JP2009096694A - Fine carbon fiber and composite material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide fine carbon fibers improving physical properties such as electric characteristics, mechanical characteristics and thermal conductivity characteristics of a composite material with a small amount of addition by improving adhesiveness without degrading characteristics of the matrix in manufacturing a composite material without requiring a step of surface modification on the carbon fibers, and in particular, to provide carbon fibers in a three-dimensional network state and a method for manufacturing the fibers. <P>SOLUTION: The carbon fibers constituting a three-dimensional network carbon fiber structure composed of carbon fibers having outer diameters of 15 to 100 nm, are characterized in that: the carbon fiber structure includes granular portions having a grain diameter larger than the outer diameter of the carbon fibers and including the carbon fibers mutually bonded, with a plurality of carbon fibers extended from the granular portions; the granular portions are formed in a growing process of the carbon fibers; the carbon fibers have a rough surface by heat treatment in a range from 900 to 2,200°C; and the carbon fibers contain a catalytic iron as a structural component. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、微細炭素繊維、その製造方法及び複合材料に関し、更に詳しくは複合材料を製造する際に、微細炭素繊維を表面改質処理するための工程を必要とせず、熱処理により粗い表面を持ち、且つ反応触媒由来の鉄を微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%含み、そのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることによって複合材料の力学特性等の物性を向上させることのできる微細炭素繊維に関するものである。 The present invention relates to a fine carbon fiber, a method for producing the same, and a composite material. More specifically, when a composite material is produced, a process for surface modification treatment of the fine carbon fiber is not required and a rough surface is obtained by heat treatment. And, the reaction catalyst-derived iron is contained in the fine carbon fiber in an amount of 0.5 to 5.0% by mass, and 5 to 100% of the iron is in a state in which it can be eluted with dilute hydrochloric acid. The present invention relates to a fine carbon fiber capable of improving physical properties.

カーボンナノチューブに代表される微細炭素繊維は優れた力学特性や高い導電性や熱伝導性などの特性を有するため、例えば、合成樹脂、ゴム、セラミックス、金属等の各種材料に配合されるフィラー材として用いられ、複合材料の力学特性、電気伝導性、熱伝導性などの物性を向上することが期待されている。しかし多数の研究結果からわかったように、表面に欠陥が少ないカーボンナノチューブはマトリックス材(例えば合成樹脂、ゴム、セラミックス、金属等)との界面接着力が弱いため、プル−アウト(Pull−out)現象は発生し、十分な物性値が得られない(非特許文献1〜2参照)。 Fine carbon fibers typified by carbon nanotubes have excellent mechanical properties and properties such as high electrical conductivity and thermal conductivity. For example, they can be used as filler materials in various materials such as synthetic resins, rubber, ceramics, and metals. It is expected to improve the physical properties of composite materials such as mechanical properties, electrical conductivity, and thermal conductivity. However, as can be seen from many research results, carbon nanotubes with few defects on the surface have a weak interfacial adhesive force with a matrix material (for example, synthetic resin, rubber, ceramics, metal, etc.), so pull-out A phenomenon occurs, and sufficient physical property values cannot be obtained (see Non-Patent Documents 1 and 2).

炭素原子が網状に結合したシート一層が筒状になったカーボンナノチューブを含有する複合材料については、次のことが指摘されている(非特許文献2〜3参照)。すなわち、機械的強度を発現させる際に重要なのがカーボンナノチューブとマトリックス材料との接着強度である。 また、炭素繊維複合材料における界面構造はマトリックス材料との結合力への影響が重大であり、炭素繊維の界面構造の制御が重要であることが一般的に知られている(非特許文献4参照)。マトリックス材としては金属、セラミック、ポリマー、炭素などが考えられるが、カーボンナノチューブの欠陥の少ないグラフェンシートによりなる表面構造が構造材料用複合材料に用いられるマトリックスポリマーや金属などとのぬれ性を悪くする方向に働くと推定され、期待した強度の高い複合材料を得るにはカーボンナノチューブとマトリックスの界面結合を強化する必要がある。通常はカーボンナノチューブ表面を改質するか複合材料の調整法を工夫する。   The following has been pointed out regarding composite materials containing carbon nanotubes in which a sheet of carbon atoms bonded in a network is cylindrical (see Non-Patent Documents 2 to 3). That is, what is important in developing the mechanical strength is the adhesive strength between the carbon nanotube and the matrix material. In addition, it is generally known that the interface structure in the carbon fiber composite material has a significant influence on the bonding force with the matrix material, and that the control of the interface structure of the carbon fiber is important (see Non-Patent Document 4). ). The matrix material may be metal, ceramic, polymer, carbon, etc., but the surface structure made of graphene sheet with few defects of carbon nanotubes deteriorates the wettability with the matrix polymer or metal used in the composite material for structural materials In order to obtain a composite material that is presumed to work in the direction and has the expected high strength, it is necessary to strengthen the interface bond between the carbon nanotube and the matrix. Usually, the carbon nanotube surface is modified or a composite material adjustment method is devised.

上記したような観点から、カーボンナノチューブの表面欠陥を増加することでマトリックス材との接着強度を改善する、例えば、カーボンナノチューブ表面への官能基導入といった化学表面改質、又は酸素プラズマ(Oxygen plasma)等での酸化処理などの方法でカーボンナノチューブの表面欠陥を増やすことによって、マトリックス材との界面接着強度を改善する報告がある(例えば、特許文献1〜3参照)。しかしながら、このような改質法によれば、カーボンナノチューブの表面欠陥の増加によりカーボンナノチューブ自身の物性も落ちるため、複合材の物性改善の面からは望ましくない。 From the above viewpoint, the surface strength of the carbon nanotube is increased to improve the adhesive strength with the matrix material. For example, chemical surface modification such as introduction of a functional group on the surface of the carbon nanotube, or oxygen plasma (Oxygen plasma) There is a report of improving the interfacial adhesion strength with the matrix material by increasing the surface defects of the carbon nanotubes by a method such as oxidation treatment (for example, see Patent Documents 1 to 3). However, such a modification method is not desirable from the viewpoint of improving the physical properties of the composite material because the physical properties of the carbon nanotubes themselves are reduced due to the increase in surface defects of the carbon nanotubes.

また、マトリックス材に応じたカーボンナノチューブ表面の被覆処理も、よく検討されている方法である。例えば金属複合材にはカーボンナノチューブ表面を金属被覆層で覆う方法(例えば、特許文献4〜6参照)、セラミックス基複合材にはゾルーゲル法、CVD法あるいはSiOガスを用いたコンバージョン法によって、SiCの被膜を形成する方法(例えば、特許文献7、8参照)、また、樹脂基複合材の場合、ポリマーラッピングなどの方法(例えば、非特許文献5参照)が提唱されている。 In addition, the coating treatment of the carbon nanotube surface according to the matrix material is a well-considered method. For example, a method of covering a carbon nanotube surface with a metal coating layer for a metal composite material (see, for example, Patent Documents 4 to 6), and a ceramic-based composite material by a sol-gel method, a CVD method, or a conversion method using SiO gas, A method for forming a film (see, for example, Patent Documents 7 and 8) and a method such as polymer wrapping in the case of a resin matrix composite (for example, see Non-Patent Document 5) have been proposed.

以上の例では、カーボンナノチューブの被覆効果は、又さまざまな問題点が残っている、例えば、特許文献4、5には、特に高温での後処理も行われていないので、このままではカーボンナノチューブ表面への金属被覆は、強度面での不安が残る。特許文献6には、被覆用金属及びマトリックス金属の種類は制限され、しかもカーボンナノチューブではなくカーボンナノチューブの凝集体が被覆される。特許文献7、8には、カーボンナノチューブと被覆されたSiCとの熱膨張差に基づく層間剥離現象が生じてしまう。さらにカーボンナノチューブ自体がSiC生成の為炭素源として消費されてしまう。 In the above example, the coating effect of the carbon nanotubes still has various problems. For example, in Patent Documents 4 and 5, no post-treatment is performed at a particularly high temperature. The metal coating on the surface remains uneasy in terms of strength. In Patent Document 6, the types of coating metal and matrix metal are limited, and not carbon nanotubes but aggregates of carbon nanotubes are coated. In Patent Documents 7 and 8, the delamination phenomenon occurs based on the difference in thermal expansion between the carbon nanotube and the coated SiC. Furthermore, the carbon nanotube itself is consumed as a carbon source for the generation of SiC.

また、カーボンナノチューブを表面改質する処理はカーボンナノチューブの生成工程、精製工程及び複合材料製造工程以外に表面改質処理工程が増え、しかも表面改質工程は少なくとも被覆材とカーボンナノチューブの混合、電気化学反応処理や加熱反応また乾燥処理などのプロセスが必要になり、操作は複雑で経済の面も望ましくない等の理由により、なかなか実用レベルに到達していない。 In addition to the carbon nanotube production process, purification process, and composite material manufacturing process, the surface modification process increases the surface modification process, and the surface modification process includes at least a mixture of the coating material and carbon nanotube, Processes such as chemical reaction treatment, heating reaction, and drying treatment are required, and the operation has not reached the practical level because it is complicated and economically undesirable.

一方、反応生成工程や熱処理工程を行う際に工程条件の制御により平滑ではない表面を持つカーボンナノチューブが得られる報告がある。例えば気相法反応で炭素繊維を生成する際に、反応ガスの分解温度や導入経路など条件を制御し900〜3,000℃の熱処理により層状炭素構造は長手方向で分断されて、表面が平滑でない炭素繊維が製造できる(例えば、特許文献9参照)。また、反応ガスまたは触媒粒子の制御で平滑ではない表面、且つ結晶構造も欠陥を持つカーボンナノチューブを得られた(例えば、非特許文献6参照)。そのほかに、反応生成後、熱処理により遷移金属反応触媒を除く際にカーボンナノチューブの密度が急激に減るため、カーボンナノチューブの構造内部に応力を生じた為、内部構造を変形することで表面構造も粗くなる(例えば、非特許文献7参照)。 On the other hand, there is a report that carbon nanotubes having a non-smooth surface can be obtained by controlling process conditions when performing a reaction generation process or a heat treatment process. For example, when carbon fibers are produced by a gas phase reaction, the layered carbon structure is divided in the longitudinal direction by controlling the conditions such as the decomposition temperature and introduction route of the reaction gas and heat treatment at 900 to 3,000 ° C., and the surface is smooth. Carbon fiber can be produced (for example, see Patent Document 9). Further, a carbon nanotube having a non-smooth surface and a defective crystal structure was obtained by controlling the reaction gas or catalyst particles (see, for example, Non-Patent Document 6). In addition, since the density of carbon nanotubes decreases rapidly when the transition metal reaction catalyst is removed by heat treatment after reaction generation, stress is generated inside the structure of carbon nanotubes, so the surface structure becomes rough by deforming the internal structure (For example, see Non-Patent Document 7).

以上の例では、表面改質処理を使わず、平滑でない表面構造を持つカーボンナノチューブが造れるが、カーボンナノチューブの結晶構造も欠陥が生じるため、カーボンナノチューブ自身の物性に不利な影響がある恐れがあり、フィラーとしてマトリックス材に添加したら複合材料の物性向上には十分な効果が得られるか、疑問は残る。さらに、これらのカーボンナノチューブはマトリックスとの接着性を改善できると予測しているが、その改善効果についての報告はなされていない。もう一つは、遷移金属反応触媒、例えばFe,Ni,Co類など、通常に、気相生成反応後カーボンナノチューブ内に残り、熱処理後、特に1800℃以上の温度領域熱処理後、不純物として除去され、カーボンナノチューブとマトリックスとの界面接着性の向上には役に立つことを報告した例がない。 In the above example, carbon nanotubes with a non-smooth surface structure can be produced without using surface modification treatment. However, since the crystal structure of the carbon nanotubes is also defective, there is a risk of adversely affecting the physical properties of the carbon nanotubes themselves. However, it remains doubtful whether a sufficient effect can be obtained for improving the physical properties of the composite material if added to the matrix material as a filler. Furthermore, it is predicted that these carbon nanotubes can improve the adhesion to the matrix, but no report has been made on the improvement effect. The other is a transition metal reaction catalyst such as Fe, Ni, Co, etc., which usually remains in the carbon nanotubes after the gas phase formation reaction and is removed as an impurity after the heat treatment, particularly after a temperature region heat treatment of 1800 ° C. or higher. There is no example that has been reported to be useful for improving the interfacial adhesion between the carbon nanotube and the matrix.

一方、炭素繊維集合体を三次元的構造とすることによって、機械的強度や導電性や熱伝導性を向上させることが報告されている。例えば、炭素繊維を600℃以上で熱処理し、絡み合った繊維の接点がタール、ピッチなどの炭化物によって固着されて接着された炭素繊維集合体を、マトリックスに配合することによって導電性や熱伝導性を向上させた複合材料を得ている(例えば、特許文献10参照)。また、繊維状炭素系物質と熱硬化性樹脂と易黒鉛化物質を含む組成物を易黒鉛化物質が黒鉛化する温度よりも低い温度で加熱して成形体とし、さらに成形体を焼成して機械的強度を向上させた焼結体を得ている。この場合、焼成工程によって易黒鉛化物質が黒鉛化する際に、繊維状炭素系物質同士を接合している(例えば、特許文献11参照)。 On the other hand, it has been reported that the mechanical strength, electrical conductivity and thermal conductivity are improved by making the carbon fiber aggregate into a three-dimensional structure. For example, carbon fiber aggregates, in which carbon fibers are heat-treated at 600 ° C. or higher and the contact points of the intertwined fibers are bonded and fixed by carbides such as tar and pitch, are added to the matrix to improve conductivity and thermal conductivity. An improved composite material has been obtained (see, for example, Patent Document 10). In addition, a composition containing a fibrous carbonaceous material, a thermosetting resin, and an easily graphitizable material is heated to a temperature lower than the temperature at which the easily graphitizable material graphitizes to form a molded body, and the molded body is further fired. A sintered body with improved mechanical strength is obtained. In this case, when the graphitizable material is graphitized by the firing step, the fibrous carbonaceous materials are joined to each other (see, for example, Patent Document 11).

さらに炭素繊維集合体の三次元的構造は、含浸材料として合成樹脂、ゴム、金属、カーボン系材料が選択可能で、応用範囲が広いナノカーボンコンポジット材が報告されている。カーボンナノチューブと熱硬化性樹脂を混練し、乾燥して、所定の圧力、所定の温度で成形し、この成形体を加熱して樹脂分を炭化させ、ナノカーボンが炭素で三次元的に繋がった多孔質体を得ている。炭化工程後に各種含浸材料を含浸させてナノカーボンコンポジット材を得ている(例えば、特許文献12参照)。 Furthermore, as for the three-dimensional structure of the carbon fiber aggregate, synthetic resin, rubber, metal, and carbon-based materials can be selected as impregnation materials, and nano-carbon composite materials with a wide application range have been reported. Carbon nanotubes and thermosetting resin are kneaded, dried, and molded at a predetermined pressure and a predetermined temperature. This molded body is heated to carbonize the resin, and the nanocarbon is three-dimensionally connected with carbon. A porous material is obtained. A nanocarbon composite material is obtained by impregnating various impregnated materials after the carbonization step (see, for example, Patent Document 12).

以上の例では炭素繊維に三次元的構造を付与することによって、最終的に得られる複合材料の熱伝導性、導電性、機械的強度を向上させている。しかしこの炭素繊維の三次元的構造は後から付与して得られるもので、反応生成した三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体では無い。また、これらの報告では、例えば含浸材料である合成樹脂、ゴム、セラミックス、金属とカーボンナノチューブとの接着の重要性については言及されていない。 In the above example, by giving a three-dimensional structure to the carbon fiber, the thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength of the finally obtained composite material are improved. However, the three-dimensional structure of the carbon fiber can be obtained later and is not a reaction-generated three-dimensional network-like carbon fiber structure. In these reports, for example, the importance of adhesion between synthetic resin, rubber, ceramics, metal, and carbon nanotube, which are impregnated materials, is not mentioned.

一方、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体に関する報告もなされている(例えば、特許文献13参照)。外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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、というものであるが、複合材料を製造する際に、炭素繊維の表面状態とマトリックスとの接着性についての報告はなされていない。 On the other hand, a report on a three-dimensional network-like carbon fiber structure has also been made (for example, see Patent Document 13). It 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 carbon fibers extend, and the carbon fiber structure is more than the outer diameter of the carbon fiber. A carbon fiber structure having a large particle size and 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, There has been no report on the adhesion between the surface condition of the carbon fiber and the matrix when the material is produced.

