JP7402631B2 - Ultrafine carbon fiber mixture, manufacturing method thereof, and carbon-based conductive aid - Google Patents

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Description

本発明は、極細炭素繊維と熱可塑性樹脂の変性物とからなる混合物、及びその製造方法に関する。また、本発明は、この極細炭素繊維混合物を含む炭素系導電助剤に関する。
The present invention relates to a mixture consisting of ultrafine carbon fibers and a modified thermoplastic resin, and a method for producing the same. The present invention also relates to a carbon-based conductive additive containing this ultrafine carbon fiber mixture.

カーボンナノ材料、特に、平均繊維径が1μm未満である極細炭素繊維は、高結晶性、高導電性、高強度、高弾性率、軽量等の優れた特性を有していることから、高性能複合材料のナノフィラーとして使用されている。当該ナノフィラーは、機械的強度向上を目的とする補強用ナノフィラーの他に、炭素材料に備わった高導電性・高熱伝導性を生かし、各種電池やキャパシタの電極への添加材、電磁波シールド材、静電防止材用の導電性ナノフィラー、樹脂向けの静電塗料に配合するナノフィラー、放熱材料への添加材としての用途が検討されている。また、炭素材料としての化学的安定性、熱的安定性、微細構造の特徴を生かし、フラットディスプレー等の電界電子放出材料としての用途も期待されている。 Carbon nanomaterials, especially ultrafine carbon fibers with an average fiber diameter of less than 1 μm, have excellent properties such as high crystallinity, high conductivity, high strength, high modulus of elasticity, and light weight, so they can be used for high performance. It is used as a nanofiller in composite materials. In addition to reinforcing nanofillers for the purpose of improving mechanical strength, the nanofillers can be used as additives for electrodes of various batteries and capacitors, and as electromagnetic shielding materials by taking advantage of the high electrical conductivity and high thermal conductivity of carbon materials. , conductive nanofiller for antistatic materials, nanofiller to be added to electrostatic paint for resins, and as an additive to heat dissipation materials are being considered. Furthermore, by taking advantage of its chemical stability, thermal stability, and fine structure characteristics as a carbon material, it is also expected to be used as a field emission material for flat displays and the like.

特許文献1には、(1)熱可塑性樹脂100質量部と、熱可塑性炭素前駆体であるピッチ等1~150質量部と、からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程、(2)前駆体繊維を安定化処理に付して前駆体繊維中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化樹脂組成物を形成する工程、(3)安定化樹脂組成物から熱可塑性樹脂を、減圧下で除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程、(4)繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程、を経る炭素繊維の製造方法が開示されている。この炭素繊維の製造方法では、熱可塑性樹脂の除去を行うにあたり、特定の条件を設定することで、効率的に所定の性状を有する安定化メソフェーズピッチ変性体を得ることができる。得られた安定化メソフェーズピッチ変性体は、炭素化工程及び/又は黒鉛化工程を経て炭素繊維としても、熱可塑性樹脂由来のハードカーボンが異物として含まれない。そのため、高物性の極細炭素繊維が提供できる。 Patent Document 1 describes (1) a step of forming a precursor fiber from a mixture consisting of 100 parts by mass of a thermoplastic resin and 1 to 150 parts by mass of a thermoplastic carbon precursor such as pitch; (2) a step of forming a precursor fiber; (3) subjecting the fiber to a stabilization treatment to stabilize the thermoplastic carbon precursor in the precursor fiber to form a stabilized resin composition; (3) extracting the thermoplastic resin from the stabilized resin composition under reduced pressure; A method for producing carbon fibers is disclosed, which includes the steps of removing the fibrous carbon precursor to form a fibrous carbon precursor, and (4) carbonizing or graphitizing the fibrous carbon precursor. In this carbon fiber manufacturing method, by setting specific conditions when removing the thermoplastic resin, a stabilized mesophase pitch modified product having predetermined properties can be efficiently obtained. The obtained stabilized mesophase pitch modified product does not contain hard carbon derived from a thermoplastic resin as a foreign substance even when it is converted into carbon fiber through a carbonization step and/or a graphitization step. Therefore, ultrafine carbon fibers with high physical properties can be provided.

特許文献2には、正極合剤に導電助剤として繊維状炭素材料と粒状炭素とを含んで構成されるリチウムイオン二次電池などが開示されている。
Patent Document 2 discloses a lithium ion secondary battery configured by including a fibrous carbon material and granular carbon as a conductive additive in a positive electrode mixture.

国際公開2009/125857号公報International Publication No. 2009/125857 特開平11-176446号公報Japanese Patent Application Publication No. 11-176446

特許文献1に記載された製造方法は、熱可塑性樹脂の除去を行うにあたり特定の条件を設定することで、効率的に繊維状炭素前駆体を形成する。つまり、熱可塑性樹脂の除去工程において、熱可塑性樹脂の残存物を可能な限り低減することにより、熱可塑性樹脂に由来するハードカーボンが極細炭素繊維中に異物として残ることを抑制している。しかし、減圧工程には長時間を要するため、コスト的に不利であることも懸念される。 The manufacturing method described in Patent Document 1 efficiently forms a fibrous carbon precursor by setting specific conditions when removing the thermoplastic resin. That is, in the step of removing the thermoplastic resin, by reducing the residual amount of the thermoplastic resin as much as possible, hard carbon derived from the thermoplastic resin is prevented from remaining as foreign matter in the ultrafine carbon fibers. However, since the pressure reduction process requires a long time, there is also concern that it may be disadvantageous in terms of cost.

特許文献2に記載された方法では、リチウムイオン二次電池の性能を向上するために繊維状炭素および粒子状炭素を適切な比率で混合する必要があり、製造工程が煩雑化する。 In the method described in Patent Document 2, it is necessary to mix fibrous carbon and particulate carbon at an appropriate ratio in order to improve the performance of the lithium ion secondary battery, which complicates the manufacturing process.

本発明の目的は、極細炭素繊維とアモルファスカーボンである熱可塑性樹脂の変性物とを含む混合物を低コストで提供することにある。また、取扱性に優れ、導電助剤として使用する際に、特別な操作を行うことなく極細炭素繊維を電極中に三次元でランダム配向することができる極細炭素繊維の混合物を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a mixture containing ultrafine carbon fibers and a modified thermoplastic resin, which is amorphous carbon, at a low cost. Another object of the present invention is to provide a mixture of ultrafine carbon fibers that has excellent handling properties and allows the ultrafine carbon fibers to be randomly oriented three-dimensionally in an electrode without any special operations when used as a conductive additive. .

本発明者らは、上記の従来技術に鑑みて鋭意検討を重ねた。一般的に熱可塑性樹脂の変性物のようなアモルファスカーボンは導電性が低く、電極や電池の導電性を高める効果はあまり期待されない。しかし、当該変性物を所定の極細炭素繊維と混合物にすることによって、直線性の高い極細炭素繊維を束化させたり、電極中において極細炭素繊維が一方向に配向することを抑止してランダム方向に存在させることが可能になることを見出した。その結果、電極中において、様々な方向へ導電パスを形成することができ、粒子状炭素などの炭素材料との混合物を調製しなくても電極の導電性を高くすることができることを見出した。即ち、極細炭素繊維に熱可塑性樹脂の変性物をあえて共存させることにより、優れた性能を発揮できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have made extensive studies in view of the above-mentioned prior art. In general, amorphous carbon, such as a modified thermoplastic resin, has low conductivity and is not expected to have much effect on increasing the conductivity of electrodes or batteries. However, by mixing the modified product with a predetermined ultrafine carbon fiber, the highly linear ultrafine carbon fibers can be bundled, or the ultrafine carbon fibers can be prevented from being oriented in one direction in the electrode, and can be oriented randomly. We have found that it is possible to make it exist. As a result, it was discovered that conductive paths could be formed in various directions in the electrode, and that the conductivity of the electrode could be increased without preparing a mixture with a carbon material such as particulate carbon. That is, the present inventors have discovered that excellent performance can be exhibited by coexisting a modified thermoplastic resin with ultrafine carbon fibers, and have completed the present invention.

上記課題を解決する本発明は以下に記載するものである。 The present invention for solving the above problems is described below.

〔1〕 平均繊維径が10~900nmである極細炭素繊維と、
熱可塑性樹脂の変性物と、
を含むことを特徴とする極細炭素繊維混合物。
[1] Ultrafine carbon fibers with an average fiber diameter of 10 to 900 nm,
A modified thermoplastic resin,
An ultrafine carbon fiber mixture characterized by containing.

〔2〕 前記熱可塑性樹脂の変性物が、熱可塑性樹脂酸化物の炭化物及び/又はハードカーボンである、〔1〕に記載の極細炭素繊維混合物。 [2] The ultrafine carbon fiber mixture according to [1], wherein the modified thermoplastic resin is a carbide and/or hard carbon of a thermoplastic resin oxide.

上記〔1〕、〔2〕に記載の発明は、極細炭素繊維と、熱可塑性樹脂の変性物であるアモルファスカーボンとが共存していることを特徴とする極細炭素繊維混合物である。 The invention described in [1] and [2] above is an ultrafine carbon fiber mixture characterized in that ultrafine carbon fibers and amorphous carbon, which is a modified product of a thermoplastic resin, coexist.

〔3〕 前記極細炭素繊維の一部又は全部が繊維束の状態である、〔1〕又は〔2〕に記載の極細炭素繊維混合物。 [3] The ultrafine carbon fiber mixture according to [1] or [2], wherein some or all of the ultrafine carbon fibers are in the form of fiber bundles.

〔4〕 前記極細炭素繊維の一部又は全部が前記熱可塑性樹脂の変性物を介して結合している、〔3〕に記載の極細炭素繊維混合物。 [4] The ultrafine carbon fiber mixture according to [3], wherein some or all of the ultrafine carbon fibers are bonded via a modified thermoplastic resin.

上記〔3〕、〔4〕に記載の発明は、極細炭素繊維の少なくとも一部が繊維束の状態で存在しており、該繊維束は熱可塑性樹脂の変性物であるアモルファスカーボン等によって束化されている極細炭素繊維混合物である。 In the invention described in [3] and [4] above, at least a part of the ultrafine carbon fibers exists in the form of fiber bundles, and the fiber bundles are bundled with amorphous carbon, etc., which is a modified product of thermoplastic resin. It is a mixture of ultrafine carbon fibers.

〔5〕 前記極細炭素繊維と前記熱可塑性樹脂の変性物との質量比が1:0.05~1:1.5である〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の極細炭素繊維混合物。 [5] The ultrafine carbon fiber mixture according to any one of [1] to [4], wherein the mass ratio of the ultrafine carbon fiber to the modified thermoplastic resin is 1:0.05 to 1:1.5. .

〔6〕 前記熱可塑性樹脂の変性物が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-4-メチルペンテン-1及びこれらを含む共重合体からなる群から選ばれる少なくとも一種のポリオレフィンの変性物である〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の極細炭素繊維混合物。 [6] The modified thermoplastic resin is a modified product of at least one polyolefin selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, and copolymers containing these [1] The ultrafine carbon fiber mixture according to any one of [5].

〔7〕 前記極細炭素繊維のX線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002が、0.335~0.350nmの範囲である〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の極細炭素繊維混合物。 [7] The ultrafine carbon fiber according to any one of [1] to [6], wherein the average interplanar spacing d002 of the (002) planes measured by X-ray diffraction is in the range of 0.335 to 0.350 nm. Ultra-fine carbon fiber mixture.

