JP6142332B1 - 炭素繊維、炭素繊維材製造方法、電気デバイス、二次電池、及び製品 - Google Patents
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Abstract
Description
下記の[要件1]〜[要件4]が満足される
ことを特徴とする炭素繊維を提案する。
前記炭素繊維の直径:0.5〜6.5μm
前記炭素繊維の長さ:5〜65μm
(前記炭素繊維の直径)<(前記炭素繊維の長さ)
前記炭素繊維は「うねり」を有する。
前記炭素繊維は凸を有する。
前記凸の突出高さ:20〜300nm
前記凸の数:炭素繊維1μm長(炭素繊維に沿っての長さ)当たり、3〜25個
前記炭素繊維はカーボンブラックを有する。
前記[要件1]〜[要件4]と、下記要件[5]とが満足される
ことを特徴とする炭素繊維を提案する。
前記炭素繊維はSi粒子を有する。
[前記Si粒子の質量]/[前記カーボンブラックの質量+前記Si粒子の質量]=20〜94%
前記[要件1]〜[要件4]と、下記要件[6]とが満足される
ことを特徴とする炭素繊維を提案する。
前記炭素繊維はS粒子を有する。
[前記S粒子の質量]/[前記カーボンブラックの質量+前記S粒子の質量]=20〜94%
分散液作製工程と紡糸工程と変性工程とを具備する炭素繊維材の製造方法であって、
前記分散液作製工程は、ポリビニルアルコール、カーボンブラック(一次粒径が21〜69nm)、及び溶媒を含む分散液が作製される工程であり、
前記紡糸工程は、前記分散液から繊維材(炭素繊維前駆体を具備)が作製される工程であり、
前記変性工程は、前記炭素繊維前駆体が炭素繊維に変性する工程である
ことを特徴とする炭素繊維材製造方法を提案する。
前記炭素繊維の直径:0.5〜6.5μm
前記炭素繊維の長さ:5〜65μm
(前記炭素繊維の直径)<(前記炭素繊維の長さ)
前記炭素繊維は「うねり」を有する。
前記炭素繊維は凸を有する。
前記凸の突出高さ:20〜300nm
前記凸の数:炭素繊維1μm長(炭素繊維に沿っての長さ)当たり、3〜25個
前記炭素繊維はカーボンブラックを有する。
前記炭素繊維はSi粒子を有する。
[前記Si粒子の質量]/[前記カーボンブラックの質量+前記Si粒子の質量]=20〜94%
前記炭素繊維はS粒子を有する。
[前記S粒子の質量]/[前記カーボンブラックの質量+前記S粒子の質量]=20〜94%
「糸」であるとか、「繊維(例えば、長繊維または短繊維)」である。「繊維材」には前記以外の繊維製品も含まれる。「炭素繊維材」には、(1)不織布(不織布を構成する繊維が炭素繊維)である場合、(2)糸である場合、(3)繊維(繊維は炭素繊維。繊維は長繊維または短繊維)である場合、(4)その他の製品(製品を構成する繊維が炭素繊維)である場合が含まれる。本方法は、分散液作製工程と、紡糸工程と、変性工程とを具備する。好ましくは、更に、解布工程を具備する。好ましくは、更に、分級工程を具備する。
log(PA)=1.613×log{([η]×104)/8.29} (1)
[η]={2.303×log[ηrel]}/C (2)
[ηrel]=t1/t0 (3)
PA:重合度、[η]:極限粘度、ηrel:相対粘度、C:試験溶液の濃度(g/L)、t0:水の落下秒数(s)、t1:試験溶液の落下秒数(s)
X1={(a−b)×f×D×0.06005}/{S×(P/100)}×100 (1)
X2=(44.05×X1)/(60.05−0.42×X1) (2)
H=100−X2
(3)
X1:残存酢酸基に相当する酢酸量(%)
X2:残存酢酸基(モル%)
H:鹸化度(モル%)
a:0.5mol/lNaOH溶液の使用量(ml)
b:空試験での0.5mol/lNaOH溶液の使用量(ml)
f:0.5mol/lNaOH溶液のファクター
D:規定液の濃度(0.1mol/l又は0.5mol/l)
S:試料採取量(g)
P:試料の純分(%)
前記分散液は、前記PVAと、前記CBと、前記溶媒とを含有する。
例えば、図1,2の遠心紡糸装置が用いられた。図1は遠心紡糸装置の概略側面図である。図2は遠心紡糸装置の概略平面図である。図中、1は回転体(円盤)である。前記円盤1は空洞体である。前記円盤1の壁面にはノズル(又は孔)が設けられている。前記円盤1の内部(空洞部)2(図示せず)に紡糸原液が充填される。円盤1が高速回転させられる。これによって、紡糸原液が遠心力によって引き伸ばされる。そして、溶媒は揮発しつつ、捕集板3上に堆積する。この堆積によって、不織布4が形成される。
