JP4342871B2 - 極細炭素繊維及びその製造方法 - Google Patents
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- Inorganic Fibers (AREA)
Description
広角X線測定で評価した網平面間の距離(d002)が0.335nm〜0.360nmの範囲にあり、網平面群の厚さ(Lc)が1.0nm〜150nmの範囲にあり、繊維径が0.001μm〜2μmの範囲にあって、且つ実質的に分岐構造を有さない、極細炭素繊維。
によって達成することができる。
(1)熱可塑性樹脂100重量部と、ピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾアゾール、およびアラミド類からなる群より選ばれる少なくとも一種の熱可塑性炭素前駆体1〜150重量部とからなる樹脂組成物を100〜400℃の雰囲気温度下で成形して、前駆体成形体を製造し、
(2)前駆体成形体に含まれる熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体成形体を形成し、
(3)安定化前駆体成形体から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成し、そして
(4)繊維状炭素前駆体を不活性ガス雰囲気下で炭素化もしくは黒鉛化する、
請求項1記載の炭素繊維の製造方法によって達成される。
本発明の炭素繊維は、広角X線測定で評価した網平面間の距離(d002)が0.335nm〜0.340nmの範囲にあり、網平面群の厚さ(Lc)が10nm〜150nmの範囲にあり、繊維径が0.001μm〜2μmの範囲にあって、且つ実質的に分岐構造を有さない、極細炭素繊維である。
30 < L/D (1)
本発明で使用する熱可塑性樹脂は、安定化前駆体成形体製造後に容易に除去される必要がある。このため、不活性ガス雰囲気下、350℃以上600℃未満の温度で5時間保持することで、初期重量の15wt%以下、より好ましくは10wt%以下、さらには5wt%以下にまで分解する熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。
本発明に用いられる熱可塑性炭素前駆体は酸素雰囲気下200℃以上350℃未満で0.05〜30時間保持した後、次いで酸素雰囲気下350℃以上600℃未満の温度で5時間保持した際、初期重量の80wt%以上が残存する化合物を用いるのが好ましい。
本発明の樹脂組成物は、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体から製造される。熱可塑性炭素前駆体の使用量は、熱可塑性樹脂100重量部に対して1〜150重量部、好ましくは5〜100重量部である。熱可塑性炭素前駆体の使用量が150重量部を超えると所望の分散径を有する前駆体成形体が得られず、1重量部未満であると目的とする炭素繊維を安価に製造する事ができない等の問題が生じるため好ましくない。熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とから樹脂組成物を製造する方法は、溶融状態における混練が好ましい。熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の溶融混練は公知のものを必要に応じて用いる事ができ、例えば一軸押出機、二軸押出機、ミキシングロール、バンバリーミキサー等が挙げられる。これらの中で上記熱可塑性炭素前駆体を熱可塑性樹脂に良好にミクロ分散させるという目的から、同方向二軸押出機が好ましく使用される。溶融混練温度としては100℃〜400℃で行なうのが好ましい。溶融混練温度が100℃未満であると、熱可塑性炭素前駆体が溶融状態にならず、熱可塑性樹脂とのミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、400℃を超える場合、熱可塑性樹脂及び熱可塑性炭素前駆体の分解が進行するためいずれも好ましくない。溶融混練温度のより好ましい範囲は150℃〜350℃である。また、溶融混練の時間としては0.5〜20分間、好ましくは1〜15分間である。溶融混練の時間が0.5分間未満の場合、熱可塑性炭素前駆体のミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、20分間を超える場合、極細炭素繊維の生産性が著しく低下し好ましくない。本発明では、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体から溶融混練により樹脂組成物を製造する際に、酸素ガス含有量10%未満のガス雰囲気下で溶融混練することが好ましい。本発明で使用する熱可塑性炭素前駆体は酸素と反応することで溶融混練時に変性不融化してしまい、熱可塑性樹脂中へのミクロ分散を阻害することがある。このため、不活性ガスを流通させながら溶融混練を行い、できるだけ酸素ガス含有量を低下させることが好ましい。より好ましい溶融混練時の酸素ガス含有量は5%未満、さらには1%未満である。
樹脂組成から、炭素繊維を得るにあたっては、まず樹脂組成物から前駆体成形体を100〜400℃の雰囲気下で成形する。該成形体としては、特に形状を問わないがハンドリングの観点から繊維状あるいはフィルム状であることが好ましい。なお、ここで言う繊維状とは繊維径0.5〜100μm、繊維軸方向の長さ1m以上の形態を指す。また、フィルム状とは厚さが1〜500μmのシート形態を指す。
(1)樹脂組成物中における熱可塑性炭素前駆体の分散粒子径:
試料を任意の面で切断したときの切断面を走査型電子顕微鏡(株式会社日立製作所製「S−2400」)を用いて観察し、島状に分散している熱可塑性炭素前駆体の粒子径を求めた。
(2)繊維状前駆体成形体の繊維径:
走査型電子顕微鏡(株式会社日立製作所製「S−2400」)を用いて観察して求めた。
(3)炭素繊維の広角X線測定:
理学電気株式会社製のRU−300を用いた。なお、網平面間の距離(d002)は2θの値から、網平面群の厚さ(Lc)はピークの半値幅からそれぞれ求めた。
熱可塑性樹脂としてポリ−4−メチルペンテン−1(TPX:グレードRT−18[三井化学株式会社製])100重量部と熱可塑性炭素前駆体としてメソフェーズピッチAR−HP(三菱ガス化学株式会社製)11.1部を同方向二軸押出機(株式会社日本製鋼所製TEX−30、バレル温度290℃、窒素気流下)で溶融混練して樹脂組成物を作成した。この条件で得られた熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径は0.05〜2μmであった。また、樹脂組成物を300℃で10分間保持したが、熱可塑性炭素前駆体の凝集は認められず、分散径は0.05〜2μmであった。
Claims (9)
- 広角X線測定で評価した網平面間の距離(d002)が0.335nm〜0.340nmの範囲にあり、網平面群の厚さ(Lc)が10nm〜150nmの範囲にあり、繊維径が0.001μm〜2μmの範囲にあって、且つ実質的に分岐構造を有さない、極細炭素繊維。
- 繊維長(L)と繊維径(D)とが下記関係式(1)を満足する、請求項1記載の極細炭素繊維。
30 < L/D (1) - (1)熱可塑性樹脂100重量部と、ピッチ、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾアゾール、およびアラミド類からなる群より選ばれる少なくとも一種の熱可塑性炭素前駆体1〜150重量部とからなる樹脂組成物を100〜400℃の雰囲気温度下で成形して、前駆体成形体を製造し、
(2)前駆体成形体に含まれる熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体成形体を形成し、
(3)安定化前駆体成形体から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成し、そして
(4)繊維状炭素前駆体を不活性ガス雰囲気下で炭素化もしくは黒鉛化する、
請求項1記載の炭素繊維の製造方法。 - 熱可塑性樹脂がポリ−4−メチルペンテン−1及び/又はその共重合体である、請求項4記載の製造方法。
- 熱可塑性樹脂がポリエチレン及び/又はその共重合体である、請求項4記載の製造方法。
- 熱可塑性炭素前駆体がメソフェーズピッチからなる、請求項4記載の製造方法。
- 前駆体成形体が、樹脂組成物を紡糸することによって得られる前駆体繊維である、請求項3記載の製造方法。
- 前駆体成形体が、樹脂組成物を製膜することによって得られる前駆体フィルムである、請求項4記載の製造方法。
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