JP2868317B2 - 気相成長炭素繊維およびその製造方法 - Google Patents

気相成長炭素繊維およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は気相成長炭素繊維に関す
る。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】気相成長
炭素繊維は黒鉛網面が繊維軸に並行して年輪状に発達し
ていることによって、高強度高弾性である。したがっ
て、この気相成長炭素繊維を利用して、優れた複合材料
が得られるものと期待されている。その期待の下に、各
種材料(プラスチック、ゴム、金属、セラミックス)を
マトリックスとした複合材料が検討されてきている。
【0003】しかし、前記各種の材料に気相成長炭素繊
維を分散してなる複合材料は、期待された程の機械的特
性が発現しなかった。その理由は次のようである。
【0004】気相成長炭素繊維は、鉄や遷移金属等の微
細子を触媒としてベンゼンや天然ガス等の炭化水素類あ
るいは一酸化炭素等の炭素源となる材料が熱分解して得
られる炭素繊維であり、必要に応じて不活性気流中で1
000〜3000℃に更に黒鉛化して得られる。したが
って、この気相成長炭素繊維は、従来からある所謂ピッ
チ系炭素繊維およびPAN系炭素繊維とは全く異なる繊
維であると言える。
【0005】このような生成過程を経て得られるので、
通常その先端は球状に形成された独特の繊維である。ま
た、繊維の長さと直径の比を変えるには、例えば反応時
間を短くする等の手段が採用される。
【0006】しかしながら、前記手段を採用すると、長
さと直径とが同時に変化してしまうので、所望するアス
ペクト比を有する繊維を得るのが困難である。更に先に
述べた熱分解で得られた気相成長炭素繊維は、通常、互
いにからみあった綿状になっている(以下、これを創生
気相成長炭素繊維と称する)
【0007】これらの理由からこれを他の材料と混合し
て複合材料とした場合、分散が不均一となり、複合材料
の強度・弾性を低下させていた。
【0008】複合材料の強度・弾性の低下の他の原因と
しては、また、繊維中に含まれる微細な球状物、不純物
等の影響が考えられる。
【0009】本発明者らは、綿状になって生成した創生
気相成長炭素繊維を切断・分散することを種々検討して
本発明に至ったものである。
【0010】すなわち、本発明の目的は、各種のマトリ
クス材料中に分散して大きな機械的特性を有する複合材
料を形成することのできる気相成長炭素繊維を提供する
ことにある。
【0011】本発明の他の目的は、各種のマトリクス材
料中に分散して大きな機械的特性を有する複合材料を形
成することのできる気相成長炭素繊維を製造する方法を
提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、綿状にな
って形成された創生気相成長炭素繊維を切断・分散する
ことを各種検討して本発明に至ったものである。
【0013】すなわち、前記課題を解決するための本発
明は、直径が5μ以下であり、長さが100μ以下であ
り、平均アスペクト比が2〜100であり、高衝撃力で
生じた破断面を有することを特徴とする気相成長炭素繊
維であり、前記気相成長炭素繊維は、創生気相成長炭素
繊維を高衝撃力で、特に直径1μ〜100μの微粒子に
よる高衝撃力で破断することにより製造することができ
る。
【0014】一般に、微細なものを更に小さくするには
ボールミルやローラーミルのように押し砕く方法が採用
されるが、創生気相成長炭素繊維の径が5μ以下と非常
に微細であるため、ボールミルやローラーミルでは繊維
の長さを所望の値に制御するのが困難であり、また、要
処理時間も長いという欠点があった。本発明は、創生気
相成長炭素繊維を単独または比重差、熱処理等によって
分離可能な粒径1〜100μの粒子とともに高衝撃力処
理をすることにより、創生気相成長炭素繊維の長さを任
意に、数分の短い処理時間で調節することを可能とし
た。
【0015】更に高衝撃処理ではボールミル等で使用さ
れるセラミック球等を使用しないので、セラミック球同
士の間に繊維が存在しない場合にセラミック球同士が直
接に接触してセラミック球表面の凹凸が削られることに
より生じるセラミック粉による汚染がなく、また繊維が
粉体にまで微粉化されることが少ない。
【0016】高衝撃処理の一例として、具体的には例え
ば図1に示すように、気流の通路である自己循環回路
1、衝撃羽根2を有する容器3を備える、高衝撃力処理
装置に、前記創生気相成長炭素繊維または前記創生気相
