JP2017210698A

JP2017210698A - 炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法

Info

Publication number: JP2017210698A
Application number: JP2016105208A
Authority: JP
Inventors: 邱國峰; Kuo-Feng Chiu; 呂晃志; Hoang-Jyh Leu; 陳亭竹; Ting-Chu Chen; 柯紹仁; Shao-Jen Ko; 謝豊州; Feng-Chou Hsieh
Original assignee: CSB Battery Co Ltd
Current assignee: CSB Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2016-05-26
Publication date: 2017-11-30

Abstract

【課題】炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法の提供。
【解決手段】炭素繊維により構成された炭素繊維布をプラズマ処理しながら、炭素繊維布を親水性物質と反応させて親水性官能基を付与するとともに、炭素繊維布を構成した炭素繊維を断裂させ、炭素繊維布全体に膨らみを持たせる様にして改質して炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる。プラズマ処理を、炭素繊維布に対する単位時間当たりの処理面積が２２２〜３１８ｍｍ^２／ｓｅｃの範囲内にある様に行い、炭素繊維布に対する単位面積当たりの処理出力が３．１８〜６３．３Ｗ／ｍｍ^２の範囲内にある様に行い、その際の炭素繊維布の表面温度が５０℃〜９０℃の範囲内になる様に行うことが好ましい、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。プラズマ処理を施した炭素繊維布を１２０℃〜１７０℃の温度範囲内で熱処理することが、好ましい、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
【選択図】図１

Description

本発明は炭素繊維布の改質方法に関し、具体的には炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法に関する。

特許文献１には、燃料電池に適用するフィルム電極の気体拡散層を得るために用いられる、疎水性を有する炭素含有材料の製造方法が開示されている。該方法は、プラズマ処理により炭素含有材料を構成した炭素繊維の疎水性を向上させるとともに、多孔性を維持できるので、燃料電池の出力を向上させることができる。

しかし、疎水性を有する炭素含有材料の応用範囲は限られている。例えば、硫酸を電解液とする鉛蓄電池は、電極が電解液内に設置されているので、疎水性を有する炭素含有材料は鉛蓄電池の電極に適用できない。

台湾特許第Ｉ３１８２４３号明細書

上記問題点に鑑みて、本発明は、親水性及び導電性が向上された炭素含有材料を提供できる方法の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、炭素繊維により構成された炭素繊維布をプラズマで処理しながら、該炭素繊維布を親水性物質と反応させて親水性官能基を付与するとともに、該炭素繊維布を構成した炭素繊維を断裂させ、該炭素繊維布全体を膨らして改質することを特徴とする、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法を提供する。

上記方法により、本発明の炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法は、プラズマ処理により、炭素繊維布を構成する炭素繊維に親水性官能基を付与するので、炭素繊維布の親水性が向上し、且つ、炭素繊維を断裂させ、該炭素繊維布全体を膨らして、炭素繊維において電荷が付着できる面積が大きくなるので、導電性が向上する。従って、従来の炭素含有材料より、親水性及び導電性が上がって、液体内に適用することができる。

本発明の実施例１〜４で得られた炭素繊維布を窒素雰囲気でフーリエ変換赤外分光光度計により計測したスペクトル図である。上記の実施例１〜４で得られた炭素繊維布を空気でフーリエ変換赤外分光光度計により計測したスペクトル図である。実施例１及び比較例１で得られた炭素繊維布を使用したボタン型電池において、１．５ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で充放電する際の、充放電の電流密度に対する比容量（specific capacitance）の関係図である。実施例１で得られた炭素繊維布を走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。実施例２で得られた炭素繊維布を走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。実施例３で得られた炭素繊維布を走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。実施例４で得られた炭素繊維布を走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。

本発明は、炭素繊維により構成された炭素繊維布をプラズマで処理しながら、該炭素繊維布を親水性物質と反応させて親水性官能基を付与するとともに、該炭素繊維布を構成した炭素繊維を断裂させ、該炭素繊維布全体を膨らみを持たせるようにして改質することを特徴とする、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法である。

親水性官能基としては、例えば、Ｃ＝Ｏ、Ｏ―Ｃ―Ｏ、ＣＯＯＨ、ＯＨなどが挙げられる。

炭素繊維布の種類は、プラズマ処理により殆どの炭素繊維が活性化され、親水性物質と反応して親水性官能基が付与されるとともに、炭素繊維が断裂し、炭素繊維布全体が膨らみを持つようになることできる限り、特に限定されないが、活性炭素繊維により構成される炭素繊維布を使用することが好ましい。