鉄含量が3.2質量%であり、平均直径は15nmであり、X線回折法により決定されたd002は0.345nmであり、アスペクト比は100以上である微細炭素繊維が記載されている(例えば、特許文献14参照)。しかし、この微細炭素繊維には鉄の存在形態や存在位置などについての記載はない。
特開2003−300716号公報 特表2004−535349号公報 特表2003−505332号公報 特許第2953996号公報 特公昭63−60152号公報 特表2004−10978号公報 特開2005−75720号公報 特開平05−229886号公報 特許第3841684号 特開2004−119386号公報 特開2005−178151号公報 特開2004−315297号公報 特許第3776111号公報 特開2003−138432号公報 Pulickel M. Ajayan, Linda S. Schadler, Cindy Giannaris, Angel Rubio, Adv. Mater. 2000, 12, No.10, 750−753 Rupesh Khare, Suryasarathi Bose, Journal of Minerals& Materials Characterization & Engineering, 2005, vol.4, No.1, 31−46 「カーボンナノチューブ」化学同人、2001年、p.115 「複合材料と界面−素材の高機能化と制御」材料技術研究協会、1988年、p.251 A. Star, J.F.Stoddart, D. Steuerman, M. Diehl, A. Boukai, E.W.Wong, X.Yang, S.−W. Chung, H. Choi, J.R.Heath, Angew. Chem. Int. Ed. 2001,40,1721−1725. M. Jose−Yacaman, H. Terrones, L. Rendon, Carbon, vol.33,669−678, 1995 J. Chen, J.Y. Shan, T. Tsukada, F. Munekane, A. Kuno et al., Carbon, vol.45,274−280,2007
Fine carbon fibers having an iron content of 3.2% by mass, an average diameter of 15 nm, a d002 determined by X-ray diffraction method of 0.345 nm, and an aspect ratio of 100 or more are described ( For example, see Patent Document 14). However, this fine carbon fiber has no description of the presence form or position of iron.
JP 2003-300716 A JP-T-2004-535349 Special table 2003-505332 gazette Japanese Patent No. 2953996 Japanese Patent Publication No. 63-60152 Special table 2004-10978 gazette JP 2005-75720 A JP 05-229886 A Japanese Patent No. 3841684 JP 2004-119386 A JP 2005-178151 A JP 2004-315297 A Japanese Patent No. 3776111 JP 2003-138432 A Pulickel M.M. Ajayan, Linda S .; Schadler, Cindy Giannaris, Angel Rubio, Adv. Mater. 2000, 12, no. 10, 750-753 Rupesh Khare, Suryasarathi Bose, Journal of Minerals & Materials Charactarization & Engineering, 2005, vol. 4, no. 1, 31-46 “Carbon Nanotube” Chemistry, 2001, p. 115 “Composite Materials and Interfaces—High Functionalization and Control of Materials” Materials Technology Research Association, 1988, p. 251 A. Star, J.A. F. Staudart, D.C. Steuerman, M.M. Diehl, A.D. Boukai, E .; W. Wong, X. Yang, S.M. -W. Chung, H.C. Choi, J. et al. R. Heath, Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1721-1725. M.M. Jose-Yacaman, H.M. Terrones, L.M. Rendon, Carbon, vol. 33,669-678, 1995 J. et al. Chen, J.A. Y. Shan, T .; Tsukada, F.A. Munekane, A.M. Kuno et al. , Carbon, vol. 45, 274-280, 2007

以上のように、最終的に得られる複合材料の機械的強度、熱伝導性、導電性を向上させるためには、炭素繊維に三次元的構造を付与することが求められているが、複合材料を製造していく段階で、炭素繊維に後から三次元的構造を付与するための工程が求められる場合には、複合材料を製造する上で各種の制約を受け、しかもその三次元的構造付与工程を付加する必要が生じてしまう。一方、カーボンナノチューブ表面への金属やセラミック(SiC)やポリマーなど被覆の場合、物理的な結合力だけに依存するので被覆物に強度面での不安が残り、特に高温での応用には低い耐熱性や熱膨張差などによって生じる被覆層の剥離や炭化反応などにより、表面改質効果がなくなる恐れがある。また、カーボンナノチューブに化学反応させてチューブ表面に官能基を導入し、化学表面改質及び低温熱処理によりカーボンナノチューブの表面に欠陥を増やす方法は、カーボンナノチューブの構造に不良な影響を起こす恐れがあるため、最終的に複合材料の性能を向上させる効果が十分に得られない。複数のカーボンナノチューブと炭化物形成用金属およびマトリクス金属をマトリクス金属の融点以上の温度で加圧焼結することで、複数のカーボンナノチューブ表面に金属炭化物を形成させ、マトリクス金属とカーボンナノチューブとの間に良好な密着性を得る方法では、金属マトリックスと金属炭化物源の異種金属を同時に仕込まなければならず、マトリックス材料が一部の金属に限定されてしまう。さらにカーボンナノチューブの凝集体を被覆することにおいては、カーボンナノチューブの表面構造が改質されず、マトリックス金属とのぬれ性を改善することがなく、マトリックス材料との接着に工夫が求められている。また、カーボンナノチューブの凝集体を被覆することで、マトリクス材中の分散が問題点になるため、金属以外の応用範囲例えば合成樹脂、ゴム、セラミック、カーボン系材料に広げることが困難である。さらに、カーボンナノチューブを表面改質処理はカーボンナノチューブの生成工程、精製工程及び複合材料製造工程以外に表面改質処理工程が増やせなければいけない、しかも表面改質工程の操作は複雑で、経済の面も望ましくない。反応生成工程や熱処理工程の条件の制御により平滑ではない表面を持つカーボンナノチューブには、結晶構造も欠陥が生じるため、カーボンナノチューブ自身の物性に不利な影響がある恐れがあり、複合材料の物性向上には十分な効果が得られるか、疑問は残る。 As described above, in order to improve the mechanical strength, thermal conductivity, and conductivity of the finally obtained composite material, it is required to impart a three-dimensional structure to the carbon fiber. When a process for imparting a three-dimensional structure to the carbon fiber later is required at the stage of manufacturing the carbon fiber, various restrictions are imposed on the production of the composite material, and the three-dimensional structure is imparted. It becomes necessary to add a process. On the other hand, in the case of coating such as metal, ceramic (SiC) or polymer on the surface of carbon nanotubes, since it depends only on the physical bond strength, the coating remains uneasy in terms of strength, and has low heat resistance especially for applications at high temperatures. There is a possibility that the surface modification effect may be lost due to peeling of the coating layer or carbonization reaction caused by the difference in thermal expansion or thermal expansion. In addition, a method of chemically reacting with carbon nanotubes to introduce functional groups on the tube surface and increasing defects on the surface of carbon nanotubes by chemical surface modification and low-temperature heat treatment may cause a bad influence on the structure of carbon nanotubes. Therefore, the effect of finally improving the performance of the composite material cannot be obtained sufficiently. By pressing and sintering a plurality of carbon nanotubes, carbide forming metal and matrix metal at a temperature equal to or higher than the melting point of the matrix metal, metal carbide is formed on the surface of the plurality of carbon nanotubes, and between the matrix metal and the carbon nanotube. In a method for obtaining good adhesion, a metal matrix and a different metal from a metal carbide source must be charged at the same time, and the matrix material is limited to some metals. Further, in covering the aggregate of carbon nanotubes, the surface structure of the carbon nanotubes is not modified, the wettability with the matrix metal is not improved, and a device is required for adhesion to the matrix material. Moreover, since the dispersion in the matrix material becomes a problem by covering the aggregates of carbon nanotubes, it is difficult to expand to application ranges other than metals such as synthetic resins, rubber, ceramics, and carbon-based materials. Furthermore, the surface modification treatment of carbon nanotubes requires an increase in the number of surface modification treatment steps in addition to the carbon nanotube production process, purification process and composite material production process, and the operation of the surface modification process is complicated and economical. Is also undesirable. Carbon nanotubes with a non-smooth surface due to control of reaction generation process and heat treatment process conditions may cause defects in the crystal structure, which may adversely affect the physical properties of the carbon nanotubes themselves, improving the physical properties of the composite material The question remains whether there will be a sufficient effect.

本発明は、複合材料を製造する際に微細炭素繊維に三次元的構造を付与するための工程及び表面改質処理するための工程を必要とせず、マトリックス材との接着性は向上できる微細炭素繊維、特に三次元ネットワーク状の炭素繊維及びその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention does not require a step for imparting a three-dimensional structure to a fine carbon fiber and a step for surface modification treatment when producing a composite material, and the fine carbon capable of improving the adhesion to a matrix material. It is an object of the present invention to provide a fiber, particularly a three-dimensional network-like carbon fiber and a method for producing the same.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を続けた結果、900〜2200℃の熱処理条件下で処理することにより、カーボンナノチューブの表面に括れがあり、且つ触媒由来の鉄を少なくとも構成元素であって、そのうち一部の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of continual investigations on the above problems, the present inventors have found that the surface of the carbon nanotube is confined by treatment under heat treatment conditions of 900 to 2200 ° C., and iron derived from the catalyst is at least a constituent element. As a result, it was found that some of the iron was in a state where it could be eluted with dilute hydrochloric acid, and the present invention was completed.

すなわち本発明は、反応触媒由来の鉄を構成成分とする微細炭素繊維であって、前記鉄成分は微細炭素繊維に接合しており、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつ前記鉄成分のうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする微細炭素繊維である。 That is, the present invention is a fine carbon fiber containing iron derived from a reaction catalyst as a constituent component, and the iron component is bonded to the fine carbon fiber, and the total iron content measured by the fluorescent X-ray method is fine. The fine carbon fiber is characterized in that it is 0.5 to 5.0% by mass in the carbon fiber, and 5 to 100% of the iron component is in a state capable of being eluted with dilute hydrochloric acid.

また本発明は、前記した鉄成分の形態は炭化物、硫化物もしくは純鉄であることを特徴とする微細炭素繊維である。 Further, the present invention is a fine carbon fiber characterized in that the form of the iron component is carbide, sulfide or pure iron.

さらに本発明は、前記微細炭素繊維が、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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ことを特徴とする微細炭素繊維である。 Furthermore, the present invention is a three-dimensional network-like carbon fiber structure in which the fine carbon fiber is 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 carbon fibers extend. The carbon fiber has a granular part larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonds the carbon fiber to each other, and the granular part is formed during the growth process of the carbon fiber. It is a fine carbon fiber characterized by.

本発明は、前記した微細炭素繊維は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2以上であることを特徴とする微細炭素繊維である。 The present invention has the above-described fine carbon fibers are carbon fibers, wherein I D / I G which is determined by Raman spectroscopy is 0.2 or more.

本発明は、前記した微細炭素繊維は、X線回折法で求めた黒鉛としての結晶性を示すd002が3.42Å以上の範囲内にあることを特徴とする微細炭素繊維である。 The fine carbon fiber according to the present invention is a fine carbon fiber characterized in that d 002 showing crystallinity as graphite obtained by an X-ray diffraction method is in a range of 3.42 mm or more.

また本発明は、前記した微細炭素繊維は、繊維表面の一部に括れがあり、かつ繊維表面が粗いことを特徴とする微細炭素繊維。 In the present invention, the fine carbon fiber is characterized in that a part of the fiber surface is constricted and the fiber surface is rough.

さらに本発明は、前記した微細炭素繊維が、炭素繊維に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有することを特徴とする微細炭素繊維である。   Furthermore, this invention is a fine carbon fiber characterized by the above-mentioned fine carbon fiber containing 0.001-30 mass% boron compound in conversion of boron with respect to carbon fiber.

また本発明は、反応触媒由来の鉄を構成成分とする前記微細炭素繊維であって、前記鉄成分は微細炭素繊維に接合しており、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつ前記鉄成分のうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっている微細炭素繊維が、熱間プレスを経て予備成形されたことを特徴とする微細炭素繊維の予備成形体である。 Further, the present invention is the fine carbon fiber comprising iron derived from a reaction catalyst as a constituent component, wherein the iron component is bonded to the fine carbon fiber, and the total iron content measured by a fluorescent X-ray method is The fine carbon fiber is 0.5 to 5.0% by mass in the fine carbon fiber, and 5 to 100% of the iron component is in a state in which it can be eluted with dilute hydrochloric acid. A preform of a fine carbon fiber characterized by being molded.

また本発明は、前記微細炭素繊維が、その製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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微細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ことを特徴とする微細炭素繊維の予備成形体である。 Moreover, the present invention is a three-dimensional network-like carbon fiber structure in which the fine carbon fiber is preformed through a hot press in the course of its production and is composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, The carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and has a granular portion that has a larger particle diameter than the outer diameter of the carbon fiber and binds the carbon fibers together, and the granular portion is the A preform of a fine carbon fiber, which is formed during the growth process of the fine carbon fiber.

本発明は、触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱して炭素物質を、繊維状に成長させて微細炭素繊維の中間体を得、得られた炭素繊維の中間体を900〜2200℃の範囲の温度で熱処理する工程から成ることを特徴とする、粗い表面があり、かつ反応触媒由来の鉄成分を含み、前記鉄成分は微細炭素繊維に接合しており、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつそのうち5〜100%の鉄が希塩酸で溶出可能な状態になっている微細炭素繊維の製造方法である。 In the present invention, a mixed gas of a catalyst and a hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C. to grow a carbon substance into a fibrous form to obtain an intermediate of fine carbon fiber. Characterized in that it comprises a step of heat-treating the body at a temperature in the range of 900 to 2200 ° C., comprising a rough surface and containing an iron component derived from a reaction catalyst, said iron component being bonded to fine carbon fibers, The total iron content measured by the fluorescent X-ray method is 0.5 to 5.0% by mass in the fine carbon fiber, and 5 to 100% of the iron is in a state where it can be eluted with dilute hydrochloric acid. It is a manufacturing method of carbon fiber.

すなわち本発明は、前記触媒ガスは、硫黄または硫黄化合物と、鉄または鉄化合物からなり、かつ前記硫黄源中の硫黄原子/前記鉄源中の鉄原子のモル比は0.01〜10であることを特徴とする微細炭素繊維の製造方法である。 That is, according to the present invention, the catalyst gas is composed of sulfur or a sulfur compound and iron or an iron compound, and the molar ratio of sulfur atom in the sulfur source / iron atom in the iron source is 0.01 to 10. It is the manufacturing method of the fine carbon fiber characterized by the above-mentioned.

また本発明は、触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱する際に、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により、炭素物質を、繊維状に成長させる一方で、使用される触媒粒子の周面方向に成長させて、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る、得られた炭素繊維構造体の中間体を900〜2200℃の範囲の温度に熱処理によりなる、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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は、その表面は粗く、且つ反応触媒由来の鉄を含み、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつそのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする微細炭素繊維の製造方法である。 The present invention also provides a carbon substance by using at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures as a carbon source when the mixed gas of catalyst and hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C. While growing in the form of fibers, the intermediates of the obtained carbon fiber structure are obtained by growing in the circumferential direction of the catalyst particles used to obtain a three-dimensional network-like carbon fiber structure intermediate. A three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, formed by heat treatment at a temperature in the range of 2200 ° C., wherein the carbon fiber structure has a plurality of carbon fibers extending. The carbon fiber has a particle part larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonded to each other, and the particle part is formed in the growth process of the carbon fiber. The carbon fiber structure is rough, the surface thereof is rough and contains iron derived from the reaction catalyst, and the total iron content measured by the fluorescent X-ray method is 0.5 to 5.0 mass in the fine carbon fiber. %, And 5 to 100% of the iron is in a state where it can be eluted with dilute hydrochloric acid.

前記微細炭素繊維の中間体を熱処理する方法において、微細炭素繊維の自重による流動を許容する流路を構成する炉本体を備え、前記流路内の炭素繊維を加熱して熱処理する微細炭素繊維の熱処理装置を用いることを特徴とする微細炭素繊維の製造方法である。 In the method for heat-treating the intermediate of the fine carbon fiber, the furnace comprises a furnace body that constitutes a flow path that allows the flow of the fine carbon fiber due to its own weight, and the fine carbon fiber is heat-treated by heating the carbon fiber in the flow path. A method for producing fine carbon fibers, characterized by using a heat treatment apparatus.

さらに本発明は、前記した微細炭素繊維の中間体を得た後熱処理する前に、ホウ素化合物の有機溶媒溶液もしくは水溶液または微細固体粉を混合することにより、前記した微細炭素繊維に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有させることを特徴とする微細炭素繊維の製造方法である。 Furthermore, the present invention provides an organic solvent solution or an aqueous solution of a boron compound or a fine solid powder before the heat treatment after obtaining the fine carbon fiber intermediate described above, thereby converting the fine carbon fiber into a boron equivalent. In which 0.001 to 30% by mass of a boron compound is contained.

また本発明は、前記微細炭素繊維の製造方法において、その製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、かつ、触媒鉄を構成成分とする微細炭素繊維であって、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつそのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする微細炭素繊維の予備成形体の製造方法。 Further, the present invention is a method for producing a fine carbon fiber, wherein the fine carbon fiber is preliminarily molded through hot pressing in the course of the production process and contains catalytic iron as a constituent component, and is measured by a fluorescent X-ray method. The total iron content is 0.5 to 5.0% by mass in the fine carbon fiber, and 5 to 100% of the iron is in a state in which it can be eluted with dilute hydrochloric acid. A method for producing a preform of a fiber.

すなわち本発明は、前記微細炭素繊維の製造方法において、その製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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は、その表面は粗く、且つ反応触媒由来の鉄を微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%含み、そのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする微細炭素繊維の予備成形体の製造方法である。 That is, the present invention is a three-dimensional network-like carbon fiber structure which is preformed through a hot press in the course of the production process and is composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm. The carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, has a granular portion that has a larger particle diameter than the outer diameter of the carbon fibers and bonds the carbon fibers to each other, and the granular structure Part is formed in the carbon fiber growth process, the carbon fiber structure has a rough surface and contains 0.5 to 5.0% by mass of reaction catalyst-derived iron in the fine carbon fiber, of which 5 to 100% of iron is in a state where it can be eluted with dilute hydrochloric acid.

さらに本発明は、前記した微細炭素繊維を、全体の0.1〜30質量%の割合でマトリックス中に配合したことを特徴とする複合材料である。 Furthermore, the present invention is a composite material characterized in that the fine carbon fibers described above are blended in a matrix at a ratio of 0.1 to 30% by mass.

さらに本発明は、前記した予備成形体を、全体の0.1〜30質量%の割合でマトリックス中に配合したことを特徴とする複合材料である。 Furthermore, the present invention is a composite material characterized in that the above-mentioned preform is blended in a matrix at a ratio of 0.1 to 30% by mass of the whole.

また本発明は、前記マトリックスが、少なくとも有機ポリマーを含むものである複合材料である。 The present invention is a composite material in which the matrix includes at least an organic polymer.

また本発明は、前記マトリックスが、少なくとも無機材料を含むものである複合材料である。 Moreover, this invention is a composite material in which the said matrix contains an inorganic material at least.

