into the reactor as a carrier gas And pyrolyzed at a temperature of 800 to 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 reactor in addition to the approach using two or more carbon compounds having different decomposition temperatures at an optimal mixing ratio as described above. 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3〜10nm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 about 3-10 nm metal 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第一中間体は、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。   In this way, the first intermediate obtained by heating and generating the catalyst and hydrocarbon mixed gas at a constant temperature in the range of 800 to 1300 ° C. seems to have a patch-like sheet piece made of carbon atoms bonded together. When it is analyzed by Raman spectroscopy, the D band is very large and there are many defects. The produced intermediate contains unreacted raw material, non-fibrous carbide, tar content and catalytic metal.

従って、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2400〜3000℃の高温熱処理する。   Therefore, in order to remove these residues from such an intermediate and obtain an intended carbon fiber structure with few defects, high-temperature heat treatment at 2400 to 3000 ° C. is performed by an appropriate method.

すなわち、例えば、この第一中間体を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、2400〜3000℃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 first 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 2400 to 3000 ° C. At the same time, the catalyst metal contained in the fibers 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2400〜3000℃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 2400 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.

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.

次に本発明の製造方法において、用いられるホウ素化合物としては、特に限定されるものではなく、また最終的に得られる本発明に係る制御棒に含有される「ホウ素」としても、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。具体的には、例えば、元素状のホウ素、HBO(ホウ酸)又はその塩、B、NaBH、BF・(COなどを例示することができるが、このうち好ましくは、HBOの水溶液、もしくはNaBHのメタノール溶液でカーボンナノ構造体と混合可能な化合物である。ここで、カーボンナノ構造体にホウ素を効率良く含有せしめるためには、カーボンナノ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、ホウ素化合物(ないしホウ素)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。ホウ素源としてホウ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。一方、ホウ素を用いる場合には、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。 Next, in the production method of the present invention, the boron compound to be used is not particularly limited, and the elemental boron can also be used as “boron” contained in the finally obtained control rod according to the present invention. It is a concept that includes not only boron compounds. Specifically, for example, elemental boron, H 3 BO 4 (boric acid) or a salt thereof, B 2 O 3 , NaBH 4 , BF 3. (C 2 H 5 ) 2 O can be exemplified. However, among these, a compound that can be mixed with the carbon nanostructure with an aqueous solution of H 3 BO 4 or a methanol solution of NaBH 4 is preferable. Here, in order to efficiently contain boron in the carbon nanostructure, it is necessary to mix the carbon nanostructure and boron well so that they are in uniform contact. For this purpose, it is preferable to use boron compound (or boron) 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. 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 also be used. If the solution is mixed uniformly, the boron compound can be uniformly attached to the fiber surface after evaporation of the solvent. On the other hand, when boron is used, specifically, the average particle size of boron is 100 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less.

また、本発明の製造方法において、賦形のために用いられる熱硬化性樹脂組成物としては、特に限定されるものではなく、例えば、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の組成物(未硬化ないし未架橋状態のプレポリマー、オリゴマー、モノマー等を含む組成物)を用いることができる。   In the production method of the present invention, the thermosetting resin composition used for shaping is not particularly limited. For example, epoxy resin, vinyl ester resin, phenol resin, unsaturated polyester resin, Use compositions of various thermosetting resins such as furan resins, imide resins, urethane resins, melamine resins, silicone resins and urea resins (compositions containing precured or uncrosslinked prepolymers, oligomers, monomers, etc.). Can do.

なお、使用される熱硬化性樹脂組成物は、成型後の加熱焼成時において、炭化されて容積減少を生じ、これによって最終的に得られる制御棒に空隙が形成されることになるため、その添加量を制御することによって得られる制御棒の空隙度を制御するできる。その添加量としては、カーボンナノ構造体、ホウ素化合物および熱硬化性樹脂組成物(ビヒクル固形分換算)の混合物の全体量の例えば、0.08〜17質量%、より好ましくは0.17〜3.3質量%程度が、上記したような所期の空隙率を得る上で適当である。   In addition, since the thermosetting resin composition used is carbonized at the time of heating and firing after molding to cause a volume reduction, a gap is formed in the finally obtained control rod. The porosity of the control rod obtained by controlling the amount added can be controlled. The addition amount is, for example, 0.08 to 17% by mass, more preferably 0.17 to 3%, based on the total amount of the mixture of the carbon nanostructure, the boron compound, and the thermosetting resin composition (in terms of vehicle solid content). About 3% by mass is suitable for obtaining the desired porosity as described above.