[炭化処理(工程III−1)]
炭素繊維製の繊維材が前記炭素繊維前駆体製の繊維材から得られる。炭素繊維前駆体が炭素繊維に変性されると言うことである。変性処理は、例えば熱処理である。特に、酸化性ガス雰囲気下での熱処理である。この熱処理により、前記炭素繊維前駆体を構成しているPVAが除去される。すなわち、CB以外の炭素源が除去される。
前記繊維材(炭素繊維)にPVAの炭化物が残っている場合、これを除去する為、好ましくは、減量処理が行われる。この減量処理は熱処理である。好ましくは、不活性ガス雰囲気下での熱処理である。本工程を経て、PVAの炭化物が除去され、減量が行われる。本工程は前記工程III−1の後に行われる。
好ましくは、黒鉛化処理が行われる。黒鉛化処理は、好ましくは、不活性ガス雰囲気下で行われる。本工程は、鉄分(不純物)を含むCBが原料に用いられる場合、大事な工程である。これによって、前記鉄分が除去される。CBの結晶性が良くなり、導電性が向上する。本工程は、好ましくは、前記工程III−2の後に行われる。
本工程は、前記工程で得られた繊維材(炭素繊維製)から炭素繊維を得る工程である。本工程は、例えば前記工程II(或いは、前記工程III−1、若しくは前記工程III−2、又は前記工程III−3)で得られた繊維材が粉砕される工程である。前記粉砕によって繊維が得られる。前記繊維材が叩かれることによっても、前記繊維材は解かれる。すなわち、繊維が得られる。
本工程は、前記工程IVで得られた繊維から所望の大きさのものが選ばれる工程である。例えば、篩(目開き20〜300μm)を通過した炭素繊維が用いられる。目開きが小さな篩が用いられた場合、利用されない炭素繊維の割合が多くなる。これはコスト増を引き起こす。目開きが大きな篩が用いられた場合、利用される炭素繊維の割合が多くなる。しかし、炭素繊維の品質のバラツキが大きい。篩と同等の方法が用いられても良い。例えば、気流分級(サイクロン分級)が用いられても良い。
以下の要件1〜4を満たす炭素繊維は、大きな特長を奏する。
前記炭素繊維の直径:0.5〜6.5μm
前記炭素繊維の長さ:5〜65μm
(前記炭素繊維の直径)<(前記炭素繊維の長さ)
前記直径は、好ましくは、0.8μm以上であった。前記直径は、好ましくは、5μm以下であった。前記長さは、好ましくは、10μm以上であった。前記長さは、好ましくは、40μm以下であった。
前記炭素繊維には「うねり」が存在する。
前記炭素繊維には凸(突起:突部;図4,6参照)が存在する。
前記突出高さは、好ましくは、200nm以下であった。
前記凸の数は、好ましくは、5個以上であった。前記凸の数は、好ましくは、23.5個以下であった。更に好ましくは20以下であった。
前記炭素繊維はCB(炭素成分)を有する。
前記一次粒径は、好ましくは、60nm以下であった。
この一次粒径の値は、分散液作製に用いたCBの一次粒径(21〜69nm)の値である。一次粒径の意味から、これは、当然とも言える。この一次粒径のCBが合体して出来たのが前記「要件3」の凸である。
前記炭素繊維はSi粒子(例えば、金属ケイ素粒子)を有する。
より好ましくは40%以上であった。より好ましくは90%以下であった。
前記炭素繊維はS粒子(硫黄粒子)を有する。
より好ましくは40%以上であった。より好ましくは90%以下であった。
前記炭素繊維は、電気素子(電子素子も電気素子の中に含まれる)の部材に用いられる。例えば、蓄電池、キャパシタ、燃料電池などの部材に用いられる。
PVA(商品名:ポバール224:鹸化度88mol%、重合度2400:株式会社クラレ製)70質量部、カーボンブラック(商品名:#3050B、一次粒径50nm、鉄分1,000ppm、三菱化学株式会社製)30質量部、及び水400質量部が、ビーズミルで、混合された。カーボンブラック分散液(PVAは溶解)が得られた。
実施例1において、カーボンブラック(一次粒径50nm、鉄分1,000ppm)の代わりに、カーボンブラック(一次粒径23nm、鉄分1ppm)が用いられた以外は、実施例1に準じて行われた。その結果が表−1に示される。得られた炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は23nmであった。