〔8〕 (1) 熱可塑性樹脂と、前記熱可塑性樹脂100質量部に対して1~150質量部のメソフェーズピッチと、からなるメソフェーズピッチ組成物を溶融状態で成形することにより前記メソフェーズピッチを繊維化して樹脂複合繊維を得る成形工程と、
(2) 酸素を含む気体を前記樹脂複合繊維に接触させて、メソフェーズピッチを安定化させるとともに、前記熱可塑性樹脂の一部を酸化して熱可塑性樹脂酸化物を生成させて、樹脂複合安定化繊維を得る安定化/酸化工程と、
(3) 前記樹脂複合安定化繊維から酸化されていない熱可塑性樹脂を除去し、極細炭素繊維前駆体及び熱可塑性樹脂酸化物からなる極細炭素繊維前駆体混合物を得る除去工程と、
(4) 前記極細炭素繊維前駆体混合物を加熱し、極細炭素繊維と熱可塑性樹脂の変性物とを得る高温加熱工程と、
を含むことを特徴とする〔1〕~〔7〕のいずれかに記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。
[8] (1) A mesophase pitch composition consisting of a thermoplastic resin and 1 to 150 parts by mass of mesophase pitch per 100 parts by mass of the thermoplastic resin is molded in a molten state to form the mesophase pitch into fibers. a molding process to obtain a resin composite fiber;
(2) Stabilizing the mesophase pitch by bringing a gas containing oxygen into contact with the resin composite fiber, and oxidizing a part of the thermoplastic resin to generate a thermoplastic resin oxide to stabilize the resin composite. a stabilization/oxidation step to obtain fiber;
(3) a removing step of removing the unoxidized thermoplastic resin from the resin composite stabilized fiber to obtain an ultrafine carbon fiber precursor mixture consisting of an ultrafine carbon fiber precursor and a thermoplastic resin oxide;
(4) a high temperature heating step of heating the ultrafine carbon fiber precursor mixture to obtain ultrafine carbon fibers and a modified thermoplastic resin;
The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to any one of [1] to [7], which comprises:

〔9〕 前記熱可塑性樹脂が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-4-メチルペンテン-1及びこれらを含む共重合体からなる群から選ばれる少なくとも一種である〔8〕に記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 [9] Production of the ultrafine carbon fiber mixture according to [8], wherein the thermoplastic resin is at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, and copolymers containing these. Method.

〔10〕 前記熱可塑性樹脂が、JIS K 7210に準拠して測定されたメルトマスフローレート(MFR)が0.1~25g/10minのポリエチレンである〔8〕又は〔9〕に記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 [10] The ultrafine carbon fiber according to [8] or [9], wherein the thermoplastic resin is polyethylene with a melt mass flow rate (MFR) of 0.1 to 25 g/10 min as measured in accordance with JIS K 7210. Method of manufacturing the mixture.

〔11〕 前記メソフェーズピッチ組成物が、前記熱可塑性樹脂と、前記熱可塑性樹脂100質量部に対して1~100質量部のメソフェーズピッチと、からなる〔8〕~〔10〕のいずれかに記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 [11] The mesophase pitch composition comprises the thermoplastic resin and 1 to 100 parts by mass of mesophase pitch per 100 parts by mass of the thermoplastic resin according to any one of [8] to [10]. A method for producing an ultrafine carbon fiber mixture.

〔12〕 前記樹脂複合繊維の平均繊維径が10~200μmである〔8〕~〔11〕のいずれかに記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 [12] The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to any one of [8] to [11], wherein the resin composite fiber has an average fiber diameter of 10 to 200 μm.

〔13〕 前記安定化/酸化工程が250~400℃加熱下で1~10時間加熱処理を行う〔8〕~〔12〕のいずれかに記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 [13] The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to any one of [8] to [12], wherein the stabilization/oxidation step includes heat treatment at 250 to 400° C. for 1 to 10 hours.

〔14〕 前記高温加熱工程における加熱温度が500~3500℃である〔8〕~〔13〕のいずれかに記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 [14] The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to any one of [8] to [13], wherein the heating temperature in the high-temperature heating step is 500 to 3500°C.

上記〔9〕~〔14〕に記載の発明は、熱可塑性樹脂と炭素繊維前駆体であるメソフェーズピッチとからなる樹脂組成物を繊維化して樹脂複合繊維を得、この樹脂複合繊維中のメソフェーズピッチを安定化(不融化)するとともに、一部の熱可塑性樹脂も酸化する。その後、酸化されていない熱可塑性樹脂を除去し、次いでこれを焼成する極細炭素繊維混合物の製造方法である。一部の熱可塑性樹脂が酸化しているため、極細炭素繊維混合物には熱可塑性樹脂の変性物であるハードカーボン(アモルファスカーボン)等が残存する。 The inventions described in [9] to [14] above obtain resin composite fibers by fiberizing a resin composition consisting of a thermoplastic resin and mesophase pitch, which is a carbon fiber precursor, and the mesophase pitch in the resin composite fibers. At the same time, some thermoplastic resins are also oxidized. Thereafter, the unoxidized thermoplastic resin is removed, and then the resin is fired. Since some of the thermoplastic resin is oxidized, hard carbon (amorphous carbon), which is a modified product of the thermoplastic resin, remains in the ultrafine carbon fiber mixture.

〔15〕 〔1〕~〔7〕のいずれかに記載の極細炭素繊維混合物を含んでなる炭素系導電助剤。 [15] A carbon-based conductive additive comprising the ultrafine carbon fiber mixture according to any one of [1] to [7].

本発明によれば、極細炭素繊維と熱可塑性樹脂の変性物とからなる極細炭素繊維混合物を低コストで提供することができる。この極細炭素繊維混合物は、熱可塑性樹脂の変性物を含んでいるため、高い取扱性を有するだけでなく、極細炭素繊維をランダム方向に配向させることができる。そのため、二次電池の電極材料(導電助剤や負極)に用いる場合、優れた導電性を発揮することができる。また、同様の理由により、複合材料のフィラーに配合する場合、材料の等方性を向上させ易くなると推定される。 According to the present invention, an ultrafine carbon fiber mixture consisting of ultrafine carbon fibers and a modified thermoplastic resin can be provided at low cost. Since this ultrafine carbon fiber mixture contains a modified thermoplastic resin, it not only has high handling properties but also allows the ultrafine carbon fibers to be oriented in random directions. Therefore, when used as an electrode material (a conductive aid or a negative electrode) of a secondary battery, it can exhibit excellent conductivity. Furthermore, for the same reason, it is estimated that when incorporated into a filler of a composite material, it becomes easier to improve the isotropy of the material.

実施例1の極細炭素繊維前駆体混合物のSEM写真(500倍)である。1 is a SEM photograph (500x magnification) of the ultrafine carbon fiber precursor mixture of Example 1. 実施例1の極細炭素繊維混合物のSEM写真(500倍)である。1 is a SEM photograph (500x magnification) of the ultrafine carbon fiber mixture of Example 1. 実施例1の極細炭素繊維混合物のSEM写真(2000倍)である。1 is a SEM photograph (2000x magnification) of the ultrafine carbon fiber mixture of Example 1. 実施例1の極細炭素繊維混合物のSEM写真(2000倍)である。1 is a SEM photograph (2000x magnification) of the ultrafine carbon fiber mixture of Example 1. 実施例2の極細炭素繊維前駆体混合物のSEM写真(500倍)である。1 is a SEM photograph (500x magnification) of the ultrafine carbon fiber precursor mixture of Example 2. 実施例2の極細炭素繊維混合物のSEM写真(500倍)である。It is a SEM photograph (500 times) of the ultrafine carbon fiber mixture of Example 2. 実施例2の極細炭素繊維混合物のSEM写真(2000倍)である。It is a SEM photograph (2000 times) of the ultrafine carbon fiber mixture of Example 2. 比較例1の極細炭素繊維前駆体のSEM写真(500倍)である。It is a SEM photograph (500 times) of the ultrafine carbon fiber precursor of Comparative Example 1. 比較例1の極細炭素繊維のSEM写真(500倍)である。This is a SEM photograph (500x magnification) of the ultrafine carbon fiber of Comparative Example 1.

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、平均繊維径が10~900nmである極細炭素繊維と、熱可塑性樹脂の変性物と、を含む極細炭素繊維混合物である。本発明の極細炭素繊維混合物を構成する極細炭素繊維は、その一部が繊維束の状態で存在することが好ましい。
The present invention will be explained in detail below.
The present invention is an ultrafine carbon fiber mixture containing ultrafine carbon fibers having an average fiber diameter of 10 to 900 nm and a modified thermoplastic resin. It is preferable that some of the ultrafine carbon fibers constituting the ultrafine carbon fiber mixture of the present invention exist in the form of fiber bundles.

<極細炭素繊維>
本発明における極細炭素繊維は、平均繊維径(D)が100~900nmである。この範囲の平均繊維径を有する極細炭素繊維は、導電性、耐久性に優れ、電極内の効率的な導電パスの形成に寄与しうるので、例えばリチウムイオン二次電池の導電助剤として特に有用である。平均繊維径が100nm未満であると、嵩密度が非常に小さくハンドリング性に劣る。また、スラリーを調製する際の撹拌により、その繊維の細さに起因して繊維同士が交絡して分散性が低下する場合がある。さらに、電極合剤層を作製した際、電極強度が低下する傾向がある。平均繊維径が900nmを超える場合、電極合剤層内において隙間が生じ易くなり、電極密度を高くすることが困難となる場合がある。平均繊維径(D)の下限値は、150nmを超えることが好ましく、200nmを超えることがより好ましい。平均繊維径(D)の上限値は、600nm以下であることが好ましく、400nm以下であることがより好ましい。ここで、本発明における繊維径は、走査電子顕微鏡によって倍率5000倍で撮影した写真図より測定された値を意味する。
<Ultra-fine carbon fiber>
The ultrafine carbon fiber in the present invention has an average fiber diameter (D) of 100 to 900 nm. Ultrafine carbon fibers with an average fiber diameter in this range have excellent conductivity and durability, and can contribute to the formation of efficient conductive paths within electrodes, so they are particularly useful as conductive aids in lithium-ion secondary batteries, for example. It is. If the average fiber diameter is less than 100 nm, the bulk density will be very small and the handling properties will be poor. Furthermore, due to the fineness of the fibers, the fibers may be entangled with each other due to stirring during preparation of the slurry, resulting in a decrease in dispersibility. Furthermore, when the electrode mixture layer is produced, the electrode strength tends to decrease. When the average fiber diameter exceeds 900 nm, gaps tend to occur in the electrode mixture layer, and it may be difficult to increase the electrode density. The lower limit of the average fiber diameter (D) is preferably greater than 150 nm, more preferably greater than 200 nm. The upper limit of the average fiber diameter (D) is preferably 600 nm or less, more preferably 400 nm or less. Here, the fiber diameter in the present invention means a value measured from a photograph taken with a scanning electron microscope at a magnification of 5000 times.

本発明において、極細炭素繊維は2本以上の極細炭素繊維からなる繊維束として存在していても良い。繊維束として存在することにより、ハンドリング性を高くすることができ、取扱い性が優れる。なお、ここでいう繊維束とは、全ての単繊維が実質的に同一方向に配列した一般的な繊維束に限られず、様々な方向に配列した単繊維の集合体も含まれる。 In the present invention, the ultrafine carbon fibers may exist as a fiber bundle consisting of two or more ultrafine carbon fibers. By existing as fiber bundles, handling properties can be improved and handling properties are excellent. Note that the fiber bundle referred to herein is not limited to a general fiber bundle in which all single fibers are arranged in substantially the same direction, but also includes aggregates of single fibers arranged in various directions.

極細炭素繊維の平均繊維長(L)と平均繊維径(D)との比であるアスペクト比(L/D)は30以上であることが好ましく、50以上であることがより好ましく、100以上であることがさらに好ましい。アスペクト比(L/D)を30以上とすることにより、電極内において導電パスが効率的に形成され、得られる電池のサイクル特性を高くすることができる。30未満の場合、電極内において導電パスの形成が不十分になり易く、電極の膜厚方向の抵抗値が十分に低下しない場合がある。アスペクト比(L/D)の上限値は特に限定されないが、一般に10000以下であり、1000以下であることが好ましく、800以下であることがより好ましい。 The aspect ratio (L/D), which is the ratio of the average fiber length (L) to the average fiber diameter (D) of the ultrafine carbon fibers, is preferably 30 or more, more preferably 50 or more, and 100 or more. It is even more preferable that there be. By setting the aspect ratio (L/D) to 30 or more, a conductive path is efficiently formed within the electrode, and the cycle characteristics of the resulting battery can be improved. If it is less than 30, the formation of a conductive path within the electrode tends to be insufficient, and the resistance value in the thickness direction of the electrode may not be sufficiently reduced. The upper limit of the aspect ratio (L/D) is not particularly limited, but is generally 10,000 or less, preferably 1,000 or less, and more preferably 800 or less.

