JP7021869B2 - Method for manufacturing carbon fiber sheet, gas diffusion electrode, membrane-electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and carbon fiber sheet - Google Patents
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Description
この発明は、炭素繊維シート、ガス拡散電極、膜-電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び炭素繊維シートの製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon fiber sheet, a gas diffusion electrode, a membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and a method for manufacturing a carbon fiber sheet.
従来から炭素繊維シートはその導電性と多孔性を利用して、燃料電池用のガス拡散電極用基材として、また、電気二重層キャパシタの電極として、或いは、リチウムイオン二次電池の電極としての使用が検討されている。 Conventionally, the carbon fiber sheet has been used as a base material for a gas diffusion electrode for a fuel cell, as an electrode for an electric double layer capacitor, or as an electrode for a lithium ion secondary battery by utilizing its conductivity and porosity. It is being considered for use.
このような炭素繊維シートとして、炭素繊維と抄造用バインダとを混合した繊維ウエブを抄造し、この繊維ウエブにフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸し、硬化させた後に、1000℃以上の温度で焼成することにより製造した、炭素繊維シートが知られている。炭素繊維シートの量産性を考慮すると、炭素繊維シートはロール状に巻くことのできる柔軟性を有していることが望まれるが、前記炭素繊維シートは導電性に優れるものの、ロール状に巻くことができず、柔軟性が不充分で取り扱い性が悪いものであった。 As such a carbon fiber sheet, a fiber web in which carbon fibers and a binder for making is mixed is made, and the fiber web is impregnated with a thermosetting resin such as a phenol resin and cured, and then the temperature is 1000 ° C. or higher. A carbon fiber sheet manufactured by firing in is known. Considering the mass productivity of the carbon fiber sheet, it is desired that the carbon fiber sheet has flexibility that can be rolled into a roll shape. Although the carbon fiber sheet has excellent conductivity, it can be rolled into a roll shape. It was not possible, the flexibility was insufficient, and the handleability was poor.
また、本願出願人は、「ガラス繊維にアクリル樹脂及び/又は酢酸ビニル樹脂を含むバインダを付着せしめたガラス不織布からなるガス拡散電極用基材に、カーボンブラックと、ポリテトラフルオロエチレン樹脂又はポリフッ化ビニリデン樹脂とを含む導電性ペーストを被着焼成したガス拡散電極」(特許文献1)を提案しているが、ガラス繊維は剛性が高く、また、導電性ペーストが被着焼成していることによって、更に剛性が高くなっているため、柔軟性が不充分で取り扱い性の悪いものであった。 In addition, the applicant of the present application stated, "Carbon black and polytetrafluoroethylene resin or polyvinylidene fluoride are used on a base material for a gas diffusion electrode made of a glass non-woven fabric having a binder containing an acrylic resin and / or a vinylidene acetate resin attached to glass fibers. We have proposed "a gas diffusion electrode in which a conductive paste containing a vinylidene resin is adhered and fired" (Patent Document 1), but the glass fiber has high rigidity and the conductive paste is adhered and fired. Moreover, since the rigidity was further increased, the flexibility was insufficient and the handleability was poor.
このような柔軟性の問題点を解決できる炭素繊維シートとして、本願出願人は、「第1導電性材料と第1導電性材料間を繋ぐ第2導電性材料とを有する繊維状物を含む導電性多孔体であり、前記導電性多孔体は比表面積が100m2/g以上であり、しかも曲げ強度が10MPa以上、かつ曲げたわみ量が1mm以上であることを特徴とする、導電性多孔体。」(特許文献2)を提案した。この導電性多孔体はある程度の柔軟性を有するものであったが、柔軟性が不充分で取り扱い性の悪いものであった。 As a carbon fiber sheet that can solve such a problem of flexibility, the applicant of the present application states that "conductivity including a fibrous material having a first conductive material and a second conductive material connecting the first conductive material". A conductive porous body, wherein the conductive porous body has a specific surface area of 100 m 2 / g or more, a bending strength of 10 MPa or more, and a bending deflection amount of 1 mm or more. (Patent Document 2) was proposed. This conductive porous body had a certain degree of flexibility, but the flexibility was insufficient and the handling was poor.
本発明はこのような状況下でなされたものであり、柔軟性に優れ、取扱い性の優れる炭素繊維シート、ガス拡散電極、膜-電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び炭素繊維シートの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made under such circumstances, and is a carbon fiber sheet, a gas diffusion electrode, a membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and a carbon fiber sheet having excellent flexibility and handleability. The purpose is to provide a manufacturing method.
本発明の炭素繊維シートは、炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する炭素繊維シートであり、前記粒子又は粒子凝集体として、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を、厚さ方向における炭素繊維間に含む。 The carbon fiber sheet of the present invention is a carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between carbon fibers, and the particles or particle aggregates are large particles or large particles having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers. Particle aggregates are included between the carbon fibers in the thickness direction.
本発明の炭素繊維シートは、炭素繊維シートの厚さ方向における内部に、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在している、大型粒子又は大型粒子凝集体が略球形状を有する、大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維と点的に接触した状態で存在している、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との間に、皮膜が形成されていない、及び/又は大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する、のが好ましい。 In the carbon fiber sheet of the present invention, large particles or large particle aggregates are present inside the carbon fiber sheet in the thickness direction, large particles or large particle aggregates have a substantially spherical shape, and large particles or large particles are present. The particle agglomerates are present in point contact with the carbon fibers, no film is formed between the large particles or large particle agglomerates and the carbon fibers, and / or the large particles or large particle agglomerates. It is preferable that the aggregate has conductivity.
また、本発明の炭素繊維シートは、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する前記炭素繊維シートを、ガス拡散電極用基材として好適に用いることができる。 Further, in the carbon fiber sheet of the present invention, the carbon fiber sheet in which large particles or large particle aggregates have conductivity can be suitably used as a base material for a gas diffusion electrode.
更に、前記炭素繊維シートに、触媒が担持されているガス拡散電極、このガス拡散電極を備えている膜-電極接合体、このガス拡散電極を備えている固体高分子形燃料電池である。 Further, it is a gas diffusion electrode in which a catalyst is supported on the carbon fiber sheet, a membrane-electrode assembly provided with the gas diffusion electrode, and a polymer electrolyte fuel cell provided with the gas diffusion electrode.
本発明の炭素繊維シートの製造方法は、炭化可能な樹脂を含有する紡糸液を用いて前駆炭素繊維を紡糸する段階、粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に供給する段階、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成する段階、前記前駆炭素繊維シートを構成する前駆炭素繊維を炭化させ、厚さ方向における炭素繊維間に、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を含む炭素繊維シートとする段階、を含む。 The method for producing a carbon fiber sheet of the present invention is a step of spinning a precursor carbon fiber using a spinning liquid containing a carbonizable resin, a step of supplying particles or particle aggregates to the precursor carbon fiber, and a step in the thickness direction. At the stage of forming the precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers, the precursor carbon fibers constituting the precursor carbon fiber sheet are carbonized, and the average of the carbon fibers is averaged between the carbon fibers in the thickness direction. A step of making a carbon fiber sheet containing large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the fiber diameter is included.
なお、粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に供給する段階を、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を前駆炭素繊維へ噴霧して実施する、特に、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を、電荷を有する液滴に断片化して、前駆炭素繊維へ噴霧して実施するのが好ましい。 The step of supplying the particles or the particle aggregates to the precursor carbon fiber is carried out by spraying the dispersion liquid containing the particles or the particle aggregates onto the precursor carbon fibers, particularly the dispersion liquid containing the particles or the particle aggregates. It is preferable to fragment the particles into charged droplets and spray them onto the precursor carbon fibers.
また、前駆炭素繊維を紡糸する段階を、静電紡糸法により実施するのが好ましく、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有するのが好ましい。 Further, it is preferable that the step of spinning the precursor carbon fiber is carried out by an electrostatic spinning method, and it is preferable that large particles or large particle aggregates have conductivity.
本発明は、厚さ方向における炭素繊維間に炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって、炭素繊維同士の接点が少ないため、また、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって炭素繊維が大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲していることができるため、柔軟性が優れ、取扱い性に優れていると考えられる。また、大型粒子又は大型粒子凝集体が家における柱のような作用をするため、厚さ方向における圧力によっても破損しにくい、という効果も奏する。 In the present invention, there are few contacts between carbon fibers due to the presence of large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers between the carbon fibers in the thickness direction. Since the carbon fibers can be curved along the large particles or the large particle aggregates due to the presence of the large particles or the large particle aggregates, it is considered that the carbon fibers are excellent in flexibility and handleability. .. In addition, since large particles or large particle aggregates act like pillars in a house, there is also an effect that they are not easily damaged by pressure in the thickness direction.
炭素繊維シートの厚さ方向における内部に、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していると、柔軟性により優れている。 The presence of large particles or large particle agglomerates inside the carbon fiber sheet in the thickness direction is superior to flexibility.
大型粒子又は大型粒子凝集体が略球形状を有すると、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との接触面積が小さく、炭素繊維の自由度があまり制限されていないため、炭素繊維シートは柔軟性により優れている。 When the large particles or the large particle aggregates have a substantially spherical shape, the contact area between the large particles or the large particle aggregates and the carbon fibers is small, and the degree of freedom of the carbon fibers is not so limited, so that the carbon fiber sheet is flexible. Better in sex.
大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維と点的に接触した状態で存在していると、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との接触面積が小さく、炭素繊維の自由度があまり制限されていないため、炭素繊維シートは柔軟性により優れている。 When the large particles or the large particle agglomerates are present in the state of being in point contact with the carbon fibers, the contact area between the large particles or the large particle agglomerates and the carbon fibers is small, and the degree of freedom of the carbon fibers is not so limited. The carbon fiber sheet is superior in flexibility because it is not.
大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との間に、皮膜が形成されていないと、炭素繊維の自由度があまり制限されていないため、炭素繊維シートは柔軟性により優れている。また、炭素繊維シートの空隙を有効に利用することができる。例えば、ガス拡散性や透水性に優れている。 If no film is formed between the large particles or large particle aggregates and the carbon fibers, the carbon fiber sheet is more flexible because the degree of freedom of the carbon fibers is not so limited. In addition, the voids in the carbon fiber sheet can be effectively used. For example, it has excellent gas diffusivity and water permeability.
大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有すると、炭素繊維シートは導電性に優れているため、導電性を必要とする用途に好適に使用できる。 When the large particles or the large particle aggregates have conductivity, the carbon fiber sheet has excellent conductivity and can be suitably used for applications requiring conductivity.
大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する炭素繊維シートは導電性に優れているため、ガス拡散電極用基材として好適である。 A carbon fiber sheet in which large particles or large particle aggregates have conductivity is excellent in conductivity, and is therefore suitable as a base material for a gas diffusion electrode.
ガス拡散電極は、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有し、導電性の優れる炭素繊維シートに、触媒が担持されているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を製造できる。 In the gas diffusion electrode, large particles or large particle aggregates have conductivity, and the catalyst is supported on a carbon fiber sheet with excellent conductivity, so that the electrical resistance is low and the solid height capable of exhibiting sufficient power generation performance. Can manufacture molecular fuel cells.
膜-電極接合体は、前記ガス拡散電極を備えているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を製造できる。 Since the membrane-electrode assembly includes the gas diffusion electrode, it is possible to manufacture a polymer electrolyte fuel cell having low electrical resistance and exhibiting sufficient power generation performance.
固体高分子形燃料電池は、前記ガス拡散電極を備えているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる。 Since the polymer electrolyte fuel cell is provided with the gas diffusion electrode, the electric resistance is low and sufficient power generation performance can be exhibited.
本発明の炭素繊維シートの製造方法は、粒子又は粒子凝集体を前駆炭素繊維に対して供給しているため、大型粒子又は大型粒子凝集体を、厚さ方向における炭素繊維間に含む炭素繊維シートを製造することができる。つまり、柔軟性に優れ、取り扱い性に優れる炭素繊維シートを製造することができる。 In the method for producing a carbon fiber sheet of the present invention, since particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers, the carbon fiber sheet containing large particles or large particle aggregates between the carbon fibers in the thickness direction. Can be manufactured. That is, it is possible to manufacture a carbon fiber sheet having excellent flexibility and excellent handleability.
なお、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を前駆炭素繊維へ噴霧すると、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との間に、皮膜が形成されていない炭素繊維シートを製造しやすい。 When the dispersion liquid containing the particles or the particle aggregates is sprayed onto the precursor carbon fibers, it is easy to produce a carbon fiber sheet in which a film is not formed between the large particles or the large particle aggregates and the carbon fibers.
また、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を、電荷を有する液滴に断片化して前駆炭素繊維へ噴霧すると、大型粒子又は大型粒子凝集体が略球形状を有し、大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維と点的に接触した状態で存在し、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との間に、皮膜が形成されていない炭素繊維シートを製造しやすい。 Further, when the dispersion liquid containing the particles or particle aggregates is fragmented into charged droplets and sprayed onto the precursor carbon fibers, the large particles or large particle aggregates have a substantially spherical shape, and the large particles or large particle aggregates have a substantially spherical shape. It is easy to produce a carbon fiber sheet in which the aggregate exists in a state of being in point contact with the carbon fiber and no film is formed between the large particles or the large particle aggregate and the carbon fiber.
更に、静電紡糸法により前駆炭素繊維を紡糸すると、細く、繊維径が揃っており、しかも連続した前駆炭素繊維を紡糸できる。したがって、導電性に優れ、しかも表面積が広く、炭素繊維表面を有効に利用できる炭素繊維シートを製造できる。 Further, when the precursor carbon fiber is spun by the electrostatic spinning method, it is possible to spin a continuous precursor carbon fiber having a uniform fiber diameter. Therefore, it is possible to manufacture a carbon fiber sheet which is excellent in conductivity, has a large surface area, and can effectively utilize the carbon fiber surface.
更に、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有すると、導電性の優れる炭素繊維シートを製造できる。 Further, when the large particles or the large particle aggregates have conductivity, a carbon fiber sheet having excellent conductivity can be produced.
本発明の炭素繊維シートは、厚さ方向における炭素繊維間に、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって、炭素繊維同士の接点が少なく、炭素繊維の自由度が高いため、また、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって、炭素繊維が大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲していることができ、炭素繊維シートを曲げた際の変形に追従できる余裕があるため、柔軟性が優れ、取扱い性に優れていると考えられる。また、大型粒子又は大型粒子凝集体が家における柱のような作用をするため、厚さ方向における圧力によっても破損しにくい、という効果も奏する。なお、「厚さ方向」とは、両表面に直交する直線と平行な方向を意味し、「両表面」とは、炭素繊維シートの中で、最も面積の広い面と、その面に対向する面を意味する。 In the carbon fiber sheet of the present invention, the contact points between the carbon fibers are formed by the presence of large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers between the carbon fibers in the thickness direction. Due to the low degree of freedom of the carbon fibers and the presence of large particles or agglomerates, the carbon fibers can be curved along the large particles or agglomerates of carbon. Since there is a margin to follow the deformation when the fiber sheet is bent, it is considered to be excellent in flexibility and handleability. In addition, since large particles or large particle aggregates act like pillars in a house, there is also an effect that they are not easily damaged by pressure in the thickness direction. The "thickness direction" means a direction parallel to a straight line orthogonal to both surfaces, and "both surfaces" means a surface having the largest area in the carbon fiber sheet and facing the surface. Means a face.