実施例2において、加熱(3000℃、黒鉛化炉)が省略された以外は、実施例2に準じて行われた。その結果が表−1に示される。得られた炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は23nmであった。
実施例3において、カーボンブラック(一次粒径23nm、鉄分1ppm)の代わりに、カーボンブラック(一次粒径35nm、鉄分10ppm)が用いられた以外は、実施例3に準じて行われた。その結果が表−1に示される。得られた炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は35nmであった。
実施例3において、カーボンブラック(一次粒径23nm、鉄分1ppm)の代わりに、カーボンブラック(一次粒径60nm、鉄分10ppm)が用いられた以外は、実施例3に準じて行われた。その結果が表−1に示される。得られた炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は60nmであった。
実施例1において、カーボンブラック量を30質量部から150質量部に変更した以外は、実施例1に準じて行われた。その結果が表−1に示される。得られた炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は50nmであった。
実施例1において、重合度2000、鹸化度88mol%のPVAが用いられた以外は、実施例1に準じて行われた。その結果が表−1に示される。得られた炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は50nmであった。
実施例1において、重合度2400、鹸化度70mol%のPVAが用いられた以外は、実施例1に準じて行われた。その結果が表−1に示される。得られた炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は50nmであった。
「前記特許文献2の実施例5」が本比較例1に相当する。
比較例1で得られた炭素繊維が篩(目開き:75μm)により分級された。この分級された炭素繊維が用いられ、実施例1に準じて行われた。その結果が表−1に示される。
実施例3において、カーボンブラック(一次粒径23nm、鉄分1ppm)の代わりに、カーボンブラック(一次粒径15nm、鉄分1,000ppm)が用いられた以外は、実施例3に準じて行われた。紡糸原液の粘度が高く、紡糸が出来なかった。
実施例3において、カーボンブラック(一次粒径23nm、鉄分1ppm)の代わりに、カーボンブラック(一次粒径75nm、鉄分10ppm)が用いられた以外は、実施例3に準じて行われた。その結果が表−1に示される。
実施例3において、PVAの代わりに、ポリエチレングリコールが用いられた以外は、実施例3に準じて行われた。加熱工程で繊維が溶融し、炭素繊維が得られなかった。
平均直径 平均長さ うねり数 凸の数 比表面積 放電容量
(μm) (μm) (個) (個) (m2/g) (mAh/g)
実施例1 0.9 15 1.3 8.2 20.3 50.9
実施例2 2.0 35 2.5 23.4 25.4 63.8
実施例3 2.0 35 2.5 23.4 21.5 55.8
実施例4 1.5 23 1.1 12.8 53.2 73.5
実施例5 2.5 17 1.2 5.3 15.7 46.5
実施例6 3.5 6.5 1.7 18.2 30.2 29.8
実施例7 2.8 10.2 2.4 12.5 18.5 38.5
実施例8 3.2 12.5 3.1 18.4 17.2 32.8
比較例1 1.2 21 1.5 0.8 7.2 5.6
比較例2 1.2 21 1.5 0.8 8.2 8.3
比較例4 2.5 13 1.1 1.8 8.8 10.1
PVA(商品名:ポバール224:鹸化度88mol%、重合度2400:株式会社クラレ製)60質量部、カーボンブラック(一次粒径23nm、鉄分1ppm)5質量部、金属ケイ素(平均粒径0.8μm、キンセイマテック株式会社製)35質量部、及び水500質量部が、ビーズミルで、混合された。カーボンブラック・金属ケイ素分散液(PVAは溶解)が得られた。