成長炭素繊維および微粒子を入れて回転させ、高衝撃力
を与えることを内容とする処理を挙げることができる。
【0017】このような高衝撃処理において、炭素繊維
の長さの調節は、主に衝撃力を変化させることにより可
能である。衝撃力を与える方法としては回転ではなく、
一方向あるいは往復で羽根、壁に打ちつけることも可能
であるが、回転が最も容易である。衝撃による繊維の切
断は繊維が羽根に当たった時と繊維が壁に打ちつけられ
た時の双方で起こる。
【0018】衝撃を与える羽根の速度(あるいは繊維が
壁に打ちつけられる速度)としては20m/sec以
上、好ましくは40m/sec以上が良い。高速である
程切断効果は大きいが、速度が100m/sec以上に
なると、安全対策上周辺に防護装置等を設けるなど、装
置が大型化し、使用しにくくなったり、経済的な問題を
生じることがある。また、処理時間も5分以内が良く、
あまり長時間の処理は経済的観点から好ましくない。
尚、回転により衝撃を与える場合の速度は、回転羽根の
場合、最も外側の部分の速度により示した。回転羽根の
場合、最も外側における速度が最大であり効果的である
からである。
【0019】また、高速衝撃を与える際の前記微粒子の
粒径としては、その粒径が1〜100μm、好ましくは
10〜60μmである。かかる粒径範囲の微粒子である
と、炭素繊維がより均一に切断される。微粒子の粒径が
1μm未満であり、あるいは100μmを越える場合に
は、切断効果は小さい。
【0020】微粒子の材質は、プラスチックや金属、セ
ラミックスが挙げられるが、プラスチックで特にポリエ
チレンや、ポリメチルメタクリレートあるいはポリスチ
レンといった加熱により分解蒸発してしまうものが、後
処理も容易で好ましい。従って、好ましい微粒子はプラ
スチック微粒子であるといえる。金属、セラミックの場
合、重量で分級するとロスが多くまた繊維中の残存不純
物を除去する為、酸・アルカリ処理といった工程が必要
になり、煩雑であり完全な純化が難しい。
【0021】一般的に繊維を強化材として複合した複合
材料において、マトリックスの種類に応じた繊維の最適
なアスペクト比(繊維の長さ/繊維の直径)があり、た
とえばエポキシ樹脂では40〜60、アルミニウムでは
20〜40、セラミックでは10〜20と言われてい
る。
【0022】以上のように創生気相成長炭素繊維を高衝
撃破断処理すると、創生気相成長炭素繊維の端面は、破
断面を呈する。繊維の端面が破断面であるか否かは、た
とえば電子顕微鏡等で観察することにより容易に確認す
ることができる。電子顕微鏡観察をすると、高衝撃処理
をした創生気相成長炭素繊維の端面は、高衝撃処理以前
に観察されたような丸みのある端部が消失し、繊維の軸
に対して鋭角、直角あるいは鈍角をなす端面が生じてい
る。
【0023】創生気相成長炭素繊維を破断すると、年輪
構造を呈する黒鉛結晶の断面が露出する。この年輪構造
の故に、年輪の層間に他の物質の侵入もしくは貫入が容
易になるので、特に黒鉛化度の高い創生気相成長炭素繊
に対して有効である。なお、この創生気相成長炭素繊
は予め黒鉛化処理が施されていても良い。
【0024】したがって、創生気相成長炭素繊維を、そ
の1/2以上がその両端に破断面を有するようになる本
発明の創生気相成長炭素繊維は、触媒を担持する担体と
して、あるいは、層間化合物のホスト材料として有用で
ある。
【0025】本発明の高衝撃力処理をすることにより簡
単に創生気相成長炭素繊維のアスペクト比を最適な値に
調節することが可能になる。また長さを100μm以下
にすることにより繊維同士が絡み合う為の分散不良を防
ぐことができる。さらに創生気相成長炭素繊維の一端ま
たは両端が破断面になることにより、マトリックスとの
濡れ性が向上し複合材の強度向上を達成することができ
る。創生気相成長炭素繊維の長さが短く、一端または両
端が破断面になることにより、創生気相成長炭素繊維
触媒の担体、層間化合物のホスト材料として使用すると
きにも有効である。
【0026】
【実施例】(実施例1) 平均直径が0.76μm、平均長さが174μm、アス
ペクト比174の創生気相成長炭素繊維に何も加えず
に、高速気流中衝撃処理装置(ハイブリダイザー、NH
S−1、(株)奈良機械製作所製)を用い7,200r
pm(90m/sec)、5,000rpm(62.5
m/sec)、3,500rpm(43.8m/se
c)、2,000rpm(25m/sec)にて2分間
処理した。処理後、走査型電子顕微鏡観察により、ラン
ダムに選ばれた100本の繊維の直径、長さを測定し