本発明の炭素繊維は、例えば、PAN系炭素繊維であることができる。また、炭素繊維は導電性材料を含んでいることができる。このように導電性材料を含んでいると、より導電性、機械的強度が優れている。このような導電性材料は、例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、グラファイト、グラフェン、気相成長カーボンファイバー、カーボンブラック、金属(例えば、金、白金、チタン、ニッケル、アルミ、銀、亜鉛、鉄、銅、マンガン、コバルト、ステンレスなど)、前記金属の金属酸化物の群の中から選ばれる1種類、又は2種類以上から構成することができる。これらの中でも、カーボンナノチューブは導電性に優れ、しかも炭素繊維中において長さ方向に配向しやすく、導電性、機械的強度を高めることができるため好適である。 The carbon fiber of the present invention can be, for example, a PAN-based carbon fiber. Also, the carbon fiber can contain a conductive material. When the conductive material is contained in this way, the conductivity and the mechanical strength are more excellent. Such conductive materials include, for example, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanohorns, graphite, graphene, vapor-grown carbon fiber, carbon black, metals (eg, gold, platinum, titanium, nickel, aluminum, silver, zinc, iron). , Copper, manganese, cobalt, stainless steel, etc.), one type selected from the group of metal oxides of the metal, or two or more types. Among these, carbon nanotubes are suitable because they have excellent conductivity, are easily oriented in the length direction in carbon fibers, and can increase conductivity and mechanical strength.
本発明の炭素繊維は繊維内部に空隙のない状態にあると、機械的強度及び導電性に優れているため好適である。この「繊維内部に空隙がない」とは、炭素繊維シートの厚さ方向における切断面において、輪郭が連続しており、横断面形状が明確な炭素繊維の横断面全体が1~3本納まる視野での炭素繊維の観察を10箇所で実施し、空隙が観察されない炭素繊維の本数が70%以上であることを意味する。なお、炭素繊維が前述のような導電性材料を含んでおり、炭素繊維シートを厚さ方向に切断した時に、導電性材料が脱落して形成されたことが明らかな空隙は、上記空隙に含まない。また、導電性材料自体が多孔で空隙を含んでいたとしても、導電性材料は不連続で、炭素繊維の機械的強度等へ与える影響が小さいため、炭素繊維が空隙を含む導電性材料を含んでいても、繊維内部に空隙がない、とみなす。 When the carbon fiber of the present invention is in a state where there are no voids inside the fiber, it is suitable because it is excellent in mechanical strength and conductivity. This "no voids inside the fiber" means that the contour of the cut surface in the thickness direction of the carbon fiber sheet is continuous, and the entire cross section of the carbon fiber having a clear cross section shape can be accommodated in 1 to 3 fibers. It means that the number of carbon fibers in which no voids are observed is 70% or more by observing the carbon fibers in 10 places. It should be noted that the carbon fiber contains the conductive material as described above, and the voids clearly formed by the conductive material falling off when the carbon fiber sheet is cut in the thickness direction are included in the voids. do not have. Further, even if the conductive material itself is porous and contains voids, the conductive material is discontinuous and has a small effect on the mechanical strength of the carbon fibers, so that the carbon fibers contain the conductive material containing voids. Even so, it is considered that there are no voids inside the fiber.
本発明の炭素繊維の平均繊維径は特に限定するものではないが、炭素繊維自体の機械的強度が優れるように、また、炭素繊維同士の接触箇所がある程度あり、炭素繊維シートの機械的強度、導電性に優れているように、10nm~20μmであるのが好ましく、50nm~10μmであるのがより好ましく、100nm~5μmであるのが更に好ましい。 The average fiber diameter of the carbon fibers of the present invention is not particularly limited, but the mechanical strength of the carbon fiber sheet itself is such that the mechanical strength of the carbon fibers themselves is excellent and there are some contact points between the carbon fibers. It is preferably 10 nm to 20 μm, more preferably 50 nm to 10 μm, and even more preferably 100 nm to 5 μm so as to have excellent conductivity.
本発明における「平均繊維径」は、炭素繊維の40点における繊維径の算術平均値を意味し、「繊維径」は、炭素繊維を顕微鏡写真で観察した際の長さ方向に直交する幅を意味する。 The "average fiber diameter" in the present invention means the arithmetic mean value of the fiber diameters at 40 points of the carbon fibers, and the "fiber diameter" is the width orthogonal to the length direction when the carbon fibers are observed by micrographs. means.
なお、炭素繊維は導電性に優れているように、連続繊維であるのが好ましい。なお、本発明の炭素繊維シートをガス拡散電極用基材として用いる場合には、炭素繊維の繊維端部が実質的になく、固体高分子膜を損傷しないという効果も奏する。このような連続繊維である炭素繊維は、例えば、炭化可能な有機材料を含む紡糸液を用いて、連続した前駆炭素繊維を紡糸(例えば、静電紡糸法、スパンボンド法など)した後に、前記炭化可能な有機材料(前駆炭素繊維)を炭化して製造することができる。なお、「連続繊維」とは、電子顕微鏡を用いる炭素繊維シートの写真撮影を、撮影画像の一辺が炭素繊維の平均繊維径の60倍程度の長さとなる倍率で行なった場合に、電子顕微鏡写真1枚あたりの炭素繊維の端部数が0.3以下であることを意味する。つまり、電子顕微鏡写真20枚における炭素繊維の端部の総数を撮影枚数(20枚)で除した、電子顕微鏡写真1枚あたりの炭素繊維の端部数が0.3以下であることを意味する。なお、その写真撮影は、炭素繊維シートの切断部を含まない表面の中央部における、連続的に異なる箇所において行なう。例えば、平均繊維径が1μmの炭素繊維が連続繊維であるかどうかを確認する場合、電子顕微鏡を用いる写真撮影を、炭素繊維シートの切断部を含まない表面の中央部における、連続的に異なる箇所において、撮影画像の一辺が60μm程度となる倍率(2500倍)で20枚(4行×5列)行ない、電子顕微鏡写真1枚あたりの炭素繊維の端部数を算出し、0.3以下であれば、連続繊維と考えることができる。 The carbon fiber is preferably a continuous fiber so as to have excellent conductivity. When the carbon fiber sheet of the present invention is used as a base material for a gas diffusion electrode, there is substantially no fiber end portion of the carbon fiber, and there is also an effect that the solid polymer film is not damaged. The carbon fiber, which is such a continuous fiber, is obtained after spinning the continuous precursor carbon fiber (for example, electrostatic spinning method, spunbond method, etc.) using, for example, a spinning liquid containing a carbonizable organic material. It can be produced by carbonizing an organic material (precursor carbon fiber) that can be carbonized. The term "continuous fiber" refers to an electron micrograph when a carbon fiber sheet is photographed using an electron microscope at a magnification such that one side of the photographed image is about 60 times the average fiber diameter of the carbon fiber. It means that the number of ends of carbon fiber per sheet is 0.3 or less. That is, it means that the number of carbon fiber ends per electron micrograph obtained by dividing the total number of carbon fiber ends in 20 electron micrographs by the number of photographs (20) is 0.3 or less. The photography is performed continuously at different locations in the central portion of the surface of the carbon fiber sheet not including the cut portion. For example, when confirming whether carbon fibers having an average fiber diameter of 1 μm are continuous fibers, photography using an electron microscope is performed at continuously different points in the central portion of the surface of the carbon fiber sheet not including the cut portion. In, 20 sheets (4 rows x 5 columns) were performed at a magnification (2500 times) so that one side of the photographed image was about 60 μm, and the number of carbon fiber edges per electron micrograph was calculated. For example, it can be considered as a continuous fiber.
本発明の炭素繊維シートは1種類の炭素繊維から構成されている必要はなく、2種類以上の炭素繊維から構成することができる。例えば、導電性材料の有無、導電性材料の種類、炭素繊維内部の空隙の有無、平均繊維径、繊維長などから選ばれる少なくとも1点で相違する2種類以上の炭素繊維から構成することができる。 The carbon fiber sheet of the present invention does not have to be composed of one type of carbon fiber, but may be composed of two or more types of carbon fibers. For example, it can be composed of two or more types of carbon fibers that differ in at least one point selected from the presence / absence of a conductive material, the type of the conductive material, the presence / absence of voids inside the carbon fibers, the average fiber diameter, the fiber length, and the like. ..
本発明の炭素繊維シートを構成する炭素繊維同士は機械的強度が優れているように、また、導電性に優れているように、接合しているのが好ましい。なお、炭素繊維同士の接合は炭素繊維同士の密着性に優れ、機械的強度、導電性に優れているように、有機材料の炭化物によって接合しているのが好ましい。このような炭素繊維シートは、例えば、炭化可能な有機材料を含む有機繊維を含む繊維シートを炭化させることによって得ることができる。このような炭素繊維同士が接合した状態は、電子顕微鏡写真で確認することができる。例えば、図2は炭素繊維シートの炭素粒子凝集体の拡大電子顕微鏡写真であるが、炭素繊維同士が接合していることを確認できる。 It is preferable that the carbon fibers constituting the carbon fiber sheet of the present invention are joined so as to have excellent mechanical strength and excellent conductivity. It should be noted that the bonding between the carbon fibers is preferably made by the carbide of the organic material so that the adhesion between the carbon fibers is excellent and the mechanical strength and the conductivity are excellent. Such a carbon fiber sheet can be obtained, for example, by carbonizing a fiber sheet containing organic fibers containing a carbonizable organic material. The state in which such carbon fibers are bonded to each other can be confirmed by an electron micrograph. For example, FIG. 2 is a magnified electron micrograph of the carbon particle aggregates of the carbon fiber sheet, and it can be confirmed that the carbon fibers are bonded to each other.
本発明の炭素繊維シートは、上述のような炭素繊維に加えて、粒子又は粒子凝集体を有しており、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を、厚さ方向における炭素繊維間に含み、炭素繊維同士の接合が妨げられており、炭素繊維同士の接点が少ないため、また、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって、炭素繊維が大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲していることができるため、柔軟性が優れ、取扱い性に優れていると考えている。つまり、炭素繊維同士の接点が少なく、炭素繊維の自由度が比較的高く、また、炭素繊維が湾曲していると、炭素繊維シートを曲げた際の変形に追従できる余裕があるため、本発明の炭素繊維は柔軟性に優れていると考えられる。 The carbon fiber sheet of the present invention has particles or particle agglomerates in addition to the carbon fibers as described above, and large particles or large particle agglomerates having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers. The carbon fibers are contained between the carbon fibers in the thickness direction, the bonding between the carbon fibers is hindered, the number of contacts between the carbon fibers is small, and the presence of large particles or large particle aggregates causes the carbon fibers to form. Since it can be curved along a large particle or a large particle aggregate, it is considered to have excellent flexibility and handleability. That is, there are few contacts between the carbon fibers, the degree of freedom of the carbon fibers is relatively high, and if the carbon fibers are curved, there is a margin to follow the deformation when the carbon fiber sheet is bent. Therefore, the present invention. Carbon fiber is considered to have excellent flexibility.
このように、本発明の炭素繊維シートを構成する大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有するのであれば、炭素繊維同士の接合が妨げられ、柔軟性に優れる炭素繊維シートであるが、確実に炭素繊維同士の接合を妨げることができるように、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径は炭素繊維の平均繊維径の1.5倍以上であるのが好ましく、2.0倍以上であるのがより好ましく、2.5倍以上であるのが更に好ましい。一方で、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径が大き過ぎると、炭素繊維同士の接合がほとんどなくなり、炭素繊維シートの機械的強度、導電性等が著しく悪くなる傾向があるため、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径は炭素繊維の平均繊維径の60倍以下であるのが好ましく、50倍以下であるのがより好ましく、40倍以下であるのが更に好ましい。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径は炭素繊維の平均繊維径よりも大きければ良く、特に限定するものではないが、0.1μm~1000μmであるのが好ましく、0.5μm~100μmであるのがより好ましく、1μm~30μmであるのが更に好ましく、1μm~10μmであるのが更に好ましい。 As described above, if the large particles or the large particle aggregates constituting the carbon fiber sheet of the present invention have a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers, the bonding between the carbon fibers is hindered and the flexibility is excellent. Although it is a carbon fiber sheet, the diameter of the large particles or large particle aggregates is preferably 1.5 times or more the average fiber diameter of the carbon fibers so that the bonding between the carbon fibers can be reliably prevented. It is more preferably 2.0 times or more, and further preferably 2.5 times or more. On the other hand, if the diameter of the large particles or the large particle aggregates is too large, the carbon fibers are hardly bonded to each other, and the mechanical strength, conductivity, etc. of the carbon fiber sheet tend to be significantly deteriorated. The diameter of the particle agglomerates is preferably 60 times or less, more preferably 50 times or less, still more preferably 40 times or less the average fiber diameter of the carbon fibers. The diameter of the large particles or the large particle aggregates may be larger than the average fiber diameter of the carbon fibers and is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm to 1000 μm, preferably 0.5 μm to 100 μm. It is more preferably 1 μm to 30 μm, still more preferably 1 μm to 10 μm.
この大型粒子又は大型粒子凝集体の「直径」は、炭素繊維シートの厚さ方向断面における電子顕微鏡写真を撮影し、電子顕微鏡写真に写っている50個の大型粒子又は大型粒子凝集体の直径の算術平均値をいう。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体の形状が写真上、非円形である場合には、写真上における、大型粒子又は大型粒子凝集体の面積と同じ面積を有する円の直径を、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径とみなす。 The "diameter" of the large particles or agglomerates of large particles is the diameter of the 50 large particles or agglomerates of large particles shown in the electron micrograph taken by taking an electron micrograph in the thickness direction cross section of the carbon fiber sheet. Arithmetic average value. When the shape of the large particles or large particle aggregates is non-circular on the photograph, the diameter of the circle having the same area as the area of the large particles or large particle aggregates on the photograph is set to the large particles or large particles. Considered as the diameter of the particle agglomerates.