なお、この極細炭素繊維は、全体として繊維状の形態を有していればよく、例えば、上記アスペクト比の好ましい範囲未満のものが接触したり結合したりして一体的に繊維形状を持っているもの(例えば、極めて短い複数本の繊維が融着等によりつながっているものなど)も含む。 Note that the ultrafine carbon fibers only need to have a fibrous form as a whole, and for example, those having an aspect ratio less than the preferred range mentioned above may come into contact with or combine with each other and have an integral fibrous shape. (For example, fibers with multiple extremely short fibers connected by fusing or the like) are also included.

本発明における極細炭素繊維は、実質的に分岐構造を有さない直線構造であることが好ましい。ここで、分岐構造を実質的に有さないとは、分岐度が0.01個/μm以下であることをいう。なお、分岐構造を有する極細炭素繊維(カーボンナノファイバー)としては、例えば、触媒として鉄の存在下、高温雰囲気中でベンゼン等の炭化水素を気化させる気相法によって製造した気相成長炭素繊維(例えば昭和電工社製VGCF(登録商標))が知られている。 It is preferable that the ultrafine carbon fiber in the present invention has a linear structure having substantially no branched structure. Here, "having substantially no branched structure" means that the degree of branching is 0.01 pieces/μm or less. Note that ultrafine carbon fibers (carbon nanofibers) having a branched structure include, for example, vapor-grown carbon fibers (vapor-grown carbon fibers produced by a vapor-phase method in which hydrocarbons such as benzene are vaporized in a high-temperature atmosphere in the presence of iron as a catalyst). For example, VGCF (registered trademark) manufactured by Showa Denko Co., Ltd. is known.

本発明における極細炭素繊維は、X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002が、0.335~0.350nmの範囲であることが好ましい。d002は0.335~0.345であることがより好ましく、0.335~0.340であることがさらにより好ましい。X線回折法により測定した結晶子大きさLc002は1.0~130nmであることが好ましい。1.0nm未満である場合、導電率が著しく低下してしまうため好ましくない。Lc002の下限値は、5nm以上であることがより好ましく、10nm以上であることがさらに好ましく、30nm以上であることがさらに好ましく、50nm以上であることが特に好ましい。Lc002の上限値は、150nm以下であることが好ましく、130nm以下であることがより好ましく、100nm以下であることが特に好ましい。この極細炭素繊維は結晶性が高いので、電気伝導性や熱伝導性に優れている。 The ultrafine carbon fiber in the present invention preferably has an average interplanar spacing d002 of (002) planes in the range of 0.335 to 0.350 nm as measured by X-ray diffraction. d002 is more preferably from 0.335 to 0.345, even more preferably from 0.335 to 0.340. The crystallite size Lc002 measured by X-ray diffraction is preferably 1.0 to 130 nm. If it is less than 1.0 nm, the electrical conductivity will drop significantly, which is not preferable. The lower limit of Lc002 is more preferably 5 nm or more, even more preferably 10 nm or more, even more preferably 30 nm or more, and particularly preferably 50 nm or more. The upper limit of Lc002 is preferably 150 nm or less, more preferably 130 nm or less, and particularly preferably 100 nm or less. This ultrafine carbon fiber has high crystallinity, so it has excellent electrical conductivity and thermal conductivity.

極細炭素繊維の平均繊維長は、1~100μmであることが好ましく、1~50μmであることがより好ましく、5~20μmであることがさらに好ましい。1μm未満である場合、電極合剤層内の導電性、電極の強度、及び電解液保液性が低くなるため好ましくない。100μm超の場合、極細炭素繊維の分散性が損なわれ易い。 The average fiber length of the ultrafine carbon fibers is preferably 1 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm, and even more preferably 5 to 20 μm. If it is less than 1 μm, it is not preferable because the conductivity in the electrode mixture layer, the strength of the electrode, and the electrolyte retention property decrease. If it exceeds 100 μm, the dispersibility of the ultrafine carbon fibers is likely to be impaired.

本発明の極細炭素繊維は、中空(チューブ状)や多孔質であってもよいが、極細炭素繊維の製造過程において、樹脂複合繊維を経ることが好ましい。そのため、本発明の極細炭素繊維は実質的に中実であり、その表面は基本的に平滑である。 The ultrafine carbon fiber of the present invention may be hollow (tubular) or porous, but it is preferable that the ultrafine carbon fiber be processed into a resin composite fiber in the process of producing the ultrafine carbon fiber. Therefore, the ultrafine carbon fiber of the present invention is substantially solid, and its surface is basically smooth.

<熱可塑性樹脂の変性物>
本発明における熱可塑性樹脂の変性物は、熱可塑性樹脂の酸化物の炭化物、又は黒鉛結晶が成長し難いハードカーボン(アモルファスカーボン)であるが、部分的に黒鉛結晶が存在しても良い。熱可塑性樹脂の変性物としては、極細炭素繊維の製造工程で使用する熱可塑性樹脂と同一の熱可塑性樹脂の変性物であることが製造工程上好ましい。
<Modified thermoplastic resin>
The modified thermoplastic resin in the present invention is a carbide of an oxide of the thermoplastic resin, or hard carbon (amorphous carbon) in which graphite crystals are difficult to grow, but graphite crystals may be partially present. The modified thermoplastic resin is preferably a modified thermoplastic resin that is the same as the thermoplastic resin used in the manufacturing process of ultrafine carbon fibers.

即ち、熱可塑性樹脂としては、メソフェーズピッチと混合でき、糸状またはフィルム状に成形できるものであることが好ましい。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-4-メチルペンテン-1、及びこれらを含む共重合体からなる群から選ばれる少なくとも一種のポリオレフィンが好ましい。安定化(不融化)/酸化工程の後に酸化されていない熱可塑性樹脂を除去するという観点からは、ポリエチレンを用いることが好ましい。
また、本発明ではポリオレフィン以外の熱可塑性樹脂であってもよい。具体的には、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリケトン、ポリ乳酸等が挙げられる。
That is, the thermoplastic resin is preferably one that can be mixed with mesophase pitch and can be molded into a thread or film shape. Specifically, at least one polyolefin selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, and copolymers containing these is preferred. From the viewpoint of removing the unoxidized thermoplastic resin after the stabilization (infusibility)/oxidation step, it is preferable to use polyethylene.
Furthermore, in the present invention, thermoplastic resins other than polyolefins may be used. Specific examples include polyacrylate polymers such as polymethacrylate and polymethylmethacrylate, polystyrene, polycarbonate, polyarylate, polyester, polyamide, polyester carbonate, polysulfone, polyimide, polyetherimide, polyketone, and polylactic acid.

本発明において、極細炭素繊維混合物中における熱可塑性樹脂の変性物は、どのような形態で存在していても良く、例えば粒子状、糸状、棒状、膜状、板状、塊状で存在していても良い。また、極細炭素繊維の一部に接触したり付着していてもよいし、全体を被覆していても良い。2本以上の極細炭素繊維を平行にあるいは角度を変えて結合するように存在していても良い。 In the present invention, the modified thermoplastic resin in the ultrafine carbon fiber mixture may be present in any form, for example, in the form of particles, threads, rods, membranes, plates, or blocks. Also good. Further, it may be in contact with or adhere to a part of the ultrafine carbon fiber, or it may be entirely covered. Two or more ultrafine carbon fibers may be bonded in parallel or at different angles.

本発明において、極細炭素繊維混合物中における熱可塑性樹脂の変性物は、複数本の極細炭素繊維を集束させる集束剤として機能していることが好ましい。即ち、複数本の極細炭素繊維の一部もしくは全部に付着する、又は一部もしくは全部を被覆していることが好ましい。極細炭素繊維全体が嵩高くなるのを防ぐことができ、取扱い性が良好である。
本発明の極細炭素繊維混合物を構成する極細炭素繊維は、その一部が繊維束の状態で存在していてもよい。つまり、複数本の極細炭素繊維が集合して束を形成している形態である。この場合、熱可塑性樹脂の変性物は、極細炭素繊維の2本以上を含んでなる繊維束内に存在したり、繊維束の周りに存在する。また、図3のように繊維束の内部又は外部に粒子状に付着していても良いし、図4、図7のように繊維束の内部又は外部に層状に付着していても良い。極細炭素繊維の繊維束は、繊維束を構成する極細炭素繊維同士が直接接触するように結合していても良いし、熱可塑性樹脂の変性物を介して結合していても良い。また、この繊維束の内部には必ずしも熱可塑性樹脂の変性物が含まれていなくてもよい。すなわち、極細炭素繊維のみからなってもよく、図3の中央に見られるように、繊維束の内部の一部または全部に隙間や空隙があってもよい。
In the present invention, it is preferable that the modified thermoplastic resin in the ultrafine carbon fiber mixture functions as a sizing agent that bundles a plurality of ultrafine carbon fibers. That is, it is preferable that it adheres to some or all of the plurality of ultrafine carbon fibers or covers some or all of the plurality of ultrafine carbon fibers. It is possible to prevent the entire ultrafine carbon fiber from becoming bulky, and it is easy to handle.
A part of the ultrafine carbon fibers constituting the ultrafine carbon fiber mixture of the present invention may exist in the form of fiber bundles. In other words, a plurality of ultrafine carbon fibers are assembled to form a bundle. In this case, the modified thermoplastic resin exists within the fiber bundle containing two or more ultrafine carbon fibers or around the fiber bundle. Moreover, it may be attached in the form of particles to the inside or outside of the fiber bundle as shown in FIG. 3, or it may be adhered to the inside or outside of the fiber bundle in the form of a layer as shown in FIGS. 4 and 7. The fiber bundle of ultrafine carbon fibers may be bonded so that the ultrafine carbon fibers constituting the fiber bundle are in direct contact with each other, or may be bonded via a modified thermoplastic resin. Furthermore, the inside of this fiber bundle does not necessarily need to contain a modified thermoplastic resin. That is, the fiber bundle may be made of only ultrafine carbon fibers, and as shown in the center of FIG. 3, there may be gaps or voids in part or all of the inside of the fiber bundle.

繊維束内に熱可塑性樹脂の変性物が含まれることにより、極細炭素繊維は種々の方向に向くことができる。また、複数の繊維束はそれぞれ無秩序に様々の方向を向く。したがって、繊維束を構成する極細炭素繊維が全体として三次元でランダム方向に配向する。そのため、得られる電極は導電性の向上が期待できる。即ち、本発明の極細炭素繊維混合物を導電助剤として用いると、長距離、短距離に関わらず効率的な導電パス形成にも寄与するものと考えられる。 By including a modified thermoplastic resin in the fiber bundle, the ultrafine carbon fibers can be oriented in various directions. Further, the plurality of fiber bundles are oriented in various directions in a disorderly manner. Therefore, the ultrafine carbon fibers constituting the fiber bundle are oriented three-dimensionally in random directions as a whole. Therefore, the resulting electrode can be expected to have improved conductivity. That is, it is thought that when the ultrafine carbon fiber mixture of the present invention is used as a conductive aid, it also contributes to the formation of efficient conductive paths regardless of whether the distance is long or short.

複数本の極細炭素繊維は、角度を変えて結合しているものが含まれていてもよい。角度を変えて結合していることで、極細炭素繊維が様々な方向にランダムに配向することができる。そのため、例えば、電極に用いる場合、電極内において多方向に導電パスを形成することが可能になる。 The plurality of ultrafine carbon fibers may include fibers that are bonded at different angles. By bonding at different angles, the ultrafine carbon fibers can be randomly oriented in various directions. Therefore, for example, when used in an electrode, it becomes possible to form conductive paths in multiple directions within the electrode.