親水性物質は、プラズマ処理された炭素繊維と反応して親水性官能基を付与することできるものである限り、特に限定されない。

該親水性物質としては、酸素を含有する物質を使用することが好ましく、該酸素を含有する物質としては、空気、酸素プラズマ、またはそれらの組み合わせを採用することが好ましい。

プラズマ処理は、大気圧プラズマ処理が好ましい。大気圧プラズマ処理は、操作条件を制御しやすく、大面積のプラズマ処理を行うに当たって好適である。

該プラズマ処理を、窒素プラズマ、酸素プラズマ、ヘリウムプラズマ、アルゴンプラズマ、及びそれらの組み合わせからなる群より選ばれるプラズマを使用して行うことが好ましい。

該プラズマ処理の設定値、例えば、出力、流速範囲、移動速度及び作動距離（working distance）などは、炭素繊維を活性化させて、親水性物質と反応させて親水性官能基を付与するとともに、炭素繊維を断裂させ、炭素繊維布全体に膨らみを持たせることできる限り、特に限定されないが、以下に好ましい各設定値を示す。

プラズマ処理は、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させるため、５０Ｗ〜７００Ｗの出力範囲内で行うことが好ましく、炭素繊維布に対する単位時間当たりの処理面積が２２２ｍｍ^２／ｓｅｃ〜３１８ｍｍ^２／ｓｅｃの範囲内にあるように行うことが好ましく、炭素繊維布に対する単位面積当たりの処理出力が３．１８Ｗ／ｍｍ^２〜６３．３Ｗ／ｍｍ^２の範囲内にあるように行うことが好ましく、炭素繊維布の表面温度が５０℃〜９０℃の範囲内になるように行うことが好ましい。

また、該プラズマ処理は、プラズマ流速範囲を、例えば５ｍｌ/ｍｉｎ〜７０ｍｌ/ｍｉｎの範囲内に設定でき、プラズマの作動距離を、例えば５ｍｍ〜２５ｍｍの範囲内に設定でき、移動速度を、例えば１ｍｍ／ｓ〜７００ｍｍ／ｓの範囲内に設定できる。

上記方法により、本発明によれば、プラズマ処理により、炭素繊維布を構成する炭素繊維に親水性官能基を付与するので、炭素繊維布の親水性が向上し、且つ、炭素繊維を断裂させ、該炭素繊維布全体を膨らみを持たせるので、炭素繊維において電荷が付着できる面積が大きくなり、導電性が向上する。従って、従来の炭素含有材料より、親水性及び導電性が上がって、液体内、例えば鉛蓄電池の電解液内に設置する電極に適用することができる。

また、鉛蓄電池に適用すると、電解液が更に炭素繊維布に浸透することにより、鉛蓄電池の電気容量がより高くなる。

なお、炭素繊維布の親水性及び導電性を長持ちさせるために、プラズマ処理を施した炭素繊維布を熱処理することもできる。

該熱処理の処理環境は、特に限定されないが、例えば真空で、または窒素などの特定気体雰囲気で行うことができる。

該熱処理の処理時間は、特に限定されないが、例えば２〜３時間行うことができる。

また、炭素繊維布の親水性及び導電性をより長持ちさせるために、熱処理は、１２０℃〜１７０℃の温度範囲内で行うことが好ましい。

以下、実施例と比較例を挙げて、本発明を説明する。

［実施例１］
プラズマ処理
大気圧窒素プラズマ装置（ペン型（ｐｅｎ−ｌｉｋｅ）、窒素純度９９．９９％、出力１００Ｗ、窒素プラズマ流速１５ｍｌ、窒素プラズマ照射直径４ｍｍ、窒素プラズマノズルから処理対象までの距離（作動距離）１．５ｃｍ）をＸ−Ｙ軸に沿って移動する装置に設置し、そして、プラズマ装置の移動速度３０ｍｍ／ｓで窒素プラズマをＸ軸に沿って活性炭素繊維布（ＡＷ−１１１４、平均比表面積１１００ｍ^２／ｇ、寸法１０３０×１０００×０．４ｍｍ、台湾ＴａｉｗａｎＣａｒｂｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ社製）の全表面に照射した後、窒素プラズマをＹ軸に沿って活性炭素繊維布の全表面に照射することにより、活性炭素繊維布をプラズマ処理する。