実施例9において、ケイ素含有炭素繊維を用いず、人造黒鉛の量を97質量部とした以外は、実施例9に準じて行われた。その結果が表−2に示される。
PVA(商品名:ポバール224:鹸化度88mol%、重合度2400:株式会社クラレ製)60質量部、カーボンブラック(一次粒径35nm、鉄分1ppm)30質量部、金属ケイ素(平均粒径0.3μm、キンセイマテック株式会社製)10質量部、及び水500質量部が、ビーズミルで、混合された。カーボンブラック・金属ケイ素分散液(PVAは溶解)が得られた。この分散液が用いられ、実施例9に準じて行われた。その結果が表−2に示される。ケイ素粒子の平均粒径は0.3μmであった。炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は35nmであった。
PVA(商品名:ポバール224:鹸化度88mol%、重合度2400:株式会社クラレ製)60質量部、カーボンブラック(一次粒径35nm、鉄分10ppm)1質量部、金属ケイ素(平均粒径0.9μm、キンセイマテック株式会社製)39質量部、及び水500質量部が、ビーズミルで、混合された。カーボンブラック・金属ケイ素分散液(PVAは溶解)が得られた。この分散液が用いられ、実施例9に準じて行われた。その結果が表−2に示される。ケイ素粒子の平均粒径は0.9μmであった。炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は35nmであった。
実施例9の分散液が用いられた。延伸紡糸装置(図3参照)が用いられた。紡糸(延伸倍率:3倍、フィラメント数:18、40deci Tex)が行われた。
実施例9 実施例10 実施例11 実施例12 比較例6
平均直径(μm) 3.2 0.6 5.2 6.2 −
平均長さ(μm) 25 5 45 60 −
うねり数(個) 3.0 4.2 1.8 3.0 −
凸の数(個) 12.3 23.4 8.2 15.2 −
炭素/珪素(wt%)21/79 80/20 7/93 17/83 −
放電容量(mAh/g) 618 411 658 820 360
サイクル特性(%) 93 95 85 88 71
*平均直径、平均長さ、うねり数、凸の数に関しては、実施例1の場合と同様。
PVA(商品名:ポバール224:鹸化度88mol%、重合度2400:株式会社クラレ製)60質量部、カーボンブラック(一次粒径23nm、鉄分1ppm)5質量部、硫黄(平均粒径2μm、キシダ化学株式会社製)35質量部、及び水500質量部が、ビーズミルで、混合された。カーボンブラック・硫黄分散液(PVAは溶解)が得られた。この分散液が用いられ、実施例9に準じて行われた。
PVA(商品名:ポバール224:鹸化度88mol%、重合度2400:株式会社クラレ製)60質量部、カーボンブラック(一次粒径35nm、鉄分1ppm)30質量部、硫黄(平均粒径0.3μm、キシダ化学株式会社製)10質量部、及び水500質量部が、ビーズミルで、混合された。カーボンブラック・硫黄分散液(PVAは溶解)が得られた。この分散液が用いられ、実施例12に準じて行われた。結果が表−3に示される。硫黄粒子の平均粒径は0.3μmであった。炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は35nmであった。
PVA(商品名:ポバール224:鹸化度88mol%、重合度2400:株式会社クラレ製)60質量部、カーボンブラック(一次粒径35nm、鉄分1ppm)1質量部、硫黄(平均粒径0.8μm、キシダ化学株式会社製)39質量部、及び水500質量部が、ビーズミルで、混合された。カーボンブラック・硫黄分散液(PVAは溶解)が得られた。この分散液が用いられ、実施例12に準じて行われた。結果が表−3に示される。硫黄粒子の平均粒径は0.8μmであった。炭素繊維にはCBが観察された。前記CBの一次粒径は35nmであった。
カーボンブラック(一次粒径35nm、鉄分1ppm)5質量部、硫黄(平均粒径2μm、キシダ化学株式会社製)35質量部、ポリビニリデンフルオライド1質量部、及びN−メチルピロリドン200質量部が混合された。カーボンブラック・硫黄分散液が作製された。この分散液が用いられ、実施例12に準じて行われた。結果が表−3に示される。