本発明の極細炭素繊維混合物における極細炭素繊維と熱可塑性樹脂の変性物とは、質量比で1:0.05~1:1.5の範囲内にあることが好ましく、1:0.05~1:1.2の範囲内にあることがより好ましく、1:0.05~1:0.7の範囲内にあることがさらに好ましく、1:0.05~1:0.2の範囲内にあることが特に好ましい。熱可塑性樹脂の変性物の割合が0.05未満である場合、熱可塑性樹脂の変性物の添加効果が発揮され難い。熱可塑性樹脂の変性物の割合が1.5を超える場合、極細炭素繊維同士が接触し難くなり導電性向上等の特性が発揮され難い。また、極細炭素繊維混合物の添加量に対する導電性等の向上効果が低くなる。この質量比を調整することで、電気伝導性や熱伝導性等の所期の特性を発揮させることができる。 The mass ratio of the ultrafine carbon fibers and the modified thermoplastic resin in the ultrafine carbon fiber mixture of the present invention is preferably within the range of 1:0.05 to 1:1.5, and preferably 1:0.05 to 1:1.5. It is more preferably within the range of 1:1.2, even more preferably within the range of 1:0.05 to 1:0.7, and even more preferably within the range of 1:0.05 to 1:0.2. It is particularly preferable that the When the ratio of the modified thermoplastic resin is less than 0.05, the effect of adding the modified thermoplastic resin is difficult to exhibit. If the ratio of the modified thermoplastic resin exceeds 1.5, it becomes difficult for the ultrafine carbon fibers to come into contact with each other, making it difficult to exhibit properties such as improved conductivity. Furthermore, the effect of improving conductivity and the like with respect to the amount of the ultrafine carbon fiber mixture added becomes low. By adjusting this mass ratio, desired properties such as electrical conductivity and thermal conductivity can be exhibited.

本発明の極細炭素繊維混合物は、極細炭素繊維と熱可塑性樹脂の変性物とを含むことを必須とするが、その他の成分を含有していても良い。極細炭素繊維混合物を導電助剤として用いる場合、アセチレンブラックなどの粒子状炭素;気相成長炭素繊維(VGCF(登録商標))やカーボンナノチューブなどの繊維状炭素;などの公知の導電助剤を含有していても良い。また、極細炭素繊維混合物をフィラーとして用いる場合、公知の無機フィラー等を含有していても良い。 The ultrafine carbon fiber mixture of the present invention essentially contains ultrafine carbon fibers and a modified thermoplastic resin, but may contain other components. When using an ultrafine carbon fiber mixture as a conductive additive, it contains known conductive additives such as particulate carbon such as acetylene black; fibrous carbon such as vapor grown carbon fiber (VGCF (registered trademark)) and carbon nanotubes; It's okay to do so. In addition, when the ultrafine carbon fiber mixture is used as a filler, it may contain a known inorganic filler or the like.

<極細炭素繊維混合物の製造方法>
本発明の極細炭素繊維混合物は、例えば以下の方法により製造できる。
先ず、熱可塑性樹脂内にメソフェーズピッチが分散して成るメソフェーズピッチ組成物を調製する。次に、このメソフェーズピッチ組成物を溶融状態で糸状またはフィルム状に成形する。特に紡糸することが好ましい。紡糸により、熱可塑性樹脂内に分散するメソフェーズピッチを熱可塑性樹脂内部で引き延ばすとともに、メソフェーズピッチ組成物を繊維化して樹脂複合繊維を得る。この樹脂複合繊維は、熱可塑性樹脂を海成分とし、メソフェーズピッチを島成分とする海島構造を有する。
<Method for producing ultrafine carbon fiber mixture>
The ultrafine carbon fiber mixture of the present invention can be produced, for example, by the following method.
First, a mesophase pitch composition in which mesophase pitch is dispersed in a thermoplastic resin is prepared. Next, this mesophase pitch composition is formed into a thread or film in a molten state. In particular, spinning is preferred. By spinning, the mesophase pitch dispersed within the thermoplastic resin is stretched inside the thermoplastic resin, and the mesophase pitch composition is made into fibers to obtain resin composite fibers. This resin composite fiber has a sea-island structure in which the thermoplastic resin is the sea component and the mesophase pitch is the island component.

次に、得られた樹脂複合繊維に酸素を含む気体を接触させてメソフェーズピッチを安定化させるとともに、熱可塑性樹脂の少なくとも一部を酸化することにより熱可塑性樹脂酸化物を生成させて樹脂複合安定化繊維を得る。この樹脂複合安定化繊維は、熱可塑性樹脂を海成分とし、安定化メソフェーズピッチを島成分とする海島構造を有する。なお、熱可塑性樹脂酸化物は、この段階では海成分として存在していると推定される。 Next, the obtained resin composite fiber is brought into contact with a gas containing oxygen to stabilize the mesophase pitch, and at least a portion of the thermoplastic resin is oxidized to generate a thermoplastic resin oxide, thereby stabilizing the resin composite. Obtain synthetic fibers. This resin composite stabilized fiber has a sea-island structure in which the thermoplastic resin is the sea component and the stabilized mesophase pitch is the island component. Note that the thermoplastic resin oxide is estimated to exist as a sea component at this stage.

続いて、この樹脂複合安定化繊維の海成分である熱可塑性樹脂のうち、酸化されていない熱可塑性樹脂を除去して、極細炭素繊維前駆体及び熱可塑性樹脂酸化物からなる極細炭素繊維前駆体混合物を得る。 Next, from among the thermoplastic resins that are the sea component of this resin composite stabilized fiber, the unoxidized thermoplastic resin is removed to obtain an ultrafine carbon fiber precursor consisting of an ultrafine carbon fiber precursor and a thermoplastic resin oxide. Get a mixture.

さらに、この極細炭素繊維前駆体混合物を高温加熱して、極細炭素繊維と、熱可塑性樹脂酸化物の炭化物又は黒鉛化物(熱可塑性樹脂の変性物)とから成る極細炭素繊維混合物を得る。 Furthermore, this ultrafine carbon fiber precursor mixture is heated at a high temperature to obtain an ultrafine carbon fiber mixture consisting of ultrafine carbon fibers and a carbide or graphitized product of a thermoplastic resin oxide (a modified product of a thermoplastic resin).

すなわち、以下の工程を経ることにより、本発明の極細炭素繊維混合物を製造することができる。
(1) 熱可塑性樹脂と、この熱可塑性樹脂100質量部に対して1~150質量部のメソフェーズピッチと、からなるメソフェーズピッチ組成物を溶融状態で成形することによりこのメソフェーズピッチを繊維化して樹脂複合繊維を得る成形工程、
(2) 酸素を含む気体をこの樹脂複合繊維に接触させて、メソフェーズピッチを安定化させるとともに、熱可塑性樹脂の一部を酸化して熱可塑性樹脂酸化物を生成させて、樹脂複合安定化繊維を得る安定化/酸化工程、
(3) この樹脂複合安定化繊維から酸化されていない熱可塑性樹脂を除去し、極細炭素繊維前駆体及び熱可塑性樹脂酸化物からなる極細炭素繊維前駆体混合物を得る除去工程、
(4) この極細炭素繊維前駆体混合物を高温加熱し、極細炭素繊維と熱可塑性樹脂の変性物とを得る高温加熱工程。
That is, the ultrafine carbon fiber mixture of the present invention can be manufactured through the following steps.
(1) A mesophase pitch composition consisting of a thermoplastic resin and 1 to 150 parts by mass of mesophase pitch per 100 parts by mass of the thermoplastic resin is molded in a molten state to form fibers from the mesophase pitch to produce a resin. Molding process to obtain composite fibers,
(2) A gas containing oxygen is brought into contact with the resin composite fiber to stabilize the mesophase pitch, and a part of the thermoplastic resin is oxidized to generate a thermoplastic resin oxide, thereby forming the resin composite stabilized fiber. a stabilization/oxidation step to obtain
(3) a removal step of removing the unoxidized thermoplastic resin from this resin composite stabilized fiber to obtain an ultrafine carbon fiber precursor mixture consisting of an ultrafine carbon fiber precursor and a thermoplastic resin oxide;
(4) A high temperature heating step in which the ultrafine carbon fiber precursor mixture is heated at a high temperature to obtain ultrafine carbon fibers and a modified thermoplastic resin.

次に、各工程について詳細に説明する。
<成形工程>
成形工程では、熱可塑性樹脂と、この熱可塑性樹脂100質量部に対して1~150質量部のメソフェーズピッチと、からなるメソフェーズピッチ組成物を溶融状態で成形することによりこのメソフェーズピッチを繊維化して樹脂複合繊維を得る。
Next, each step will be explained in detail.
<Molding process>
In the molding step, a mesophase pitch composition consisting of a thermoplastic resin and 1 to 150 parts by mass of mesophase pitch per 100 parts by mass of the thermoplastic resin is molded in a molten state to form the mesophase pitch into fibers. Obtain resin composite fibers.

<メソフェーズピッチ組成物>
メソフェーズピッチ組成物は、熱可塑性樹脂と、この熱可塑性樹脂100質量部に対して1~150質量部のメソフェーズピッチと、を含んで成る。メソフェーズピッチの含有量は1~100質量部であることが好ましく、5~100質量部であることがより好ましい。メソフェーズピッチの含有量が150質量部を超えると、所望の分散径を有する樹脂複合繊維が得られ難く、1質量部未満であると、極細炭素繊維の製造コストが上昇する。
<Mesophase pitch composition>
The mesophase pitch composition comprises a thermoplastic resin and 1 to 150 parts by weight of mesophase pitch per 100 parts by weight of the thermoplastic resin. The content of mesophase pitch is preferably 1 to 100 parts by mass, more preferably 5 to 100 parts by mass. When the content of mesophase pitch exceeds 150 parts by mass, it is difficult to obtain resin composite fibers having a desired dispersion diameter, and when the content is less than 1 part by mass, the manufacturing cost of ultrafine carbon fibers increases.

平均繊維径が10~900nmである極細炭素繊維を製造するためには、熱可塑性樹脂中におけるメソフェーズピッチの分散径を0.01~50μmとすることが好ましく、0.01~30μmとすることがより好ましい。メソフェーズピッチの熱可塑性樹脂中への分散径が0.01~50μmの範囲を逸脱すると、所望の極細炭素繊維を製造することが困難となる場合がある。なお、メソフェーズピッチ組成物中において、メソフェーズピッチは球状又は楕円状の島成分を形成する。本発明における分散径とは、島成分が球状の場合はその直径を意味し、楕円状の場合はその長軸径を意味する。 In order to produce ultrafine carbon fibers with an average fiber diameter of 10 to 900 nm, the dispersed diameter of mesophase pitch in the thermoplastic resin is preferably 0.01 to 50 μm, and preferably 0.01 to 30 μm. More preferred. If the diameter of the mesophase pitch dispersed in the thermoplastic resin is outside the range of 0.01 to 50 μm, it may be difficult to produce the desired ultrafine carbon fiber. Note that in the mesophase pitch composition, mesophase pitch forms spherical or elliptical island components. The dispersion diameter in the present invention means the diameter when the island component is spherical, and the long axis diameter when the island component is elliptical.

メソフェーズピッチの分散径は、メソフェーズピッチ組成物を300℃で3分間保持した後においても上記範囲内を維持していることが好ましく、300℃で5分間保持した後においても維持していることがより好ましく、300℃で10分間保持した後においても維持していることが特に好ましい。一般に、メソフェーズピッチ組成物を溶融状態で保持しておくと、熱可塑性樹脂中においてメソフェーズピッチが時間と共に凝集する。メソフェーズピッチが凝集してその分散径が50μmを超えると、所望の極細炭素繊維を製造することが困難となる場合がある。熱可塑性樹脂中におけるメソフェーズピッチの凝集速度は、使用する熱可塑性樹脂及びメソフェーズピッチの種類により変動する。 The dispersion diameter of mesophase pitch is preferably maintained within the above range even after the mesophase pitch composition is held at 300°C for 3 minutes, and is preferably maintained even after held at 300°C for 5 minutes. More preferably, it is particularly preferable that the temperature is maintained even after being held at 300°C for 10 minutes. Generally, when a mesophase pitch composition is kept in a molten state, the mesophase pitch aggregates in the thermoplastic resin over time. If the mesophase pitch aggregates and its dispersed diameter exceeds 50 μm, it may be difficult to produce the desired ultrafine carbon fiber. The aggregation rate of mesophase pitch in a thermoplastic resin varies depending on the type of thermoplastic resin and mesophase pitch used.