また本発明は、前記マトリックスが、少なくとも金属を含むものである複合材料である。 Moreover, this invention is a composite material in which the said matrix contains a metal at least.

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

本発明の微細炭素繊維は粗い表面があり、且つ反応触媒由来の鉄を微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%含み、そのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっている為、触媒鉄成分は微細炭素繊維の表に存在することによって、複合材料を製造する際に表面改質など工程が必要とせず、粗い表面構造を持つこと及び反応触媒鉄成分はチューブの表に存在することで、更にマトリックス材との接着性を強化することが期待できる。また、反応触媒鉄成分は粒や層などの形でカーボンナノチューブの表面部分に存在することではなく、形を観察しにくい状態で、例えば、原子の形態でチューブの表に存在し、カーボンナノチューブとの結び付きが強固であり、物理的な外力では剥がれないため、より良いマトリックス材料との接着性、特に金属系マトリックスとの濡れ性の改善には期待できる。また、本発明の微細炭素繊維において、基幹となる炭素繊維が、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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と、本発明の微細炭素繊維は、三次元ネットワーク状に形成されているので、さらに表面の粗さと表面に存在する触媒鉄成分によりマトリックス材との接着性を改善されるため、最終的に複合材料を製造した場合、その熱伝導性、導電性、機械的強度が良好なものとなる。また、三次元的構造を後から付与するための工程が不要である。本発明の微細炭素繊維は、マトリックスの材料として、金属および金属以外のセラミックス、ゴム、合成樹脂、カーボン系材料等が使用可能である。 The fine carbon fiber of the present invention has a rough surface and contains 0.5 to 5.0% by mass of iron derived from the reaction catalyst in the fine carbon fiber, of which 5 to 100% of iron can be eluted with dilute hydrochloric acid. Therefore, the catalytic iron component is present on the surface of the fine carbon fiber, so that a process such as surface modification is not required when producing a composite material, and the surface has a rough surface structure and the reaction catalytic iron component is in the tube. By being present in the table, it can be expected to further enhance the adhesion to the matrix material. In addition, the reaction catalyst iron component is not present in the surface portion of the carbon nanotube in the form of grains or layers, but is present in a state where it is difficult to observe the shape, for example, on the surface of the tube in the form of atoms. Since the bond is strong and cannot be peeled off by physical external force, it can be expected to improve the adhesion with a better matrix material, particularly the wettability with a metal matrix. Further, in the fine carbon fiber of the present invention, the basic carbon fiber 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 carbon fiber. In the form of a plurality of extending, the carbon fiber has a granular portion that has a particle size larger than the outer diameter and couples the carbon fibers to each other, and the granular portion is formed in the growth process of the carbon fiber Since the fine carbon fiber of the present invention is formed in a three-dimensional network, the adhesion with the matrix material is further improved by the surface roughness and the catalytic iron component present on the surface. When the composite material is finally produced, its thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength are good. Moreover, the process for providing a three-dimensional structure later is unnecessary. In the fine carbon fiber of the present invention, metals, ceramics other than metals, rubber, synthetic resins, carbon-based materials, and the like can be used as matrix materials.

以下本発明を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 embodiments.

まず、本発明に係る微細炭素繊維に関して説明する。
本発明に係る微細炭素繊維は、反応触媒由来の鉄を構成成分とする微細炭素繊維であって、前記鉄成分は微細炭素繊維に接合しており、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつ前記鉄成分のうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする微細炭素繊維である。
First, the fine carbon fiber according to the present invention will be described.
The fine carbon fiber according to the present invention is a fine carbon fiber containing iron derived from a reaction catalyst as a constituent component, and the iron component is bonded to the fine carbon fiber, and the total iron measured by a fluorescent X-ray method. Fine carbon fiber characterized in that the content is 0.5 to 5.0% by mass in the fine carbon fiber, and 5 to 100% of the iron component is in a state in which it can be eluted with dilute hydrochloric acid. It is.

本発明の微細炭素繊維は、特に限定されるものではく、各種の態様を取り得る。
具体的には、微細炭素繊維としては、例えば、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等各種のものが包含され、さらにこれらの微細炭素繊維は単繊維状のものに限られず、分岐状のもの、三次元構造のものであっても良い。なお、本発明においてこれらの微細炭素繊維は、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。
The fine carbon fiber of the present invention is not particularly limited, and can take various forms.
Specifically, as the fine carbon fiber, for example, a single-walled carbon nanotube having a diameter of about several nanometers formed by a single graphene sheet being rolled into a cylindrical shape, or a multi-layer carbon in which a cylindrical graphene sheet is stacked in a direction perpendicular to the axis Various types of carbon nanohorns such as nanotubes (multi-walled carbon nanotubes) and single-walled carbon nanotubes with a conical closed end are included. Further, these fine carbon fibers are not limited to single-fibrous ones, but are branched. Or a three-dimensional structure. In the present invention, these fine carbon fibers can be used alone or in a mixture of two or more.

さらに、微細炭素繊維の繊維径、繊維長、アスペクト比といった繊維的特性としても特に限定されるものではないが、本発明に係る微細炭素繊維が、複合材料を構成する上でマトリックス中に均一に分散され得ることのできるような特性を有するものであることが望ましい。特に限定されるものではないが、例えば、その繊維径が(0.5〜120)nm程度、微細炭素繊維のアスペクト比が、(5〜5,000)程度のものであるものを例示することができる。
さらに、微細炭素繊維のラマン分光分析法で測定されるI/I比が、0.2以上、より好ましくは1.0〜0.40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。このため、DバンドとGバンドの強度比(R=I1360/I1580=I/I)が小さい程、炭素繊維を構成するグラフェンシート中における欠陥量が少ないことを意味し、I/I比が上記所定の値のものであると、本発明に係る微細炭素繊維が、より高いマトリックス材との接着強度を発揮し得るためである。
Furthermore, the fiber characteristics such as the fiber diameter, fiber length, and aspect ratio of the fine carbon fiber are not particularly limited. However, the fine carbon fiber according to the present invention is uniformly formed in the matrix in constituting the composite material. It is desirable to have properties that can be dispersed. Although not particularly limited, for example, the fiber diameter is about (0.5 to 120) nm, and the aspect ratio of the fine carbon fiber is about (5 to 5,000). Can do.
Furthermore, it is desirable that the I D / I G ratio measured by Raman spectroscopy of fine carbon fibers is 0.2 or more, more preferably 1.0 to 0.40. 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. For this reason, the smaller the intensity ratio (R = I 1360 / I 1580 = I D / I G ) between the D band and the G band, the smaller the amount of defects in the graphene sheet constituting the carbon fiber, and I D This is because the fine carbon fiber according to the present invention can exhibit higher adhesive strength with the matrix material when the / IG ratio is the above-mentioned predetermined value.

さらに、微細炭素繊維としては、以下に詳述するような所定構造を有する三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であることが好ましい。
すなわち、本発明の好ましい実施形態においては、微細炭素繊維が、外径15〜100nmの微細炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は微細炭素繊維が複数延出する態様で、前記微細炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該微細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微細炭素繊維の成長過程において形成されてなるものであり、当該炭素繊維構造体を構成する微細炭素繊維が、反応触媒由来の鉄を構成元素とする微細炭素繊維であって、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつ前記鉄のうち10〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする微細炭素繊維である。
Further, the fine carbon fiber is preferably a three-dimensional network-like carbon fiber structure having a predetermined structure as described in detail below.
That is, in a preferred embodiment of the present invention, the fine carbon fiber is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of fine carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, and the carbon fiber structure is a fine carbon. In a mode in which a plurality of fibers are extended, the fine carbon fibers have a particle size larger than an outer diameter of the fine carbon fibers, and the fine carbon fibers are bonded to each other. In the process, the fine carbon fiber constituting the carbon fiber structure is a fine carbon fiber containing iron derived from the reaction catalyst as a constituent element, and is the total of those measured by the fluorescent X-ray method. Fine carbon fiber, characterized in that the iron content is 0.5 to 5.0% by mass in the fine carbon fiber, and 10 to 100% of the iron is in a state in which it can be eluted with dilute hydrochloric acid. It is.

本発明に係る微細炭素繊維の好ましい実施形態において、基幹となる三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を構成する微細炭素繊維の外径を、15〜100nmの範囲のものとする、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、樹脂等のマトリックスに配された後において、より高い機械特性を持つ複合材料を得る。 In a preferred embodiment of the fine carbon fiber according to the present invention, the outer diameter of the fine carbon fiber constituting the basic three-dimensional network-like carbon fiber structure is in the range of 15 to 100 nm. More desirably within the range of 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, a composite material having higher mechanical properties is obtained after being arranged in a matrix such as a resin.

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

さらにこの微細炭素繊維においては、このような所定外径を有する微細炭素繊維が三次元ネットワーク状に存在するが、これら微細炭素繊維は、当該微細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、該粒状部から前記微細炭素繊維が複数延出する形状を呈しているものである。このように、微細炭素繊維同士が単に絡合しているものではなく、粒状部において相互に強固に結合されているものであることから、樹脂等のマトリックス中に配した場合に当該構造体が微細炭素繊維単体として分散されることなく、嵩高な構造体のままマトリックス中に分散配合されることができる。また、本発明に係る微細炭素繊維構造体においては、当該微細炭素繊維の成長過程において形成された粒状部によって微細炭素繊維同士が互いに結合されていることから、その構造体自体の電気的特性等も非常に優れたものであり、例えば、一定圧縮密度において測定した電気抵抗値は、微細炭素繊維の単なる絡合体、あるいは微細炭素繊維同士の接合点を当該炭素繊維合成後に炭素質物質ないしその炭化物によって付着させてなる構造体等の値と比較して、非常に低い値を示し、マトリックス中に分散配合された場合に、良好な導電パスを形成できる。 Further, in this fine carbon fiber, fine carbon fibers having such a predetermined outer diameter are present in a three-dimensional network, and these fine carbon fibers are mutually connected in granular parts formed in the growth process of the fine carbon fibers. It is bonded and has a shape in which a plurality of the fine carbon fibers extend from the granular part. In this way, the fine carbon fibers are not simply entangled with each other, but are firmly bonded to each other in the granular portion, so that when the structure is disposed in a matrix such as a resin, the structure is Without being dispersed as a single fine carbon fiber, the bulky structure can be dispersed and blended in the matrix. Further, in the fine carbon fiber structure according to the present invention, since the fine carbon fibers are bonded to each other by the granular portion formed in the growth process of the fine carbon fiber, the electrical characteristics of the structure itself, etc. For example, the electrical resistance value measured at a constant compression density is a mere entanglement of fine carbon fibers, or a junction between fine carbon fibers at a carbonaceous material or a carbide thereof after synthesizing the carbon fiber. Compared with the value of a structure or the like formed by adhesion, a very low value is exhibited, and when dispersed in a matrix, a good conductive path can be formed.

当該粒状部は、上述するように炭素繊維の成長過程において形成されるものであるため、当該粒状部における炭素間結合は十分に発達したものとなり、sp結合およびsp結合の混合状態を含むと思われる。そして、生成後(後述する中間体および第一中間体)においては、粒状部と繊維部とが、炭素原子からなるパッチ状のシート片を貼り合せたような構造をもって連続しており、その後の熱処理後においては、粒状部を構成するグラフェン層の少なくとも一部は、当該粒状部より延出する微細炭素繊維を構成するグラフェン層に連続するものとなる。当該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 includes a mixed state of sp 2 bond and sp 3 bond. I think that the. And after the generation (intermediate and first intermediate described later), the granular part and the fiber part are continuous with a structure in which patch-like sheet pieces made of carbon atoms are bonded together, and thereafter After the heat treatment, at least a part of the graphene layer constituting the granular part is continuous with the graphene layer constituting the fine carbon fiber extending from the granular part. In the carbon fiber structure, 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. These 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.

この粒状部の粒径は、前記微細炭素繊維の外径よりも大きいことが望ましい。具体的には、例えば、前記微細炭素繊維の外径の1.3〜250倍、より好ましくは1.5〜100倍、さらに好ましくは2.0〜25倍である。なお、前記値は平均値である。このように微細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微細炭素繊維に対して高い結合力がもたらされ、樹脂等のマトリックス中に当該炭素繊維構造体を配した場合に、ある程度のせん断力を加えた場合であっても、三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恐れがあり、例えば、各種マトリックス中への添加剤、配合剤として適当なものとならない恐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。 The particle size of the granular part is desirably larger than the outer diameter of the fine carbon fiber. Specifically, for example, the outer diameter of the fine carbon fiber is 1.3 to 250 times, more preferably 1.5 to 100 times, and still more preferably 2.0 to 25 times. In addition, the said value is an average value. Thus, if the particle size of the granular part, which is a bonding point between the fine carbon fibers, is sufficiently large as 1.3 times or more of the outer diameter of the fine carbon fiber, with respect to the fine carbon fiber extending from the granular part When the carbon fiber structure is disposed in a matrix such as a resin, even when a certain amount of shearing force is applied, the three-dimensional network structure is maintained in the matrix. Can be dispersed. On the other hand, if the size of the granular part is extremely large exceeding 250 times the outer diameter of the fine carbon fiber, the fibrous properties of the carbon fiber structure may be impaired. For example, addition to various matrices This is not desirable because it may not be suitable as an agent or a compounding agent. The “particle size of the granular part” in the present specification is a value measured by regarding the granular part, which is a bonding point between carbon fibers, as one particle.

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

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

加えて、この粒状部は、前記したように微細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微細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、微細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微細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。 In addition, the granular portion is formed in the process of growing fine carbon fibers as described above. For example, the joints between the fine carbon fibers are formed by the carbonaceous material or carbide thereof after the synthesis of the fine carbon fibers. Compared to a structure or the like that is attached, the bonding between the fine carbon fibers in the granular part is very strong, and even under conditions that cause breakage of the fine carbon fibers in the carbon fiber structure. The granular part (joint part) is held stably.

また、当該炭素繊維構造体は、面積基準の円相当平均径が50〜1000μm、好ましくは50〜500μm、より好ましくは60〜250μm程度であることが望ましい。ここで面積基準の円相当平均径とは、炭素繊維構造体の外形を電子顕微鏡などを用いて撮影し、この撮影画像において、各炭素繊維構造体の輪郭を、適当な画像解析ソフトウェア、例えばWinRoof(商品名、三谷商事株式会社製)を用いてなぞり、輪郭内の面積を求め、各繊維構造体の円相当径を計算し、これを平均化したものである。 The carbon fiber structure desirably has an area-based circle-equivalent mean diameter of 50 to 1000 μm, preferably 50 to 500 μm, more preferably about 60 to 250 μm. Here, the area-based circle-equivalent mean diameter is obtained by photographing the outer shape of the carbon fiber structure using an electron microscope or the like, and in this photographed image, the contour of each carbon fiber structure is represented by an appropriate image analysis software such as WinRoof. (Trade name, manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.) is used to determine the area within the contour, calculate the equivalent circle diameter of each fiber structure, and average it.

複合化される樹脂等のマトリックス材の種類によっても左右されるため、全ての場合において適用されるわけではないが、予備成形体に適用する場合は、円相当平均径が大きい方が導電性、機械特性、熱特性にとって好ましいが、1000μmを超えると予備成形体中の炭素繊維構造体の分布が不均質になり、上記特性が得られなくなるためであり、また、この円相当平均径は、樹脂等のマトリックス中に配合する場合において当該炭素繊維構造体の最長の長さを決める要因となるものであり、概して、円相当平均径が50μm未満であると、機械特性や導電性が十分に発揮されない恐れがある。 Since it depends on the type of matrix material such as resin to be compounded, it is not applied in all cases, but when applied to a preform, the one with a larger equivalent circle average diameter is more conductive, This is preferable for mechanical properties and thermal properties, but if it exceeds 1000 μm, the distribution of the carbon fiber structure in the preform becomes inhomogeneous, and the above properties cannot be obtained. When blended in a matrix such as the above, it becomes a factor for determining the longest length of the carbon fiber structure. In general, if the average equivalent circle diameter is less than 50 μm, the mechanical properties and conductivity are sufficiently exhibited. There is a fear that it will not be.

また当該炭素繊維構造体は、三次元ネットワーク状に存在する微細炭素繊維が粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記微細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、微細炭素繊維を結合する粒状部が複数個存在して三次元ネットワークを形成している場合、隣接する粒状部間の平均距離は、例えば、0.5μm〜300μm、より好ましくは0.5〜100μm、さらに好ましくは1〜50μm程度となる。なお、この隣接する粒状部間の距離は、1つの粒状体の中心部からこれに隣接する粒状部の中心部までの距離を測定したものである。粒状体間の平均距離が、0.5μm未満であると、微細炭素繊維が三次元ネットワーク状に十分に発展した形態とならないため、例えば、マトリックス中に分散配合された場合に、良好な導電パスを形成し得ないものとなる恐れがあり、一方、平均距離が300μmを越えるものであると、マトリックス中に分散配合させる際に、粘性を高くさせる要因となり、炭素繊維構造体のマトリックスに対する分散性が低下する恐れがあるためである。
さらに、当該炭素繊維構造体は、上記したように、三次元ネットワーク状に存在する微細炭素繊維が粒状部において互いに結合され、該粒状部から前記微細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微細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、フィラーとして分散性が悪くなり、マトリックス材中凝集し易く傾向があるので、少量添加によって、樹脂等のマトリックスの物性を改善することが難しくなるためである。
The carbon fiber structure has a shape in which fine carbon fibers existing in a three-dimensional network are bonded to each other in a granular portion, and a plurality of the fine carbon fibers extend from the granular portion. In the structure, when there are a plurality of granular parts connecting fine carbon fibers to form a three-dimensional network, the average distance between adjacent granular parts is, for example, 0.5 μm to 300 μm, more preferably 0. .5 to 100 μm, more preferably about 1 to 50 μm. In addition, the distance between this adjacent granule part measures the distance from the center part of one granular material to the center part of the granule part adjacent to this. When the average distance between the granular materials is less than 0.5 μm, the fine carbon fiber does not sufficiently develop into a three-dimensional network, so that, for example, a good conductive path is obtained when dispersed in a matrix. On the other hand, if the average distance exceeds 300 μm, the dispersion of the carbon fiber structure into the matrix becomes a factor in increasing the viscosity when dispersed in the matrix. This is because there is a risk of decrease.
Furthermore, as described above, the carbon fiber structure has a shape in which fine carbon fibers existing in a three-dimensional network are bonded to each other in the granular portion, and a plurality of the fine carbon fibers extend from the granular portion. For this reason, the structure has a bulky structure in which fine carbon fibers are sparsely present. Specifically, for example, the bulk density is 0.0001 to 0.05 g / cm 3 , more preferably 0.001. It is desirable that it is ˜0.02 g / cm 3 . If the bulk density exceeds 0.05 g / cm 3 , the dispersibility of the filler deteriorates and it tends to aggregate in the matrix material. Therefore, the addition of a small amount can improve the physical properties of the matrix such as a resin. This is because it becomes difficult.