なお、本発明に係る制御棒を製造する上で、カーボンナノ構造体にホウ素を含有(ドーピング)する方法については、上述したような方法に特に限定されるものではなく、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カーボンナノ構造体、さらには熱処理していない(アズグロウン)状態のカーボンナノ構造体前駆体とホウ素(ホウ素化合物を含む)とを混合し、その後、上述したような高温域で加熱する際に、カーボンナノ構造体ないしその前駆体の黒鉛化処理(アニーリング処理)も併せて行うことにより、炭素繊維構造体にホウ素を含有せしめることもができる。ホウ素はカーボンナノ構造体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、このように、アニーリング処理の前段階でホウ素を含有させると、より結晶度の高いカーボンナノ構造体が形成されることが期待できる。   In manufacturing the control rod according to the present invention, the method of doping (doping) boron into the carbon nanostructure is not particularly limited to the above-described method. For example, a low temperature (for example, 1500) A carbon nanostructure that has been heat-treated at a temperature below (° C.) and has not yet developed crystals, and a carbon nanostructure precursor that has not been heat-treated (as-grown) and boron (including a boron compound). When mixing and then heating in the high temperature range as described above, carbon nanostructure or precursor thereof is graphitized (annealing treatment) so that boron is contained in the carbon fiber structure. You can also. Boron also acts as a catalyst to promote crystallization of carbon nanostructures, and is effective in removing the catalytic metal during annealing. Thus, boron is contained before the annealing treatment. By doing so, it can be expected that a carbon nanostructure having higher crystallinity is formed.

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。
<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。
<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.
<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.

<空隙率>
水銀圧入式ポロシメーター PASCAL(サーモフィニガン社製)を用いて15kPa〜70MPaの圧力範囲で測定した。
<Porosity>
Measurement was performed in a pressure range of 15 kPa to 70 MPa using a mercury intrusion type porosimeter PASCAL (manufactured by Thermofinigan).

<曲げ弾性率>
JIS K7203に従い測定した。
<Bending elastic modulus>
It measured according to JIS K7203.

合成例1
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。
Synthesis example 1
A carbon fiber structure was synthesized using toluene as a raw material by a CVD method.

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8に示す。図8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. 8, 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 its upper end. 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.

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 was dispersed in toluene and the sample for the electron microscope was prepared.

上記のようにして合成された第一中間体を窒素中で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。   The first 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.

さらにこの第二中間体をアルゴン中で2600℃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。   Further, this second intermediate was heat treated at 2600 ° C. in argon at high temperature, and the resulting aggregate of carbon fiber structures was pulverized with an airflow pulverizer to obtain a carbon fiber structure used in the present invention.

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およびTEM写真を図3、4に示す。   FIGS. 3 and 4 show SEM and TEM photographs of the obtained carbon fiber structure dispersed in toluene with ultrasonic waves and observed 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.

さらに高温熱処理前後において、炭素繊維構造体のX線回折およびラマン分光分析を行い、その変化を調べた。結果を図6および7に示す。   Furthermore, before and after the high temperature heat treatment, the carbon fiber structure was subjected to X-ray diffraction and Raman spectroscopic analysis, and the change was examined. The results are shown in FIGS.

また、得られた炭素繊維構造体の円相当平均径は、72.8μm、嵩密度は0.0032g/cm、ラマンID/IG比値は0.090、TG燃焼温度は786℃、面間隔は3.383オングストローム、粉体抵抗値は0.0083Ω・cm、復元後の密度は0.25g/cmであった。 In addition, the obtained carbon fiber structure had an equivalent circle average diameter of 72.8 μm, a bulk density of 0.0032 g / cm 3 , a Raman ID / IG ratio value of 0.090, a TG combustion temperature of 786 ° C., and a face spacing. Was 3.383 Å, the powder resistance value was 0.0083 Ω · cm, and the density after restoration was 0.25 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、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. Further, the circularity of the granular portion 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。 Moreover, when the destruction 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 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 initial average diameter (D 50 ) 30 minutes after application of ultrasonic waves, the variation (decrease) rate is only 4 .8%, and taking into account measurement errors, etc., even under load conditions where many cuts occurred in fine carbon fibers, the cut granular parts themselves are hardly destroyed and function as bonding points between the fibers. It became clear.