メソフェーズピッチ組成物は、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとを溶融状態において混練することにより製造することができる。熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとの溶融混練は公知の装置を用いて行うことができる。例えば、一軸式混練機、二軸式混練機、ミキシングロール、バンバリーミキサーからなる群より選ばれる1種類以上を用いることができる。これらの中でも、熱可塑性樹脂中にメソフェーズピッチを良好にミクロ分散させるという目的から、二軸式混練機を用いることが好ましい。特に、各軸が同方向に回転する二軸式混練機を用いることが好ましい。 A mesophase pitch composition can be produced by kneading a thermoplastic resin and mesophase pitch in a molten state. Melt-kneading of the thermoplastic resin and mesophase pitch can be performed using a known device. For example, one or more types selected from the group consisting of a single-screw kneader, a twin-screw kneader, a mixing roll, and a Banbury mixer can be used. Among these, it is preferable to use a twin-screw kneader for the purpose of finely dispersing mesophase pitch in the thermoplastic resin. In particular, it is preferable to use a two-screw kneader in which each shaft rotates in the same direction.

混練温度としては、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとが溶融状態であれば特に制限されないが、100~400℃であることが好ましく、150~350℃であることが好ましい。混練温度が100℃未満であると、メソフェーズピッチが溶融状態にならず、熱可塑性樹脂中にミクロ分散させることが困難であるため好ましくない。一方、400℃を超える場合、熱可塑性樹脂及びメソフェーズピッチの分解が進行するため好ましくない。また、溶融混練の時間としては、0.5~20分間であることが好ましく、1~15分間であることがより好ましい。溶融混練の時間が0.5分間未満の場合、メソフェーズピッチのミクロ分散が困難である。一方、20分間を超える場合、極細炭素繊維の生産性が低下する。 The kneading temperature is not particularly limited as long as the thermoplastic resin and mesophase pitch are in a molten state, but it is preferably 100 to 400°C, and preferably 150 to 350°C. If the kneading temperature is less than 100°C, the mesophase pitch will not be in a molten state and it will be difficult to microdisperse it in the thermoplastic resin, which is not preferable. On the other hand, if the temperature exceeds 400°C, decomposition of the thermoplastic resin and mesophase pitch progresses, which is not preferable. Further, the melt-kneading time is preferably 0.5 to 20 minutes, more preferably 1 to 15 minutes. When the melt-kneading time is less than 0.5 minutes, it is difficult to microdisperse mesophase pitch. On the other hand, if the heating time exceeds 20 minutes, the productivity of ultrafine carbon fibers decreases.

本発明で使用するメソフェーズピッチは、溶融混練時に酸素と反応することにより変性してしまい、熱可塑性樹脂中へのミクロ分散を阻害することがある。このため、不活性雰囲気下で溶融混練を行い、酸素とメソフェーズピッチとの反応を抑制することが好ましい。溶融混練は、酸素ガス含有量が10体積%未満の不活性雰囲気下で行うことが好ましい。酸素ガス含有量は5体積%未満であることがより好ましく、1%体積未満であることが特に好ましい。 The mesophase pitch used in the present invention is modified by reacting with oxygen during melt-kneading, which may inhibit microdispersion into the thermoplastic resin. For this reason, it is preferable to perform melt-kneading under an inert atmosphere to suppress the reaction between oxygen and mesophase pitch. The melt-kneading is preferably performed in an inert atmosphere with an oxygen gas content of less than 10% by volume. More preferably, the oxygen gas content is less than 5% by volume, particularly preferably less than 1% by volume.

<メソフェーズピッチ>
メソフェーズピッチとは、溶融状態において光学的異方性相(液晶相)を形成することができるピッチである。本発明で使用するメソフェーズピッチとしては、石炭や石油の蒸留残渣を原料とするものや、ナフタレン等の芳香族炭化水素を原料とするものが挙げられる。例えば、石炭由来のメソフェーズピッチは、コールタールピッチの水素添加・熱処理を主体とする処理、水素添加・熱処理・溶剤抽出を主体とする処理等により得られる。
<Mesophase pitch>
Mesophase pitch is pitch that can form an optically anisotropic phase (liquid crystal phase) in a molten state. Examples of the mesophase pitch used in the present invention include those made from distillation residues of coal or petroleum, and those made from aromatic hydrocarbons such as naphthalene. For example, mesophase pitch derived from coal can be obtained by a treatment mainly consisting of hydrogenation and heat treatment of coal tar pitch, a treatment mainly consisting of hydrogenation, heat treatment, and solvent extraction, etc.

メソフェーズピッチの光学的異方性含有率(メソフェーズ率)は、80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。 The optical anisotropy content (mesophase ratio) of mesophase pitch is preferably 80% or more, more preferably 90% or more.

メソフェーズピッチの軟化点は、100~400℃であることが好ましく、150~350℃であることがより好ましい。 The softening point of mesophase pitch is preferably 100 to 400°C, more preferably 150 to 350°C.

<熱可塑性樹脂>
本発明で使用する熱可塑性樹脂は、JIS K 7210(1999年度)に準拠して測定されたメルトマスフローレート(MFR)が0.1~25g/10minであることが好ましく、0.1~15g/10minであることがより好ましく、0.1~10g/10minであることが特に好ましい。MFRが上記範囲であると、熱可塑性樹脂中にメソフェーズピッチを良好にミクロ分散することができる。また、樹脂複合繊維を紡糸する際に、メソフェーズピッチが引き延ばされることにより、得られる極細炭素繊維の繊維径をより小さくするとともに、得られる極細炭素繊維の直線性を高くすることができる。本発明で使用する熱可塑性樹脂は、メソフェーズピッチと容易に溶融混練できるという点から、非晶性の場合はガラス転移温度が250℃以下、結晶性の場合は融点が300℃以下であることが好ましい。
<Thermoplastic resin>
The thermoplastic resin used in the present invention preferably has a melt mass flow rate (MFR) of 0.1 to 25 g/10 min, measured in accordance with JIS K 7210 (1999), and preferably 0.1 to 15 g/10 min. It is more preferably 10 min, and particularly preferably 0.1 to 10 g/10 min. When the MFR is within the above range, mesophase pitch can be favorably microdispersed in the thermoplastic resin. Further, when spinning the resin composite fiber, the mesophase pitch is stretched, so that the fiber diameter of the obtained ultrafine carbon fiber can be made smaller and the linearity of the obtained ultrafine carbon fiber can be increased. Since the thermoplastic resin used in the present invention can be easily melted and kneaded with mesophase pitch, the glass transition temperature is preferably 250°C or lower when it is amorphous, and the melting point is 300°C or lower when it is crystalline. preferable.

さらに、本発明で使用する熱可塑性樹脂は、安定化工程において形態を維持でき、酸化することができ、かつ後述する極細炭素繊維前駆体混合物を得る工程において、未酸化の熱可塑性樹脂を容易に除去できる必要がある。 Furthermore, the thermoplastic resin used in the present invention can maintain its shape in the stabilization process, can be oxidized, and can be easily converted into unoxidized thermoplastic resin in the process of obtaining the ultrafine carbon fiber precursor mixture described below. Must be able to be removed.

このような熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-4-メチルペンテン-1、及びこれらを含む共重合体などのポリオレフィンが挙げられる。熱可塑性樹脂除去工程において除去し易いという観点からは、ポリエチレンを用いることが好ましい。ポリエチレンとしては、高圧法低密度ポリエチレン、気相法・溶液法・高圧法直鎖状低密度ポリエチレンなどの低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンなどの単独重合体又はエチレンとα-オレフィンとの共重合体;エチレン・酢酸ビニル共重合体などのエチレンと他のビニル系単量体との共重合体が挙げられる。 Examples of such thermoplastic resins include polyolefins such as polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, and copolymers containing these. From the viewpoint of ease of removal in the thermoplastic resin removal process, it is preferable to use polyethylene. Examples of polyethylene include low-density polyethylene such as high-pressure low-density polyethylene, gas-phase, solution-process, and high-pressure linear low-density polyethylene, homopolymers such as medium-density polyethylene, and high-density polyethylene, or ethylene and α-olefin. copolymers of ethylene and other vinyl monomers, such as ethylene/vinyl acetate copolymers.

<樹脂複合繊維>
上記のメソフェーズピッチ組成物から樹脂複合繊維を製造する方法としては、メソフェーズピッチ組成物を紡糸口金より溶融紡糸する方法を例示することができる。これにより、樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチの初期配向性を高くすることができる。
<Resin composite fiber>
An example of a method for producing a resin composite fiber from the mesophase pitch composition described above is a method in which the mesophase pitch composition is melt-spun using a spinneret. Thereby, the initial orientation of the mesophase pitch contained in the resin composite fiber can be increased.

メソフェーズピッチ組成物を紡糸口金より溶融紡糸をする際に、口金の紡糸孔数はそのまま繊維束の繊維本数になる。この繊維本数は100~3000本の範囲であることが好ましく、200~2000本であることがより好ましく、300~1500本であることがさらに好ましい。100本未満であると生産性が低下し、3000本を超えると工程安定性が低下し易い。 When the mesophase pitch composition is melt-spun using a spinneret, the number of spinning holes in the spinneret directly corresponds to the number of fibers in the fiber bundle. The number of fibers is preferably in the range of 100 to 3,000, more preferably 200 to 2,000, even more preferably 300 to 1,500. If the number is less than 100, productivity decreases, and if it exceeds 3000, process stability tends to decrease.

このようにして得られた樹脂複合繊維の平均繊維径は10~200μmである。平均繊維径の下限は、50μm以上であることが好ましく、70μm以上であることがより好ましく、80μm以上であることがさらに好ましい。平均繊維径の上限は、150μm以下であることが好ましく、130μm以下であることがより好ましく、120μm以下であることがさらに好ましい。200μmを超える場合、後述の安定化/酸化工程の際に反応性ガスが樹脂複合繊維の内部に分散するメソフェーズピッチと接触し難くなる。そのため、生産性が低下する。また、熱可塑性樹脂の酸化状態が樹脂複合繊維の中心付近と外周付近とで不均一になるおそれがある。一方、10μm未満の場合、樹脂複合繊維の強度が低下して工程安定性が低下する恐れがある。 The resin composite fiber thus obtained has an average fiber diameter of 10 to 200 μm. The lower limit of the average fiber diameter is preferably 50 μm or more, more preferably 70 μm or more, and even more preferably 80 μm or more. The upper limit of the average fiber diameter is preferably 150 μm or less, more preferably 130 μm or less, and even more preferably 120 μm or less. If it exceeds 200 μm, it becomes difficult for the reactive gas to come into contact with the mesophase pitch dispersed inside the resin composite fiber during the stabilization/oxidation step described below. Therefore, productivity decreases. Furthermore, the oxidation state of the thermoplastic resin may become non-uniform between the center and the outer periphery of the resin composite fiber. On the other hand, if the thickness is less than 10 μm, the strength of the resin composite fiber may decrease and process stability may decrease.

メソフェーズピッチ組成物から樹脂複合繊維を製造(紡糸)する際の温度は、メソフェーズピッチの溶融温度よりも高いことが必要であり、150~400℃であることが好ましく、180~350℃であることがより好ましい。400℃を超える場合、メソフェーズピッチの変形緩和速度が大きくなり、繊維の形態を保つことが難しくなる。 The temperature when manufacturing (spinning) resin composite fibers from the mesophase pitch composition needs to be higher than the melting temperature of mesophase pitch, preferably 150 to 400°C, and preferably 180 to 350°C. is more preferable. When the temperature exceeds 400°C, the deformation relaxation rate of mesophase pitch increases, making it difficult to maintain the fiber shape.

また、樹脂複合繊維の製造工程は冷却工程を有していてもよい。冷却工程としては、例えば、溶融紡糸の場合、紡糸口金の下流の雰囲気を冷却する方法が挙げられる。冷却工程を設けることにより、メソフェーズピッチが伸長により変形する領域を調整でき、ひずみの速度を調整することができる。また、冷却工程を設けることにより、紡糸後の樹脂複合繊維を直ちに冷却固化させて安定した成形を可能とする。 Moreover, the manufacturing process of the resin composite fiber may include a cooling process. Examples of the cooling step include, in the case of melt spinning, a method of cooling the atmosphere downstream of a spinneret. By providing a cooling step, the region where the mesophase pitch deforms due to elongation can be adjusted, and the rate of strain can be adjusted. Further, by providing a cooling step, the resin composite fiber after spinning is immediately cooled and solidified, thereby enabling stable molding.