また、当該炭素繊維構造体は、ラマン分光分析法で測定されるI/I比が、0.2以上、より好ましくは1.0〜0.4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。このため、DバンドとGバンドの強度比(R=I1360/I1580=I/I)が小さい程、炭素繊維構造体を構成するグラフェンシート中における欠陥量が少ないことを意味し、I/I比が上記所定の値のものであると、本発明に係る微細炭素繊維は、適当な結晶構造を持つ、且つ平滑ではない表面状態があり、より高いマトリックスとの接着強度を発揮し得るためである。 Further, the carbon fiber structures, I D / I G ratio determined by Raman spectroscopy is, it is preferable 0.2 or more, more preferably 1.0 to 0.4. 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. For this reason, the smaller the intensity ratio (R = I 1360 / I 1580 = I D / I G ) between the D band and the G band, the smaller the amount of defects in the graphene sheet constituting the carbon fiber structure, When the I D / I G ratio is the above predetermined value, the fine carbon fiber according to the present invention has an appropriate crystal structure and a non-smooth surface state, and has a higher adhesive strength with the matrix. It is because it can be demonstrated.

前記した微細炭素繊維を構成するグラフェンシート中における欠陥量がラマン分光分析法で測定されるI/I比を用いて評価する際に0.2以上、より好ましくは1.0〜0.4であることが望ましい。I/I比は0.2以下である微細炭素繊維の表面と比較し、前記微細炭素繊維の表面が平滑でないことを意味している。 0.2 or higher when evaluated using the I D / I G ratio of defect in graphene sheets is measured by Raman spectroscopy constituting the fine carbon fibers described above, more preferably 1.0 to 0. 4 is desirable. Compared with the surface of the fine carbon fiber whose ID / IG ratio is 0.2 or less, it means that the surface of the fine carbon fiber is not smooth.

本発明の微細炭素繊維においては、特に、上記したような三次元ネットワーク構造を有する炭素繊維構造体が、反応触媒由来の鉄を含み、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつそのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっている為、触媒鉄成分は微細炭素繊維の表に存在することによって、複合材料を製造する際に表面改質など工程が必要とせず、マトリックス材との接着性を強化することが期待できる。また、反応触媒鉄成分は粒や層などの形でカーボンナノチューブの表面部分に存在することではなく、形を観察しにくい状態で、例えば、原子の形態でチューブの表に存在し、カーボンナノチューブとの結び付きが強固であり、物理的な外力では剥がれないため、より良いマトリックス材料との接着性、特に金属系マトリックスとの濡れ性の改善には期待できる。 In the fine carbon fiber of the present invention, in particular, the carbon fiber structure having the three-dimensional network structure as described above contains iron derived from the reaction catalyst, and the total iron content measured by the fluorescent X-ray method is fine. Since the amount of iron in the carbon fiber is 0.5 to 5.0% by mass, and 5 to 100% of the iron is in a state that can be eluted with dilute hydrochloric acid, the catalyst iron component is present in the surface of the fine carbon fiber. It can be expected that the manufacturing process of the composite material does not require a process such as surface modification and enhances the adhesion with the matrix material. In addition, the reaction catalyst iron component is not present in the surface portion of the carbon nanotube in the form of grains or layers, but is present in a state where it is difficult to observe the shape, for example, on the surface of the tube in the form of atoms. Since the bond is strong and cannot be peeled off by physical external force, it can be expected to improve the adhesion with a better matrix material, particularly the wettability with a metal matrix.

このような微細炭素繊維の表に存在する触媒鉄成分は、後述するように、反応工程においてCVD反応を施した後、触媒粒子の形で微細炭素繊維の中空間に存在するが、熱処理工程において加熱効果により中空にある鉄触媒成分が拡散され、微細炭素繊維の表面部分に到達することとなるものである。 The catalytic iron component present in the surface of the fine carbon fiber is present in the middle space of the fine carbon fiber in the form of catalyst particles after the CVD reaction in the reaction step, as will be described later. The iron catalyst component in the hollow is diffused by the heating effect and reaches the surface portion of the fine carbon fiber.

本発明において微細炭素繊維中に触媒由来の鉄の化学形態は、FeC(鉄と炭素からなる化合物)、Fe1−xS(鉄と硫黄からなる化合物)、α鉄及びγ鉄が主である。なお、本発明の鉄の存在形態は上記のものに限定されるものではなく、硫化鉄や酸化鉄などその他の化学形態でもよい。さらに複数の鉄化合物が組み合わせて存在していてもよい。 In the present invention, the chemical form of iron derived from the catalyst in the fine carbon fiber is mainly Fe 3 C (compound composed of iron and carbon), Fe1-xS (compound composed of iron and sulfur), α iron and γ iron. . In addition, the presence form of iron of this invention is not limited to the above-mentioned thing, Other chemical forms, such as iron sulfide and iron oxide, may be sufficient. Further, a plurality of iron compounds may be present in combination.

前記した微細炭素繊維の表面に存在する触媒鉄成分は、特に形や大きさなど限定されるものではない、TEMやSEMなどの観察法では観察できるものではないが、蛍光X線解析では0.5wt%以上の鉄が検出され、XPS分光法では微細炭素繊維の表面部分に鉄元素の存在が検出される、更に前記した反応工程においてCVD反応直後に得た微細炭素繊維から希塩酸に溶けないが、前記した熱処理工程において熱処理後溶けることになる触媒鉄成分である。 The catalytic iron component present on the surface of the fine carbon fiber is not particularly limited in shape and size, and is not observable by an observation method such as TEM or SEM. 5 wt% or more of iron is detected, and XPS spectroscopy detects the presence of iron element on the surface of the fine carbon fiber. Furthermore, it does not dissolve in dilute hydrochloric acid from the fine carbon fiber obtained immediately after the CVD reaction in the reaction step described above. The catalytic iron component that will melt after the heat treatment in the heat treatment step described above.

さらに、前記した微細炭素繊維の表面に存在する触媒鉄成分は、前記した微細炭素繊維全体に存在する触媒鉄成分に対する割合は下記の方法で計れる。前記した熱処理工程において熱処理後微細炭素繊維を、1〜5%塩酸に25時間浸漬け、この酸に漬ける処理前後の微細炭素繊維中に残る触媒鉄の量を蛍光X線解析法で計り、下記の計算式から前記微細炭素繊維の表面に存在する触媒鉄成分の割合を得られる。
表面に存在する触媒鉄成分(%)
=(1−酸に漬けた後の鉄残存量/酸に漬ける前の鉄残存量)×100%
Furthermore, the ratio of the catalytic iron component present on the surface of the fine carbon fiber described above to the catalytic iron component present in the whole fine carbon fiber can be measured by the following method. In the above-described heat treatment step, the fine carbon fiber after heat treatment is immersed in 1-5% hydrochloric acid for 25 hours, and the amount of catalytic iron remaining in the fine carbon fiber before and after the treatment soaked in this acid is measured by fluorescent X-ray analysis. From the above formula, the ratio of the catalytic iron component present on the surface of the fine carbon fiber can be obtained.
Catalytic iron components present on the surface (%)
= (1-iron remaining amount after soaking in acid / iron remaining amount before soaking in acid) x 100%

本発明の微細炭素繊維において、触媒由来の鉄の存在位置は、微細炭素繊維の表面部分にあってもよく、また表層部分に存在してもよい。900〜2200℃の温度範囲でアニール処理をすることで、処理前と比較して触媒鉄成分の量はほとんど減少せず、鉄成分は炭素繊維の外側に拡散度合いを高めていることが望ましい。 In the fine carbon fiber of the present invention, the position of the catalyst-derived iron may be present on the surface portion of the fine carbon fiber or may be present on the surface layer portion. By performing the annealing treatment in the temperature range of 900 to 2200 ° C., it is desirable that the amount of the catalytic iron component is hardly reduced as compared with that before the treatment, and the iron component has a higher degree of diffusion outside the carbon fiber.

さらに、前記した微細炭素繊維の全体に存在する触媒鉄に対して表面に存在する触媒鉄の割合は、特に限定されるものではないが、十分な機械的強度を発揮しかつ所期の割合は例えば、5〜100%、好ましくは5〜90%、より好ましくは5〜70%程度であることが、より高いマトリックスとの接着効果等を付与し力学的特性の面から特に優れた複合材料を得る上から望ましい。 Furthermore, the ratio of the catalytic iron present on the surface with respect to the catalytic iron present in the entire fine carbon fiber is not particularly limited, but exhibits sufficient mechanical strength and the expected ratio is For example, 5 to 100%, preferably 5 to 90%, more preferably about 5 to 70% is a composite material that is particularly excellent in terms of mechanical properties and imparts a higher adhesive effect with a matrix. It is desirable from the viewpoint of obtaining.

さらに、特に限定されるものではないが、前記した酸漬け処理において使用する酸は塩酸、硫酸、硝酸など無機酸である、酸の濃度はできるだけ薄いほうが望ましいが、例えば、塩酸の場合、濃度が1〜5%であることが適当である。濃度は5%以上の塩酸を使うと、酸化効果により前記微細炭素繊維の表面欠陥を増加することにより微細炭素繊維自身の物性も落ちる恐れがあるため、複合材の物性改善の面からは望ましくない。1%以下の塩酸を使うと、前記微細炭素繊維の表面に存在する触媒鉄成分は十分に溶けないため、正しい測り結果が得られない。 Further, although not particularly limited, the acid used in the above-mentioned pickling treatment is an inorganic acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, and it is desirable that the acid concentration be as low as possible. It is suitable that it is 1 to 5%. If hydrochloric acid with a concentration of 5% or more is used, the physical properties of the fine carbon fiber itself may be reduced by increasing the surface defects of the fine carbon fiber due to the oxidation effect, which is undesirable from the viewpoint of improving the physical properties of the composite material. . When hydrochloric acid of 1% or less is used, the catalytic iron component present on the surface of the fine carbon fiber is not sufficiently dissolved, so that a correct measurement result cannot be obtained.

本発明の微細炭素繊維において、表面に存在する触媒鉄成分が粒や層などの形で存在することではなく、形をTEMやSEMなどの観察法では観察しにくい状態で存在するので、基幹となる微細炭素繊維との結び付きが強固である。例えば、後述する実施例において示すように、当該微細炭素繊維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、当該触媒鉄の脱落率を調べたところ、処理後における触媒鉄成分の脱落率は、0%であって、当該触媒鉄成分は、微細炭素繊維に安定に結合されていることが判る。 In the fine carbon fiber of the present invention, the catalytic iron component present on the surface is not present in the form of grains or layers, but the form is present in a state that is difficult to observe by an observation method such as TEM or SEM. The connection with the fine carbon fiber is strong. For example, as shown in the examples described later, the fine carbon fibers are dispersed in a liquid medium, and ultrasonic waves of a predetermined frequency are applied to the fine carbon fibers to examine the dropping rate of the catalytic iron. The dropping rate of the catalytic iron component at 0 is 0%, and it can be seen that the catalytic iron component is stably bonded to the fine carbon fibers.

また、当該触媒鉄成分は微細炭素繊維の表面に存在し、且つこの微細炭素繊維の表面は平滑ではないことから、本発明に係る微細炭素繊維を用いて最終的に製造された複合材料において、微細炭素繊維とマトリックスとの接着状況が改善され、それは、アンカー効果により強固なものになる。一般的な微細炭素繊維をフィラーとしてマトリックスに配合した場合、当該フィラー表面が比較的平滑であるため、マトリックスとの界面方向に歪み応力が加わった場合、マトリックスとフィラーとの間で比較的容易にずれが生じてしまう、プルーアウト(Pull out)問題が発生する。一方、本発明に係る微細炭素繊維を用いた場合、前記したように、フィラー表面が平滑ではないため、且つ表面に触媒鉄成分は存在するので、マトリックス特に金属類のマトリックスとの界面において濡れ性が改善され、マトリックスとの界面方向に歪み応力が加わった場合においても、マトリックスとフィラーとの間でずれが生じにくいというものである。 In addition, in the composite material finally produced using the fine carbon fiber according to the present invention, the catalytic iron component is present on the surface of the fine carbon fiber, and the surface of the fine carbon fiber is not smooth. The adhesion between the fine carbon fibers and the matrix is improved, and it becomes stronger due to the anchor effect. When general fine carbon fibers are blended in the matrix as a filler, the surface of the filler is relatively smooth, so when strain stress is applied in the interface direction with the matrix, it is relatively easy between the matrix and the filler. A pull out problem occurs that causes a shift. On the other hand, when the fine carbon fiber according to the present invention is used, as described above, since the filler surface is not smooth and the catalytic iron component is present on the surface, the wettability at the interface with the matrix, in particular, the matrix of metals. Is improved, and even when strain stress is applied in the direction of the interface with the matrix, the matrix and the filler are less likely to be displaced.

なお、本発明の微細炭素繊維がその表面に有している触媒鉄成分は、微細炭素繊維の構造に悪い影響が無く、炭素繊維の物性を劣化する恐れが無い。 In addition, the catalytic iron component which the fine carbon fiber of this invention has on the surface does not have a bad influence on the structure of a fine carbon fiber, and there is no possibility of deteriorating the physical property of carbon fiber.

鉄の蒸発開始温度である1800℃以下であれば前記した微細炭素繊維の表面にある触媒鉄成分は安定し、一定な耐熱性はある。 If it is 1800 degrees C or less which is an evaporation start temperature of iron, the catalyst iron component in the surface of the above-mentioned fine carbon fiber will be stabilized, and it has fixed heat resistance.

本発明の微細炭素繊維は、上記したように基幹となる微細炭素繊維の表面は平滑ではなく触媒鉄成分を有してなるものであり、特に、微細炭素繊維が前記したような三次元ネットワーク構造を有し、しかもそのネットワーク構造は微細炭素繊維同士が単に絡合しているものでは無く、微細炭素繊維同士を強固に結合する粒状部を有してなるものである態様においては、最終的に複合材料を製造した場合には、その複合材料の熱伝導性、導電性、機械的強度が良好なものとなる。また、表面改質や三次元的構造を付与するための工程を付加する必要が無い。 As described above, the fine carbon fiber of the present invention is such that the surface of the basic fine carbon fiber is not smooth but has a catalytic iron component. In particular, the fine carbon fiber has a three-dimensional network structure as described above. And the network structure is not simply entangled between the fine carbon fibers, but finally has a granular part that firmly bonds the fine carbon fibers. When a composite material is manufactured, the thermal conductivity, conductivity, and mechanical strength of the composite material are good. Further, there is no need to add a process for imparting surface modification or a three-dimensional structure.

なお、本願明細書において、微細炭素繊維に存在する「括れ」とは、微細炭素繊維の外層部分において、グラフェンレイヤーに層の厚さにバラツキが生じ、凹みをもった部分や、外層部分の一部が欠損している状態を主として意味するものである。 In the specification of the present application, “bundling” existing in the fine carbon fiber means that the thickness of the graphene layer varies in the outer layer portion of the fine carbon fiber, and a portion having a dent or a portion of the outer layer portion. This mainly means that the part is missing.

なお、本願明細書において、微細炭素繊維が「粗い」とは、外層部分に起伏があり、繊維表面が平滑でない状態を主として意味するものである。 In the present specification, the term “coarse” of the fine carbon fiber mainly means a state in which the outer layer portion has undulations and the fiber surface is not smooth.

本発明に係る微細炭素繊維はまた、空気中での燃焼開始温度が600℃以上、好ましくは650℃以上、より好ましくは680〜700℃であることが望ましい。 The fine carbon fiber according to the present invention also desirably has a combustion start temperature in air of 600 ° C. or higher, preferably 650 ° C. or higher, more preferably 680 to 700 ° C.

さらに、本発明の微細炭素繊維の好ましい一実施形態においては、微細炭素繊維に対してホウ素換算で0.001〜30質量%、好ましくは0.01〜3.0質量%のホウ素化合物を含有することもできる。この場合、微細炭素繊維中のホウ素化合物の存在する部位、ホウ素化合物の化合物種については特に限定されない。微細炭素繊維中にホウ素化合物が存在することによって、構造に多少の欠陥を含んでいる場合であっても、高い導電性を得ることができる。 Furthermore, in preferable one Embodiment of the fine carbon fiber of this invention, 0.001-30 mass% in conversion of a boron with respect to a fine carbon fiber, Preferably it contains 0.01-3.0 mass% boron compound. You can also. In this case, the site where the boron compound is present in the fine carbon fiber and the compound type of the boron compound are not particularly limited. By the presence of the boron compound in the fine carbon fibers, high conductivity can be obtained even when the structure contains some defects.