本発明の大型粒子又は大型粒子凝集体を構成する材料は導電性であっても、非導電性であっても良いが、炭素繊維の導電性を利用する場合には、導電性の大型粒子又は大型粒子凝集体であるのが好ましい。前者の導電性材料は電気抵抗率が103Ω・cm以下の材料を意味し、例えば、カーボン(例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、フラーレン、カーボンナノホーン、グラファイト、グラフェンなど)、金属(銀、アルミニウム、ニッケル、金、パラジウム、プラチナ、カドミウム、コバルト、銅、鉄、亜鉛など)、導電性金属酸化物(酸化すずドープ酸化インジウム、酸化すず、酸化亜鉛など)を挙げることができ、カーボンは耐薬品性、導電性などの点から好適であり、特に、ケッチェンブラックやアセチレンブラックなどの導電性カーボンを使用するのが好ましい。 The material constituting the large particles or large particle aggregates of the present invention may be conductive or non-conductive, but when the conductivity of carbon fibers is used, the large conductive particles or It is preferably a large particle agglomerate. The former conductive material means a material having an electrical resistivity of 103 Ω · cm or less, and for example, carbon (for example, Ketjen black, acetylene black, carbon black, carbon nanotube, carbon nanofiber, graphene, carbon nanohorn, etc. Graphite, graphene, etc.), metals (silver, aluminum, nickel, gold, palladium, platinum, cadmium, cobalt, copper, iron, zinc, etc.), conductive metal oxides (tin oxide-doped indium oxide, tin oxide, zinc oxide, etc.) ), And carbon is suitable from the viewpoint of chemical resistance, conductivity and the like, and it is particularly preferable to use conductive carbon such as Ketjen Black and acetylene black.
他方、後者の非導電性材料は電気抵抗率が103Ω・cmを超える材料を意味し、例えば、非導電性金属酸化物(例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化鉄、二酸化マンガン、酸化銅、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化亜鉛、チタン含有酸化物、ゼオライト、触媒担持セラミックスなど)、有機樹脂(ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、フッ素系樹脂など)、活性炭粉体(例えば、水蒸気賦活炭、アルカリ処理活性炭、酸処理活性炭など)、イオン交換樹脂粉体、植物の種子などを挙げることができる。 On the other hand, the latter non-conductive material means a material having an electrical resistivity exceeding 103 Ω · cm, for example, a non-conductive metal oxide (for example, silicon oxide, aluminum oxide, iron oxide, manganese dioxide, copper oxide). , Nickel oxide, cobalt oxide, zinc oxide, titanium-containing oxide, zeolite, catalyst-supported ceramics, etc.), organic resin (polyamide resin, polyester resin, polyolefin resin, fluororesin, etc.), activated carbon powder (for example, Steam-activated charcoal, alkali-treated activated charcoal, acid-treated activated charcoal, etc.), ion exchange resin powder, plant seeds, etc. can be mentioned.
本発明の大型粒子又は大型粒子凝集体の形状は特に限定するものではないが、例えば、略球形状(略球状や真球状)、繊維状、針状(例えば、テトラポット状など)、平板状、多面体形状、羽毛状、不定形形状であることができる。これらの中でも、略球形状であると、炭素繊維との接触面積が小さく、炭素繊維の自由度を低下させにくいため、好適な形状である。 The shape of the large particles or large particle aggregates of the present invention is not particularly limited, but is, for example, substantially spherical (substantially spherical or true spherical), fibrous, needle-like (for example, tetrapot-like), or flat plate. , Polyhedral shape, feather-like, amorphous shape. Among these, the substantially spherical shape is a suitable shape because the contact area with the carbon fibers is small and the degree of freedom of the carbon fibers is not easily reduced.
なお、好適である略球形状とは、次の方法で測定されるアスペクト比が2.0以下であることを意味し、1.5以下であるのが好ましく、1.2以下であるのがより好ましい。 The preferred substantially spherical shape means that the aspect ratio measured by the following method is 2.0 or less, preferably 1.5 or less, and 1.2 or less. More preferred.
(アスペクト比)
(1)炭素繊維シートの表面における電子顕微鏡写真において、個々の輪郭全体を明瞭に観察できる大型粒子又は大型粒子凝集体を選択する。
(2)選択した大型粒子又は大型粒子凝集体における外周上の2点を結んでできる最長の線分(最長線分)を引く。
(3)前記最長線分に対して直交し、選択した大型粒子又は大型粒子凝集体における外周上の2点を結んでできる最長の線分(直交線分)を引く。
(4)前記最長線分(長径)と直交線分(短径)との比を求める。つまり、最長線分(長径)/直交線分(短径)の値を求める。
(5)前記(1)~(4)の操作を任意に選択した50個の粒子に対しして実施し、最長線分(長径)/直交線分(短径)の算術平均値をアスペクト比とする。
(aspect ratio)
(1) In the electron micrograph on the surface of the carbon fiber sheet, select large particles or large particle aggregates that can clearly observe the entire outline of each individual.
(2) Draw the longest line segment (longest line segment) formed by connecting two points on the outer circumference of the selected large particles or large particle aggregates.
(3) Draw the longest line segment (orthogonal line segment) formed by connecting two points on the outer circumference of the selected large particles or large particle aggregates orthogonal to the longest line segment.
(4) Obtain the ratio of the longest line segment (major diameter) to the orthogonal line segment (minor diameter). That is, the value of the longest line segment (major axis) / orthogonal line segment (minor axis) is obtained.
(5) The above operations (1) to (4) are performed on 50 particles arbitrarily selected, and the arithmetic mean value of the longest line segment (major diameter) / orthogonal line segment (minor diameter) is calculated as the aspect ratio. And.
なお、大型粒子又は大型粒子凝集体は中空であっても、中実であっても良い。 The large particles or large particle aggregates may be hollow or solid.
本発明の炭素繊維シートにおいては、大型粒子又は大型粒子凝集体は、直径、材料、形状、導電性か非導電性か、及び/又は、中空か中実か、から選ばれる少なくとも1点で相違する大型粒子又は大型粒子凝集体が混在していても良い。 In the carbon fiber sheet of the present invention, the large particles or large particle aggregates differ in at least one selected from diameter, material, shape, conductive or non-conductive, and / or hollow or solid. Large particles or agglomerates of large particles may be mixed.
本発明の炭素繊維シートは大型粒子又は大型粒子凝集体を含むものであるが、炭素繊維シートの厚さ方向における内部に存在するように含んでいるのが好ましい。このように内部に存在していると、曲げによる応力が加わっても、大型粒子又は大型粒子凝集体がその応力を緩和するため、柔軟性により優れていると考えられる。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維シートの内部のみに存在することもできるが、柔軟性に優れているように、炭素繊維シートの内部に加えて、表面近傍にも存在しているのが好ましい。つまり、炭素繊維シートの厚さ方向全体にわたって、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在しているのが好ましい。この炭素繊維シートの「内部」とは、炭素繊維シートの厚さ方向における断面写真を撮影し、両表面間を表面に平行な直線で三等分した時の真ん中の領域を意味し、「表面近傍」とは、前記直線で三等分した時の表面を含む領域を意味する。 Although the carbon fiber sheet of the present invention contains large particles or large particle aggregates, it is preferable that the carbon fiber sheet is contained so as to be present inside the carbon fiber sheet in the thickness direction. When present inside in this way, even if stress due to bending is applied, large particles or large particle aggregates relieve the stress, so that it is considered to be more excellent in flexibility. Although large particles or large particle aggregates can be present only inside the carbon fiber sheet, they are also present near the surface in addition to the inside of the carbon fiber sheet so as to have excellent flexibility. Is preferable. That is, it is preferable that large particles or large particle aggregates are present throughout the thickness direction of the carbon fiber sheet. The "inside" of this carbon fiber sheet means the central region when a cross-sectional photograph of the carbon fiber sheet in the thickness direction is taken and the two surfaces are divided into three equal parts by a straight line parallel to the surface. "Nearby" means a region including a surface when divided into three equal parts by the straight line.
なお、炭素繊維シートの厚さ方向における内部に大型粒子又は大型粒子凝集体を含む場合、炭素繊維シートの内部全体に均一に大型粒子又は大型粒子凝集体が存在している必要はなく、大型粒子又は大型粒子凝集体の層と炭素繊維の層とが交互に存在していても良い。 When large particles or large particle aggregates are contained inside the carbon fiber sheet in the thickness direction, it is not necessary that the large particles or large particle aggregates are uniformly present throughout the inside of the carbon fiber sheet, and the large particles do not need to be present. Alternatively, layers of large particle aggregates and layers of carbon fibers may be present alternately.
また、炭素繊維シートが内部にのみ大型粒子又は大型粒子凝集体を含む場合、表面近傍は炭素繊維のみ、又は大型粒子又は大型粒子凝集体のみから構成することができる。 Further, when the carbon fiber sheet contains large particles or large particle aggregates only inside, the vicinity of the surface can be composed of only carbon fibers or only large particles or large particle aggregates.
本発明における炭素繊維シートにおいて、大型粒子又は大型粒子凝集体はどのように存在していても良いが、大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維と点的に接触した状態で存在しているのが好ましい。このように点的に接触した状態で存在していると、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との接触面積が小さく、炭素繊維の自由度があまり制限されておらず、炭素繊維シートは柔軟性により優れているためである。このような点的に接触した状態は、略球形状を有する大型粒子又は大型粒子凝集体がその形状を変形させることなく、炭素繊維に接合している場合に達成しやすい。 In the carbon fiber sheet of the present invention, large particles or large particle agglomerates may be present in any manner, but the large particles or large particle agglomerates are present in a state of being in point contact with the carbon fibers. Is preferable. When they exist in such a pointed state, the contact area between the large particles or the large particle aggregates and the carbon fibers is small, the degree of freedom of the carbon fibers is not so limited, and the carbon fiber sheet has a carbon fiber sheet. This is because it is more flexible. Such a pointally contacted state is easily achieved when large particles or large particle aggregates having a substantially spherical shape are bonded to carbon fibers without deforming the shape.
また、本発明における炭素繊維シートにおいて、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維との間に皮膜が形成されていない状態で存在しているのが好ましい。このように皮膜が形成されていないと、炭素繊維の自由度があまり制限されておらず、炭素繊維シートは柔軟性により優れているためである。なお、皮膜が形成されていないと、炭素繊維シートの空隙を有効に利用することができるという効果も奏する。つまり、炭素繊維と大型粒子又は大型粒子凝集体との間に皮膜が形成されていると、その皮膜の近傍における炭素繊維シートの空隙を有効に利用できない傾向があるが、皮膜が形成されていなければ、炭素繊維シートの有する空隙を有効に利用することができる。このような「皮膜を形成していない」状態としては、例えば、大型粒子又は大型粒子凝集体が点的又は線的に、炭素繊維と接着、付着、溶着、又は固着した状態にある。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体を、液状接着剤を使用して炭素繊維に接着した場合に、皮膜が形成されやすい。 Further, in the carbon fiber sheet of the present invention, it is preferable that the large particles or the large particle aggregates exist in a state where a film is not formed between the large particles or the large particle aggregates. This is because if the film is not formed in this way, the degree of freedom of the carbon fiber is not so limited, and the carbon fiber sheet is more excellent in flexibility. If the film is not formed, the voids of the carbon fiber sheet can be effectively used. That is, if a film is formed between the carbon fibers and large particles or large particle aggregates, the voids of the carbon fiber sheet in the vicinity of the film tend to be unable to be effectively used, but the film must be formed. For example, the voids of the carbon fiber sheet can be effectively used. Such a "non-filming" state is, for example, a state in which large particles or large particle aggregates are adhered to, adhered to, welded, or fixed to carbon fibers in a pointed or linear manner. When large particles or large particle aggregates are adhered to carbon fibers using a liquid adhesive, a film is likely to be formed.
このように、本発明の炭素繊維シートは厚さ方向における炭素繊維間に大型粒子又は大型粒子凝集体を含むものであるが、厚さ方向に限定するものではなく、炭素繊維シートの面方向における炭素繊維間にも、大型粒子又は大型粒子凝集体を全面的に、又は部分的(千鳥状、正方配置、ランダムなど)に含んでいるのが好適である。特に、炭素繊維シートの厚さ方向及び面方向における全体の炭素繊維間に、大型粒子又は大型粒子凝集体を含むのが好ましい。面方向に大型粒子又は大型粒子凝集体を含む場合も、厚さ方向における炭素繊維間に存在する場合と同様に、大型粒子又は大型粒子凝集体が略球形状、炭素繊維と点的に接触した状態、及び/又は炭素繊維との間に皮膜が形成されておらず、炭素繊維シートの柔軟性を損なわないように、存在しているのが好ましい。 As described above, the carbon fiber sheet of the present invention contains large particles or large particle aggregates between the carbon fibers in the thickness direction, but is not limited to the thickness direction, and the carbon fibers in the surface direction of the carbon fiber sheet. In between, it is preferable to contain large particles or large particle aggregates in whole or in part (staggered, square arrangement, random, etc.). In particular, it is preferable to include large particles or large particle aggregates between the entire carbon fibers in the thickness direction and the plane direction of the carbon fiber sheet. Even when large particles or agglomerates of large particles are contained in the plane direction, the large particles or agglomerates of large particles are substantially spherical in contact with the carbon fibers in a substantially spherical shape, as in the case of being present between the carbon fibers in the thickness direction. It is preferable that the film is not formed between the state and / or the carbon fiber and is present so as not to impair the flexibility of the carbon fiber sheet.
また、本発明の炭素繊維シートは大型粒子又は大型粒子凝集体のみが存在している必要はなく、炭素繊維の平均繊維径と同じか、より小さい直径を有する小型粒子又は小型粒子凝集体も存在していても良い。本発明の炭素繊維シートにおいては、大型粒子又は大型粒子凝集体によって、柔軟性を有すると考えられるため、大型粒子又は大型粒子凝集体が多いのが好ましく、具体的には、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維シートの厚さ方向における個数が1個以上であるのが好ましく、25個以上であるのがより好ましく、50個以上であるのが更に好ましい。なお、この個数は、炭素繊維シートの両表面が収まり、かつ撮影画像面積の80%以上を炭素繊維シートの断面が占める、撮影可能な倍率で、炭素繊維シートの厚さ方向における断面写真を20枚撮影した場合の、断面写真1枚あたりにおける、大型粒子又は大型粒子凝集体の個数を意味する。つまり、断面写真20枚における大型粒子又は大型粒子凝集体の個数の総数を、撮影枚数(20枚)で除した、断面写真1枚あたりの大型粒子又は大型粒子凝集体の個数を意味する。なお、写真撮影は、炭素繊維シートの端部を含まない断面の中央における、連続的に異なる箇所において行なう。 Further, the carbon fiber sheet of the present invention does not need to contain only large particles or large particle aggregates, and there are also small particles or small particle aggregates having a diameter equal to or smaller than the average fiber diameter of carbon fibers. You may be doing it. In the carbon fiber sheet of the present invention, since it is considered that large particles or large particle aggregates have flexibility, it is preferable that there are many large particles or large particle aggregates, and specifically, large particles or large particles. The number of agglomerates in the thickness direction of the carbon fiber sheet is preferably 1 or more, more preferably 25 or more, and further preferably 50 or more. It should be noted that this number is a photographable magnification in which both surfaces of the carbon fiber sheet fit and the cross section of the carbon fiber sheet occupies 80% or more of the photographed image area, and 20 cross-sectional photographs in the thickness direction of the carbon fiber sheet are taken. It means the number of large particles or large particle aggregates per one cross-sectional photograph when a single image is taken. That is, it means the number of large particles or large particle agglomerates per cross-sectional photograph obtained by dividing the total number of large particles or large particle agglomerates in 20 cross-sectional photographs by the number of photographs (20). The photographs are taken at continuously different points in the center of the cross section not including the edges of the carbon fiber sheet.