これらの工程を経て得られた樹脂複合繊維は、熱可塑性樹脂中にメソフェーズピッチがミクロ分散した状態で繊維化されている。 The resin composite fiber obtained through these steps is made into a fiber in a state in which mesophase pitch is microdispersed in a thermoplastic resin.

なお、樹脂複合繊維の複数本を互いに熱融着させることにより、樹脂複合繊維束を得てもよい。熱融着させることで、この後の安定化/酸化工程において、樹脂複合繊維の取扱い性が良好となり、安定化/酸化工程や除去工程において均一に処理を行うことが容易となる。 Note that a resin composite fiber bundle may be obtained by heat-sealing a plurality of resin composite fibers to each other. By heat-sealing, the resin composite fiber becomes easier to handle in the subsequent stabilization/oxidation step, and it becomes easier to uniformly process it in the stabilization/oxidation step and the removal step.

熱融着を形成する方法としては、例えば空気、窒素から選ばれる1種類以上のガスをヒーターで加熱し、それをローラー、ベルトコンベアなどで搬送されている樹脂複合繊維の束に吹き付けることで表面の熱可塑性樹脂を溶かし、樹脂複合繊維同士を融着させる方法が例示される。また、アイロン等の熱板を樹脂複合繊維束に押し当てる方法が例示される。加熱温度や時間にもよるが、樹脂複合繊維束の内部に空間があった方が後述する安定化が効率的に行われるので前者の方法が好ましい。なお、これらの方法は併用しても良い。 A method for forming a thermal bond is, for example, by heating one or more gases selected from air and nitrogen with a heater and spraying it onto a bundle of resin composite fibers being conveyed by a roller or belt conveyor. An example is a method of melting a thermoplastic resin and fusing resin composite fibers together. Another example is a method in which a hot plate such as an iron is pressed against the resin composite fiber bundle. Although it depends on the heating temperature and time, the former method is preferable because the stabilization described below can be performed more efficiently if there is a space inside the resin composite fiber bundle. Note that these methods may be used in combination.

樹脂複合繊維同士を融着させる際の樹脂複合繊維近傍の温度は、紡糸速度にもよるが、熱可塑性樹脂の融点~400℃が好ましく、200~350℃の範囲がより好ましい。融点未満で加熱しても樹脂複合繊維同士を融着させることができない。一方、400℃を超える加熱を行うと、樹脂複合繊維内のメソフェーズピッチが溶融して繊維形状が失われる場合がある。 The temperature near the resin conjugate fibers when the resin conjugate fibers are fused together depends on the spinning speed, but is preferably from the melting point of the thermoplastic resin to 400°C, more preferably in the range of 200 to 350°C. Even if heated below the melting point, resin composite fibers cannot be fused together. On the other hand, if heating exceeds 400° C., the mesophase pitch within the resin composite fiber may melt and the fiber shape may be lost.

<安定化/酸化工程>
樹脂複合安定化繊維は、上述の樹脂複合繊維に酸素を含む反応性ガスを接触させることにより製造できる。反応性ガスを接触させることにより、樹脂複合繊維内に含まれるメソフェーズピッチが安定化(不融化)される。
<Stabilization/oxidation process>
The resin composite stabilized fiber can be produced by contacting the above-mentioned resin composite fiber with a reactive gas containing oxygen. By contacting the reactive gas, the mesophase pitch contained within the resin composite fiber is stabilized (infusible).

この工程では、空気などの酸素を含む気体を樹脂複合繊維に接触させて、メソフェーズピッチを安定化させる安定化工程と、熱可塑性樹脂を酸化して熱可塑性樹脂酸化物を生成させる酸化工程と、が同時に行われる。 This process includes a stabilization process in which a gas containing oxygen such as air is brought into contact with the resin composite fiber to stabilize the mesophase pitch, and an oxidation process in which the thermoplastic resin is oxidized to generate a thermoplastic resin oxide. are carried out simultaneously.

安定化/酸化工程において、反応性ガスには酸素以外の酸化性ガスや不活性ガスを含んでいてもよい。酸化性ガスとしては、二酸化窒素、一酸化窒素、二酸化硫黄などが例示される。不活性ガスとしては、二酸化炭素、窒素、アルゴンなどが例示される。好ましい酸素濃度は、メソフェーズピッチの種類や樹脂複合繊維の繊維径によっても相違するが、0.1~21vol%である。この安定化/酸化工程で酸化される熱可塑性樹脂の量が、最終生成物に共存する熱可塑性樹脂の変性物の量に反映される。そのため、この安定化/酸化工程における酸素濃度や温度を適宜調整することによって、酸化する熱可塑性樹脂の量を調整できる。 In the stabilization/oxidation step, the reactive gas may contain an oxidizing gas other than oxygen or an inert gas. Examples of the oxidizing gas include nitrogen dioxide, nitrogen monoxide, and sulfur dioxide. Examples of the inert gas include carbon dioxide, nitrogen, and argon. The preferred oxygen concentration is 0.1 to 21 vol%, although it varies depending on the type of mesophase pitch and the fiber diameter of the resin composite fiber. The amount of thermoplastic resin oxidized in this stabilization/oxidation step is reflected in the amount of modified thermoplastic resin present in the final product. Therefore, by appropriately adjusting the oxygen concentration and temperature in this stabilization/oxidation step, the amount of thermoplastic resin to be oxidized can be adjusted.

本発明によれば、メソフェーズピッチは、熱可塑性樹脂と複合化した樹脂複合繊維の状態で安定化される。そのため、メソフェーズピッチのみを溶融紡糸して成る繊維を安定化する場合と比較して、メソフェーズピッチの繊維径を小さくしても工程安定性を損なわない。 According to the present invention, mesophase pitch is stabilized in the state of a resin composite fiber composited with a thermoplastic resin. Therefore, compared to stabilizing a fiber formed by melt-spinning only mesophase pitch, process stability is not impaired even if the fiber diameter of mesophase pitch is made smaller.

安定化/酸化の反応温度は、250~400℃が好ましく、300~350℃がより好ましい。この範囲の温度で安定化/酸化処理することにより、樹脂複合安定化繊維中のメソフェーズピッチを迅速に安定化するとともに、熱可塑性樹脂の酸化物を生成することが可能になる。この熱可塑性樹脂の酸化物は、例えば、赤外分光法や熱重量示差熱分析装置(TG-DTA)によって、生成したことを確認することができる。 The stabilization/oxidation reaction temperature is preferably 250 to 400°C, more preferably 300 to 350°C. By performing the stabilization/oxidation treatment at a temperature in this range, it is possible to quickly stabilize the mesophase pitch in the resin composite stabilized fiber and to generate an oxide of the thermoplastic resin. The production of this thermoplastic resin oxide can be confirmed by, for example, infrared spectroscopy or thermogravimetric differential thermal analysis (TG-DTA).

安定化/酸化の処理時間は、1~10時間が好ましく、2~7時間がより好ましく、3~6時間がさらに好ましい。 The stabilization/oxidation treatment time is preferably 1 to 10 hours, more preferably 2 to 7 hours, and even more preferably 3 to 6 hours.

上記安定化処理によりメソフェーズピッチの軟化点は著しく上昇するが、所望の極細炭素繊維を得るという目的から、メソフェーズピッチの軟化点は400℃以上となることが好ましく、500℃以上となることがさらに好ましい。 The softening point of the mesophase pitch increases significantly through the above stabilization treatment, but for the purpose of obtaining the desired ultrafine carbon fibers, the softening point of the mesophase pitch is preferably 400°C or higher, more preferably 500°C or higher. preferable.

本工程では、メソフェーズピッチの安定化反応と熱可塑性樹脂の酸化反応とが同時に進行する。上記したような条件、特に、熱可塑性樹脂の種類、酸化性ガスの種類、濃度、風速、反応温度、及び処理時間を適宜調整することで、メソフェーズピッチの安定化と熱可塑性樹脂の酸化とを制御することができる。なお、本発明では、酸化されなかった熱可塑性樹脂は、後述の除去工程により除去される。熱可塑性樹脂はすべてが酸化される必要はなく、最終的に得られる極細炭素繊維と熱可塑性樹脂の変性物との質量比が1:0.05~1:1.5となる量の熱可塑性樹脂の酸化物が生成されればよい。このような条件としては、熱可塑性樹脂としてポリエチレンを用いる場合、自然対流下の大気中250℃で5時間以上加熱する方法が例示される。加熱温度が300℃以上の場合、加熱時間は5分~5時間程度がよい。雰囲気の風速が極めて小さい場合、または加熱温度が高い場合、熱可塑性樹脂の変性物の割合が多くなる傾向がある。繊維束の形状や大きさも変化する。熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを用いる場合、大気中250℃で1時間以上加熱する方法が例示される。加熱温度の上限は、通常は上述の安定化の反応温度である。 In this step, the stabilization reaction of the mesophase pitch and the oxidation reaction of the thermoplastic resin proceed simultaneously. Stabilization of mesophase pitch and oxidation of thermoplastic resin can be achieved by appropriately adjusting the conditions described above, especially the type of thermoplastic resin, type of oxidizing gas, concentration, wind speed, reaction temperature, and treatment time. can be controlled. Note that, in the present invention, the thermoplastic resin that has not been oxidized is removed by a removal process described below. It is not necessary that all of the thermoplastic resin be oxidized, but the thermoplastic resin should be in an amount such that the mass ratio of the ultimately obtained ultrafine carbon fiber to the modified thermoplastic resin is 1:0.05 to 1:1.5. It is sufficient if an oxide of the resin is generated. As such conditions, when polyethylene is used as the thermoplastic resin, a method of heating at 250° C. for 5 hours or more in the atmosphere under natural convection is exemplified. When the heating temperature is 300°C or higher, the heating time is preferably about 5 minutes to 5 hours. When the wind speed of the atmosphere is extremely low or when the heating temperature is high, the proportion of modified thermoplastic resin tends to increase. The shape and size of the fiber bundles also change. When polypropylene is used as the thermoplastic resin, a method of heating it in the atmosphere at 250° C. for 1 hour or more is exemplified. The upper limit of the heating temperature is usually the above-mentioned stabilization reaction temperature.

<除去工程>
極細炭素繊維前駆体混合物は、安定化工程で酸化されなかった熱可塑性樹脂が上記樹脂複合安定化繊維から除去されることにより得られる。熱可塑性樹脂酸化物は、熱可塑性樹脂酸化物由来の変性物を含む。除去工程では、樹脂安定化繊維の熱分解を抑制しながら、熱可塑性樹脂を分解・除去する。熱可塑性樹脂を分解・除去する方法としては、例えば、溶剤を用いて熱可塑性樹脂を除去する方法や、熱可塑性樹脂を熱分解して除去する方法が挙げられる。このうち、溶剤で除去する方法は、溶剤が大量に必要になり、回収の必要もあるなど、工程コストが増大する。したがって、後者の熱分解による除去が現実的であり好ましい。
<Removal process>
The ultrafine carbon fiber precursor mixture is obtained by removing the thermoplastic resin that was not oxidized in the stabilization step from the resin composite stabilized fiber. Thermoplastic resin oxides include modified products derived from thermoplastic resin oxides. In the removal step, the thermoplastic resin is decomposed and removed while suppressing thermal decomposition of the resin-stabilized fibers. Examples of the method of decomposing and removing the thermoplastic resin include a method of removing the thermoplastic resin using a solvent, and a method of removing the thermoplastic resin by thermally decomposing it. Among these methods, the method of removing with a solvent requires a large amount of solvent and has to be recovered, increasing the process cost. Therefore, the latter removal by thermal decomposition is practical and preferable.

熱可塑性樹脂の熱分解は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。ここでいう不活性ガス雰囲気とは、二酸化炭素、窒素、水蒸気、アルゴン等のガス雰囲気をいい、その酸素濃度は30体積ppm以下であることが好ましく、20体積ppm以下であることがより好ましい。本工程で使用する不活性ガスとしては、コストの関係から二酸化炭素又は窒素を用いることが好ましく、窒素を用いることが特に好ましい。 It is preferable to thermally decompose the thermoplastic resin under an inert gas atmosphere. The inert gas atmosphere here refers to a gas atmosphere such as carbon dioxide, nitrogen, water vapor, argon, etc., and the oxygen concentration thereof is preferably 30 volume ppm or less, more preferably 20 volume ppm or less. As the inert gas used in this step, it is preferable to use carbon dioxide or nitrogen from the viewpoint of cost, and it is particularly preferable to use nitrogen.