(微細炭素繊維の製造方法)
次に上記したような本発明に係る微細炭素繊維の製造方法について説明する。
(Method for producing fine carbon fiber)
Next, the method for producing fine carbon fibers according to the present invention as described above will be described.

本発明に係る微細炭素繊維は、特に限定されるものではないが、基本的には、触媒および炭化水素の混合ガスを800〜1300℃の一定温度で加熱して炭素物質を、繊維状に成長させて微細炭素繊維の中間体を得る反応工程、得られた微細炭素繊維の中間体を900〜2200℃で加熱する熱処理工程からなる。
なお、基幹となる微細炭素繊維が、前記したように外径15〜100nmの微細炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は微細炭素繊維が複数延出する態様で、前記微細炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく当該微細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微細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実施形態においては、触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱する際に、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により、炭素物質を、繊維状に成長させる一方で、使用される触媒粒子の周面方向に成長させて、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る反応工程、得られた炭素繊維構造体の中間体を900〜2200℃で加熱する熱処理工程を経ることにより、製造可能である。
Although the fine carbon fiber according to the present invention is not particularly limited, basically, a carbon gas is grown into a fiber by heating a mixed gas of catalyst and hydrocarbon at a constant temperature of 800 to 1300 ° C. And a heat treatment step of heating the obtained fine carbon fiber intermediate at 900 to 2200 ° C.
The basic fine carbon fiber is a three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of fine carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm as described above, and the carbon fiber structure is composed of fine carbon fibers. In a form extending a plurality, the fine carbon fibers have a particle size larger than the outer diameter of the fine carbon fibers, and the fine carbon fibers are bonded to each other, and the granular portions are in the process of growing the fine carbon fibers In the embodiment which is formed, at the time of heating the mixed gas of the catalyst and the hydrocarbon at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C., at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures are used as a carbon source. Thus, while the carbon material is grown in a fibrous form, it is grown in the circumferential direction of the catalyst particles to be used to obtain an intermediate body of a three-dimensional network-like carbon fiber structure. Reaction step, by passing through a heat treatment step of heating the intermediate of obtained carbon fibrous structures at 900-2200 ° C., can be manufactured.

まず、微細炭素繊維の中間体を得る反応工程について説明する。この反応工程においては、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微細炭素繊維(中間体)を形成する。 First, the reaction process for obtaining an intermediate of fine carbon fibers will be described. In this reaction step, basically, an organic compound such as hydrocarbon is chemically pyrolyzed by a CVD method using ultrafine transition metal particles as a catalyst to form fine carbon fibers (intermediates).

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、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、上記したような三次元ネットワーク構造の炭素繊維構造体の中間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 and ethanol can be used. Although not particularly limited, in order to obtain an intermediate of a carbon fiber structure having a three-dimensional network structure as described above, at least two or more carbon compounds having different decomposition temperatures may be used as a carbon source. preferable. The “at least two or more carbon compounds” described in the present specification does not necessarily mean that two or more kinds of raw material organic compounds are used, and one kind of raw material organic compound is used. However, in the process of synthesizing the fiber structure, for example, a reaction such as hydrogen dealkylation of toluene or xylene occurs, and in the subsequent thermal decomposition reaction system, there are two different decomposition temperatures. 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, cyclopentenes, especially alkenes having about 1 to 7 carbon atoms; alkynes such as acetylene and propyne, especially alkynes having about 1 to 7 carbon atoms; benzene, toluene, styrene, xylene, naphthalene , Aromatic or heteroaromatic hydrocarbons such as methylnaphthalene, indene and phenanthrene, especially aromatic or heteroaromatic hydrocarbons having about 6 to 18 carbon atoms, alcohols such as methanol and ethanol, especially about 1 to 7 carbon atoms Of alcohol; its Combine two or more carbon compounds selected from carbon monoxide, ketones, ethers, etc., by adjusting the gas partial pressure so that different decomposition temperatures can be exhibited in the desired thermal decomposition reaction temperature range. The carbon fiber structure according to the present invention can be efficiently produced by using the material and / or adjusting the residence time in a predetermined temperature range and optimizing the mixing ratio.

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

このような範囲内の組成比とすることで、炭素繊維部および粒状部のいずれもが十分に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 is 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。本発明は主に鉄類触媒を使用する。 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. The present invention mainly uses an iron catalyst.

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〜数十cmの大きさの集合体を合成する。 The synthesis of the intermediate is carried out by using a CVD method such as hydrocarbon which is usually performed, evaporating a mixed liquid of hydrocarbon and catalyst as raw materials, introducing hydrogen gas or the like into the reaction furnace as a carrier gas, Pyrolysis at a temperature of 1300 ° C. As a result, 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 a granular material grown using the catalyst particles as nuclei are several cm to An assembly of several tens of centimeters is synthesized.

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。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。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制御することにより、炭素物質の成長方向を一定方向ではなく多方向とし、本発明に係る三次元構造を形成することができる。この中間体において、繊維相互が粒状体により結合された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. Such three-dimensional carbon fiber growth 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, the temperature distribution in the furnace, etc. In addition, the balance between the thermal decomposition 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. In general, when the growth rate is faster than the pyrolysis rate as described above, the carbon material grows in a fibrous form, whereas when the pyrolysis rate is faster than the growth rate, the carbon material is surrounded by catalyst particles. Grows in the plane direction. Therefore, by intentionally changing and controlling the balance between the thermal decomposition rate and the growth rate, the growth direction of the carbon material can be set to multiple directions instead of a fixed direction, and the three-dimensional structure according to the present invention can be formed. In this intermediate, the composition of the catalyst, residence time in the reactor, reaction temperature, gas temperature, etc. can be optimized in order to easily form a three-dimensional structure in which the fibers are bonded together by granular materials. desirable.

以上のようにして得られた中間体は、炭素原子からなるパッチ状のシート片を貼り合わせたような不完全な構造を有し、欠陥が多い。この中間体は、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。なお、触媒鉄のうち硫化鉄として存在する相対量は10〜90%が好ましく、さらに好ましくは30〜80%とすることができる。 The intermediate obtained as described above has an incomplete structure in which patch-like sheet pieces made of carbon atoms are bonded together, and has many defects. This intermediate contains unreacted raw material, non-fibrous carbide, tar content and catalytic metal. In addition, 10 to 90% of the relative amount which exists as iron sulfide among catalyst iron is preferable, More preferably, it can be 30 to 80%.

粗い表面があり、触媒鉄を0.5〜5.0質量%含有し、且つそのうち一部の触媒鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっている微細炭素繊維を製造するためには、微細炭素繊維の中間体を反応生成する触媒成分を制御するのが好ましい。前記した微細炭素繊維の中間体を容易に生成する上では、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。たとえば触媒として硫黄または硫黄化合物と、鉄または鉄化合物を使う場合は前記硫黄源中の硫黄原子/前記鉄源中の鉄原子のモル比は好ましくは0.01〜10、より好ましくは0.05〜5、さらに好ましくは0.1〜2とすることができる。 In order to produce fine carbon fibers that have a rough surface, contain catalytic iron in an amount of 0.5 to 5.0% by mass, and some of the catalytic iron can be eluted with dilute hydrochloric acid, fine carbon fibers are used. It is preferable to control the catalyst component for reaction generation of the fiber intermediate. In order to easily generate the above-mentioned fine carbon fiber intermediate, it is desirable to optimize the composition of the catalyst, the residence time in the reaction furnace, the reaction temperature, the gas temperature, and the like. For example, when sulfur or a sulfur compound and iron or an iron compound are used as the catalyst, the molar ratio of sulfur atom in the sulfur source / iron atom in the iron source is preferably 0.01 to 10, more preferably 0.05. To 5, more preferably 0.1 to 2.

なお本発明でいう「微細炭素繊維の中間体」とは、触媒および炭化水素の混合ガスを所定の温度で加熱して炭素物質を繊維状に成長させたものであり、かつ熱処理をする前段階の微細炭素繊維を意味する。 The “intermediate of fine carbon fiber” as used in the present invention is a product obtained by heating a mixed gas of a catalyst and a hydrocarbon at a predetermined temperature to grow a carbon material into a fibrous form, and before heat treatment. Means fine carbon fiber.

本発明の炭素繊維構造体の製造方法では、必要に応じて予備的アニール処理工程を付加することができる。具体的には反応工程で得られた炭素繊維構造体の中間体を800℃〜1200℃で5〜20分間加熱する。この予備的アニール処理工程により、反応工程で得られた中間体が含んでいる未反応原料、非繊維状炭化物、タール分および触媒金属の一部または全部が除去される。 In the method for producing a carbon fiber structure of the present invention, a preliminary annealing process can be added as necessary. Specifically, the carbon fiber structure intermediate obtained in the reaction step is heated at 800 ° C. to 1200 ° C. for 5 to 20 minutes. By this preliminary annealing treatment step, the unreacted raw material, non-fibrous carbide, tar content and part or all of the catalytic metal contained in the intermediate obtained in the reaction step are removed.

その後、熱処理工程として、反応工程の終了した微細炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体に対し熱処理を行う。熱処理工程としては、微細炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体のグラフェン構造を適当に発達させ、かつ前記したように微細炭素繊維表面に触媒鉄成分が存在し及び平滑でない表面を形成できるものであれば特に限定されず、例えば、900〜2200℃において熱処理を施すことによって行うことができる。
好ましい熱処理の一例としては、まず、反応工程の終了し、微細炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体を、900〜2200℃、より好ましくは1500〜1800℃でアニール処理することを挙げることができる。
このように、アニール処理を1500〜1800℃の範囲の温度で行うと、得られる微細炭素繊維の結晶性がある程度高くなり、且つ触媒鉄成分は加熱効果により微細炭素繊維の表面まで拡散されることだけ、蒸発することなくことにより、平滑ではない表面を持つ微細炭素繊維の表に触媒鉄成分を存在することで、複合材料を製造する際に、電気伝導性、熱伝導性、機械的強度等において十分な性能が発揮される。
Thereafter, as a heat treatment step, heat treatment is performed on the fine carbon fiber intermediate or the carbon fiber structure intermediate after the reaction step. As the heat treatment process, the fine carbon fiber intermediate or the graphene structure of the carbon fiber structure intermediate is appropriately developed, and as described above, the surface of the fine carbon fiber contains the catalytic iron component and forms a non-smooth surface. It will not specifically limit if it can be performed, For example, it can carry out by performing heat processing in 900-2200 degreeC.
As an example of a preferable heat treatment, first, the reaction step is completed, and the intermediate of the fine carbon fiber or the intermediate of the carbon fiber structure is annealed at 900 to 2200 ° C., more preferably 1500 to 1800 ° C. be able to.
Thus, when the annealing treatment is performed at a temperature in the range of 1500 to 1800 ° C., the crystallinity of the obtained fine carbon fibers is increased to some extent, and the catalytic iron component is diffused to the surface of the fine carbon fibers by the heating effect. Only when the composite material is produced by the presence of catalytic iron component on the surface of fine carbon fiber with non-smooth surface without evaporating, electrical conductivity, thermal conductivity, mechanical strength, etc. Sufficient performance.

生成炉において触媒および炭化水素の混合ガスを800〜1300℃の範囲の温度で加熱生成して得られた中間体を、900〜2200℃の範囲の温度に加熱保持された加熱炉内を降下させることにより加熱精製して得られてもよい。 The intermediate obtained by heating and generating the mixed gas of the catalyst and hydrocarbon in the generation furnace at a temperature in the range of 800 to 1300 ° C. is lowered in the heating furnace held at a temperature in the range of 900 to 2200 ° C. It may be obtained by heat purification.

生成炉において触媒および炭化水素の混合ガスを800〜1300℃の範囲の温度で加熱して第1の中間体を生成し、該第1の中間体を800〜1200℃の範囲の温度に加熱保持された第1の加熱炉内を通過させながら加熱して第2の中間体を生成し、該第2の中間体を900〜2200℃の範囲の温度に加熱保持された第2の加熱炉内を降下させながら加熱精製して得られてもよい。 In the production furnace, the mixed gas of catalyst and hydrocarbon is heated at a temperature in the range of 800 to 1300 ° C. to produce a first intermediate, and the first intermediate is heated to a temperature in the range of 800 to 1200 ° C. In the second heating furnace in which the second intermediate is produced by heating while passing through the first heating furnace, and the second intermediate is heated and held at a temperature in the range of 900 to 2200 ° C. It may be obtained by heating and purifying while lowering.

微細炭素繊維の中間体には、硫化鉄、炭化鉄、純鉄など各種鉄成分が含有する。この微細炭素繊維の中間体を熱処理する上で、微細炭素繊維の自重による流動を許容する流路を構成する炉本体を備え、前記流路内の炭素繊維を加熱して熱処理できる縦長の熱処理装置を用いれば、鉄成分が希塩酸溶出し易く、また表層部分の鉄成分を多く含有させた微細炭素繊維が製造できる。熱処理炉内に微細炭素繊維を自然落下する際に、微細炭素繊維の内部に存在していた触媒由来の鉄成分の一部を蒸発させ、該鉄成分を熱処理炉内で蒸気化させることができる。該蒸気化させた鉄成分を縦長の熱処理装置内で対流させることによって、鉄成分は微細炭素繊維表面と接触することを高めことができる。また、熱処理により微細炭素繊維内部から外部へ鉄の拡散を促進させてもよい。 The intermediate of fine carbon fiber contains various iron components such as iron sulfide, iron carbide, and pure iron. A vertical heat treatment apparatus that includes a furnace body that constitutes a flow path that allows the flow of fine carbon fibers due to its own weight and heat-treats the carbon fibers in the flow path when heat treating the intermediate of the fine carbon fibers. Can be used to produce a fine carbon fiber in which the iron component easily dissolves in dilute hydrochloric acid and contains a large amount of the iron component in the surface layer portion. When the fine carbon fibers naturally fall into the heat treatment furnace, a part of the iron component derived from the catalyst existing in the fine carbon fibers can be evaporated, and the iron component can be vaporized in the heat treatment furnace. . By convection of the vaporized iron component in a vertically long heat treatment apparatus, it is possible to enhance the contact of the iron component with the fine carbon fiber surface. Further, the diffusion of iron from the inside of the fine carbon fiber to the outside may be promoted by heat treatment.

熱処理時間としては、特に限定されるものではないが、5〜120分間程度、より好ましくは20〜60分間程度とすることができる。 The heat treatment time is not particularly limited, but can be about 5 to 120 minutes, more preferably about 20 to 60 minutes.

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。 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.

なお、熱処理工程において1500℃〜2200℃でアニール処理すると得られる微細炭素繊維は、高温に対する耐久性が高くなる。またアニール処理されたことにより、微細炭素繊維の欠陥がある程度少なくなるので、空気中においても燃焼開始温度が660℃以上と、熱的安定性が高いものとなる。 Note that the fine carbon fiber obtained by annealing at 1500 ° C. to 2200 ° C. in the heat treatment step has high durability against high temperatures. In addition, since the defects in the fine carbon fibers are reduced to some extent by the annealing treatment, the thermal stability is high at 660 ° C. or higher even in the air.

本発明の微細炭素繊維として、上記したようにホウ素化合物を含有した微細炭素繊維を得ようとする実施形態においては、このホウ素化合物を含有させるための工程として、例えば、上記したような反応工程を有する製造プロセスに次のような工程を付加することにより行うことができる。 In the embodiment for obtaining the fine carbon fiber containing the boron compound as described above as the fine carbon fiber of the present invention, for example, the reaction step as described above is performed as a step for containing the boron compound. It can be performed by adding the following steps to the manufacturing process.

すなわち、前記した反応工程の後に、微細炭素繊維をホウ素化合物の有機溶媒溶液もしくは水溶液に混合する。 That is, after the above-described reaction step, fine carbon fibers are mixed with an organic solvent solution or an aqueous solution of a boron compound.

ここで使用するホウ素化合物としては、熱処理工程で採用する温度に到達する前に、分解等で蒸発しない物性を有しているところの、単体ホウ素、B、HBO、BC、BN等が挙げられる。ホウ素化合物の含有量は、微細炭素繊維に対してホウ素換算で0.001〜30質量%、好ましくは0.01〜3.0質量%である。微細炭素繊維中にホウ素化合物の存在する部位は、微細炭素繊維を構成する炭素原子の一部がホウ素に置換されている状態、微細炭素繊維の表面にホウ素が付着した状態、微細炭素繊維の表面近傍部に拡散された触媒鉄成分に取り込まれた状態がある。この時にホウ素化合物は種々の化合物種を採り得る。上述したように、微細炭素繊維中にホウ素化合物が存在することによって、構造に多少の欠陥を含んでいる場合であっても、高い導電性を得ることができる。 As the boron compound used here, simple boron, B 2 O 3 , H 3 BO 4 , and B 4 that have physical properties that do not evaporate due to decomposition or the like before reaching the temperature used in the heat treatment step. C, BN, etc. are mentioned. Content of a boron compound is 0.001-30 mass% in conversion of boron with respect to fine carbon fiber, Preferably it is 0.01-3.0 mass%. The portion where the boron compound is present in the fine carbon fiber is a state where a part of carbon atoms constituting the fine carbon fiber is substituted with boron, a state where boron is attached to the surface of the fine carbon fiber, a surface of the fine carbon fiber There is a state in which the catalyst iron component diffused in the vicinity is taken in. At this time, the boron compound can adopt various compound species. As described above, the presence of the boron compound in the fine carbon fiber makes it possible to obtain high conductivity even when the structure contains some defects.

(微細炭素繊維の予備成形体)
次に本発明に係る微細炭素繊維の予備成形体につき説明する。
(Pre-form of fine carbon fiber)
Next, the preform of the fine carbon fiber according to the present invention will be described.