本発明の炭素繊維シートは炭素繊維と粒子又は粒子凝集体とを含むものであるが、炭素繊維同士の接点が少ないように、粒子又は粒子凝集体は炭素繊維シート全体の1mass%以上を占めているのが好ましく、5mass%以上を占めているのがより好ましく、10mass%以上を占めているのが更に好ましい。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維シート全体の0.9mass%以上を占めているのが好ましく、4.5mass%以上を占めているのがより好ましく、9mass%以上を占めているのが更に好ましい。一方で、粒子又は粒子凝集体の量が多過ぎると、炭素繊維シートの強度が低くなり、この点から取り扱い性が悪くなる傾向があるため、粒子又は粒子凝集体は炭素繊維シート全体の99mass%以下を占めているのが好ましく、95mass%以下を占めているのがより好ましく、90mass%以下を占めているのが更に好ましい。本発明の大型粒子又は大型粒子凝集体は、粒子又は粒子凝集体全体に占める割合が高い方が好ましいため、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維シート全体の99mass%以下を占めているのが好ましく、95mass%以下を占めているのがより好ましく、90mass%以下を占めているのが更に好ましい。 The carbon fiber sheet of the present invention contains carbon fibers and particles or particle aggregates, but the particles or particle aggregates occupy 1 mass% or more of the entire carbon fiber sheet so that there are few contacts between the carbon fibers. It is more preferable that it occupies 5 mass% or more, and it is further preferable that it occupies 10 mass% or more. The large particles or large particle aggregates preferably occupy 0.9 mass% or more of the entire carbon fiber sheet, more preferably 4.5 mass% or more, and occupy 9 mass% or more. Is more preferable. On the other hand, if the amount of particles or particle agglomerates is too large, the strength of the carbon fiber sheet tends to be low, and from this point, the handleability tends to be poor. Therefore, the particles or particle agglomerates are 99 mass% of the entire carbon fiber sheet. It preferably occupies the following, more preferably 95 mass% or less, and even more preferably 90 mass% or less. Since it is preferable that the large particles or large particle aggregates of the present invention occupy a large proportion of the entire particles or particle aggregates, the large particles or large particle aggregates occupy 99 mass% or less of the entire carbon fiber sheet. It is more preferable that it occupies 95 mass% or less, and further preferably 90 mass% or less.
本発明の炭素繊維シートは上述の通り、厚さ方向における炭素繊維間に、大型粒子又は大型粒子凝集体を含み、炭素繊維同士の接点が少ない、多孔性の状態にあるため、炭素繊維シート内部の空隙を有効に利用できるものである。具体的には、見掛密度が0.40g/cm3以下の多孔性の状態にあるのが好ましい。見掛密度が小さければ小さい程、多孔性でその内部空隙を有効に利用できるため、0.20g/cm3以下であるのがより好ましく、0.12g/cm3以下であるのが更に好ましい。なお、見掛密度が小さ過ぎると、形態安定性に劣る傾向があるため、0.01g/cm3以上であるのが好ましい。この「見掛密度」は「目付(単位:g/m2)」を「厚さ(単位:μm)」で除することによって算出される値であり、「目付」は、炭素繊維シートを10cm角に切断して得た試料の質量を測定し、1m2の大きさの質量に換算した値をいい、「厚さ」は、シックネスゲージ((株)ミツトヨ製:コードNo.547-401:測定力3.5N以下)を用いて測定した値をいう。 As described above, the carbon fiber sheet of the present invention contains large particles or large particle aggregates between the carbon fibers in the thickness direction, has few contacts between the carbon fibers, and is in a porous state, so that the inside of the carbon fiber sheet is in a porous state. The voids can be effectively used. Specifically, it is preferable that the apparent density is 0.40 g / cm 3 or less in a porous state. The smaller the apparent density, the more porous it is and the more effectively the internal voids can be used. Therefore, it is more preferably 0.20 g / cm 3 or less, and further preferably 0.12 g / cm 3 or less. If the apparent density is too small, the morphological stability tends to be inferior, so that it is preferably 0.01 g / cm 3 or more. This "apparent density" is a value calculated by dividing "grain (unit: g / m 2 )" by "thickness (unit: μm)", and "grain" is a value obtained by dividing a carbon fiber sheet by 10 cm. The mass of the sample obtained by cutting into corners is measured and converted into a mass of 1 m 2 in size. "Thickness" is the thickness gauge manufactured by Mitutoyo Co., Ltd .: Code No. 547-401: A value measured using a measuring force of 3.5 N or less).
なお、本発明の炭素シートは炭素繊維と大型粒子又は大型粒子凝集体とを含むものであるが、その他の材料を含むこともできる。例えば、レーヨン、ポリノジック、キュプラなどの再生繊維;アセテート繊維などの半合成繊維;ナイロン繊維、ビニロン繊維、フッ素繊維、ポリ塩化ビニル繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリオレフィン繊維又はポリウレタン繊維などの合成繊維;ガラス繊維、セラミック繊維などの無機繊維;綿、麻などの植物繊維;羊毛、絹などの動物繊維;などを含むこともできる。 Although the carbon sheet of the present invention contains carbon fibers and large particles or large particle aggregates, it may also contain other materials. For example, recycled fibers such as rayon, polynosic, cupra; semi-synthetic fibers such as acetate fibers; nylon fibers, vinylon fibers, fluorofibers, polyvinyl chloride fibers, polyester fibers, acrylic fibers, polyethylene fibers, polyolefin fibers or polyurethane fibers, etc. Synthetic fibers; inorganic fibers such as glass fibers and ceramic fibers; plant fibers such as cotton and hemp; animal fibers such as wool and silk; and the like can also be included.
本発明の炭素繊維シートの形態は特に限定するものではないが、例えば、炭素繊維がランダムに配向した不織布形態、繊維が規則正しく配向した織物又は編物形態であることができる。特に、不織布形態であると、空隙が微細で、高空隙率であるため好適である。 The form of the carbon fiber sheet of the present invention is not particularly limited, but may be, for example, a non-woven fabric form in which carbon fibers are randomly oriented, a woven fabric or knitted form in which the fibers are regularly oriented. In particular, the non-woven fabric form is suitable because the voids are fine and the porosity is high.
本発明の炭素繊維シートの目付は特に限定するものではないが、機械的強度、導電性に優れているように、0.5~500g/m2であるのが好ましく、1~400g/m2であるのがより好ましく、3~300g/m2であるのが更に好ましく、5~200g/m2であるのが更に好ましい。また、厚さも特に限定するものではないが、1~2000μmであるのが好ましく、3~1000μmであるのがより好ましく、5~500μmであるのが更に好ましく、10~300μmが更に好ましい。 The texture of the carbon fiber sheet of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 500 g / m 2 so as to be excellent in mechanical strength and conductivity, and is preferably 1 to 400 g / m 2 . It is more preferably 3 to 300 g / m 2 , further preferably 5 to 200 g / m 2 . The thickness is not particularly limited, but is preferably 1 to 2000 μm, more preferably 3 to 1000 μm, still more preferably 5 to 500 μm, still more preferably 10 to 300 μm.
本発明の炭素繊維シートを、導電性を必要とする用途に使用する場合、電気抵抗が500mΩ・cm2以下であるのが好ましく、100mΩ・cm2以下であるのがより好ましく、20mΩ・cm2以下であるのが更に好ましい。この「電気抵抗」は次の手順により得られる値である。
(1)炭素繊維シートを5cm角(面積:25cm2)に切断し、試料を調製する。
(2)試料を両面側から金メッキを施した金属プレートで挟み、金属プレートの積層方向に、2MPaで加圧下、1Aの電流(I)を印加した状態で、電圧(V)を計測する。
(3)抵抗(R=V/I)を算出する。
(4)抵抗(R)に試料の面積(25cm2)を乗じることによって、電気抵抗を算出する。
When the carbon fiber sheet of the present invention is used in an application requiring conductivity, the electric resistance is preferably 500 mΩ · cm 2 or less, more preferably 100 mΩ · cm 2 or less, and 20 mΩ · cm 2 or less. The following is more preferable. This "electrical resistance" is a value obtained by the following procedure.
(1) A carbon fiber sheet is cut into 5 cm squares (area: 25 cm 2 ) to prepare a sample.
(2) The sample is sandwiched between gold-plated metal plates from both sides, and the voltage (V) is measured in the laminating direction of the metal plates under pressure at 2 MPa and a current (I) of 1 A is applied.
(3) Calculate the resistance (R = V / I).
(4) The electrical resistance is calculated by multiplying the resistance (R) by the area of the sample (25 cm 2 ).
本発明の炭素繊維シートは柔軟で取り扱い性に優れるものであり、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する場合には、導電性が更に優れているため、電極用基材として好適に用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池又は電気二重層キャパシタの電極として用いた場合、容量の大きい二次電池又はキャパシタを作製できる。また、固体高分子形燃料電池のガス拡散電極用基材として用いた場合、優れた発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を作製できる。 The carbon fiber sheet of the present invention is flexible and has excellent handleability, and when large particles or large particle aggregates have conductivity, the conductivity is further excellent, so that the carbon fiber sheet is suitably used as a base material for electrodes. be able to. For example, when used as an electrode of a lithium ion secondary battery or an electric double layer capacitor, a secondary battery or a capacitor having a large capacity can be manufactured. Further, when used as a base material for a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell capable of exhibiting excellent power generation performance can be manufactured.
本発明の大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有し、導電性の優れる炭素繊維シートをガス拡散電極用基材として用いる場合、導電性に優れているばかりでなく、本発明の炭素繊維シートは多孔性であるため、炭素繊維間の空隙に何も充填されていなければ、ガス拡散電極用基材(炭素繊維シート)の厚さ方向及び面方向への排水性に優れているとともに、供給したガスの拡散性に優れている。 When the large particles or large particle aggregates of the present invention have conductivity and a carbon fiber sheet having excellent conductivity is used as a base material for a gas diffusion electrode, not only the carbon fibers of the present invention are excellent, but also the carbon fibers of the present invention are used. Since the sheet is porous, if the voids between the carbon fibers are not filled, the base material for the gas diffusion electrode (carbon fiber sheet) has excellent drainage in the thickness direction and the surface direction, and also has excellent drainage property. It has excellent diffusivity of the supplied gas.
なお、ガス拡散電極用基材(炭素繊維シート)の炭素繊維間の空隙に、フッ素系樹脂を含んでいると、液水が押し出されやすいため、排水性に優れている。このフッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及び前記樹脂を構成する各種モノマーの共重合体、などを挙げることができる。 If a fluororesin is contained in the voids between the carbon fibers of the base material for the gas diffusion electrode (carbon fiber sheet), the liquid water is easily extruded, so that the drainage property is excellent. Examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), perfluoroalkoxy alkane resin (PFA), and four hoots. Ethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), fluorovinylidene / tetrafluoroethylene / hexafluoro Examples thereof include a propylene copolymer and a copolymer of various monomers constituting the resin.
本発明のガス拡散電極は大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有し、導電性の優れる炭素繊維シートに、触媒が担持されているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を製造できるものである。また、本発明のガス拡散電極は、炭素繊維シートに触媒が担持され、例えば、炭素繊維及び/又は大型粒子又は大型粒子凝集体の表面に触媒が担持され、触媒同士の接触による電子伝導だけではなく、炭素繊維及び/又は大型粒子又は大型粒子凝集体による電子伝導パスも形成されているため、電子伝導パスから孤立した触媒が少ない。そのため、効率的に触媒を利用でき、触媒量を少なくできるという効果も奏する。 In the gas diffusion electrode of the present invention, large particles or large particle aggregates have conductivity, and a catalyst is supported on a carbon fiber sheet having excellent conductivity, so that electric resistance is low and sufficient power generation performance can be exhibited. It is possible to manufacture a polymer electrolyte fuel cell. Further, in the gas diffusion electrode of the present invention, a catalyst is supported on a carbon fiber sheet, for example, a catalyst is supported on the surface of carbon fibers and / or large particles or large particle aggregates, and electron conduction by contact between the catalysts alone is sufficient. There are few catalysts isolated from the electron conduction path because the electron conduction path is also formed by carbon fibers and / or large particles or large particle aggregates. Therefore, the catalyst can be used efficiently and the amount of the catalyst can be reduced.
本発明のガス拡散電極は上述のような本発明の炭素繊維シートに触媒が担持されていること以外は、従来のガス拡散電極と全く同様の構造を有する。例えば、触媒としては、白金、白金合金、パラジウム、パラジウム合金、チタン、マンガン、マグネシウム、ランタン、バナジウム、ジルコニウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、金、ニッケル-ランタン合金、チタン-鉄合金などであることができ、これらから選ばれる1種類以上の触媒であることができる。 The gas diffusion electrode of the present invention has exactly the same structure as the conventional gas diffusion electrode except that the catalyst is supported on the carbon fiber sheet of the present invention as described above. For example, the catalyst may be platinum, platinum alloy, palladium, palladium alloy, titanium, manganese, magnesium, lanthanum, vanadium, zirconium, iridium, rhodium, ruthenium, gold, nickel-lantern alloy, titanium-iron alloy, etc. It can be one or more types of catalysts selected from these.
なお、触媒以外にも、電子伝導体及びプロトン伝導体を含んでいるのが好ましく、電子伝導体として、カーボンブラック等の大型粒子又は大型粒子凝集体と同様の導電性材料からなるのが好適であり、触媒はこの電子伝導体に担持されていても良い。また、プロトン伝導体としては、イオン交換樹脂が好適である。 In addition to the catalyst, it is preferable to contain an electron conductor and a proton conductor, and the electron conductor is preferably made of a conductive material similar to large particles such as carbon black or large particle aggregates. Yes, the catalyst may be carried on this electron conductor. Further, as the proton conductor, an ion exchange resin is suitable.