実施例13 実施例14 実施例15 比較例7
平均直径(μm) 4.8 2.1 5.3 −
平均長さ(μm) 32 8.4 46 −
うねり数(個) 1.2 3.5 2.5 −
凸の数(個) 5.3 10.2 8.5 −
炭素/硫黄(wt%)17/83 80/20 7/93 −
放電容量(mAh/g) 237.3 60.3 253.2 27.8
サイクル特性(%) 87 91 85 17
*平均直径、平均長さ、うねり数、凸の数に関しては、実施例1の場合と同様。
2 内部(空洞部)
3 捕集板
4 不織布
5 うねり
6 凸
Claims (16)
- 下記の[要件1]〜[要件4]が満足される
ことを特徴とする炭素繊維。
[要件1]
前記炭素繊維の直径:0.5〜6.5μm
前記炭素繊維の長さ:5〜65μm
(前記炭素繊維の直径)<(前記炭素繊維の長さ)
[要件2]
前記炭素繊維は「うねり」を有する。
[要件3]
前記炭素繊維は凸を有する。
前記凸の突出高さ:20〜300nm
前記凸の数:炭素繊維1μm長(炭素繊維に沿っての長さ)当たり、3〜25個
[要件4]
前記炭素繊維はカーボンブラックを有する。 - 更に下記の[要件5]が満足される
ことを特徴とする請求項1の炭素繊維。
[要件5]
前記炭素繊維はSi粒子を有する。
[前記Si粒子の質量]/[前記カーボンブラックの質量+前記Si粒子の質量]=20〜94% - 更に下記の[要件6]が満足される
ことを特徴とする請求項1の炭素繊維。
[要件6]
前記炭素繊維はS粒子を有する。
[前記S粒子の質量]/[前記カーボンブラックの質量+前記S粒子の質量]=20〜94% - 分散液作製工程と紡糸工程と変性工程とを具備する炭素繊維材の製造方法であって、
前記分散液作製工程は、ポリビニルアルコール、カーボンブラック(一次粒径が21〜69nm)、及び溶媒を含む分散液が作製される工程であり、
前記紡糸工程は、前記分散液から繊維材(炭素繊維前駆体を具備)が作製される工程であり、
前記変性工程は、前記炭素繊維前駆体が炭素繊維に変性する工程である
ことを特徴とする炭素繊維材製造方法。 - 前記カーボンブラックは、前記ポリビニルアルコール100質量部に対して、5〜200質量部である
ことを特徴とする請求項4の炭素繊維材製造方法。 - 前記ポリビニルアルコールは、
重合度が2200〜4000、
鹸化度が75〜90mol%
であることを特徴とする請求項4又は請求項5の炭素繊維材製造方法。 - 更に、解布工程と、分級工程とを具備し、
前記解布工程は、前記繊維材が解かれる工程であり、
前記分級工程は、炭素繊維(直径が0.5〜6.5μm、長さが5〜65μm)が分取される工程である
ことを特徴とする請求項4〜請求項6いずれかの炭素繊維材製造方法。 - 前記分散液作製工程は、更に、Si粒子(又はS粒子)が用いられて分散液が作製される工程であり、
前記Si粒子(又はS粒子)は、粒径が0.05〜3μmであり、
[前記Si粒子(又はS粒子)の質量]/[前記カーボンブラックの質量+前記Si粒子(又はS粒子)の質量]=20〜94%
であることを特徴とする請求項4〜請求項7いずれかの炭素繊維材製造方法。 - 前記紡糸が延伸紡糸である
ことを特徴とする請求項4〜請求項8いずれかの炭素繊維材製造方法。 - 前記紡糸が遠心紡糸である
ことを特徴とする請求項4〜請求項8いずれかの炭素繊維材製造方法。 - 前記紡糸が静電紡糸である
ことを特徴とする請求項4〜請求項8いずれかの炭素繊維材製造方法。 - 請求項4〜請求項11いずれかの炭素繊維材製造方法によって得られてなる炭素繊維。
- 炭素繊維を具備する製品であって、
前記炭素繊維が請求項1〜請求項3、請求項12いずれかの炭素繊維である
ことを特徴とする製品。 - 請求項1〜請求項3、請求項12いずれかの炭素繊維を具備する電気デバイス。
- 請求項1〜請求項3、請求項12いずれかの炭素繊維を用いて構成された負極を具備する二次電池。
- 請求項1〜請求項3、請求項12いずれかの炭素繊維を用いて構成された正極を具備する二次電池。
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