窒素プラズマをＸ軸に沿って活性炭素繊維布の全表面に照射した後、窒素プラズマをＹ軸に沿って活性炭素繊維布の全表面に照射することを「１周」を称し、窒素プラズマを活性炭素繊維布の全表面に１周分照射すると、単位面積当たりの処理出力は３．１８Ｗ／ｍｍ^２になる。この実施例は、窒素プラズマを活性炭素繊維布の全表面に１周照射した。単位面積当たりの処理出力は（３．１８×周数）Ｗ／ｍｍ^２である。

熱処理
プラズマ処理した活性炭素繊維布をステンレス鋼製のトレイに乗せて、循環炉に送入してから、１５０℃で２時間加熱して、改質された活性炭素繊維布が得られた。

［実施例２〜４］
実施例２〜４は、窒素プラズマの照射周数以外、実施例１と同じ条件でプラズマ処理及び熱処理を行うことにより得られた。実施例２〜４の窒素プラズマの照射周数は表１に示されている。

［比較例１］
改質されていない活性炭素繊維布（ＡＷ−１１１４、平均比表面積１１００ｍ^２／ｇ、寸法１０３０×１０００×０．４ｍｍ、台湾ＴａｉｗａｎＣａｒｂｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ社製）を比較例１とする。

［ボタン型電池への応用］
実施例１、２及び比較例１の活性炭素繊維布を用いてＣＲ２０３２ボタン型電池を作成する。該ボタン型電池の構成は、下から上への順番で、ステンレス鋼下カバー、ステンレス鋼シート、活性炭素繊維布、ＰＰセパレータ、活性炭素繊維布、バネ、ステンレス鋼上カバーにより構成され、濃度１ＭのＨ_２ＳＯ_４を電解液とする。

［評価項目］
１、水滴の接触角
液滴法で実施例１〜４及び比較例１の活性炭素繊維布の水滴の接触角を測定した。その結果は表１に示されている。

２、Ｘ線光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）
Ｘ線光電子分光分析装置（ＰＨＩ−５０００Ｖｅｒｓａｐｒｏｂｅ II、ＵＬＶＡＣ-ＰＨＩ社製）で、実施例１〜４及び比較例１の活性炭素繊維布を測定した。その結果は表２に示されている。

３、フーリエ変換赤外分光スペクトル（ＦＴＩＲ）
フーリエ変換赤外分光光度計（Ｎｉｃｉｌｅｔ６７００、米ＴｈｅｒｍｏＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製）で、実施例１〜４の活性炭素繊維布を測定した。その結果は図１及び図２に示されている。

４、電気化学的インピーダンス分光テスト（ＥＩＳ）
ポテンショスタット（ＰＧＳＴＡＴ３０、Ａｕｔｏｌａｂ社製）で、実施例１及び比較例１の活性炭素繊維布を用いて作成したボタン型電池の界面接触インピーダンス（Ｒｃ）を測定した。その結果は表１に示されている。

５、充放電テスト
ポテンショスタット（ＰＧＳＴＡＴ３０、Ａｕｔｏｌａｂ社製）で、実施例１、２及び比較例１の活性炭素繊維布を用いて作成したボタン型電池に対して、１．５ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で充放電する際に、その比容量を測定した。その結果は表１に示されている。実施例１及び比較例１で作成したボタン型電池の比容量の充放電の電流密度に対する関係図は、図３に示されている。

表１に示されるように、実施例１〜４の水滴の接触角は０度で、比較例１の水滴の接触角は１２０度であることにより、改質された活性炭素繊維布の親水性は、改質されていない活性炭素繊維布の親水性より遥かに高い。すなわち、活性炭素繊維布をプラズマ処理することにより、親水性が向上する。

表２に示されるように、実施例１〜４のＯ１ｓピークで表す酸素の相対含量は、２２．４％〜３４．６％であり、比較例１のＯ１ｓピークで表す酸素の相対含量は１１．３％であるので、改質された活性炭素繊維布の酸素の相対含量は、改質されていない活性炭素繊維布の酸素の相対含量より高い。すなわち、活性炭素繊維布をプラズマ処理することにより、炭素繊維を活性化して、酸素を含有する物質と反応させて酸素の相対含量を増やすことができる。

また、図１及び図２に示されるように、実施例１〜４の活性炭素繊維布は、プラズマ処理されたことにより、親水性官能基（Ｏ−Ｈ、Ｃ＝Ｏ、Ｏ―Ｃ―Ｏ、―ＣＯＯＨ）が付与される。すなわち、活性炭素繊維布をプラズマ処理することにより、親水性物質と反応させて親水性官能基を付与することができる。