このようなガス拡散電極は、例えば、次の方法で作製できる。まず、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、エチレングリコールジメチルエーテルなどからなる単一あるいは混合溶媒中に、触媒(例えば、白金などの触媒を担持したカーボン粉末)を加えて混合し、これにイオン交換樹脂溶液を加え、超音波分散等で均一に混合して触媒分散懸濁液とする。そして、本発明の炭素繊維シートに、前記触媒分散懸濁液をコーティング、或いは散布し、乾燥して、ガス拡散電極を製造することができる。 Such a gas diffusion electrode can be produced, for example, by the following method. First, a catalyst (for example, a carbon powder carrying a catalyst such as platinum) is added to a single or mixed solvent consisting of ethyl alcohol, propyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol dimethyl ether, etc. and mixed, and then an ion exchange resin is added. The solution is added and mixed uniformly by ultrasonic dispersion or the like to prepare a catalytic dispersion suspension. Then, the carbon fiber sheet of the present invention can be coated with or sprayed with the catalyst dispersion suspension and dried to produce a gas diffusion electrode.
本発明の膜-電極接合体は前述のような導電性の優れるガス拡散電極を備えているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を製造できるものである。 Since the membrane-electrode assembly of the present invention is provided with the gas diffusion electrode having excellent conductivity as described above, it is possible to manufacture a polymer electrolyte fuel cell having low electrical resistance and exhibiting sufficient power generation performance. ..
本発明の膜-電極接合体は前述のようなガス拡散電極を備えていること以外は、従来の膜-電極接合体と全く同様であることができる。例えば、固体高分子膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂膜、スルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜、アルキルスルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜などであることができる。 The membrane-electrode assembly of the present invention can be exactly the same as the conventional membrane-electrode assembly except that it is provided with the gas diffusion electrode as described above. For example, the solid polymer film may be a perfluorocarbon sulfonic acid-based resin film, a sulfonated aromatic hydrocarbon-based resin film, an alkyl sulfonated aromatic hydrocarbon-based resin film, or the like.
このような膜-電極接合体は、例えば、一対のガス拡散電極のそれぞれの触媒担持面の間に固体高分子膜を挟み、熱プレスすることによって接合して製造できる。また、前述のような触媒分散懸濁液を支持体に塗布して触媒層を形成した後、この触媒層を固体高分子膜に転写し、その後、触媒層に本発明の炭素繊維シートが当接するように積層し、熱プレスする方法によっても製造できる。 Such a membrane-electrode assembly can be manufactured, for example, by sandwiching a solid polymer membrane between the catalyst-supporting surfaces of a pair of gas diffusion electrodes and heat-pressing them. Further, after the catalyst dispersion suspension as described above is applied to the support to form a catalyst layer, the catalyst layer is transferred to a solid polymer membrane, and then the carbon fiber sheet of the present invention is applied to the catalyst layer. It can also be manufactured by laminating so as to be in contact with each other and hot pressing.
本発明の固体高分子形燃料電池は、前記ガス拡散電極を備えているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる。 Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is provided with the gas diffusion electrode, it has low electrical resistance and can exhibit sufficient power generation performance.
本発明の燃料電池は前述のようなガス拡散電極を備えていること以外は、従来の燃料電池と全く同様であることができる。例えば、前述のような膜-電極接合体を1対のバイポーラプレートで挟んだセル単位を複数積層した構造からなり、例えば、セル単位を複数積層し、固定して製造できる。 The fuel cell of the present invention can be exactly the same as the conventional fuel cell except that it is provided with the gas diffusion electrode as described above. For example, it has a structure in which a plurality of cell units are laminated by sandwiching a membrane-electrode assembly as described above between a pair of bipolar plates. For example, a plurality of cell units can be laminated and fixed.
なお、バイポーラプレートとしては、導電性が高く、ガスを透過せず、ガス拡散電極にガスを供給できる流路を有するものであれば良く、特に限定するものではないが、例えば、カーボン成形材料、カーボン-樹脂複合材料、金属材料などを用いることができる。 The bipolar plate may be any as long as it has high conductivity, does not allow gas to pass through, and has a flow path capable of supplying gas to the gas diffusion electrode, and is not particularly limited, but for example, a carbon molding material. A carbon-resin composite material, a metal material, or the like can be used.
本発明の炭素繊維シートは、例えば、炭化可能な樹脂を含有する紡糸液を用いて前駆炭素繊維を紡糸する段階、粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に供給する段階、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成する段階、前記前駆炭素繊維シートを構成する前駆炭素繊維を炭化させ、厚さ方向における炭素繊維間に、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を含む炭素繊維シートとする段階、を含む方法により製造することができる。このように、厚さ方向における炭素繊維間に炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を介在させることによって、厚さ方向における炭素繊維同士の接点を少なくし、また、炭素繊維を大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲させることができるため、柔軟性が優れ、取扱い性に優れる炭素繊維シートを製造できると考えられる。 The carbon fiber sheet of the present invention is, for example, a step of spinning a precursor carbon fiber using a spinning solution containing a carbonizable resin, a step of supplying particles or particle aggregates to the precursor carbon fiber, and a precursor in the thickness direction. At the stage of forming the precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the carbon fibers, the precursor carbon fibers constituting the precursor carbon fiber sheet are carbonized, and the average fibers of the carbon fibers are placed between the carbon fibers in the thickness direction. It can be produced by a method including a step of making a carbon fiber sheet containing large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the diameter. In this way, by interposing large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers between the carbon fibers in the thickness direction, the contact points between the carbon fibers in the thickness direction are reduced. Further, since the carbon fibers can be curved along the large particles or the large particle aggregates, it is considered that a carbon fiber sheet having excellent flexibility and excellent handleability can be produced.
より具体的には、まず、炭化可能な樹脂を含有する紡糸液を用いて前駆炭素繊維を紡糸する段階を実施する。この炭化可能な樹脂は特に限定するものではないが、例えば、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、熱硬化性ポリアミド樹脂などの熱硬化性樹脂;ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、アクリル樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ピッチ、ポリアミノ酸樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂などの熱可塑性樹脂;セルロース(多糖類)、タール;又はこれら樹脂のモノマーを成分とする共重合体(例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体、アクリロニトリル・スチレン共重合体など)などを挙げることができる。これらの中でも、アクリル樹脂、特にポリアクリロニトリルが85%以上のものを使用すると、炭化率が高く、繊維内部に空隙がなく、しかも高強度で高弾性率の炭素繊維としやすいため好適である。 More specifically, first, a step of spinning the precursor carbon fiber using a spinning solution containing a carbonizable resin is carried out. The carbonizable resin is not particularly limited, but is, for example, a phenol resin, a urea resin, a melamine resin, an unsaturated polyester resin, an epoxy resin, a xylene resin, a urethane resin, a silicone resin, a thermosetting polyimide resin, and a thermosetting resin. Thermo-curable resins such as sex polyimide resin and thermo-curable polyamide resin; polystyrene resin, polyester resin, polyolefin resin, polyimide resin, polyamide resin, polyamide imide resin, polyvinyl acetate resin, vinyl chloride resin, fluororesin, polyacrylonitrile resin , Acrylic resin, polyether resin, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, pitch, polyamino acid resin, polybenzoimidazole resin and other thermoplastic resins; cellulose (polysaccharide), tar; Examples thereof include a coalescence (for example, an acrylonitrile / butadiene / styrene copolymer, an acrylonitrile / styrene copolymer, etc.). Among these, it is preferable to use an acrylic resin having a polyacrylonitrile content of 85% or more because it has a high carbonization rate, no voids inside the fiber, and is easy to obtain a carbon fiber having high strength and high elastic modulus.
なお、炭素繊維の導電性、機械的強度を高めることができるように、導電性材料を混合することもできる。この導電性材料としては前述のような導電性材料であることができ、カーボンナノチューブであるのが好ましい。 In addition, a conductive material can be mixed so as to increase the conductivity and mechanical strength of the carbon fiber. The conductive material can be the above-mentioned conductive material, and carbon nanotubes are preferable.
また、導電性材料に替えて、又は加えて、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーンや、金属アルコキシド(ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ホウ素、スズ、亜鉛などのメトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシドなど)が重合した無機ポリマーなど、公知の無機系化合物が重合したポリマーを混合することもできる。 Also, in place of or in addition to conductive materials, silicones such as polydimethylsiloxane and metal alkoxides (methoxides such as silicon, aluminum, titanium, zirconium, boron, tin and zinc, ethoxides, propoxides, butoxides, etc.) can be used. It is also possible to mix a polymer obtained by polymerizing a known inorganic compound such as a polymerized inorganic polymer.
このような材料を準備した後、前駆炭素繊維を紡糸するために、炭化可能な樹脂を含有する紡糸液を調製する。場合によっては、導電性材料、シリコーン、及び/又は無機ポリマーを含有する紡糸液を調製する。 After preparing such a material, a spinning solution containing a carbonizable resin is prepared for spinning the precursor carbon fibers. In some cases, a spinning solution containing a conductive material, silicone, and / or an inorganic polymer is prepared.
紡糸液を構成する溶媒は炭化可能な樹脂が溶解可能な溶媒であれば良く、特に限定するものではないが、例えば、アセトン、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1,4-ジオキサン、ピリジン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、アセトニトリル、ギ酸、トルエン、ベンゼン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、四塩化炭素、塩化メチレン、クロロホルム、トリクロロエタン、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、水等を挙げることができ、これらの溶媒の単独溶媒、又は混合溶媒であることができる。なお、紡糸性に問題がない範囲で、貧溶媒を添加することもできる。 The solvent constituting the spinning solution may be any solvent as long as it can dissolve the carbonizable resin, and is not particularly limited. For example, acetone, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,4- Dioxane, pyridine, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, acetonitrile, formic acid, toluene, benzene, cyclohexane, cyclohexanone, carbon tetrachloride, methylene chloride, chloroform, trichloroethane, ethylene Examples thereof include carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, water and the like, and these solvents can be a single solvent or a mixed solvent. It is also possible to add a poor solvent as long as there is no problem in spinnability.
なお、紡糸液における炭化可能な樹脂の固形分濃度は、炭素繊維を形成できれば良く、特に限定するものではないが、1~50mass%であるのが好ましく、5~30mass%であるのがより好ましい。1mass%を下回ると、生産性が極端に低下し、50mass%を上回ると、紡糸が不安定になる傾向があるためである。 The solid content concentration of the carbonizable resin in the spinning liquid is not particularly limited as long as it can form carbon fibers, but is preferably 1 to 50 mass%, more preferably 5 to 30 mass%. .. This is because if it is less than 1 mass%, the productivity is extremely lowered, and if it is more than 50 mass%, the spinning tends to be unstable.
次いで、上述のような紡糸液を用いて前駆炭素繊維を紡糸する。この前駆炭素繊維を形成する方法として、例えば、乾式紡糸法、静電紡糸法、特開2009-287138号公報に開示されているような、液吐出部から吐出された紡糸液に対してガスを平行に吐出し、紡糸液に対して、1本の直線状に剪断力を作用させて繊維化する方法、を挙げることができる。これらの中でも、静電紡糸法、又は特開2009-287138号公報に開示された紡糸方法によれば、平均繊維径が3μm以下の繊維径の小さい前駆炭素繊維を紡糸しやすいため好適である。また、乾式紡糸法又は静電紡糸法によれば、連続繊維である前駆炭素繊維を紡糸しやすいため好適である。特に、静電紡糸法によれば、繊維径が小さく、繊維径の揃った、連続繊維である前駆炭素繊維を紡糸でき、導電性に優れ、しかも表面積が広く、炭素繊維表面を有効に利用できる炭素繊維シートを製造できるため好適である。 Then, the precursor carbon fiber is spun using the spinning liquid as described above. As a method for forming the precursor carbon fibers, for example, a dry spinning method, an electrostatic spinning method, and a gas are applied to a spinning liquid discharged from a liquid discharging unit as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-287138. Examples thereof include a method in which the spinning liquid is discharged in parallel and a shearing force is applied to the spinning liquid in a straight line to form fibers. Among these, the electrostatic spinning method or the spinning method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-287138 is suitable because it is easy to spin a precursor carbon fiber having a small fiber diameter of 3 μm or less on average. Further, according to the dry spinning method or the electrostatic spinning method, it is suitable because it is easy to spin the precursor carbon fiber which is a continuous fiber. In particular, according to the electrostatic spinning method, it is possible to spin a precursor carbon fiber which is a continuous fiber having a small fiber diameter and a uniform fiber diameter, has excellent conductivity, and has a large surface surface, and the carbon fiber surface can be effectively used. It is suitable because it can produce a carbon fiber sheet.
なお、本発明における「前駆炭素繊維」とは、炭化可能な樹脂が炭化していない状態の繊維を意味し、炭化可能な樹脂が炭化して炭素繊維を構成するため、炭素繊維の素となる繊維という意味で、前駆炭素繊維と表現している。 The "precursor carbon fiber" in the present invention means a fiber in a state where the carbonizable resin is not carbonized, and since the carbonizable resin is carbonized to form carbon fiber, it becomes a source of carbon fiber. In the sense of fiber, it is expressed as precursor carbon fiber.
次いで、粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に対して供給する段階を実施する。粒子又は粒子凝集体を供給することによって、厚さ方向における炭素繊維間に、大型粒子又は大型粒子凝集体を含む前駆炭素繊維シートを製造することができ、結果として、柔軟性に優れ、取り扱い性に優れる炭素繊維シートを製造することができる。 Then, a step of supplying particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers is carried out. By supplying the particles or particle aggregates, a precursor carbon fiber sheet containing large particles or large particle aggregates can be produced between the carbon fibers in the thickness direction, and as a result, the flexibility is excellent and the handleability is excellent. It is possible to produce an excellent carbon fiber sheet.