本発明の微細炭素繊維の予備成形体は、上記したように、微細炭素繊維、好ましくは、上述したような特定の三次元ネットワーク構造を有する炭素繊維構造体が、その製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、かつ、アニール処理によりその表面を、触媒鉄成分を有する且つ平滑でない表面があることを特徴とするものである。 As described above, the preform of the fine carbon fiber of the present invention is a fine carbon fiber, preferably a carbon fiber structure having a specific three-dimensional network structure as described above is hot-pressed during the production process. The surface is preliminarily molded through an annealing process, and the surface thereof is characterized by having a non-smooth surface having a catalytic iron component.

このような本発明に係る微細炭素繊維の予備成形体の形状、大きさは、この予備成形体を使用して最終的に形成される複合材の形状、大きさに基づいて決められる。こうして得られる微細炭素繊維の予備成形体は、前記したような本発明に係る微細炭素繊維の有する特性を有しつつ、ハンドリング性が向上し、かつさらに先の段階で複合材の成形体を作製する際に使用するマトリックスとの接触性が良好になる。その結果最終的に作製された複合材の成形加工を容易とすると共に、得られる成形体を強固なものにすることができる。 The shape and size of the preform of the fine carbon fiber according to the present invention are determined based on the shape and size of the composite material finally formed using the preform. The preform of the fine carbon fiber thus obtained has the characteristics of the fine carbon fiber according to the present invention as described above, has improved handling properties, and further produced a composite molded body at the previous stage. In this case, the contact with the matrix used is improved. As a result, it is possible to facilitate the molding process of the finally produced composite material and to make the obtained molded body strong.

(微細炭素繊維の予備成形体の製造方法)
上記したような微細炭素繊維の予備成形体は、前記した「微細炭素繊維の製造方法」に関して説明したような反応工程を経て、微細炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体の表面に、バインダーを付着させた状態で、炭素繊維の中間体ないし炭素繊維構造体の中間体を、100℃〜200℃で熱間プレスし、次に前記したと同様の熱処理工程の熱処理に付すことにより、調製することができる。
(Method for producing a preform of fine carbon fiber)
The fine carbon fiber preform as described above is subjected to the reaction step as described in relation to the above-mentioned “method for producing fine carbon fiber”, and is applied to the surface of the intermediate of the fine carbon fiber or the intermediate of the carbon fiber structure. The carbon fiber intermediate or carbon fiber structure intermediate is hot-pressed at 100 ° C. to 200 ° C. with the binder attached, and then subjected to the heat treatment in the same heat treatment step as described above. Can be prepared.

前述したものと同様であり、前記したような予備的アニール処理、ホウ素化合物を含有させるための工程といった付加工程を追加することはもちろん可能である。 It is the same as described above, and it is of course possible to add additional steps such as the preliminary annealing treatment as described above and a step for incorporating a boron compound.

熱間プレスによる成形には、金型を使用して上下からプレスする方法、ゴム型を使用して静水圧にて等方的にプレスする方法等が好ましい。プレス時における成形圧力は、1×10〜2×10Pである。 For forming by hot pressing, a method of pressing from above and below using a mold, a method of pressing isotropically with hydrostatic pressure using a rubber die, and the like are preferable. The molding pressure during pressing is 1 × 10 5 to 2 × 10 8 P.

バインダーとして熱硬化性樹脂を使用した場合、プレス時には熱硬化性樹脂の硬化温度、例えば100〜200℃に加熱して、成形と同時に熱硬化性樹脂を硬化させることができる。 When a thermosetting resin is used as a binder, the thermosetting resin can be cured simultaneously with molding by heating to a curing temperature of the thermosetting resin, for example, 100 to 200 ° C. during pressing.

熱間プレスによる成形後、熱処理工程による熱処理を行う。熱処理工程についても前述したものと同様であり、説明が重複するために省略する。これら一連の工程により、微細炭素繊維の予備成形体を製造することができる。 After forming by hot pressing, heat treatment is performed by a heat treatment step. The heat treatment process is also the same as described above, and a description thereof will be omitted to avoid duplication. Through these series of steps, a preform of fine carbon fiber can be produced.

なお、微細炭素繊維の予備成形体の形状、大きさは、この予備成形体を使用して最終的に形成される複合材の形状、大きさに基づいて決められる。こうして得られる微細炭素繊維の予備成形体は、内部に空隙部を有しているが、さらに先の段階でこの空隙部にマトリックス材料を含浸させて、複合材の成形体が作製される。含浸の際には、微細炭素繊維の予備成形体とマトリックスとの接触が良好になり、微細炭素繊維とマトリックスとの接着がアンカー効果により強固なものになる。その結果最終的に作製された複合材の成形体をより強固なものにすることができる。 The shape and size of the fine carbon fiber preform are determined based on the shape and size of the composite material finally formed using the preform. The preform of the fine carbon fiber thus obtained has a void inside, and in the further stage, the void is impregnated with a matrix material to produce a composite molded body. In the impregnation, the contact between the preform of the fine carbon fiber and the matrix becomes good, and the adhesion between the fine carbon fiber and the matrix becomes strong due to the anchor effect. As a result, the composite material finally produced can be made stronger.

(微細炭素繊維および微細炭素繊維の予備成形体の用途)
上述したような本発明に係る微細炭素繊維および微細炭素繊維の予備成形体、あるいは上述したような本発明に係る微細炭素繊維の製造方法および微細炭素繊維の予備成形体の製造方法により得られた微細炭素繊維および微細炭素繊維の予備成形体は、前記したように、力学特性、導電性、熱伝導性、マトリックスに対する分散性が良好かつ安定であるなどの特性があり、これらを活かして樹脂、セラミックス、金属等の固体材料に対する複合材料用フィラーとして広い範囲に好適に利用できる。
(Use of fine carbon fiber and preform of fine carbon fiber)
Obtained by the fine carbon fiber and the fine carbon fiber preform according to the present invention as described above, or the fine carbon fiber production method and the fine carbon fiber preform according to the present invention as described above. As described above, the fine carbon fiber and the preform of the fine carbon fiber have properties such as mechanical properties, electrical conductivity, thermal conductivity, good dispersibility with respect to the matrix, and the like. It can be suitably used in a wide range as a filler for composite materials for solid materials such as ceramics and metals.

次に、本発明の係る微細炭素繊維および微細炭素繊維の予備成形体を用いた複合材料において、前述のごとき微細炭素繊維を分散させるマトリックスとしては、有機ポリマー、無機材料、金属等が好ましく使用することができる。 Next, in the composite material using the fine carbon fiber and the preform of the fine carbon fiber according to the present invention, an organic polymer, an inorganic material, a metal, or the like is preferably used as the matrix for dispersing the fine carbon fiber as described above. be able to.

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

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

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

無機材料としては、例えば、セラミック材料、無機酸化物ポリマー、カーボン系材料などが挙げられる。具体低に、は例えば、カーボンカーボンコンポジットなどの炭素材料、ガラス、ガラス繊維、板ガラス及び他の成形ガラス、ケイ酸塩セラミクス並びに他の耐火性セラミクス、例えば酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、窒化ケイ素及び窒化ホウ素が挙げられる。 Examples of the inorganic material include a ceramic material, an inorganic oxide polymer, and a carbon-based material. Specifically, for example, carbon materials such as carbon carbon composites, glass, glass fibers, sheet glass and other molded glass, silicate ceramics and other refractory ceramics such as aluminum oxide, silicon carbide, magnesium oxide, silicon nitride And boron nitride.

また、マトリクスが金属である場合、例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛、クロム、銅、銀、鉛、銅等の金属、またはこれらの金属の2種以上の合金及び混合物が挙げられる。 Moreover, when a matrix is a metal, metals, such as aluminum, magnesium, titanium, zinc, chromium, copper, silver, lead, copper, or 2 or more types of these metals, and a mixture are mentioned, for example.

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

なお、複合材料は、前記のようなマトリックスに本発明に係る微細炭素繊維ないし炭素繊維の予備成形体を有効量含む。その量は、複合材料の用途やマトリックスによって異なるが、例えば、0.1%〜98%程度とすることができる。0.1%未満では、構造材としての強度の補強効果が小さかったり、電気導電性も十分でない。98%より多くなると、マトリックス材料の特性を十分発揮できなくなる。本発明の微細炭素繊維ないし微細炭素繊維の予備成形体を用いた複合材料においては、マトリックス中に、微細な炭素繊維を均一な広がりをもって配置することができ、また平滑でない表面且つその表面に触媒鉄成分を有することから、電気伝導性、熱伝導性、電波遮蔽性等に優れた機能材料、強度の高い構造材料等として有用な複合材料となるものである。 The composite material includes an effective amount of the fine carbon fiber or the carbon fiber preform according to the present invention in the matrix as described above. The amount varies depending on the use of the composite material and the matrix, but can be, for example, about 0.1% to 98%. If it is less than 0.1%, the reinforcing effect of strength as a structural material is small, and the electrical conductivity is not sufficient. If it exceeds 98%, the characteristics of the matrix material cannot be exhibited sufficiently. In the composite material using the fine carbon fiber or the preform of the fine carbon fiber of the present invention, the fine carbon fiber can be arranged with a uniform spread in the matrix, and the surface is not smooth and the catalyst is on the surface. Since it has an iron component, it is a composite material useful as a functional material excellent in electrical conductivity, thermal conductivity, radio wave shielding, etc., a structural material having high strength, and the like.

以下、本発明を実施例に基づき、更に具体的に説明する。なお、以下において、各物性値は次のようにして測定した。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. In the following, each physical property value was measured as follows.

<面積基準の円相当平均径>
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。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 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. 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Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba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 Yin Lab LabRam HR-800-Horiba 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0.1リットル/分の流速で流通させながら、10℃/分の速度で昇温し、燃焼挙動を測定した。燃焼時にTGは減量を示し、DTAは発熱ピークを示すので、発熱ピークのトップ位置を燃焼開始温度と定義した。
<TG combustion temperature>
Using TG-DTA manufactured by Mac Science, the temperature was increased at a rate of 10 ° C./min while circulating air at a flow rate of 0.1 liter / min, and the combustion behavior was measured. During combustion, TG indicates a decrease in weight, and DTA indicates an exothermic peak. Therefore, the top position of the exothermic peak was defined as the combustion start temperature.

<X線回折分析>
粉末X線回折装置(JEOL−JDX−3532、日本電子製)を用いて、アニール処理後の微細炭素繊維ないし炭素繊維構造体を調べた。Cu管球で40kV、30mAで発生させたKα線を用いることとし、面間隔の測定は学振法(最新の炭素材料実験技術(分析・解析編)、炭素材料学会編)に従い、シリコン粉末を内部標準として用いた。
<X-ray diffraction analysis>
Using a powder X-ray diffractometer (JEOL-JDX-3532, manufactured by JEOL Ltd.), the fine carbon fiber or carbon fiber structure after the annealing treatment was examined. The Kα ray generated at 40 kV and 30 mA in a Cu tube is used, and the surface spacing is measured according to the Gakushin method (the latest carbon material experiment technology (analysis and analysis), edited by the Carbon Materials Society of Japan). Used as internal standard.

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

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

[式1]
R=A*4π/L
[Formula 1]
R = A * 4π / L 2

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。 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.

<微細炭素繊維における触媒鉄成分の含有量>
蛍光X線測定装置(RigakuZSXmini、理学電機工業株式会社製)を使用して金属元素の分析を行った。なお、確認のために、別途、X線回折測定装置JEOL−JDX−3532(日本電子株式会社製)を使用して、触媒鉄成分を検出した。
<Content of catalytic iron component in fine carbon fiber>
Metal elements were analyzed using a fluorescent X-ray measurement apparatus (Rigaku ZSXmini, manufactured by Rigaku Corporation). For confirmation, a catalytic iron component was separately detected using an X-ray diffraction measurement apparatus JEOL-JDX-3532 (manufactured by JEOL Ltd.).

<微細炭素繊維における触媒鉄成分の組成及び組成比>
57Feメスバウアー分光法(Austin Science S−600 Mossbauer spectrometer )を使用して微細炭素繊維における触媒鉄成分の組成及び組成比を解析した。
<Composition and composition ratio of catalytic iron component in fine carbon fiber>
The composition and composition ratio of the catalytic iron component in the fine carbon fibers were analyzed using 57 Fe Mossbauer spectroscopy (Austin Science S-600 Mossbauer spectrometer).

<触媒鉄成分の微細炭素繊維の表面存在率>
熱処理工程において熱処理後微細炭素繊維を、1〜5%塩酸に25時間浸漬し、この酸に侵漬する処理前後の微細炭素繊維中に残存する触媒由来の鉄量を蛍光X線解析法で測定し、下記の計算式から触媒鉄成分の微細炭素繊維の表面に存在率を得られる。
表面に存在する触媒鉄成分(%)
=(1−酸に漬けた後の鉄残存量/酸に漬ける前の鉄残存量)×100%
<Surface existence rate of fine carbon fiber of catalyst iron component>
In the heat treatment step, the fine carbon fiber after heat treatment is immersed in 1-5% hydrochloric acid for 25 hours, and the amount of iron derived from the catalyst remaining in the fine carbon fiber before and after the treatment immersed in this acid is measured by fluorescent X-ray analysis. Then, the abundance ratio can be obtained on the surface of the fine carbon fiber of the catalytic iron component from the following calculation formula.
Catalytic iron components present on the surface (%)
= (1-iron remaining amount after soaking in acid / iron remaining amount before soaking in acid) x 100%

<微細炭素繊維表面に存在する触媒鉄成分の脱落試験>
蓋付バイアル瓶中に入れられたトルエン100mlに、10〜100μg/mlの割合で微細炭素繊維を添加し、微細炭素繊維の分散液試料を調製した。
このようにして得られた微細炭素繊維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、超音波をかけ、超音波を負荷してから60分経過後において、分散液試料を乾燥させ、乾燥した微細炭素繊維を蛍光X線解析で鉄元素成分を検出し。脱落試験前後の鉄元素量を比較し、微細炭素繊維の表面に存在する鉄触媒の脱落性を検討した。
<Dropping test of catalytic iron component present on the surface of fine carbon fiber>
Fine carbon fibers were added to 100 ml of toluene in a vial with a lid at a rate of 10 to 100 μg / ml to prepare a dispersion sample of fine carbon fibers.
The thus obtained fine carbon fiber dispersion liquid sample 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 Corporation). After 60 minutes from the application of the ultrasonic wave, the dispersion sample was dried, and the dried fine carbon fiber was detected for the elemental iron component by fluorescent X-ray analysis. The amount of iron element before and after the drop-off test was compared, and the drop-out property of the iron catalyst present on the surface of the fine carbon fiber was examined.

[実施例1]微細炭素繊維の中間体の製造(反応工程)
トルエンを原料としてCVD法で合成した。触媒としてフェロセンおよびチオフェンの混合物を使用し、水素ガスの還元雰囲気下で実施した。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、混合流量を調整した。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も炭素化合物も含まれているが、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。そして、生成炉において、1250℃で熱分解して、3次元ネットワーク状の繊維構造体(中間体)を得た。この中間体のTEM写真を図1に示す。得られた中間体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して鉄元素の分析を行った。反応後得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体は、鉄を1.7wt%含有していた。また、57Feメスバウアー分光法(Austin Science S−600 Mossbauer spectrometer )を使用して57Feメスバウアースペクトルを測定した(図2に示す)。この57Feメスバウアースペクトルを解析して、反応後得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体に含めた触媒鉄成分の組成及び組成比は炭化物(24.74%)、硫化物(58.00%)及び純鉄(17.26%)である。
[Example 1] Production of intermediate of fine carbon fiber (reaction process)
It was synthesized by a CVD method using toluene as a raw material. A mixture of ferrocene and thiophene was used as a catalyst, and the reaction was carried out under a reducing atmosphere of hydrogen gas. The composition ratio in the circulating gas used was CH 4 7.5%, C 6 H 6 0.3%, C 2 H 2 0.7%, C 2 H 6 0.1%, CO 2 in terms of a molar ratio based on volume. 0.3%, N 2 3.5%, H 2 87.6%, and the mixing molar ratio CH 4 of methane and benzene in the raw material gas supplied to the production furnace by mixing with fresh raw material gas / C 6 H 6 (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) 3.44. The mixing flow rate was adjusted so that The final raw material gas contains C 2 H 2 , C 2 H 6, CO, and carbon compounds contained in the circulating gas to be mixed. The amount was extremely small, and was practically negligible as a carbon source. And in the production | generation furnace, it thermally decomposed at 1250 degreeC and the three-dimensional network-like fiber structure (intermediate body) was obtained. A TEM photograph of this intermediate is shown in FIG. The obtained intermediate was analyzed for iron elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Corporation). The three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained after the reaction contained 1.7 wt% of iron. In addition, 57 Fe Mossbauer spectrum was measured using 57 Fe Mossbauer spectroscopy (shown in FIG. 2). The 57 Fe Mossbauer spectrum was analyzed, and the composition and composition ratio of the catalytic iron component included in the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained after the reaction were carbide (24.74%), sulfide (58. 00%) and pure iron (17.26%).

[実施例2]予備的アニール処理
実施例1で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を、窒素中で900℃にて20分焼成して、タールなどの炭化水素を分離し、予備的アニール処理を行った。得られた炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して鉄元素の分析を行った。予備的アニール処理後得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体は、鉄を1.7wt%含有していた。また、57Feメスバウアー分光法(Austin Science S−600 Mossbauer spectrometer )を使用して57Feメスバウアースペクトルを測定し、解析した、予備的アニール処理後得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体に含めた触媒鉄成分の組成及び組成比は炭化物(57.44%)、硫化物(21.16%)及び純鉄(21.41%)である。
[Example 2] Preliminary annealing treatment The intermediate of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 1 was calcined in nitrogen at 900 ° C for 20 minutes to separate hydrocarbons such as tar. Then, a preliminary annealing treatment was performed. The obtained carbon fiber structure was analyzed for iron elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Corporation). The three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained after the preliminary annealing treatment contained 1.7 wt% of iron. Also, a 57 Fe Mossbauer spectrum was measured and analyzed using 57 Fe Mossbauer spectroscopy, and a three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained after preliminary annealing treatment was analyzed. The composition and composition ratio of the catalytic iron component included in the above are carbide (57.44%), sulfide (21.16%) and pure iron (21.41%).