熱可塑性樹脂を熱分解によって除去する場合、減圧下で行うこともできる。減圧下で熱分解することにより、熱可塑性樹脂をより効率的に除去することができる。雰囲気圧力は低いほど好ましいが、50kPa以下であることが好ましく、30kPa以下であることがより好ましく、10kPa以下であることがさらに好ましく、5kPa以下であることが特に好ましい。一方、完全な真空は達成が困難であるため、圧力の下限は一般に0.01kPa以上である。 When the thermoplastic resin is removed by thermal decomposition, it can also be carried out under reduced pressure. The thermoplastic resin can be removed more efficiently by thermal decomposition under reduced pressure. The lower the atmospheric pressure, the more preferable it is, but it is preferably 50 kPa or less, more preferably 30 kPa or less, even more preferably 10 kPa or less, and particularly preferably 5 kPa or less. On the other hand, since a complete vacuum is difficult to achieve, the lower limit of the pressure is generally 0.01 kPa or more.

熱可塑性樹脂を熱分解によって除去する場合、上記の雰囲気圧力が保たれれば、微量の酸素や不活性ガスが存在してもよい。なお、ここでいう微量の酸素雰囲気下とは、酸素濃度が30体積ppm以下であることをいい、微量の不活性ガス雰囲気下とは、不活性ガス濃度が20体積ppm以下であることをいう。用いる不活性ガスの種類は、上述したとおりである。 When the thermoplastic resin is removed by thermal decomposition, trace amounts of oxygen or inert gas may be present as long as the above atmospheric pressure is maintained. Note that under a trace amount of oxygen atmosphere here means that the oxygen concentration is 30 volume ppm or less, and under a trace amount of inert gas atmosphere means that the inert gas concentration is 20 volume ppm or less. . The type of inert gas used is as described above.

熱分解の温度は、350~600℃であることが好ましく、380~550℃であることがより好ましい。熱分解の温度が350℃未満である場合、極細炭素繊維前駆体の熱分解は抑えられるものの、熱可塑性樹脂の熱分解を十分行うことができない場合がある。一方、600℃を超える場合、熱可塑性樹脂の熱分解は十分行うことができるものの、極細炭素繊維前駆体や熱可塑性樹脂の酸化物までが熱分解される場合があり、収率が低下し易い。熱分解の時間としては、0.05~5時間であることが好ましく、0.05~3時間であることがより好ましい。なお、熱分解の温度を低くしたり減圧の程度を制御すると、繊維束の形状や大きさを変化させることができる。 The thermal decomposition temperature is preferably 350 to 600°C, more preferably 380 to 550°C. If the thermal decomposition temperature is less than 350° C., although the thermal decomposition of the ultrafine carbon fiber precursor can be suppressed, the thermoplastic resin may not be sufficiently thermally decomposed. On the other hand, when the temperature exceeds 600°C, although the thermoplastic resin can be sufficiently thermally decomposed, the ultrafine carbon fiber precursor and the oxide of the thermoplastic resin may also be thermally decomposed, and the yield tends to decrease. . The thermal decomposition time is preferably 0.05 to 5 hours, more preferably 0.05 to 3 hours. Note that the shape and size of the fiber bundle can be changed by lowering the pyrolysis temperature or controlling the degree of pressure reduction.

<高温加熱工程>
極細炭素繊維混合物は、極細炭素繊維前駆体混合物を不活性ガス雰囲気下で加熱して極細炭素繊維前駆体を炭素化乃至黒鉛化するとともに、熱可塑性樹脂酸化物を炭素化することにより得られる。
<High temperature heating process>
The ultrafine carbon fiber mixture is obtained by heating an ultrafine carbon fiber precursor mixture in an inert gas atmosphere to carbonize or graphitize the ultrafine carbon fiber precursor and carbonize the thermoplastic resin oxide.

上記高温加熱工程に使用される不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等が挙げられる。不活性ガス中の酸素濃度は、20体積ppm以下であることが好ましく、10体積ppm以下であることがより好ましい。炭素化及び/又は黒鉛化時の加熱焼成温度は、500~3500℃が好ましく、800~3000℃がより好ましい。特に黒鉛化の際の焼成温度としては、1200~3000℃が好ましい。加熱時間は、0.1~24時間が好ましく、0.2~10時間がより好ましい。 Examples of the inert gas used in the high temperature heating step include nitrogen, argon, and the like. The oxygen concentration in the inert gas is preferably 20 volume ppm or less, more preferably 10 volume ppm or less. The heating and firing temperature during carbonization and/or graphitization is preferably 500 to 3,500°C, more preferably 800 to 3,000°C. In particular, the firing temperature during graphitization is preferably 1200 to 3000°C. The heating time is preferably 0.1 to 24 hours, more preferably 0.2 to 10 hours.

高温加熱工程で使用する容器としては、加熱する温度に応じて金属製、セラミック製、黒鉛製のものを使用することが可能であるが、黒鉛製のルツボ状のものが好ましい。 The container used in the high-temperature heating step may be made of metal, ceramic, or graphite depending on the heating temperature, but a crucible-shaped container made of graphite is preferable.

<粉砕処理>
得られた極細炭素繊維混合物は、取扱い性を高めるために粉砕処理を行っても良い。粉砕処理は、熱可塑性樹脂の除去工程後、及び/又は、高温加熱工程後において実施するのが好ましい。粉砕方法としては、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、インペラーミル、カッターミル等の微粉砕機を適用することが好ましい。必要に応じて、粉砕後に分級を行ってもよい。湿式粉砕の場合、粉砕後に分散媒体を除去するが、この際に2次凝集が顕著に生じるとその後の取り扱いが非常に困難となる。このような場合は、乾燥後、ボールミルやジェットミル等を用いて解砕操作を行うことが好ましい。
<Crushing process>
The obtained ultrafine carbon fiber mixture may be subjected to pulverization treatment in order to improve handling properties. The pulverization treatment is preferably carried out after the thermoplastic resin removal step and/or after the high-temperature heating step. As the pulverization method, it is preferable to use a pulverizer such as a jet mill, a ball mill, a bead mill, an impeller mill, or a cutter mill. If necessary, classification may be performed after pulverization. In the case of wet pulverization, the dispersion medium is removed after pulverization, but if significant secondary aggregation occurs at this time, subsequent handling becomes extremely difficult. In such a case, after drying, it is preferable to perform a crushing operation using a ball mill, jet mill, or the like.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。実施例中の各種測定や分析は、それぞれ以下の方法に従って行った。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Various measurements and analyzes in the examples were performed according to the following methods.

(1) 極細炭素繊維の形態観察
走査型電子顕微鏡(日本電子製 JCM-6000)を用いて加速電圧10kVの条件で観察を行った。
極細炭素繊維等の平均繊維径は、得られた電子顕微鏡写真から無作為に300箇所を選択して繊維径を測定し、それらすべての測定結果(n=300)の平均値を平均繊維径とした。平均繊維長も同様に測定した。
(1) Morphological observation of ultrafine carbon fibers Observation was performed using a scanning electron microscope (JCM-6000 manufactured by JEOL Ltd.) at an accelerating voltage of 10 kV.
The average fiber diameter of ultrafine carbon fibers, etc. is determined by randomly selecting 300 locations from the obtained electron micrograph, measuring the fiber diameter, and taking the average value of all the measurement results (n = 300) as the average fiber diameter. did. The average fiber length was also measured in the same manner.

(2) 熱可塑性樹脂の変性物の質量比の算出方法
樹脂複合安定化繊維をTGA (型式 TG 8120 Thermo plusRigaku社製)にて5℃/minの条件で500℃まで昇温して60min保持した際の質量減少率の値と、樹脂複合安定化繊維中のメソフェーズピッチの質量含有率の値とから以下の式にて算出した。この測定によって得られた値を、熱可塑性樹脂の変性物の質量比とした。なお、この値は熱可塑性樹脂の酸化物の質量比であるが、最終的に得られる極細炭素繊維混合物における熱可塑性樹脂の変性物の質量比と看做すことができる。
熱可塑性樹脂変性物の質量比 = ((100-質量減少率(%))-メソフェーズピッチ質量含有率(%))/メソフェーズピッチ質量含有率(%)
(2) Calculation method of mass ratio of modified product of thermoplastic resin Resin composite stabilized fiber was heated to 500°C at a rate of 5°C/min and held for 60 min using TGA (model TG 8120 manufactured by Thermo plus Rigaku). It was calculated using the following formula from the value of the mass reduction rate and the mass content of mesophase pitch in the resin composite stabilized fiber. The value obtained by this measurement was defined as the mass ratio of the modified thermoplastic resin. Although this value is the mass ratio of the oxide of the thermoplastic resin, it can be regarded as the mass ratio of the modified thermoplastic resin in the ultimately obtained ultrafine carbon fiber mixture.
Mass ratio of modified thermoplastic resin = ((100 - mass reduction rate (%)) - mesophase pitch mass content (%)) / mesophase pitch mass content (%)

(3) 極細炭素繊維複合体のX線回折測定
X線回折測定はリガク社製RINT-2100を用いてJIS R7651法に準拠し、格子面間隔(d002)および結晶子大きさ(Lc002)を測定した。
(3) X-ray diffraction measurement of ultrafine carbon fiber composite X-ray diffraction measurement was performed using RINT-2100 manufactured by Rigaku Corporation in accordance with the JIS R7651 method, and the lattice spacing (d002) and crystallite size (Lc002) were measured. did.

[参考例1](メソフェーズピッチの製造方法)
キノリン不溶分を除去した軟化点80℃のコールタールピッチを、Ni-Mo系触媒存在下、圧力13MPa、温度340℃で水添し、水素化コールタールピッチを得た。この水素化コールタールピッチを常圧下、480℃で熱処理した後、減圧して低沸点分を除き、メソフェーズピッチを得た。このメソフェーズピッチを、フィルターを用いて温度340℃でろ過を行い、ピッチ中の異物を取り除き、精製されたメソフェーズピッチを得た。
[Reference Example 1] (Mesophase pitch manufacturing method)
Coal tar pitch with a softening point of 80°C from which quinoline insoluble matter was removed was hydrogenated at a pressure of 13 MPa and a temperature of 340°C in the presence of a Ni-Mo catalyst to obtain hydrogenated coal tar pitch. This hydrogenated coal tar pitch was heat treated at 480° C. under normal pressure, and then the low boiling point components were removed under reduced pressure to obtain mesophase pitch. This mesophase pitch was filtered using a filter at a temperature of 340° C. to remove foreign substances in the pitch and obtain purified mesophase pitch.

[実施例1]
熱可塑性樹脂として低密度ポリエチレン(UBEポリエチレン(登録商標)R300、宇部丸善ポリエチレン製、MFR=0.35g/10min)90質量部、及び参考例1で得られたメソフェーズピッチ(メソフェーズ率90.9%、軟化点303.5℃)10質量部を同方向二軸押出機(東芝機械(株)製「TEM-26SS」、バレル温度300℃、窒素気流下)で溶融混練してメソフェーズピッチ組成物を調製した。
[Example 1]
90 parts by mass of low-density polyethylene (UBE Polyethylene (registered trademark) R300, manufactured by Ube Maruzen Polyethylene, MFR = 0.35 g/10 min) as a thermoplastic resin, and mesophase pitch obtained in Reference Example 1 (mesophase ratio 90.9%) , softening point 303.5°C) in a codirectional twin-screw extruder (Toshiba Machine Co., Ltd. "TEM-26SS", barrel temperature 300°C, under nitrogen stream) to obtain a mesophase pitch composition. Prepared.

上記メソフェーズピッチ組成物を、355℃に加熱した紡糸口金(孔直径0.2mm、孔長/孔直径=4)よりドラフト比1.2になるように紡糸することで、樹脂複合繊維(メソフェーズピッチ繊維を島成分とする海島型複合繊維)を作製した。その際の単糸の平均繊維径は182μmであった。 The above mesophase pitch composition was spun into a resin composite fiber (mesophase pitch A sea-island type composite fiber containing fiber as an island component was produced. The average fiber diameter of the single yarn at that time was 182 μm.