なお、合成例1で測定した各種物性値を表1及び2にまとめた。   Various physical property values measured in Synthesis Example 1 are summarized in Tables 1 and 2.

合成例2
生成炉からの排ガスの一部を循環ガスとして使用し、この循環ガス中に含まれるメタン等の炭素化合物を、新鮮なトルエンと共に、炭素源として使用して、CVD法により微細炭素繊維を合成した。
合成は、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。新鮮な原料ガスとして、トルエン、触媒を水素ガスとともに予熱炉にて380℃に加熱した。一方、生成炉の下端より取り出された排ガスの一部を循環ガスとし、その温度を380℃に調整した上で、前記した新鮮な原料ガスの供給路途中にて混合して、生成炉に供給した。
Synthesis example 2
Part of the exhaust gas from the production furnace was used as a circulating gas, and carbon compounds such as methane contained in this circulating gas were used as a carbon source together with fresh toluene, and fine carbon fibers were synthesized by the CVD method. .
The synthesis was performed in a hydrogen gas reducing atmosphere using a mixture of ferrocene and thiophene as a catalyst. As fresh raw material gases, toluene and a catalyst were heated to 380 ° C. in a preheating furnace together with hydrogen gas. On the other hand, a part of the exhaust gas taken out from the lower end of the production furnace is used as a circulating gas, and its temperature is adjusted to 380 ° C., then mixed in the middle of the supply path for the fresh raw material gas and supplied to the production furnace. did.

なお、使用した循環ガスにおける組成比は、体積基準のモル比でCH 7.5%、C 0.3%、C 0.7%、C 0.1%、CO 0.3%、N 3.5%、H 87.6%であり、新鮮な原料ガスとの混合によって、生成炉へ供給される原料ガス中におけるメタンとベンゼンとの混合モル比CH/C(なお、新鮮な原料ガス中のトルエンは予熱炉での加熱によって、CH:C=1:1に100%分解したものとして考慮した。)が、3.44となるように、混合流量を調整された。 In addition, the composition ratio in the used circulating gas is a molar ratio of volume ratio CH 4 7.5%, C 6 H 6 0.3%, C 2 H 2 0.7%, C 2 H 6 0.1%. , CO 0.3%, N 2 3.5%, H 2 87.6%, and by mixing with fresh raw material gas, mixing molar ratio of methane and benzene in raw material gas supplied to the production furnace CH 4 / C 6 H 6 (note that toluene in fresh raw material gas was considered to have been 100% decomposed into CH 4 : C 6 H 6 = 1: 1 by heating in a preheating furnace). The mixing flow rate was adjusted to be .44.

なお、最終的な原料ガス中には、混合される循環ガス中に含まれていた、C、CおよびCOも炭素化合物として当然に含まれているが、これらの成分は、いずれもごく微量であり、実質的に炭素源としては無視できるものであった。 In addition, in the final raw material gas, C 2 H 2 , C 2 H 6 and CO contained in the mixed circulation gas are naturally included as carbon compounds, but these components are All of these were extremely small amounts and could be substantially ignored as a carbon source.

そして、合成例1と同様に、生成炉において、1250℃で熱分解して、炭素繊維構造体(第一中間体)を得た。   And like the synthesis example 1, it thermally decomposed at 1250 degreeC in the production | generation furnace, and obtained the carbon fiber structure (1st intermediate body).

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構成は、円筒状の衝突部3がない以外は、図8に示す構成と同様のものであり、また反応炉への原料ガス導入速度は、合成例1と同様に、1850NL/min、圧力は1.03atmとした。   In addition, the structure of the production | generation furnace used when manufacturing this carbon fiber structure (1st intermediate body) is the same as that of the structure shown in FIG. 8 except there is no cylindrical collision part 3, The raw material gas introduction rate into the reactor was 1850 NL / min and the pressure was 1.03 atm, as in Synthesis Example 1.