また、ラマン分光分析法(使用機器Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba製)でラマン分光測定のR値(I/I)は0.98であった。 Moreover, the R value (I D / I G ) of the Raman spectroscopic measurement was 0.98 by Raman spectroscopic analysis (manufactured by Jobin Yvon LabRam HR-800-Horiba).

また、得られた炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率が、前記した手順によって得られた。実施例2で得た炭素繊維構造体5.0gに85mgの鉄成分を蛍光X線で検出され、1.8%の塩酸に25時間浸漬した後蒸留水でpH値7.0まで洗浄、乾燥させた後、79.6mgの鉄成分が検出された。これらの結果から実施例2で得た炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率は6.3%であった。 Moreover, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the obtained carbon fiber structure was obtained by the above-described procedure. 85 mg of the iron component was detected by fluorescent X-ray in 5.0 g of the carbon fiber structure obtained in Example 2, immersed in 1.8% hydrochloric acid for 25 hours, washed with distilled water to a pH value of 7.0, and dried. After that, 79.6 mg of iron component was detected. From these results, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the carbon fiber structure obtained in Example 2 was 6.3%.

[実施例3]
アニール処理(熱処理工程)
実施例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を、窒素中で1200℃にて20分間アニール処理した。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して鉄元素の分析を行った。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体は、鉄を1.6wt%含有していた。また、57Feメスバウアー分光法(Austin Science S−600 Mossbauer spectrometer )を使用して57Feメスバウアースペクトルを測定した。この57Feメスバウアースペクトルを解析して、得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体に含めた触媒鉄成分の組成及び組成比は炭化物(27.01%)、硫化物(43.31%)及び純鉄(29.68%)である。
[Example 3]
Annealing (heat treatment process)
The intermediate of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 2 was annealed at 1200 ° C. for 20 minutes in nitrogen. The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after annealing was analyzed for iron elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment contained 1.6 wt% of iron. It was also measured 57 Fe Mössbauer spectra using 57 Fe Mossbauer spectroscopy (Austin Science S-600 Mossbauer spectrometer ). The 57 Fe Mossbauer spectrum was analyzed, and the composition and composition ratio of the catalytic iron component included in the obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment were carbide (27.01%), sulfide ( 43.31%) and pure iron (29.68%).

また、ラマン分光分析法(使用機器Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba製)で測定されるR値(I/I)は0.85であった。 Further, the R value (I D / I G ) measured by Raman spectroscopy (manufactured by Jobin Yvon LabRam HR-800-Horiba) was 0.85.

また、得られた炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率が、前記した手順によって得られた。実施例3で得た炭素繊維構造体5.0gに80mgの鉄成分を蛍光X線で検出され、1.8%の塩酸に25時間浸漬した後蒸留水でpH値7.0まで洗浄、乾燥させた後、約74mgの鉄成分が検出された。これらの結果から実施例3で得た炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率は7.5%であった。 Moreover, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the obtained carbon fiber structure was obtained by the above-described procedure. 80 mg of the iron component was detected by fluorescent X-ray in 5.0 g of the carbon fiber structure obtained in Example 3, immersed in 1.8% hydrochloric acid for 25 hours, washed with distilled water to a pH value of 7.0, and dried. After that, about 74 mg of iron component was detected. From these results, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the carbon fiber structure obtained in Example 3 was 7.5%.

[実施例4]
アニール処理(熱処理工程)
実施例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を、1500℃で20分間アニール処理した。このアニール処理した炭素繊維構造体のTEM写真を図3に示す。微細炭素繊維は、繊維表面の一部に括れがあり、かつ繊維表面が粗い様態であった。
最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して鉄元素の分析を行った。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体は、鉄を1.6wt%含有していた。また、57Feメスバウアー分光法(Austin Science S−600 Mossbauer spectrometer )を使用して57Feメスバウアースペクトルを測定した(図4に示す)。この57Feメスバウアースペクトルを解析して、得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体に含めた触媒鉄成分の組成及び組成比は炭化物(30.13%)、硫化物(31.43%)及び純鉄(38.45%)である。
[Example 4]
Annealing (heat treatment process)
The intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 2 was annealed at 1500 ° C. for 20 minutes. A TEM photograph of this annealed carbon fiber structure is shown in FIG. The fine carbon fiber was constricted on a part of the fiber surface, and the fiber surface was rough.
The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after annealing was analyzed for iron elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment contained 1.6 wt% of iron. In addition, 57 Fe Mossbauer spectrum was measured using 57 Fe Mossbauer spectroscopy (shown in FIG. 4). The 57 Fe Mossbauer spectrum was analyzed, and the composition and composition ratio of the catalytic iron component included in the obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment were carbide (30.13%), sulfide ( 31.43%) and pure iron (38.45%).

また、ラマン分光分析法(使用機器Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba製)で測定されるR値(I/I)は0.85であった。 Further, the R value (I D / I G ) measured by Raman spectroscopy (manufactured by Jobin Yvon LabRam HR-800-Horiba) was 0.85.

さらに得られた炭素繊維構造体の円相当平均径は、180μm、嵩密度は0.0031g/cm、TG燃焼温度は665℃、面間隔は3.46オングストロームであった。 Further, the obtained carbon fiber structure had a circle-equivalent average diameter of 180 μm, a bulk density of 0.0031 g / cm 3 , a TG combustion temperature of 665 ° C., and an interplanar spacing of 3.46 Å.

さらに炭素繊維構造体における粒状部の粒径は平均で、350nm(SD180nm)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 350 nm (SD 180 nm), which was 5.8 times the outer diameter of the fine carbon fiber in the carbon fiber structure. The circularity of the granular part was 0.69 (SD 0.15) on average.

また、得られた炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率が、前記した手順によって得られた。実施例4で得た炭素繊維構造体5.0gに80mgの鉄成分を蛍光X線で検出され、1.8%の塩酸に25時間浸漬した後蒸留水でpH値7.0まで洗浄、乾燥させた後、約47mgの鉄成分が検出された。これらの結果から実施例4で得た炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率は41%であった。 Moreover, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the obtained carbon fiber structure was obtained by the above-described procedure. In 5.0 g of the carbon fiber structure obtained in Example 4, 80 mg of an iron component was detected by fluorescent X-ray, immersed in 1.8% hydrochloric acid for 25 hours, washed with distilled water to a pH value of 7.0, and dried. After the treatment, about 47 mg of iron component was detected. From these results, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the carbon fiber structure obtained in Example 4 was 41%.

また、前記した手順によって微細炭素繊維の表面に存在する触媒鉄の脱落試験を行ったところ、脱落実験前後微細炭素繊維の触媒鉄成分の含有量は変化しないことから、触媒鉄成分は微細炭素繊維表面に安定して接合していることが明らかとなった。 In addition, when the catalyst iron existing on the surface of the fine carbon fiber was dropped by the above procedure, the content of the catalytic iron component of the fine carbon fiber was not changed before and after the dropout experiment. It became clear that it was stably bonded to the surface.

[実施例5]
アニール処理(熱処理工程)
実施例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を、1800℃で20分間アニール処理した。得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して鉄元素の分析を行った。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体は、鉄を1.2wt%含有していた。
[Example 5]
Annealing (heat treatment process)
The intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 2 was annealed at 1800 ° C. for 20 minutes. The obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment was analyzed for iron elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment contained 1.2 wt% of iron.

また、ラマン分光分析法(使用機器Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba製)で測定されるR値(I/I)は0.80であった。 In addition, the R value (I D / I G ) measured by Raman spectroscopy (manufactured by Jobin Yvon LabRam HR-800-Horiba) was 0.80.

また、得られた炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率が、前記した手順によって得られた。実施例5で得た炭素繊維構造体5.0gに60mgの鉄成分を蛍光X線で検出され、1.8%の塩酸に25時間浸漬した後蒸留水でpH値7.0まで洗浄、乾燥させた後、約15mgの鉄成分が検出された。これらの結果から実施例5で得た炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率は75%であった。 Moreover, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the obtained carbon fiber structure was obtained by the above-described procedure. In 5.0 g of the carbon fiber structure obtained in Example 5, 60 mg of an iron component was detected by fluorescent X-ray, immersed in 1.8% hydrochloric acid for 25 hours, washed with distilled water to a pH value of 7.0, and dried. About 15 mg of iron component was detected after the treatment. From these results, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the carbon fiber structure obtained in Example 5 was 75%.

[実施例6]
アニール処理(熱処理工程)
実施例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を、2000℃で20分間アニール処理した。得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して鉄元素の分析を行った。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体は、鉄を0.87wt%含有していた。また、57Feメスバウアー分光法(Austin Science S−600 Mossbauer spectrometer )を使用して57Feメスバウアースペクトルを測定し、解析した、得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体に含めた触媒鉄成分の組成及び組成比は炭化物(13.11%)及び純鉄(86.89%)である。
[Example 6]
Annealing (heat treatment process)
The intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 2 was annealed at 2000 ° C. for 20 minutes. The obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment was analyzed for iron elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment contained 0.87 wt% of iron. In addition, 57 Fe Mossbauer spectrum was measured and analyzed using 57 Fe Mossbauer spectroscopy, and the obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after annealing was analyzed. The composition and composition ratio of the catalyst iron component included are carbide (13.11%) and pure iron (86.89%).

また、ラマン分光分析法(使用機器Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba製)で測定されるR値(I/I)は0.40であった。 Further, the R value (I D / I G ) measured by Raman spectroscopy (manufactured by Jobin Yvon LabRam HR-800-Horiba) was 0.40.

また、得られた炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率が、前記した手順によって得られた。実施例6で得た炭素繊維構造体5.0gに44mgの鉄成分を蛍光X線で検出され、1.8%の塩酸に25時間浸漬した後蒸留水でpH値7.0まで洗浄、乾燥させた後、約4mgの鉄成分が検出された。これらの結果から実施例6で得た炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率は91%であった。 Moreover, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the obtained carbon fiber structure was obtained by the above-described procedure. 44 mg of the iron component was detected by fluorescent X-rays in 5.0 g of the carbon fiber structure obtained in Example 6, immersed in 1.8% hydrochloric acid for 25 hours, washed with distilled water to a pH value of 7.0, and dried. After the treatment, about 4 mg of iron component was detected. From these results, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the carbon fiber structure obtained in Example 6 was 91%.

[実施例7]
アニール処理(熱処理工程)
実施例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を、2200℃で20分間アニール処理した。得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して鉄元素の分析を行った。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体は、鉄を0.23wt%含有していた。
[Example 7]
Annealing (heat treatment process)
The intermediate body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 2 was annealed at 2200 ° C. for 20 minutes. The obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment was analyzed for iron elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after the annealing treatment contained 0.23 wt% of iron.

また、ラマン分光分析法(使用機器Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba製)で測定されるR値(I/I)は0.30であった。 Further, the R value (I D / I G ) measured by Raman spectroscopy (manufactured by Jobin Yvon LabRam HR-800-Horiba) was 0.30.

また、得られた炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率が、前記した手順によって得られた。実施例7で得た炭素繊維構造体5.0gに12mgの鉄成分を蛍光X線で検出され、1.8%の塩酸に25時間浸漬した後蒸留水でpH値7.0まで洗浄、乾燥させた後、鉄成分が検出されなかった。これらの結果から実施例7で得た炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率は100%であった。 Moreover, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the obtained carbon fiber structure was obtained by the above-described procedure. 12 g of the iron component was detected by fluorescent X-rays in 5.0 g of the carbon fiber structure obtained in Example 7, immersed in 1.8% hydrochloric acid for 25 hours, washed with distilled water to a pH value of 7.0, and dried. After the treatment, no iron component was detected. From these results, the surface abundance of the catalyst iron contained in the carbon fiber structure obtained in Example 7 was 100%.

[比較例1]炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率
比較例として、実施例1で得た炭素繊維構造体5.0gに85mgの鉄成分を蛍光X線で検出され、1.8%の塩酸に25時間浸漬けた後蒸留水でpH値7.0まで洗浄、乾燥させた後、85mgの鉄成分が検出した。これらの結果から実施例1で得た炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率は0%であった。実施例1で得た炭素繊維構造体中に存在する鉄成分が多いが、炭素繊維構造体の表面には存在しなかった。
[Comparative Example 1] As a comparative example of the surface abundance ratio of catalyst iron contained in a carbon fiber structure, 85 mg of an iron component was detected by fluorescent X-ray in 5.0 g of the carbon fiber structure obtained in Example 1, and 1.8 After being soaked in 25% hydrochloric acid for 25 hours, washed with distilled water to a pH value of 7.0 and dried, 85 mg of an iron component was detected. From these results, the surface abundance of the catalyst iron contained in the carbon fiber structure obtained in Example 1 was 0%. Although there are many iron components present in the carbon fiber structure obtained in Example 1, they were not present on the surface of the carbon fiber structure.

[比較例2]炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率
比較例として、実施例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を、2500℃で20分間アニール処理した。得られた炭素繊維構造体含有触媒鉄の表面存在率を、前記した手順によって測定した。2500℃で20分間アニール処理した炭素繊維構造体5.0gに1.5mgの鉄成分が蛍光X線で検出され、1.8%の塩酸に25時間浸漬した後蒸留水でpH値7.0まで洗浄、乾燥させた後は、鉄成分は検出されなかった。これらの結果から比較例2で得た炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率は100%であったが、鉄成分の蒸発によって全体的に炭素繊維構造体中に存在する鉄成分の量が少なくなった。
[Comparative Example 2] As a comparative example of the surface abundance ratio of catalyst iron contained in the carbon fiber structure, the intermediate of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 2 was annealed at 2500 ° C for 20 minutes. . The surface abundance ratio of the obtained carbon fiber structure-containing catalyst iron was measured by the procedure described above. In 5.0 g of carbon fiber structure annealed at 2500 ° C. for 20 minutes, 1.5 mg of iron component was detected by fluorescent X-ray, immersed in 1.8% hydrochloric acid for 25 hours, and then with distilled water to a pH value of 7.0. After washing and drying until no iron component was detected. From these results, the surface presence rate of the catalyst iron contained in the carbon fiber structure obtained in Comparative Example 2 was 100%, but the amount of the iron component present in the carbon fiber structure as a whole by evaporation of the iron component. Has decreased.

実施例2〜7及び比較例1〜2で得た炭素繊維構造体中含有触媒鉄の表面存在率の結果は表1にまとめた。 The results of the surface abundance ratio of the catalyst iron contained in the carbon fiber structures obtained in Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 and 2 are summarized in Table 1.

Figure 2009096694
Figure 2009096694

[実施例8]ホウ素添加
5.0gのB(高純度化学研究所株式会社製)を400mlのエタノールに溶解させた後、実施例1で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体10gを、浸漬液に室温で30分間浸漬した後、100℃で12時間乾燥した。
[Example 8] Three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 1 after dissolving 5.0 g of boron-added B 2 O 3 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.) in 400 ml of ethanol 10 g of the intermediate body was immersed in an immersion liquid at room temperature for 30 minutes and then dried at 100 ° C. for 12 hours.

アニール処理
実施例8で得られた浸漬、乾燥後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体10gを、900℃に20分間加熱し、次に1800℃で20分間アニール処理した。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して鉄元素の分析を行った。分析の結果、炭素繊維構造体は鉄を0.7wt%含有していた。また別に、また、ラマン分光分析法(使用機器Jobin Yvon LabRam HR−800−Horiba製)で測定されるR値(I/I)は0.80であった。
Annealing treatment 10 g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained after immersion and drying obtained in Example 8 was heated to 900 ° C. for 20 minutes, and then annealed at 1800 ° C. for 20 minutes. The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure after annealing was analyzed for iron elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). As a result of analysis, the carbon fiber structure contained 0.7 wt% of iron. Separately, the R value (I D / I G ) measured by Raman spectroscopy (manufactured by Jobin Yvon LabRam HR-800-Horiba) was 0.80.

[実施例9]成形体作製例
実施例8で得られた浸漬、乾燥後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体8.0gを、別途60%フェノール樹脂溶液4.0gを、200mlのメタノールで希釈して調製した溶液中に添加し、30分間浸漬処理した後、100℃で12時間有機溶媒を乾燥した。その後、ホットプレス機を使用して、150℃で30分間熱間プレスし、成形体を得た。得られた成形体は質量7.7g、直径40mm、高さ7.5mm、密度0.81g/cmであった。
[Example 9] Molded article production example 8.0 g of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 8 after immersion and drying, and 4.0 g of a 60% phenol resin solution separately with 200 ml of methanol. After adding to the solution prepared by diluting and immersing for 30 minutes, the organic solvent was dried at 100 ° C. for 12 hours. Then, it hot-pressed for 30 minutes at 150 degreeC using the hot press machine, and the molded object was obtained. The obtained molded body had a mass of 7.7 g, a diameter of 40 mm, a height of 7.5 mm, and a density of 0.81 g / cm 3 .