この粒子又は粒子凝集体の供給方法は特に限定するものではないが、例えば、粒子又は粒子凝集体を圧縮気体の作用によって噴出する方法、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を圧縮気体や超音波の作用によって噴霧する方法、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を静電気の作用によって、電荷を有する液滴に断片化して噴霧する方法、などの方法を挙げることができる。これらの供給方法の中でも、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を圧縮気体や超音波の作用によって噴霧する方法であると、前駆炭素繊維間に皮膜のない前駆炭素繊維シートを製造しやすいため好適である。特に、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を静電気の作用によって、電荷を有する液滴に断片化して噴霧する方法は、大型粒子凝集体の場合には略球形状を有し、大型粒子又は大型粒子凝集体が前駆炭素繊維と点的に接触した状態で付着し、大型粒子又は大型粒子凝集体と前駆炭素繊維との間に、皮膜が形成されていない前駆炭素繊維シートを製造しやすいため好適である。つまり、液滴同士が電気的に反発して断片化するため、前駆炭素繊維間に大型粒子又は大型粒子凝集体を含む皮膜を形成しにくい。特に、前駆炭素繊維を静電紡糸法により紡糸した場合のように、帯電した前駆炭素繊維に対して、前駆炭素繊維の電荷と反対極性に帯電させた液滴を噴霧すると、電荷の作用により、大型粒子又は大型粒子凝集体を含む液滴を確実に前駆炭素繊維に付着させることができる。例えば、静電紡糸法により紡糸した前駆炭素繊維が捕集体上に集積する前の飛翔する前駆炭素繊維に対して、前駆炭素繊維の電荷と反対極性に帯電させた液滴を噴霧すると、電荷の作用により、大型粒子又は大型粒子凝集体を含む液滴を確実に前駆炭素繊維に付着させることができる。なお、帯電していない前駆炭素繊維に対して帯電させた液滴を噴霧する場合には、帯電させた液滴の極性は特に限定しない。例えば、静電紡糸法により紡糸した場合であっても、アースした捕集体上に集積し、非帯電となった前駆炭素繊維に対して帯電させた液滴を噴霧する場合には、極性に関係なく帯電させた液滴を噴霧して、大型粒子又は大型粒子凝集体を含む液滴を前駆炭素繊維に付着させることができる。 The method of supplying the particles or the particle agglomerates is not particularly limited, but for example, a method of ejecting the particles or the particle agglomerates by the action of a compressed gas, or a dispersion liquid containing the particles or the particle agglomerates is a compressed gas or ultrasonic waves. A method of spraying by the action of the above, a method of fragmenting a dispersion liquid containing particles or particle agglomerates into charged droplets by the action of static electricity, and the like, and the like can be mentioned. Among these supply methods, the method of spraying the dispersion liquid containing particles or particle aggregates by the action of compressed gas or ultrasonic waves is preferable because it is easy to produce a precursor carbon fiber sheet having no film between the precursor carbon fibers. Is. In particular, the method of fragmenting and spraying a dispersion liquid containing particles or particle agglomerates into charged droplets by the action of electrostatic has a substantially spherical shape in the case of large particle agglomerates, and large particles or large particles. It is suitable because the particle agglomerates adhere in a state of being in point contact with the precursor carbon fibers, and it is easy to produce a precursor carbon fiber sheet in which a film is not formed between the large particles or the large particle aggregates and the precursor carbon fibers. Is. That is, since the droplets are electrically repelled and fragmented, it is difficult to form a film containing large particles or large particle aggregates between the precursor carbon fibers. In particular, when a droplet charged with a polarity opposite to the charge of the precursor carbon fiber is sprayed onto the charged precursor carbon fiber as in the case where the precursor carbon fiber is spun by the electrostatic spinning method, the action of the charge causes the charge to act. Droplets containing large particles or large particle aggregates can be reliably attached to the precursor carbon fibers. For example, when a droplet charged with a polarity opposite to the charge of the precursor carbon fiber is sprayed on the flying precursor carbon fiber before the precursor carbon fiber spun by the electrostatic spinning method is accumulated on the collector, the charge is charged. By the action, droplets containing large particles or large particle aggregates can be reliably attached to the precursor carbon fibers. When the charged droplets are sprayed on the uncharged precursor carbon fibers, the polarity of the charged droplets is not particularly limited. For example, even when spun by the electrostatic spinning method, it is related to the polarity when spraying charged droplets on the uncharged precursor carbon fibers that have accumulated on the grounded collector. Droplets containing depletedly charged droplets can be sprayed to attach large particles or droplets containing large particle aggregates to the precursor carbon fibers.
この粒子又は粒子凝集体の前記前駆炭素繊維への供給は、例えば、紡糸後の飛翔状態にある前駆炭素繊維に対して、前駆炭素繊維が捕集体上に集積した直後の前駆炭素繊維に対して、或いは、前駆炭素繊維が捕集体上にある程度集積した後の前駆炭素繊維に対して、実施することができる。特に、紡糸後の飛翔状態にある前駆炭素繊維に対して、又は前駆炭素繊維が捕集体上に集積した直後の前駆炭素繊維に対して、粒子又は粒子凝集体を供給すると、前駆炭素繊維間の接触を妨げ、また、前駆炭素繊維を大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲させることができる結果、柔軟性がより優れ、より取扱い性に優れる炭素繊維シートを製造しやすいと考えられるため、前記段階で粒子又は粒子凝集体を供給するのが好ましい。 The supply of the particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers is, for example, to the precursor carbon fibers in a flying state after spinning, and to the precursor carbon fibers immediately after the precursor carbon fibers are accumulated on the collector. Alternatively, it can be carried out for the precursor carbon fibers after the precursor carbon fibers have accumulated to some extent on the collector. In particular, when particles or particle agglomerates are supplied to the precursor carbon fibers in the flying state after spinning or to the precursor carbon fibers immediately after the precursor carbon fibers are accumulated on the collector, between the precursor carbon fibers. As a result of hindering contact and being able to bend the precursor carbon fiber along the large particles or large particle aggregates, it is considered that it is easy to produce a carbon fiber sheet having better flexibility and better handleability. It is preferable to supply particles or particle aggregates at the above stage.
この粒子又は粒子凝集体としては、前述のような導電性又は非導電性の粒子又は粒子凝集体を使用することができる。特に、粒子又は粒子凝集体が導電性を有すると、導電性の優れる炭素繊維シートを製造できるため好適である。この導電性を高める場合、粒子又は粒子凝集体として、ケッチェンブラックやアセチレンブラックなどの導電性カーボンを使用するのが好ましい。 As the particles or particle agglomerates, the above-mentioned conductive or non-conductive particles or particle agglomerates can be used. In particular, when the particles or particle aggregates have conductivity, it is preferable because a carbon fiber sheet having excellent conductivity can be produced. In order to enhance this conductivity, it is preferable to use conductive carbon such as Ketjen Black or acetylene black as the particles or particle aggregates.
なお、粒子又は粒子凝集体の分散液を使用する場合、分散液における溶媒は粒子又は粒子凝集体を溶解させることなく、分散させることのできるものであれば良く、特に限定するものではない。また、分散液における粒子又は粒子凝集体の濃度は特に限定するものではないが、1~80mass%であるのが好ましく、3~70mass%であるのがより好ましく、5~60mass%であるのが更に好ましい。 When a dispersion liquid of particles or particle aggregates is used, the solvent in the dispersion liquid is not particularly limited as long as it can disperse the particles or particle aggregates without dissolving them. The concentration of particles or particle aggregates in the dispersion is not particularly limited, but is preferably 1 to 80 mass%, more preferably 3 to 70 mass%, and 5 to 60 mass%. More preferred.
また、導電性の粒子又は粒子凝集体の分散液を使用し、分散液を、電荷を有する液滴に断片化して噴霧する場合、断片化しにくい傾向があるため、有機樹脂を含む分散液を調製し、電荷を有する液滴に断片化しやすくするのが好ましい。このような有機樹脂としては、例えば、ナイロン樹脂、ビニロン樹脂、フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールを挙げることができる。 Further, when a dispersion liquid of conductive particles or particle aggregates is used and the dispersion liquid is fragmented into charged droplets and sprayed, it tends to be difficult to fragment, so a dispersion liquid containing an organic resin is prepared. However, it is preferable that the particles are easily fragmented into charged droplets. Examples of such an organic resin include nylon resin, vinylon resin, fluororesin, polyvinyl chloride resin, polyester resin, polyolefin resin, polyvinyl alcohol, and polyethylene glycol.
このように有機樹脂を含む分散液を調製する場合、分散液における溶媒は、粒子又は粒子凝集体を溶解させることなく、分散させることができ、しかも有機樹脂を溶解又は分散させることのできるものであれば良く、特に限定するものではない。なお、分散液が有機樹脂を含む場合、分散液は導電性の粒子又は粒子凝集体を有機樹脂の融液中に分散させたものであっても良い。 When preparing a dispersion liquid containing an organic resin in this way, the solvent in the dispersion liquid can be dispersed without dissolving particles or particle aggregates, and can also dissolve or disperse the organic resin. Anything is fine, and it is not particularly limited. When the dispersion liquid contains an organic resin, the dispersion liquid may be one in which conductive particles or particle aggregates are dispersed in the melt of the organic resin.
次いで、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成する段階を実施する。例えば、粒子又は粒子凝集体の前駆炭素繊維への供給を、紡糸後の飛翔状態にある前駆炭素繊維に対して実施した場合には、粒子又は粒子凝集体の付着した前駆炭素繊維を捕集体上に集積して、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成することができる。また、前駆炭素繊維が捕集体上に集積した直後の前駆炭素繊維に対して粒子又は粒子凝集体を供給した場合、粒子又は粒子凝集体の付着した前駆炭素繊維の上に前駆炭素繊維が集積し、その集積した直後の前駆炭素繊維に粒子又は粒子凝集体が供給されるため、前駆炭素繊維への粒子又は粒子凝集体の供給と同時に、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成することができる。更に、前駆炭素繊維が捕集体上にある程度集積した後のシート状の前駆炭素繊維に対して、粒子又は粒子凝集体を供給した場合、粒子又は粒子凝集体の付着したシート状の前駆炭素繊維を積層して、多層の前駆炭素繊維シートを形成することができる。 Next, a step of forming a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the thickness direction is performed. For example, when the particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers in a flying state after spinning, the precursor carbon fibers to which the particles or particle aggregates are attached are collected on the collector. It is possible to form a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the thickness direction. Further, when particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers immediately after the precursor carbon fibers are accumulated on the collector, the precursor carbon fibers are accumulated on the precursor carbon fibers to which the particles or particle aggregates are attached. Since the particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers immediately after the accumulation, the particles or particle aggregates are supplied between the precursor carbon fibers in the thickness direction at the same time as the particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers. Can form a precursor carbon fiber sheet in which is present. Further, when particles or particle aggregates are supplied to the sheet-shaped precursor carbon fibers after the precursor carbon fibers have accumulated to some extent on the collector, the sheet-shaped precursor carbon fibers to which the particles or particle aggregates are attached are obtained. It can be laminated to form a multi-layered precursor carbon fiber sheet.
この前駆炭素繊維シートを形成する段階で、前駆炭素繊維シートの内部の厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在するように、粒子又は粒子凝集体を供給すれば、厚さ方向における内部に粒子又は粒子凝集体が存在する炭素繊維シートを製造することができる。例えば、粒子又は粒子凝集体の前駆炭素繊維への供給を、紡糸後の飛翔状態にある前駆炭素繊維に対して実施する場合、また、前駆炭素繊維が捕集体上に集積した直後の前駆炭素繊維に対して粒子又は粒子凝集体を供給する場合、前駆炭素繊維シート内部を構成する前駆繊維に対して粒子又は粒子凝集体を供給すれば、内部の厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成することができる。また、捕集体上にある程度集積した後のシート状の前駆炭素繊維に対して、粒子又は粒子凝集体を供給する場合、粒子又は粒子凝集体の付着したシート状の前駆炭素繊維が内部を構成するように積層して、内部の厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成することができる。 At the stage of forming the precursor carbon fiber sheet, if particles or particle aggregates are supplied so that particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the thickness direction inside the precursor carbon fiber sheet, the thickness is increased. It is possible to produce a carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present inside in the direction. For example, when the supply of particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers is performed on the precursor carbon fibers in a flying state after spinning, or immediately after the precursor carbon fibers are accumulated on the collector, the precursor carbon fibers When the particles or particle aggregates are supplied to the precursor fibers constituting the inside of the precursor carbon fiber sheet, the particles or particles are supplied between the precursor carbon fibers in the thickness direction of the inside. It is possible to form a precursor carbon fiber sheet in which aggregates are present. Further, when particles or particle aggregates are supplied to the sheet-shaped precursor carbon fibers that have accumulated to some extent on the collector, the sheet-shaped precursor carbon fibers to which the particles or particle aggregates are attached constitute the inside. As such, it is possible to form a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the inner thickness direction.
そして、この前駆炭素繊維シートを構成する前駆炭素繊維を炭化させ、本発明の炭素繊維シート、つまり、厚さ方向における炭素繊維間に、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を含む炭素繊維シートを製造することができる。 Then, the precursor carbon fibers constituting the precursor carbon fiber sheet are carbonized, and the carbon fiber sheet of the present invention, that is, large particles having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers between the carbon fibers in the thickness direction or A carbon fiber sheet containing a large particle agglomerate can be produced.
この炭化段階は、前駆炭素繊維を構成する炭化可能な樹脂を炭化できれば良く、特に限定するものではないが、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体雰囲気中、最高温度800~3000℃で加熱して実施することができる。なお、昇温速度は5~100000℃/分であるのが好ましく、5~1000℃/分であるのがより好ましい。また、最高温度での保持時間は、3時間以内であるのが好ましく、1~120分間であるのがより好ましい。 This carbonization step is not particularly limited as long as it can carbonize the carbonizable resin constituting the precursor carbon fiber, but is not particularly limited, and is, for example, in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, or argon at a maximum temperature of 800 to 3000 ° C. It can be carried out by heating. The rate of temperature rise is preferably 5 to 100,000 ° C./min, more preferably 5 to 1000 ° C./min. The holding time at the maximum temperature is preferably 3 hours or less, and more preferably 1 to 120 minutes.
以上のような方法により、本発明の炭素繊維シートを製造することができるが、前駆炭素繊維を構成する炭化可能な樹脂がポリアクリロニトリル樹脂である場合には、炭化処理後も繊維形状を維持できるように、炭化処理の前に不融化工程を実施するのが好ましい。この不融化は、例えば、酸化雰囲気中、温度200~300℃で10~120分間加熱して実施できる。なお、不融化の加熱は2回以上、温度又は時間の異なる条件で実施することができる。 The carbon fiber sheet of the present invention can be produced by the above method, but when the carbonizable resin constituting the precursor carbon fiber is a polyacrylonitrile resin, the fiber shape can be maintained even after the carbonization treatment. As such, it is preferable to carry out an infusibilization step before the carbonization treatment. This infusibilization can be carried out, for example, by heating in an oxidizing atmosphere at a temperature of 200 to 300 ° C. for 10 to 120 minutes. The infusible heating can be performed twice or more under different conditions of temperature or time.
以上は、本発明の炭素繊維シートの製造方法の一例であるが、各種後加工により、各用途に適合する物性を付与又は向上させることができる。例えば、本発明の炭素繊維シートを固体高分子形燃料電池のガス拡散電極用基材として使用する場合、炭素繊維シートの撥水性を高め、排水性及びガス拡散性を高めるために、ポリテトラフルオロエチレンディスパージョンなどのフッ素系樹脂ディスパージョン中に、炭素繊維シートを浸漬して、フッ素系樹脂を付与した後、温度300~350℃で焼結することができる。また、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性である場合には、前駆炭素繊維シート又は炭素繊維シートを加圧することによって、前駆炭素繊維同士又は炭素繊維同士の密着性を高め、導電性を高めることもできる。しかしながら、本発明の炭素繊維シートは見掛密度が0.40g/cm3以下の多孔性の状態にあるのが好ましいため、加圧力は適宜調整するのが好ましい。 The above is an example of the method for producing a carbon fiber sheet of the present invention, but it is possible to impart or improve physical properties suitable for each application by various post-processing. For example, when the carbon fiber sheet of the present invention is used as a base material for a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell, polytetrafluoro is used to improve the water repellency, drainage and gas diffusivity of the carbon fiber sheet. A carbon fiber sheet can be immersed in a fluorine-based resin dispersion such as an ethylene dispersion to impart a fluorine-based resin, and then sintered at a temperature of 300 to 350 ° C. When the large particles or large particle aggregates are conductive, the precursor carbon fiber sheet or the carbon fiber sheet is pressed to enhance the adhesion between the precursor carbon fibers or the carbon fibers to enhance the conductivity. You can also do it. However, since the carbon fiber sheet of the present invention is preferably in a porous state having an apparent density of 0.40 g / cm 3 or less, it is preferable to appropriately adjust the pressing force.