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ところ、そのSEMおよびTEM写真は図1、2に示す合成例1のものとほぼ同様のものであった。   When the first intermediate was dispersed in toluene and observed after preparation of a sample for an electron microscope, the SEM and TEM photographs thereof were almost the same as those of Synthesis Example 1 shown in FIGS.

上記のようにして合成された第一中間体をアルゴン中で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0.83であった。   The first intermediate synthesized as described above was calcined at 900 ° C. in argon to separate hydrocarbons such as tar to obtain a second intermediate. The R value of this second intermediate measured by Raman spectroscopy was 0.83.

さらにこの第二中間体をアルゴン中で2600℃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、本発明に係る炭素繊維構造体を得た。   Further, the second intermediate was heat treated at 2600 ° C. in argon at high temperature, and the resulting aggregate of carbon fiber structures was pulverized with an airflow pulverizer to obtain a carbon fiber structure according to the present invention.

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およびTEM写真は、図3、4に示す合成例1のものとほぼ同様のものであった。   The SEM and TEM photographs observed after the obtained carbon fiber structure was dispersed in toluene with ultrasonic waves and the sample for the electron microscope was prepared were almost the same as those in Synthesis Example 1 shown in FIGS. .

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粒度分布を調べた。得られた結果を表3に示す。   The obtained carbon fiber structure was placed on an electron microscope sample holder as it was and observed to examine the particle size distribution. The obtained results are shown in Table 3.

さらに高温熱処理前後において、炭素繊維構造体のX線回折およびラマン分光分析を行い、その変化を調べたところ、図6および7に示す合成例1の結果とほぼ同様のものであった。   Further, before and after the high-temperature heat treatment, the carbon fiber structure was subjected to X-ray diffraction and Raman spectroscopic analysis, and the changes were examined. The results were almost the same as the results of Synthesis Example 1 shown in FIGS.

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0.004g/cm、ラマンI/I比値は0.086、TG燃焼温度は807℃、面間隔は3.386オングストローム、粉体抵抗値は0.0077Ω・cm、復元後の密度は0.26g/cmであった。 Furthermore, the circle-equivalent mean diameter of the obtained carbon fibrous structures, 75.8Myuemu, bulk density of 0.004 g / cm 3, Raman I D / I G ratio is 0.086, TG combustion temperature of 807 ° C., The face spacing was 3.386 Å, the powder resistance value was 0.0077 Ω · cm, and the density after restoration was 0.26 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、349.5nm(SD180.1nm)であり、炭素繊維構造体における微細炭素繊維の外径の5.8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0.69(SD0.15)であった。   Further, the average particle size of the granular portion in the carbon fiber structure was 349.5 nm (SD180.1 nm), which was 5.8 times the outer diameter of the fine carbon fiber in the carbon fiber structure. Further, the circularity of the granular part was 0.69 (SD 0.15) 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、12.4μmであったが、超音波印加500分後の平均繊維長(D50)は、6.3μm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4.2%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 carbon fiber structure was subjected to a destructive test according to the procedure described above, the initial average fiber length (D 50 ) after 30 minutes of application of ultrasonic waves was 12.4 μm. The average fiber length (D 50 ) was about 6.3 μm, which was almost half of the length, indicating that many cuts occurred 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 .2%, 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、合成例2で測定した各種物性値を表3及び4にまとめた。   Various physical property values measured in Synthesis Example 2 are summarized in Tables 3 and 4.