成形体作製後のアニール処理
実施例9で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の成型体を、900℃で20分間加熱し、次に1800℃で20分間アニール処理した。最終的に得られたアニール処理後の三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の予備成形体は、質量5.33g、直径40mm、高さ14mm、密度0.30g/cmであった。得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の予備成形体を、蛍光X線測定装置RigakuZSXmini(理学電機工業株式会社製)を使用して鉄元素の分析を行った。分析の結果、炭素繊維構造体の予備成形体は鉄を0.7wt%含有していた。
Annealing after forming the molded body The molded body of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Example 9 was heated at 900 ° C. for 20 minutes, and then annealed at 1800 ° C. for 20 minutes. The finally obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure preform after the annealing treatment had a mass of 5.33 g, a diameter of 40 mm, a height of 14 mm, and a density of 0.30 g / cm 3 . The obtained three-dimensional network-like carbon fiber structure preform was analyzed for iron elements using a fluorescent X-ray measurement apparatus Rigaku ZSXmini (manufactured by Rigaku Denki Kogyo Co., Ltd.). As a result of the analysis, the preform of the carbon fiber structure contained 0.7 wt% of iron.

[実施例10]微細炭素繊維を添加したエポキシ複合材の作製例
実施例4で得た炭素繊維構造体1wt%をビスフェノールA型エポキシ樹脂(硬化剤:ジシアンジアミド)に添加し、混錬、脱泡後、120℃で30分硬化成型してから、試験片を作製し、3点曲げ試験を行い、曲げ強度及び弾性率を測定した、その結果は表2に示している。
[Example 10] Example of preparation of epoxy composite added with fine carbon fiber 1 wt% of the carbon fiber structure obtained in Example 4 was added to bisphenol A type epoxy resin (curing agent: dicyandiamide), kneaded, defoamed Thereafter, after curing and molding at 120 ° C. for 30 minutes, a test piece was prepared, a three-point bending test was performed, and bending strength and elastic modulus were measured. The results are shown in Table 2.

[比較例3]エポキシニート材の作製例
比較例として、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(硬化剤:ジシアンジアミド)だけを用いて実施例10と同様な混錬硬化条件で成型し、3点曲げ試験を行い、曲げ強度及び弾性率を測った、その結果は表2に示した。
[Comparative Example 3] Preparation Example of Epoxy Neat Material As a comparative example, a bisphenol A type epoxy resin (curing agent: dicyandiamide) was used and molded under the same kneading and curing conditions as in Example 10, and a three-point bending test was performed. The bending strength and elastic modulus were measured and the results are shown in Table 2.

[比較例4] 微細炭素繊維を添加したエポキシ複合材の作製例
比較例として、比較例2で得られた三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体1wt%をビスフェノールA型エポキシ樹脂(硬化剤:ジシアンジアミド)に添加し、実施例10と同様な混錬硬化条件で混錬、硬化成型後、3点曲げ試験を行い、曲げ強度及び弾性率を測定した。その結果は表2に示した。
Comparative Example 4 Production Example of Epoxy Composite Material with Fine Carbon Fiber Added As a comparative example, 1 wt% of the three-dimensional network-like carbon fiber structure obtained in Comparative Example 2 was replaced with bisphenol A type epoxy resin (curing agent: dicyandiamide). ), Kneading and curing under the same kneading and curing conditions as in Example 10, a three-point bending test was performed, and the bending strength and elastic modulus were measured. The results are shown in Table 2.

Figure 2009096694
Figure 2009096694

本発明の微細炭素繊維においては、特に、上記したような三次元ネットワーク構造を有する炭素繊維構造体は、触媒由来の鉄を微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%含有し、そのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっている為、触媒鉄成分は微細炭素繊維の表に存在することによって、複合材料を製造する際に表面改質など工程が必要とせず、マトリックス材との接着性を強化することが期待できる。また、反応触媒鉄成分は粒や層などの形でカーボンナノチューブの表面部分に存在することではなく、形を観察しにくい状態で、例えば、原子の形態でチューブの表に存在し、カーボンナノチューブとの結び付きが強固であり、物理的な外力では剥がれないため、より良いマトリックス材料との接着性、特に金属系マトリックスとの濡れ性の改善が期待できる。 In the fine carbon fiber of the present invention, in particular, the carbon fiber structure having the three-dimensional network structure as described above contains 0.5 to 5.0% by mass of catalyst-derived iron in the fine carbon fiber, of which 5% Since ~ 100% of iron is in a state that can be eluted with dilute hydrochloric acid, the catalytic iron component is present on the surface of the fine carbon fiber, so that a process such as surface modification is not required when producing a composite material, It can be expected to enhance the adhesion to the matrix material. In addition, the reaction catalyst iron component is not present in the surface portion of the carbon nanotube in the form of grains or layers, but is present in a state where it is difficult to observe the shape, for example, on the surface of the tube in the form of atoms. The bond is strong and cannot be peeled off by a physical external force. Therefore, better adhesion to a matrix material, particularly improvement of wettability to a metal matrix can be expected.

本発明の炭素繊維複合体の利用用途の具体例としては、特に限定されるものではないが、例えば、次のようなものを挙げることができる。(1)機械的強度を利用する構造材として。(2)導電性、熱伝導性を利用するものとして、導電性樹脂、導電性成形体、熱伝導性樹脂、熱伝導性樹脂成形体、包装材、ガスケット、容器、抵抗体、電線等。(3)電磁波遮蔽材、(4)物理的特性を利用するものとして、家電、車両、航空機等のボディ、機械のハウジング、電池の極材等。 Although it does not specifically limit as a specific example of the utilization use of the carbon fiber composite_body | complex of this invention, For example, the following can be mentioned. (1) As a structural material utilizing mechanical strength. (2) Conductive resin, conductive molded body, thermally conductive resin, thermally conductive resin molded body, packaging material, gasket, container, resistor, electric wire, etc. as those utilizing conductivity and thermal conductivity. (3) Electromagnetic wave shielding materials, (4) Body materials such as home appliances, vehicles, and aircraft, machine housings, battery pole materials, etc. that utilize physical characteristics.

本発明の実施例において得られた、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体のTEM写真である。It is the TEM photograph of the intermediate body of the carbon fiber structure of a three-dimensional network shape obtained in the Example of this invention. 本発明の実施例において得られた、反応後の炭素繊維構造体に含めた触媒鉄の57Feメスバウアースペクトルである。It is a 57 Fe Mossbauer spectrum of catalytic iron included in the carbon fiber structure after reaction, obtained in an example of the present invention. 本発明の実施例において得られた、アニール処理した三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体のTEM写真である。3 is a TEM photograph of a three-dimensional network-like carbon fiber structure that has been annealed and obtained in an example of the present invention. 本発明の実施例において得られた、アニール処理後の炭素繊維構造体に含めた触媒鉄の57Feメスバウアースペクトルである。It is a 57 Fe Mossbauer spectrum of catalytic iron included in a carbon fiber structure after annealing, obtained in an example of the present invention.

Claims (22)

反応触媒由来の鉄を構成成分とする微細炭素繊維であって、前記鉄成分は微細炭素繊維に接合しており、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつ前記鉄成分のうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする微細炭素繊維。 A fine carbon fiber comprising iron derived from a reaction catalyst as a constituent component, wherein the iron component is bonded to the fine carbon fiber, and the total iron content measured by a fluorescent X-ray method is 0. The fine carbon fiber is 5 to 5.0% by mass, and 5 to 100% of the iron component is in a state in which it can be eluted with dilute hydrochloric acid. 前記した鉄成分の形態は炭化物、硫化物もしくは純鉄であることを特徴とする請求項1記載の微細炭素繊維。 The fine carbon fiber according to claim 1, wherein the form of the iron component is carbide, sulfide or pure iron. 前記微細炭素繊維が、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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ことを特徴とする請求項1または2に記載の微細炭素繊維。 The fine carbon fiber 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 carbon fibers extend, And having a granular part that binds the carbon fibers to each other larger than the outer diameter of the carbon fiber, and the granular part is formed during the growth process of the carbon fiber. Item 3. The fine carbon fiber according to Item 1 or 2. 前記した微細炭素繊維は、ラマン分光分析法で測定されるI/Iが0.2以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の微細炭素繊維。 The fine carbon fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the fine carbon fiber has an I D / I G measured by Raman spectroscopy of 0.2 or more. 前記した微細炭素繊維は、X線回折法で求めた黒鉛としての結晶性を示すd002が3.42Å以上の範囲内にあることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の微細炭素繊維。 The above-mentioned fine carbon fiber has d 002 showing crystallinity as graphite obtained by X-ray diffraction method in a range of 3.42 mm or more. Fine carbon fiber. 前記した微細炭素繊維は、繊維表面の一部に括れがあり、かつ繊維表面が粗いことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の微細炭素繊維。 The fine carbon fiber according to any one of claims 1 to 5, wherein the fine carbon fiber has a part of the fiber surface and the fiber surface is rough. 前記した微細炭素繊維が、炭素繊維に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の微細炭素繊維。 Said fine carbon fiber contains 0.001-30 mass% boron compound in conversion of boron with respect to carbon fiber, The fine carbon fiber of any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. 反応触媒由来の鉄を構成成分とする微細炭素繊維であって、前記鉄成分は微細炭素繊維に接合しており、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつ前記鉄成分のうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっている微細炭素繊維が、熱間プレスを経て予備成形されたことを特徴とする微細炭素繊維の予備成形体。 A fine carbon fiber comprising iron derived from a reaction catalyst as a constituent component, wherein the iron component is bonded to the fine carbon fiber, and the total iron content measured by a fluorescent X-ray method is 0. The fine carbon fiber which is 5 to 5.0% by mass and 5 to 100% of the iron component is in a state in which it can be eluted with dilute hydrochloric acid is preformed through hot pressing. A preform of fine carbon fiber. 前記微細炭素繊維が、その製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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微細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ことを特徴とする請求項8に記載の微細炭素繊維の予備成形体。 The fine carbon fiber is a three-dimensional network-like carbon fiber structure that is preformed through a hot press in the course of its production and is composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, the carbon fiber structure Is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and has a granular portion that has a particle size larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonds the carbon fibers to each other, and the granular portion grows the fine carbon fiber. The preform of fine carbon fibers according to claim 8, wherein the preform is formed in the process. 触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱して炭素物質を、繊維状に成長させて微細炭素繊維の中間体を得る、得られた炭素繊維の中間体を900〜2200℃の範囲の温度で熱処理する工程から成ることを特徴とする、粗い表面があり、かつ反応触媒由来の鉄成分を含み、前記鉄成分は微細炭素繊維に接合しており、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつそのうち5〜100%の鉄が希塩酸で溶出可能な状態になっている微細炭素繊維の製造方法。 A mixed gas of catalyst and hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C. to grow a carbon substance into a fiber to obtain a fine carbon fiber intermediate. The method comprises a step of heat treatment at a temperature in the range of 2200 ° C., having a rough surface and containing an iron component derived from a reaction catalyst, the iron component being bonded to fine carbon fibers, Production of fine carbon fibers in which the total iron content measured in step 1 is 0.5 to 5.0% by mass in the fine carbon fibers, and 5 to 100% of the iron content is in a state that can be eluted with dilute hydrochloric acid. Method. 前記触媒ガスは、硫黄または硫黄化合物と、鉄または鉄化合物からなり、かつ前記硫黄源中の硫黄原子/前記鉄源中の鉄原子のモル比は0.01〜10であることを特徴とする請求項10に記載の微細炭素繊維の製造方法。 The catalyst gas is composed of sulfur or a sulfur compound and iron or an iron compound, and a molar ratio of sulfur atom in the sulfur source / iron atom in the iron source is 0.01 to 10. The manufacturing method of the fine carbon fiber of Claim 10. 触媒および炭化水素の混合ガスを800℃〜1300℃の一定温度で加熱する際に、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により、炭素物質を、繊維状に成長させる一方で、使用される触媒粒子の周面方向に成長させて、三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体の中間体を得る、得られた炭素繊維構造体の中間体を900〜2200℃の範囲の温度に熱処理によりなる、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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は、その表面は粗く、且つ反応触媒由来の鉄を含み、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつそのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする請求項10または11に記載の微細炭素繊維の製造方法。 When the mixed gas of catalyst and hydrocarbon is heated at a constant temperature of 800 ° C. to 1300 ° C., the carbon material is grown in a fibrous form by using at least two carbon compounds having different decomposition temperatures as the carbon source. On the other hand, the carbon fiber structure intermediate obtained in the range of 900 to 2200 ° C. is obtained by growing in the circumferential direction of the catalyst particles to be used to obtain a three-dimensional network-like carbon fiber structure intermediate. A three-dimensional network-like carbon fiber structure composed of carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, formed by heat treatment at a temperature, wherein the carbon fiber structure is a mode in which a plurality of carbon fibers extend, and the carbon fibers Having a granular portion that has a particle size larger than the outer diameter of the carbon fiber and bonds the carbon fibers to each other, and the granular portion is formed in the process of growing the carbon fibers. The elementary fiber structure has a rough surface and contains iron derived from a reaction catalyst, and the total iron content measured by a fluorescent X-ray method is 0.5 to 5.0 mass% in the fine carbon fiber, The method for producing fine carbon fibers according to claim 10 or 11, wherein 5 to 100% of iron is in a state in which it can be eluted with dilute hydrochloric acid. 前記微細炭素繊維の中間体を熱処理する方法において、微細炭素繊維の自重による流動を許容する流路を構成する炉本体を備え、前記流路内の炭素繊維を加熱して熱処理する微細炭素繊維の熱処理装置を用いることを特徴とする請求項10〜12に記載の微細炭素繊維の製造方法。 In the method for heat-treating the intermediate of the fine carbon fiber, the furnace comprises a furnace body that constitutes a flow path that allows the flow of the fine carbon fiber due to its own weight, and the fine carbon fiber is heated and heat-treated in the flow path. The method for producing fine carbon fibers according to claim 10, wherein a heat treatment apparatus is used. 前記した微細炭素繊維の中間体を得た後熱処理する前に、ホウ素化合物の有機溶媒溶液もしくは水溶液または微細固体粉を混合することにより、前記した微細炭素繊維に対してホウ素換算で0.001〜30質量%のホウ素化合物を含有させることを特徴とする、請求項10〜13いずれか1項に記載の微細炭素繊維の製造方法。 Before the heat treatment after obtaining the intermediate of the fine carbon fiber described above, by mixing an organic solvent solution or an aqueous solution of boron compound or fine solid powder, 0.001 to 0.001 in terms of boron with respect to the fine carbon fiber described above. The method for producing fine carbon fibers according to any one of claims 10 to 13, wherein 30% by mass of a boron compound is contained. 請求項10記載の微細炭素繊維の製造方法において、その製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、かつ、触媒鉄を構成成分とする微細炭素繊維であって、蛍光X線法で測定された合計の鉄含有量が微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%であり、かつそのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする微細炭素繊維の予備成形体の製造方法。 The method for producing fine carbon fiber according to claim 10, wherein the fine carbon fiber is preformed through hot pressing in the course of the production process and contains catalytic iron as a constituent component, and is measured by a fluorescent X-ray method. The total iron content is 0.5 to 5.0% by mass in the fine carbon fiber, and 5 to 100% of the iron is in a state where it can be eluted with dilute hydrochloric acid. The manufacturing method of the preform. 請求項12〜14に記載の微細炭素繊維の製造方法において、その製造工程途中で熱間プレスを経て予備成形され、外径15〜100nmの炭素繊維から構成される三次元ネットワーク状の炭素繊維構造体であって、当該炭素繊維構造体は炭素繊維が複数延出する態様で、前記炭素繊維の外径よりもその粒径が大きく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は、その表面は粗く、且つ反応触媒由来の鉄を微細炭素繊維中0.5〜5.0質量%含み、そのうち5〜100%の鉄は希塩酸で溶出可能な状態になっていることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の微細炭素繊維の予備成形体の製造方法。 The method for producing fine carbon fibers according to claims 12 to 14, wherein the three-dimensional network-like carbon fiber structure is formed from carbon fibers having an outer diameter of 15 to 100 nm, which is preformed through a hot press during the production process. The carbon fiber structure is a form in which a plurality of carbon fibers extend, and has a granular portion that has a larger particle diameter than the outer diameter of the carbon fibers and binds the carbon fibers together, and The granular part is formed in the carbon fiber growth process, and the carbon fiber structure has a rough surface and contains 0.5 to 5.0% by mass of reaction catalyst-derived iron in the fine carbon fiber. The method for producing a preform of a fine carbon fiber according to claim 8 or 9, wherein 5 to 100% of the iron is in a state that can be eluted with dilute hydrochloric acid. 請求項1〜7のいずれか1つに記載の微細炭素繊維を、全体の0.1〜30質量%の割合でマトリックス中に配合したことを特徴とする複合材料。 A composite material comprising the fine carbon fiber according to any one of claims 1 to 7 blended in a matrix at a ratio of 0.1 to 30% by mass of the whole. 請求項8〜9のいずれか1つに記載の予備成形体を、全体の0.1〜30質量%の割合でマトリックス中に配合したことを特徴とする複合材料。 A composite material, wherein the preform according to any one of claims 8 to 9 is blended in a matrix at a ratio of 0.1 to 30% by mass of the whole. 前記マトリックスが、少なくとも有機ポリマーを含むものである請求項17または請求項18に記載の複合材料。 The composite material according to claim 17 or 18, wherein the matrix contains at least an organic polymer. 前記マトリックスが、少なくとも無機材料を含むものである請求項17または請求項18に記載の複合材料。 The composite material according to claim 17 or 18, wherein the matrix includes at least an inorganic material. 前記マトリックスが、少なくとも金属を含むものである請求項17または請求項18に記載の複合材料。 The composite material according to claim 17 or 18, wherein the matrix contains at least a metal. 前記マトリックス中に、金属微粒子、シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、カーボンブラック、ガラス繊維および炭素繊維からなる群から選ばれた少なくとも一種の充填剤をさらに含むことを特徴とする請求項17〜21のいずれか1項に記載の複合材料。 The at least one filler selected from the group consisting of metal fine particles, silica, calcium carbonate, magnesium carbonate, carbon black, glass fiber, and carbon fiber is further contained in the matrix. The composite material according to any one of the above.
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