表２及び表３に示されるように、実施例１の活性炭素繊維布が吸着する水気の相対含量は、３．３６％（０．１５（Ｏ１ｓのピークI（ａ）の相対含量）×０．２２４（Ｏ１ｓの相対含量）×１００％により算出）であり、実施例２の活性炭素繊維布が吸着する水気の相対含量は、５．８８％（０．１７×０．３４６×１００％により算出）であり、実施例３の活性炭素繊維布が吸着する水気の相対含量は、９．７４％（０．２９×０．３３６×１００％により算出）であり、実施例４の活性炭素繊維布が吸着する水気の相対含量は、９．９５％（０．３２×０．３１１×１００％により算出）であるのに対して、比較例１の活性炭素繊維布が吸着する水気の相対含量は、１．５８％（０．１４×０．１１３×１００％により算出）であるので、プラズマ処理で改質された活性炭素繊維布の吸着する水気の相対含量は、改質されていない活性炭素繊維布の吸着する水気の相対含量より高いことがわかる。すなわち、プラズマ処理により改質された活性炭素繊維布の親水性は、改質されていない活性炭素繊維布の親水性より高い。

表１に示されるように、実施例１の活性炭素繊維布を使用するボタン型電池の界面接触インピーダンスは、比較例１の活性炭素繊維布を使用するボタン型電池の界面接触インピーダンスより低く、実施例１及び２の活性炭素繊維布を使用するボタン型電池は、比較例１の活性炭素繊維布を使用するボタン型電池より速い充放電速度で充放電することができ、且つ、図３に示されるように、実施例１の活性炭素繊維布を使用するボタン型電池の比容量は、比較例１の活性炭素繊維布を使用するボタン型電池の比容量より高いので、プラズマ処理で改質された活性炭素繊維布の導電性は、改質されていない活性炭素繊維布の導電性より高いことがわかる。

図４〜７は、それぞれ実施例１〜４で得られた活性炭素繊維布を走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。

図４〜７から見て取れるように、プラズマ処理により、活性炭素繊維布を構成した炭素繊維を断裂させ、該活性炭素繊維布全体に膨らみを持たせられることがわかる。

以上のように、本発明の炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法によれば、確かに活性炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させることができる。

本発明の炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法は、電池の部品とする炭素繊維布の作成に利用でき、電解液内に設置する部品とする炭素繊維布の作成に特に好適である。

Claims

炭素繊維により構成された炭素繊維布をプラズマ処理しながら、該炭素繊維布を親水性物質と反応させて親水性官能基を付与するとともに、該炭素繊維布を構成した炭素繊維を断裂させ、該炭素繊維布全体を膨らみを持たせるようにして改質することを特徴とする、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
前記プラズマ処理を施した炭素繊維布を熱処理することを特徴とする請求項１に記載の、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
前記熱処理を、１２０℃〜１７０℃の温度範囲内で行うことを特徴とする、請求項２に記載の炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
前記プラズマ処理を、炭素繊維布に対する単位時間当たりの処理面積が２２２ｍｍ^２／ｓｅｃ〜３１８ｍｍ^２／ｓｅｃの範囲内にあるように行うことを特徴とする、請求項１〜請求項３いずれか一項に記載の、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
前記プラズマ処理を、炭素繊維布に対する単位面積当たりの処理出力が３．１８Ｗ／ｍｍ^２〜６３．３Ｗ／ｍｍ^２の範囲内にあるように行うことを特徴とする、請求項１〜請求項４いずれか一項に記載の、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
前記プラズマ処理を、炭素繊維布の表面温度が５０℃〜９０℃の範囲内になるように行うことを特徴とする、請求項１〜請求項５いずれか一項に記載の、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
前記親水性物質としては、酸素を含有する物質を使用することを特徴とする、請求項１〜請求項６いずれか一項に記載の、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
前記酸素を含有する物質としては、空気、酸素プラズマ、またはそれらの組み合わせを採用することを特徴とする、請求項７に記載の、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
前記プラズマ処理を、窒素プラズマ、酸素プラズマ、ヘリウムプラズマ、アルゴンプラズマ、及びそれらの組み合わせからなる群より選ばれるプラズマを使用して行うことを特徴とする、請求項１〜請求項８いずれか一項に記載の、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。
前記プラズマ処理を、５０Ｗ〜７００Ｗの出力範囲内で行うことを特徴とする、請求項１〜請求項９いずれか一項に記載の、炭素繊維布の親水性及び導電性を向上させる方法。