実施例1 制御棒の製造
合成例1で得られた炭素微細構造体1Kg、エポキシ樹脂(アデカレジン EP−4930)170g、硬化剤(アデカハードナー EH−4334)68g、ホウ酸2580gの混合物を3本ロールミルにて20分間混練した。得られた混合物を室温にて10分、80℃にて5分、600℃にて30分、30mmφ×1mの鉄製管中でアルゴン雰囲気にて10MPaの荷重下で加熱し、内容物を取り出し単体でさらにAr雰囲気下で2600℃にて6分加熱し、28mmφ×0.95mの制御棒を得た。その曲げ弾性率は6GPa、空隙率は9%、ホウ素含有量は30質量%であった。
本制御棒を高温工学試験研究炉の中性子線にヘリウム雰囲気下、最高温度が2400℃にて100時間暴露したところ、ヘリウム膨潤などによるクラックは全く発生しなかった。
Example 1 Manufacture of control rod Three roll mill of a mixture of 1 Kg of carbon microstructure obtained in Synthesis Example 1, 170 g of epoxy resin (Adeka Resin EP-4930), 68 g of curing agent (Adeka Hardener EH-4334) and 2580 g of boric acid For 20 minutes. The obtained mixture was heated at room temperature for 10 minutes, at 80 ° C. for 5 minutes, at 600 ° C. for 30 minutes, in a 30 mmφ × 1 m steel tube under a 10 MPa load in an argon atmosphere, and the contents were taken out alone. And further heated at 2600 ° C. for 6 minutes in an Ar atmosphere to obtain a control rod of 28 mmφ × 0.95 m. The flexural modulus was 6 GPa, the porosity was 9%, and the boron content was 30% by mass.
When this control rod was exposed to the neutron beam of a high temperature engineering test reactor in a helium atmosphere at a maximum temperature of 2400 ° C. for 100 hours, no cracks due to helium swelling occurred.

本発明の複合材料に用いる炭素繊維構造体の第一中間体のSEM写真である。It is a SEM photograph of the 1st 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第一中間体のTEM写真である。It is a TEM photograph of the 1st 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. (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TEM写真である。(A) (b) is a TEM photograph 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および該炭素繊維構造体の中間体のX線回折チャートである。2 is an X-ray diffraction chart of a carbon fiber structure used in the composite material of the present invention and an intermediate of the carbon fiber structure. 本発明の複合材料に用いる炭素繊維構造体および該炭素繊維構造体の中間体のラマン分光分析チャートである。It is a Raman spectroscopic analysis chart of the carbon fiber structure used for the composite material of this invention, and the intermediate body of this carbon fiber structure. 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 nozzle inner diameter b Generation furnace inner diameter c Collision inner diameter d Distance from upper end of production furnace to raw material mixed gas inlet e From raw material mixed gas inlet Distance from 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 (7)

ホウ素を含有するカーボンナノ構造体を部材の少なくとも一部とすることを特徴とする原子炉用制御棒。   A control rod for a nuclear reactor comprising a carbon nanostructure containing boron as at least a part of a member. ホウ素を含有するカーボンナノ構造体中のホウ素の含有量が、原子単位換算にて10〜70質量%であることを特徴とする請求項1に記載の制御棒。   The control rod according to claim 1, wherein the boron content in the carbon nanostructure containing boron is 10 to 70 mass% in terms of atomic units. 前記カーボンナノ構造体が、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る炭素繊維構造体炭素繊維構造体であることを特徴とする請求項1または2に記載の制御棒。   The carbon nanostructure is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed 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, The carbon fiber structure is a carbon fiber structure having a granular part for bonding the carbon fibers to each other, and the granular part is formed in the growth process of the carbon fiber. Item 3. The control rod according to Item 1 or 2. ホウ素を含有するカーボンナノ構造体を部材として一体成型してなる請求項1〜3のいずれかに記載の制御棒。   The control rod according to any one of claims 1 to 3, which is formed by integrally forming a carbon nanostructure containing boron as a member. カーボンナノ構造体、ホウ素化合物および熱硬化性樹脂組成物を混合し、成型後、加熱焼成することを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。   A method for producing a control rod for a nuclear reactor, comprising: mixing a carbon nanostructure, a boron compound, and a thermosetting resin composition; カーボンナノ構造体、ホウ素化合物および熱硬化性樹脂組成物の混合物を注型重合して成型を行うものである請求項5に記載の原子炉用制御棒の製造方法。   The method for producing a control rod for a nuclear reactor according to claim 5, wherein the molding is performed by cast polymerization of a mixture of a carbon nanostructure, a boron compound and a thermosetting resin composition. 加熱焼成温度が1500〜2800℃である請求項5または6に記載の制御棒の製造方法。   The method for producing a control rod according to claim 5 or 6, wherein the heating and baking temperature is 1500 to 2800 ° C.
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