なお、内部に空隙のない炭素繊維からなる炭素繊維シートは、炭化率の高い炭化可能な樹脂を使用することによって製造しやすい。例えば、ポリアクリロニトリル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを使用すると、内部に空隙のない炭素繊維からなる炭素繊維シートを製造しやすい。 A carbon fiber sheet made of carbon fibers having no voids inside can be easily manufactured by using a carbonizable resin having a high carbonization rate. For example, when polyacrylonitrile, epoxy resin, phenol resin, or the like is used, it is easy to produce a carbon fiber sheet made of carbon fibers having no voids inside.
以下に、本発明の実施例を記載するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.
(紡糸溶液の調製)
ポリアクリロニトリル(PAN)をN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、固形分濃度15mass%の紡糸溶液を調製した。
(Preparation of spinning solution)
Polyacrylonitrile (PAN) was added to N, N-dimethylformamide (DMF) and dissolved using a locking mill to prepare a spinning solution having a solid content concentration of 15 mass%.
(粒子凝集体分散液の調製)
ケッチェンブラックの水ディスパージョン[ライオン(株)製、ライオンペーストW-311N、固形分量:16.5mass%、一次粒子径:40nm]に、ポリエチレングリコール[和光純薬工業(株)製、分子量:50万]、及び純水を混合し、ケッチェンブラック濃度を12mass%、ポリエチレングリコール濃度を0.7mass%としたカーボン分散液(粒子凝集体分散液)を調製した。
(Preparation of particle aggregate dispersion)
Ketchen Black water dispersion [Lion Co., Ltd., Lion paste W-311N, solid content: 16.5 mass%, primary particle size: 40 nm], polyethylene glycol [Wako Pure Chemical Industries, Ltd., molecular weight: 500,000] and pure water were mixed to prepare a carbon dispersion (particle aggregate dispersion) having a Ketjen black concentration of 12 mass% and a polyethylene glycol concentration of 0.7 mass%.
(実施例1)
前記紡糸溶液を下記条件の静電紡糸法により紡糸して得た前駆炭素連続繊維を、対向電極であるステンレスドラム上に直接集積させるのと同時に、下記条件で前記カーボン分散液の静電スプレーを行ない、電荷を有する液滴に断片化して、ステンレスドラム上部から前駆炭素連続繊維の集積位置に向かって噴霧し、集積直後の前駆炭素連続繊維にケッチェンブラックを付着させ、前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックとが混在した前駆炭素連続繊維不織布(前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックの質量比=70:30)を作製した。
(Example 1)
The precursor carbon continuous fibers obtained by spinning the spinning solution by the electrostatic spinning method under the following conditions are directly integrated on the stainless steel drum as the counter electrode, and at the same time, the electrostatic spray of the carbon dispersion is performed under the following conditions. Then, it is fragmented into charged droplets and sprayed from the upper part of the stainless drum toward the accumulation position of the precursor carbon continuous fiber, and Ketjen black is attached to the precursor carbon continuous fiber immediately after the accumulation, and the precursor carbon continuous fiber and Ket A non-woven fabric of precursor carbon continuous fiber mixed with chain black (mass ratio of precursor carbon continuous fiber and Ketjen black = 70:30) was prepared.
続いて、前記前駆炭素連続繊維不織布に対して、空気中、温度220℃で30分、及び温度260℃で1時間の酸化処理を行い、前駆炭素連続繊維を構成するPANを不融化し、不融化前駆炭素連続繊維不織布とした。 Subsequently, the precursor carbon continuous fiber non-woven fabric is subjected to oxidation treatment in air at a temperature of 220 ° C. for 30 minutes and at a temperature of 260 ° C. for 1 hour to insolubilize the PAN constituting the precursor carbon continuous fiber. A fused precursor carbon continuous fiber non-woven fabric was used.
そして、不融化前駆炭素連続繊維不織布を、真空置換式電気炉を用いて、窒素ガス雰囲気下、最高温度800℃で1時間の炭化焼成処理(昇温速度:10℃/分)を実施して、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。 Then, the infusible precursor carbon continuous fiber non-woven fabric was subjected to carbonization firing treatment (heating rate: 10 ° C./min) at a maximum temperature of 800 ° C. for 1 hour in a nitrogen gas atmosphere using a vacuum substitution type electric furnace. , Carbon continuous fiber non-woven fabric (average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fiber has no voids inside the fiber) was produced.
この炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、球状大型粒子凝集体の拡大、及び表面における電子顕微鏡写真(図1~3を参照)を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが球状大型粒子凝集体(直径:4μm、アスペクト比:1.2)の形態で、厚さ方向における炭素繊維間に含まれていた(球状大型粒子凝集体の個数:50個)。また、ケッチェンブラックの球状大型粒子凝集体は炭素繊維に点的に接触した状態で、皮膜を形成することなく接着した状態にあった。更に、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所がある一方で、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を介して炭素連続繊維同士が接合している箇所もみられた。更に、炭素連続繊維の一部はケッチェンブラック球状大型粒子凝集体によって湾曲した状態にあった。更に、炭素連続繊維不織布は、その内部、表面近傍を含む厚さ方向全体、及び面方向全体にわたって、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を有していた。 When the cross section in the thickness direction of this carbon continuous fiber non-woven fabric, the enlargement of the spherical large particle agglomerates, and the electron micrographs on the surface (see FIGS. 1 to 3) were taken and observed, Ketjen Black was found to be the spherical large particle agglomerates. It was contained between the carbon fibers in the thickness direction in the form of (diameter: 4 μm, aspect ratio: 1.2) (number of spherical large particle aggregates: 50). In addition, the large spherical particle aggregates of Ketjen Black were in a state of being in point contact with the carbon fibers and in a state of being adhered without forming a film. Further, while the carbon continuous fibers were bonded to each other in some places, there were also places where the carbon continuous fibers were bonded to each other via the Ketjen black spherical large particle agglomerates. Furthermore, a part of the carbon continuous fiber was in a state of being curved by the Ketjen black spherical large particle agglomerate. Further, the carbon continuous fiber nonwoven fabric had Ketjen black spherical large particle aggregates inside, in the entire thickness direction including the vicinity of the surface, and in the entire surface direction.
記
<静電紡糸条件>
電極:金属製ノズル(内径0.41mm)とアースしたステンレスドラム
吐出量:3.0g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:10cm
印加電圧:+16kV
温度/湿度:25℃/30%RH
Note <Electrostatic spinning conditions>
Electrode: Metal nozzle (inner diameter 0.41 mm) and grounded stainless steel drum Discharge rate: 3.0 g / hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 10 cm
Applied voltage: + 16kV
Temperature / Humidity: 25 ° C / 30% RH
<静電スプレー条件>
電極:金属性ノズル(内径0.41mm)とアースしたステンレスドラム
吐出量:2.5g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:10cm
印加電圧:+18kV
温度/湿度:25℃/30%RH
<Electrostatic spray conditions>
Electrode: Metallic nozzle (inner diameter 0.41 mm) and grounded stainless steel drum Discharge rate: 2.5 g / hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 10 cm
Applied voltage: + 18kV
Temperature / Humidity: 25 ° C / 30% RH
(実施例2)
カーボン分散液の噴霧量を増やし、前駆炭素連続繊維不織布における、前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックとの混在質量比率を50:50としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。この炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、球状大型粒子凝集体の拡大、及び表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが球状大型粒子凝集体(直径:4μm、アスペクト比:1.2)の形態で、厚さ方向における炭素繊維間に含まれていた(球状大型粒子凝集体の個数:80個)。また、ケッチェンブラックの球状大型粒子凝集体は炭素繊維に点的に接触した状態で、皮膜を形成することなく接着した状態にあった。更に、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所がある一方で、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を介して炭素連続繊維同士が接合している箇所もみられた。更に、炭素連続繊維の一部はケッチェンブラック球状大型粒子凝集体によって湾曲した状態にあった。更に、炭素連続繊維不織布は、その内部、表面近傍を含む厚さ方向全体、及び面方向全体にわたって、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を有していた。
(Example 2)
The carbon continuous fiber non-woven fabric is the same as in Example 1 except that the spray amount of the carbon dispersion is increased and the mixed mass ratio of the precursor carbon continuous fiber and Ketjen black in the precursor carbon continuous fiber non-woven fabric is 50:50. (Average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fiber has no voids inside the fiber) was manufactured. When the cross section in the thickness direction of this carbon continuous fiber non-woven fabric, the enlargement of the spherical large particle agglomerates, and the electron micrograph on the surface were taken and observed, Ketchen Black showed the spherical large particle agglomerates (diameter: 4 μm, aspect ratio:: In the form of 1.2), it was contained between the carbon fibers in the thickness direction (number of spherical large particle aggregates: 80). In addition, the large spherical particle aggregates of Ketjen Black were in a state of being in point contact with the carbon fibers and in a state of being adhered without forming a film. Further, while the carbon continuous fibers were bonded to each other in some places, there were also places where the carbon continuous fibers were bonded to each other via the Ketjen black spherical large particle agglomerates. Furthermore, a part of the carbon continuous fiber was in a state of being curved by the Ketjen black spherical large particle agglomerate. Further, the carbon continuous fiber nonwoven fabric had Ketjen black spherical large particle aggregates inside, in the entire thickness direction including the vicinity of the surface, and in the entire surface direction.
(実施例3)
カーボン分散液の噴霧量を増やし、前駆炭素連続繊維不織布における、前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックとの混在質量比率を20:80としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。この炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、球状大型粒子凝集体の拡大、及び表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが球状大型粒子凝集体(直径:4μm、アスペクト比:1.2)の形態で、厚さ方向における炭素繊維間に含まれていた(球状大型粒子凝集体の個数:150個)。また、ケッチェンブラックの球状大型粒子凝集体は炭素繊維に点的に接触した状態で、皮膜を形成することなく接着した状態にあった。更に、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所がある一方で、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を介して炭素連続繊維同士が接合している箇所もみられた。更に、炭素連続繊維の一部はケッチェンブラック球状大型粒子凝集体によって湾曲した状態にあった。更に、炭素連続繊維不織布は、その内部、表面近傍を含む厚さ方向全体、及び面方向全体にわたって、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を有していた。
(Example 3)
The carbon continuous fiber non-woven fabric is the same as in Example 1 except that the spray amount of the carbon dispersion is increased and the mixed mass ratio of the precursor carbon continuous fiber and Ketjen black in the precursor carbon continuous fiber non-woven fabric is set to 20:80. (Average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fiber has no voids inside the fiber) was manufactured. When the cross section in the thickness direction of this carbon continuous fiber non-woven fabric, the enlargement of the spherical large particle agglomerates, and the electron micrograph on the surface were taken and observed, Ketchen Black showed the spherical large particle agglomerates (diameter: 4 μm, aspect ratio:: In the form of 1.2), it was contained between the carbon fibers in the thickness direction (number of spherical large particle aggregates: 150). In addition, the large spherical particle aggregates of Ketjen Black were in a state of being in point contact with the carbon fibers and in a state of being adhered without forming a film. Further, while the carbon continuous fibers were bonded to each other in some places, there were also places where the carbon continuous fibers were bonded to each other via the Ketjen black spherical large particle agglomerates. Furthermore, a part of the carbon continuous fiber was in a state of being curved by the Ketjen black spherical large particle agglomerate. Further, the carbon continuous fiber nonwoven fabric had Ketjen black spherical large particle aggregates inside, in the entire thickness direction including the vicinity of the surface, and in the entire surface direction.
(比較例1)
静電スプレーによるカーボン分散液の噴霧を行なわなかったこと以外は実施例1と同様にして、PAN系炭素連続繊維(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)のみからなる炭素連続繊維不織布を製造した。この炭素連続繊維不織布の表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、炭素連続繊維は直線状で、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している状態にあった。
(Comparative Example 1)
Similar to Example 1, it is composed of only PAN-based carbon continuous fibers (average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fibers have no voids inside the fibers) except that the carbon dispersion is not sprayed by electrostatic spray. A carbon continuous fiber non-woven fabric was produced. When an electron micrograph on the surface of this carbon continuous fiber nonwoven fabric was taken and observed, the carbon continuous fibers were in a linear state, and the carbon continuous fibers were in a state of being bonded to each other.
(比較例2)
前記紡糸溶液を実施例1と同じ条件の静電紡糸法により紡糸して得た前駆炭素連続繊維を、対向電極であるステンレスドラム上に直接集積して前駆炭素連続繊維不織布を形成した後、前記カーボン分散液を実施例1と同じ条件で前記カーボン分散液の静電スプレーを行ない、電荷を有する液滴に断片化して、ステンレスドラム上部から、既に集積して不織布形態となった前駆炭素連続繊維不織布に向かって噴霧し、表面にケッチェンブラックが付着した前駆炭素連続繊維不織布(前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックの質量比=70:30)を作製した。
(Comparative Example 2)
The precursor carbon continuous fibers obtained by spinning the spinning solution by the electrostatic spinning method under the same conditions as in Example 1 are directly accumulated on a stainless steel drum as a counter electrode to form a precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric, and then the above-mentioned The carbon dispersion was electrostatically sprayed under the same conditions as in Example 1, and the precursor carbon continuous fiber was fragmented into charged droplets and already accumulated from the upper part of the stainless drum to form a non-woven fabric. By spraying toward the non-woven fabric, a precursor carbon continuous fiber non-woven fabric having Ketjen black adhered to the surface (mass ratio of precursor carbon continuous fiber to Ketjen black = 70:30) was prepared.
続いて、実施例1と同様に、前駆炭素連続繊維の不融化及び炭化焼成処理を実施して、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。 Subsequently, in the same manner as in Example 1, the precursor carbon continuous fiber is infusible and carbonized and fired to produce a carbon continuous fiber nonwoven fabric (average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fiber has no voids inside the fiber). did.
この炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、球状大型粒子凝集体の拡大、及び表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが球状大型粒子凝集体(直径:4μm、アスペクト比:1.2)の形態で、面方向における炭素連続繊維間に、点的に皮膜を形成することなく接着した状態で含まれていたものの、厚さ方向における炭素繊維間には含まれていなかった。更に、炭素連続繊維は直線状で、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所があり、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を介して炭素連続繊維同士が接合している箇所はみられなかった。つまり、炭素連続繊維同士の接合がケッチェンブラック球状大型粒子凝集体によって妨げられた箇所はなかった。更に、炭素連続繊維不織布は、その表面のみに、全面的に、ケッチェンブラック球状大型凝集体を有しており、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体は脱落しやすい状態にあった。 When the cross section in the thickness direction of this carbon continuous fiber non-woven fabric, the enlargement of the spherical large particle aggregate, and the electron micrograph on the surface were taken and observed, Ketchen Black was found to be the spherical large particle aggregate (diameter: 4 μm, aspect ratio:: In the form of 1.2), it was contained between the carbon continuous fibers in the plane direction in a state of being adhered without forming a dot film, but was not contained between the carbon fibers in the thickness direction. .. Furthermore, the carbon continuous fibers are linear, and there are places where the carbon continuous fibers are joined to each other, and there are places where the carbon continuous fibers are joined to each other via the Ketjen black spherical large particle agglomerates. There wasn't. That is, there was no place where the bonding between carbon continuous fibers was hindered by the Ketjen black spherical large particle agglomerates. Further, the carbon continuous fiber nonwoven fabric had Ketjen black spherical large agglomerates on the entire surface only on the surface thereof, and the Ketjen black spherical large particle agglomerates were in a state of being easily dropped off.
(比較例3)
比較例1と同様にして作製した炭素連続繊維不織布を、ケッチェンブラックの水ディスパージョン[ライオン(株)製、ライオンペーストW-311N、固形分量:16.5mass%、一次粒子径:40nm]中に浸漬した後、温度80℃で1時間乾燥して、ケッチェンブラックを有する炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維とケッチェンブラックとの質量比=45:55、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。
(Comparative Example 3)
A carbon continuous fiber non-woven fabric produced in the same manner as in Comparative Example 1 was used in Ketjen Black's water dispersion [Lion Co., Ltd., Lion Paste W-311N, solid content: 16.5 mass%, primary particle size: 40 nm]. After soaking in, the non-woven fabric of carbon continuous fiber having Ketjen black (average fiber diameter: 350 nm, mass ratio of carbon continuous fiber to Ketjen black = 45:55, carbon continuous fiber) is dried at a temperature of 80 ° C. for 1 hour. Has no voids inside the fiber).
このケッチェンブラックを有する炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、ケッチェンブラックの拡大、及び表面における電子顕微鏡写真(図4~6を参照)を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが皮膜の形態で、炭素連続繊維不織布の厚さ方向全体及び面方向全体において、炭素繊維シートの空隙を塞いだ状態にあった。なお、厚さ方向における炭素繊維間にケッチェンブラック球状大型粒子凝集体は含まれていなかった。なお、炭素連続繊維は直線状であり、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所がある一方で、ケッチェンブラックを含む皮膜で炭素連続繊維同士が接合している箇所もみられた。 When the cross section in the thickness direction of the carbon continuous fiber non-woven fabric having Ketjen Black, the enlargement of Ketjen Black, and the electron micrographs on the surface (see FIGS. 4 to 6) were taken and observed, Ketjen Black was the film. In the form, the voids of the carbon fiber sheet were closed in the entire thickness direction and the entire surface direction of the carbon continuous fiber nonwoven fabric. No Ketjen black spherical large particle agglomerates were contained between the carbon fibers in the thickness direction. The carbon continuous fibers are linear, and while the carbon continuous fibers are bonded to each other in some places, the carbon continuous fibers are also bonded to each other in a film containing Ketjen Black.
(比較例4)
フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合物(THV)をN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、濃度10mass%の溶液を得た。
(Comparative Example 4)
A vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (THV) was added to N, N-dimethylformamide (DMF) and dissolved using a locking mill to obtain a solution having a concentration of 10 mass%.
次いで、CVD法で合成されたカーボンナノチューブ(CNT)[商品名:VGCF-H(昭和電工(株)製)、繊維径:150nm、アスペクト比:40、多層カーボンナノチューブ]を前記溶液に混合し、撹拌した後、更にDMFを加えて希釈してカーボンナノチューブを分散させ、分散溶液を得た。 Next, carbon nanotubes (CNTs) synthesized by the CVD method [trade name: VGCF-H (manufactured by Showa Denko KK), fiber diameter: 150 nm, aspect ratio: 40, multi-walled carbon nanotubes] were mixed with the solution. After stirring, DMF was further added and diluted to disperse the carbon nanotubes to obtain a dispersion solution.
更に、前記分散溶液に、クレゾールノボラックエポキシ樹脂を主剤とし、ノボラック型フェノール樹脂を硬化剤とする炭化可能な樹脂(EP)を加え、CNT:THV:EPの固形分質量比が40:30:30で、固形分濃度が16mass%の第1紡糸液を調製した。 Further, a carbonizable resin (EP) containing a cresol novolak epoxy resin as a main agent and a novolak type phenol resin as a curing agent is added to the dispersion solution, and the solid content mass ratio of CNT: THV: EP is 40:30:30. A first spinning solution having a solid content concentration of 16 mass% was prepared.
他方、ポリアクリロニトリル(PAN)をN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、濃度20mass%の第2紡糸液を調製した。 On the other hand, polyacrylonitrile (PAN) was added to N, N-dimethylformamide (DMF) and dissolved using a locking mill to prepare a second spinning solution having a concentration of 20 mass%.
次いで、第1紡糸液を静電紡糸法により、下記条件で第1前駆炭素連続繊維を紡糸し、対向電極であるステンレスドラム上に、直接、集積すると同時に、前記第2紡糸液を静電紡糸法により、下記条件で第2前駆炭素連続繊維を紡糸し、直接、前記第1前駆炭素連続繊維集積体に衝突させて集積して、第1前駆炭素連続繊維と第2前駆炭素連続繊維とが混合した、前駆炭素連続繊維不織布を調製した。 Next, the first precursor carbon continuous fiber is spun from the first spinning liquid by the electrostatic spinning method under the following conditions, and the first precursor carbon continuous fiber is directly accumulated on the stainless drum which is the counter electrode, and at the same time, the second spinning liquid is electrostatically spun. According to the method, the second precursor carbon continuous fiber is spun under the following conditions and directly collided with the first precursor carbon continuous fiber aggregate to accumulate, and the first precursor carbon continuous fiber and the second precursor carbon continuous fiber are formed. A mixed precursor carbon continuous fiber non-woven fabric was prepared.
記
(静電紡糸条件)
(1)第1紡糸液
電極:金属性ノズル(内径:0.33mm)とアースしたステンレスドラム
吐出量:4g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:8cm
印加電圧:+10kV
温度/湿度:25℃/35%RH
Note (electrostatic spinning conditions)
(1) First spinning liquid Electrode: Metallic nozzle (inner diameter: 0.33 mm) and grounded stainless steel drum Discharge rate: 4 g / hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 8 cm
Applied voltage: + 10kV
Temperature / Humidity: 25 ° C / 35% RH
(2)第2紡糸液
電極:金属性ノズル(内径:0.41mm)とアースしたステンレスドラム
吐出量:2g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:12cm
印加電圧:+15kV
温度/湿度:25℃/35%RH
(2) Second spinning liquid Electrode: Metallic nozzle (inner diameter: 0.41 mm) and grounded stainless steel drum Discharge amount: 2 g / hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 12 cm
Applied voltage: + 15kV
Temperature / Humidity: 25 ° C / 35% RH
次いで、カレンダーロール(線圧10N/cm)を用いて、前駆炭素連続繊維不織布の厚さを調整した後、温度150℃に設定した熱風乾燥機で1時間の熱処理を実施して、第1前駆炭素連続繊維を構成するエポキシ樹脂を硬化させ、硬化前駆炭素連続繊維不織布を調製した。 Next, after adjusting the thickness of the precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric using a calender roll (linear pressure 10 N / cm), heat treatment was carried out for 1 hour in a hot air dryer set at a temperature of 150 ° C. to perform the first precursor. The epoxy resin constituting the carbon continuous fiber was cured to prepare a cured precursor carbon continuous fiber non-woven fabric.
続いて、実施例1と同様に、硬化前駆炭素連続繊維の不融化及び炭化焼成処理を実施して、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:1.5μm、炭素連続繊維は内部に空隙を有する)を製造した。 Subsequently, in the same manner as in Example 1, insolubilization and carbonization firing treatment of the cured precursor carbon continuous fiber was carried out, and the carbon continuous fiber non-woven fabric (average fiber diameter: 1.5 μm, the carbon continuous fiber has voids inside). Manufactured.
この炭素連続繊維不織布の表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、炭素連続繊維は直線状ではなく、湾曲した状態で、その繊維同士で接合していた。 When an electron micrograph on the surface of this carbon continuous fiber non-woven fabric was taken and observed, the carbon continuous fibers were bonded to each other in a curved state rather than in a linear state.
<電気抵抗の測定>
次の手順により、実施例1~3及び比較例1~4の炭素連続繊維不織布の電気抵抗を測定した。この結果は表1に示す通りであった。
(1)炭素連続繊維不織布を5cm角(面積:25cm2)に切断し、試料を調製する。
(2)試料を両面側から金メッキを施した金属プレートで挟み、金属プレートの積層方向に、2MPaで加圧下、1Aの電流(I)を印加した状態で、電圧(V)を計測する。
(3)抵抗(R=V/I)を算出する。
(4)抵抗(R)に試料の面積(25cm2)を乗じることによって、電気抵抗を算出する。
<Measurement of electrical resistance>
The electrical resistance of the carbon continuous fiber nonwoven fabrics of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 was measured by the following procedure. The results are as shown in Table 1.
(1) A carbon continuous fiber non-woven fabric is cut into 5 cm squares (area: 25 cm 2 ) to prepare a sample.
(2) The sample is sandwiched between gold-plated metal plates from both sides, and the voltage (V) is measured in the laminating direction of the metal plates under pressure at 2 MPa and a current (I) of 1 A is applied.
(3) Calculate the resistance (R = V / I).
(4) The electrical resistance is calculated by multiplying the resistance (R) by the area of the sample (25 cm 2 ).
<柔軟性の評価>
実施例1~3又は比較例1~4の炭素連続繊維不織布を、50mm角に切り取り、試料を調製した。次いで、この試料を二つ折りにした状態で、金属板で挟むことで1.2kPaの加重を5秒間かけた。その後、金属板の間から試料を取り出し、試料の破断状態、つまり、試料にヒビが入り、2つに破断したかどうかを確認した。この結果は表1に示す通りであった。
<Evaluation of flexibility>
The carbon continuous fiber nonwoven fabrics of Examples 1 to 3 or Comparative Examples 1 to 4 were cut into 50 mm squares to prepare samples. Next, in a state where this sample was folded in half, a load of 1.2 kPa was applied for 5 seconds by sandwiching it between metal plates. After that, the sample was taken out from between the metal plates, and it was confirmed whether the sample was broken, that is, whether the sample was cracked and broken in two. The results are as shown in Table 1.
表1の結果から、大型粒子又は大型粒子凝集体を、厚さ方向における炭素繊維間に含んでいることによって、二つ折りにしても破断しない柔軟性を有する炭素繊維不織布であることが分かった。また、導電性の大型粒子又は大型粒子凝集体を含んでいることによって、導電性にも優れていることが分かった。 From the results in Table 1, it was found that the carbon fiber nonwoven fabric has flexibility that does not break even when folded in half by containing large particles or large particle aggregates between the carbon fibers in the thickness direction. In addition, it was found that the conductivity was also excellent because it contained large conductive particles or large particle aggregates.
本発明の炭素繊維シートは柔軟で取り扱い性に優れるものであり、特に、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する場合には、導電性も優れているため、電極用基材として好適に用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池又は電気二重層キャパシタの電極、固体高分子形燃料電池のガス拡散電極用基材として、好適に使用できる。 The carbon fiber sheet of the present invention is flexible and has excellent handleability, and is particularly suitable as a base material for electrodes because it is also excellent in conductivity when large particles or large particle aggregates have conductivity. Can be used. For example, it can be suitably used as an electrode of a lithium ion secondary battery or an electric double layer capacitor, or as a base material for a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell.
Claims (5)
粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に供給する段階、
厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成する段階、
前記前駆炭素繊維シートを構成する前駆炭素繊維を炭化させ、厚さ方向における炭素繊維間に、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を含む炭素繊維シートとする段階、
を含む炭素繊維シートの製造方法であり、
前記粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に供給する段階と、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成する段階を、
(1)紡糸後の飛翔状態にある前駆炭素繊維に対して粒子又は粒子凝集体を供給し、粒子又は粒子凝集体の付着した前駆炭素繊維を捕集体上に集積して前駆炭素繊維シートを形成する方法、
(2)前駆炭素繊維が捕集体上に集積した直後の前駆炭素繊維に対して粒子又は粒子凝集体を供給し、粒子又は粒子凝集体の付着した前駆炭素繊維の上に前駆炭素繊維を集積し、その集積した直後の前駆炭素繊維に粒子又は粒子凝集体を供給して前駆炭素繊維シートを形成する方法、
(3)前駆炭素繊維が捕集体上にある程度集積した後のシート状の前駆炭素繊維に対して粒子又は粒子凝集体を供給し、粒子又は粒子凝集体の付着したシート状の前駆炭素繊維を形成し、粒子又は粒子凝集体の付着したシート状の前駆炭素繊維を積層して、多層の前駆炭素繊維シートを形成する方法、
の中から選ばれる方法により実施することを特徴とする、炭素繊維シートの製造方法。 The stage of spinning precursor carbon fibers using a spinning solution containing a carbonizable resin,
The step of supplying particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers,
The stage of forming a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the thickness direction,
The precursor carbon fibers constituting the precursor carbon fiber sheet are carbonized to obtain a carbon fiber sheet containing large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers between the carbon fibers in the thickness direction. step,
It is a manufacturing method of carbon fiber sheet including
A step of supplying the particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers and a step of forming a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the thickness direction.
(1) Particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers in a flying state after spinning, and the precursor carbon fibers to which the particles or particle aggregates are attached are accumulated on the collector to form a precursor carbon fiber sheet. how to,
(2) Particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers immediately after the precursor carbon fibers are accumulated on the collector, and the precursor carbon fibers are accumulated on the precursor carbon fibers to which the particles or particle aggregates are attached. , A method of supplying particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers immediately after the accumulation to form a precursor carbon fiber sheet.
(3) Particles or particle aggregates are supplied to the sheet-shaped precursor carbon fibers after the precursor carbon fibers have accumulated to some extent on the collector to form sheet-shaped precursor carbon fibers to which the particles or particle aggregates are attached. A method of laminating sheet-shaped precursor carbon fibers to which particles or particle aggregates are attached to form a multi-layered precursor carbon fiber sheet.
A method for manufacturing a carbon fiber sheet, characterized in that it is carried out by a method selected from among .
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