た。結果を表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】(実施例2) 平均直径が0.77μm、平均長さが130μm、アス
ペクト比169の創生気相成長炭素繊維50gに低密度
ポリエチレン(フロービーズ平均粒径40μm、住友精
化(株)製)65gを加え、実施例1と同様の処理を実
施した後、窒素雰囲気中で、600℃で1時間加熱処理
を施し、低密度ポリエチレンを除去した。その後、走査
型電子顕微鏡観察により、ランダムに選ばれた100本
の繊維の直径、長さを測定した。結果を表2に示す。
【0029】
【表2】
【0030】(比較例1) 平均直径が0.78μm、平均長さが130μm、アス
ペクト比167の創生気相成長炭素繊維になにも加えず
に、振動ミル(小型振動ミル、NB−O、日陶科学
(株)製)に直径8mmのセラミックボールを入れ、処
理時間を10分、30分、1時間、5時間、10時間と
変えて処理をした。実施例1、2と同様に電子顕微鏡に
より観察した結果を表3に示す。
【0031】
【表3】
【0032】(比較例2) 平均直径が0.75μm、平均長さが136μm、アス
ペクト比181の創生気相成長炭素繊維50gに低密度
ポリエチレン(フロービーズ平均粒径40μm住友精化
(株)製)65gを加え比較例1と同ようの処理を実施
後、窒素雰囲気中、600℃にて1時間加熱処理をし低
密度ポリエチレンを除去した結果を表4に示す。
【0033】
【表4】
【0034】(実施例3) 実施例1、2、比較例1、2の最も苛酷な高衝撃処理
(表1〜表4の最下段)が行われた試料を走査型電子顕
微鏡で比較した際、各試料には微細な粉末が含まれてお
り、その量については、実施例2(約1容量%)<実施
例1(約2容量%)<<比較例1(約5〜10vol)
=比較例2(約5〜10vol)という関係があった。
【0035】また、この各試料それぞれ3gを空気中で
800℃に加熱して、16時間かけて燃焼処理をした後
に、微細な前記粉末の残存量を調べたところ、実施例1
では0.1%、実施例2では0%、比較例1では3.7
%、比較例2では3.25%であり、比較例における燃
焼残分にはセラミック粉と思われる白粉が多量に見られ
た。
【0036】(実施例4) 各処理によって得られたアスペクト比のほぼ同等な繊維
(実施例1のNo. 3、実施例2のNo. 2、比較例1のN
o. 、比較例2のNo. )をエポキシ樹脂(CIBA
−GEIGY社製のLY556 100部、HY917
J 90部、DY602 1部)と各々20重量%にて
3本ロールにて混練した後、真空脱泡した後、これを1
50℃にて2時間、5kg/cm2 のオートクレーブ中
で硬化させ、その3点曲げ強度を比較したのが表5であ
る。
【0037】
【表5】
【0038】
【発明の効果】本発明によると、各種のマトリクス材料
と複合することにより強度等の機械的特性に優れた複合
材料を与えることのできる炭素繊維を提供することがで
きる。また、本発明の方法によると、短時間に平均アス
ペクト比が100以下で、アスペクト比の標準偏差が小
さく、その両端または一端が破断面よりなる不純物の少
ない炭素繊維を簡単に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法において好適に使用することので
きる衝撃切断装置の構成の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
1 気流の通路である自己循環回路 2 衝撃羽根 3 容器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特公 昭61−21706(JP,B2) 特公 昭62−153349(JP,B2) 特公 平2−38641(JP,B2)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直径が5μ以下であり、長さが100μ
    以下であり、平均アスペクト比が2〜100であり、高
    衝撃力で生じた破断面を有することを特徴とする気相成
    長炭素繊維。
  2. 【請求項2】 創生気相成長炭素繊維を高衝撃力で破断
    することを特徴とする前記請求項1に記載の気相成長炭
    素繊維の製造方法。
  3. 【請求項3】 直径1μ〜100μの微粒子と共に高衝
    撃力を創生気相成長炭素繊維に与えた後、この微粒子を
    除去する前記請求項2に記載の気相成長炭素繊維の製造
    方法。
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