得られた樹脂複合繊維を、50mm程度に鋏でカットした後、150mm角のSUS304製の金網(日本金網商工社製 0.34×14mesh)の上に、2g均一にのせた。これを電気炉中で大気雰囲気中、5℃/minの条件で昇温し、340℃到達後、5時間保持することにより、樹脂複合繊維中を安定化させ、樹脂複合安定化繊維を得た。ここで、電気炉内の大気の風速は実質0m/sであった。 The obtained resin composite fibers were cut with scissors to about 50 mm, and then 2 g of the fibers was uniformly placed on a 150 mm square SUS304 wire mesh (0.34×14 mesh manufactured by Nippon Kinami Shoko Co., Ltd.). This was heated in an electric furnace in an air atmosphere at a rate of 5°C/min, and after reaching 340°C, was held for 5 hours to stabilize the inside of the resin composite fiber and obtain a resin composite stabilized fiber. . Here, the atmospheric wind speed inside the electric furnace was substantially 0 m/s.

次に、上記樹脂複合安定化繊維を、窒素置換を行った後に1kPaまで減圧した真空ガス置換炉中で、5℃/分の昇温速度で500℃まで昇温し、さらに500℃で1時間保持した。これにより、低密度ポリエチレンを除去して極細炭素繊維前駆体と低密度ポリエチレン酸化物とからなる極細炭素繊維前駆体混合物を得た。ここで撮影した電子顕微鏡写真を図1に示す。図1からわかるように、極細炭素繊維前駆体の他に、安定化された複数の極細炭素繊維前駆体を包埋する固形物が多数見られた。これらの固形物は低密度ポリエチレン酸化物と、安定化された複数の極細炭素繊維前駆体との複合物であった。 Next, the resin composite stabilized fiber was heated to 500°C at a temperature increase rate of 5°C/min in a vacuum gas replacement furnace whose pressure was reduced to 1 kPa after nitrogen substitution, and then at 500°C for 1 hour. held. As a result, the low density polyethylene was removed to obtain an ultrafine carbon fiber precursor mixture consisting of an ultrafine carbon fiber precursor and low density polyethylene oxide. Figure 1 shows an electron micrograph taken here. As can be seen from FIG. 1, in addition to the ultrafine carbon fiber precursor, a large number of solid substances embedding a plurality of stabilized ultrafine carbon fiber precursors were observed. These solids were composites of low density polyethylene oxide and stabilized ultrafine carbon fiber precursors.

上記作製した極細炭素繊維前駆体混合物をエタノール/イオン交換水混合溶媒(体積比1/1)中に加え、ミキサーで10分間撹拌することにより、極細炭素繊維前駆体及び低密度ポリエチレン酸化物を分散させた。得られた分散液は濾過した。この極細炭素繊維前駆体及び低密度ポリエチレン酸化物を立方体状の黒鉛るつぼに、かさ密度が0.1g/mlになるように押し込んで仕込んだ。その後、流量1 l/minの窒素下で室温から1000℃まで5℃/minの条件で昇温し、さらに1000℃到達後30分保持することで炭化を行った。その後、アルゴンガス雰囲気下、室温から3時間で3000℃まで昇温することで極細炭素繊維及び低密度ポリエチレン変性物を作製した。得られた極細炭素繊維は乾式ジェットミルにて解砕処理を行った。 The ultrafine carbon fiber precursor mixture prepared above was added to a mixed solvent of ethanol/ion-exchanged water (volume ratio 1/1) and stirred for 10 minutes with a mixer to disperse the ultrafine carbon fiber precursor and low density polyethylene oxide. I let it happen. The resulting dispersion was filtered. This ultrafine carbon fiber precursor and low-density polyethylene oxide were charged into a cubic graphite crucible so that the bulk density was 0.1 g/ml. Thereafter, the temperature was raised from room temperature to 1000°C at a rate of 5°C/min under nitrogen at a flow rate of 1 l/min, and after reaching 1000°C, carbonization was carried out by holding the temperature for 30 minutes. Thereafter, the temperature was raised from room temperature to 3000° C. in 3 hours under an argon gas atmosphere to produce ultrafine carbon fibers and modified low-density polyethylene. The obtained ultrafine carbon fibers were crushed using a dry jet mill.

得られた極細炭素繊維の平均繊維径は400nm、平均繊維長は14μmであり、分岐構造は見られなかった(分岐度0)。X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002が0.3377nm、結晶子大きさLc002は21.7nmであった。また、極細炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の変性物の質量比は1.2であった。ここで撮影した電子顕微鏡写真を図2~4に示した。図2からわかるように、極細炭素繊維、及び極細炭素繊維を含有する繊維束が観察された。図3では、低密度ポリエチレン変性物である粒子状のハードカーボンと、繊維束とが確認された。図4では、熱可塑性樹脂の変性物を含み、極細炭素繊維を包埋する繊維束が見られた。 The average fiber diameter of the obtained ultrafine carbon fibers was 400 nm, the average fiber length was 14 μm, and no branched structure was observed (degree of branching: 0). The average interplanar spacing d002 of the (002) plane measured by X-ray diffraction was 0.3377 nm, and the crystallite size Lc002 was 21.7 nm. Moreover, the mass ratio of the modified thermoplastic resin to the ultrafine carbon fiber was 1.2. Electron micrographs taken here are shown in Figures 2 to 4. As can be seen from FIG. 2, ultrafine carbon fibers and fiber bundles containing ultrafine carbon fibers were observed. In FIG. 3, particulate hard carbon, which is a modified low-density polyethylene, and fiber bundles were confirmed. In FIG. 4, a fiber bundle containing a modified thermoplastic resin and embedding ultrafine carbon fibers was observed.

[実施例2]
実施例1の熱可塑性樹脂を直鎖状低密度ポリエチレン(MORETEC(登録商標)0248Z、(株)プライムポリマ-製、MFR=2g/10min)に変更するとともに、安定化工程における条件を酸素濃度7000ppmに調整した窒素ガス雰囲気下、340℃、3時間保持することに変更した以外は実施例1と同様に操作を行った。極細炭素繊維前駆体混合物の電子顕微鏡写真を図5に示す。
[Example 2]
The thermoplastic resin in Example 1 was changed to linear low-density polyethylene (MORETEC (registered trademark) 0248Z, manufactured by Prime Polymer Co., Ltd., MFR = 2 g/10 min), and the conditions in the stabilization step were changed to an oxygen concentration of 7000 ppm. The operation was carried out in the same manner as in Example 1, except that the temperature was changed to 340° C. for 3 hours under a nitrogen gas atmosphere adjusted to . An electron micrograph of the ultrafine carbon fiber precursor mixture is shown in FIG.

最終的に得られた極細炭素繊維の平均繊維径は400nm、平均繊維長は15μmであり、分岐構造は見られなかった(分岐度0)。
また、X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002が0.3374nm、結晶子大きさLc002は37.1nmであった。ここで撮影した電子顕微鏡写真を図6、図7に示す。また、熱可塑性樹脂の変性物(低密度ポリエチレン変性物)の質量比は0.1であった。
The average fiber diameter of the ultrafine carbon fibers finally obtained was 400 nm, the average fiber length was 15 μm, and no branched structure was observed (degree of branching: 0).
Further, the average interplanar spacing d002 of the (002) plane measured by X-ray diffraction was 0.3374 nm, and the crystallite size Lc002 was 37.1 nm. Electron micrographs taken here are shown in FIGS. 6 and 7. Furthermore, the mass ratio of the modified thermoplastic resin (modified low density polyethylene) was 0.1.

[比較例1]
実施例1の熱可塑性樹脂を直鎖状低密度ポリエチレン(MORETEC(登録商標)0248Z、(株)プライムポリマ-製、MFR=2g/10min)に変更するとともに、安定化工程における条件を二酸化窒素と空気との2:98(vol%/vol%)の混合ガス雰囲気下、室温、0.5時間保持することに変更した以外は実施例1と同様に操作を行った。極細炭素繊維前駆体の電子顕微鏡写真を図8に示す。
[Comparative example 1]
The thermoplastic resin in Example 1 was changed to linear low-density polyethylene (MORETEC (registered trademark) 0248Z, manufactured by Prime Polymer Co., Ltd., MFR = 2 g/10 min), and the conditions in the stabilization step were changed to nitrogen dioxide and The same operation as in Example 1 was performed except that the mixture was held at room temperature for 0.5 hours in a mixed gas atmosphere of 2:98 (vol%/vol%) with air. An electron micrograph of the ultrafine carbon fiber precursor is shown in FIG.

最終的に得られた極細炭素繊維の平均繊維径は297nm、平均繊維長は15μmであり、分岐構造は見られなかった(分岐度0)。
また、X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002が0.3373nm、結晶子大きさLc002は40.7nmであった。ここで撮影した電子顕微鏡写真を図9に示す。熱可塑性樹脂の変性物は観察されなかった。この極細炭素繊維は非常に嵩高く、取扱いしにくかった。
The average fiber diameter of the ultimately obtained ultrafine carbon fibers was 297 nm, the average fiber length was 15 μm, and no branched structure was observed (degree of branching: 0).
Further, the average interplanar spacing d002 of the (002) plane measured by X-ray diffraction was 0.3373 nm, and the crystallite size Lc002 was 40.7 nm. FIG. 9 shows an electron micrograph taken here. No modified thermoplastic resin was observed. This ultrafine carbon fiber was extremely bulky and difficult to handle.

[実施例3](極細炭素繊維混合物の負極容量)
実施例1~2で得られた極細炭素繊維混合物(CNF混合物と略す)、および比較例1で得られた極細炭素繊維(CNFと略す)と、バインダーとしてクレハ製PVdF(W#7200)とを、質量比でCNF混合物:PVdF=9:1で混合(比較例1の場合は、質量比でCNF:PVdF=9:1で混合)して、それぞれスラリーを作製した。得られたスラリーを銅箔上に塗布し、80℃で1h以上乾燥後、120℃で2h以上乾燥させることで電極(負極)を作製した。作製した電極にロールプレスをかけ、円形に打ち抜き、150℃で1h乾燥後、120℃真空下で6h以上乾燥させた。これらの電極を用いて、各電極を評価するためのコイン電池をそれぞれ作製した。電解液は、1mol/L LiPFを含む EC:EMC=3:7(v/v)を用いた。対極としてリチウムを用いた。作製したコイン電池を用いて充放電特性の評価をそれぞれ行った。充放電は0.0Vから2.0Vの間で充放電を行い、充電は0.4mA(0.26mA/cm)CCCV(0.01mAカットオフ)、放電は0.4mA(0.26mA/cm)CCの条件にて実施した。得られた結果を表1に示した。
[Example 3] (Negative electrode capacity of ultrafine carbon fiber mixture)
The ultrafine carbon fiber mixtures (abbreviated as CNF mixtures) obtained in Examples 1 and 2, the ultrafine carbon fibers (abbreviated as CNFs) obtained in Comparative Example 1, and PVdF manufactured by Kureha (W#7200) as a binder were used. , CNF mixture:PVdF was mixed at a mass ratio of 9:1 (in the case of Comparative Example 1, CNF:PVdF was mixed at a mass ratio of 9:1) to prepare slurries, respectively. The obtained slurry was applied onto a copper foil, dried at 80° C. for 1 hour or more, and then dried at 120° C. for 2 hours or more to prepare an electrode (negative electrode). The prepared electrode was roll pressed and punched into a circular shape, dried at 150°C for 1 hour, and then dried at 120°C under vacuum for 6 hours or more. Using these electrodes, coin batteries were fabricated to evaluate each electrode. The electrolytic solution used was EC:EMC=3:7 (v/v) containing 1 mol/L LiPF 6 . Lithium was used as a counter electrode. The charging and discharging characteristics of each of the manufactured coin batteries were evaluated. Charging and discharging are performed between 0.0V and 2.0V, charging at 0.4mA (0.26mA/cm 2 ) CCCV (0.01mA cutoff), and discharging at 0.4mA (0.26mA/cm 2 ). cm 2 ) CC conditions. The results obtained are shown in Table 1.

実施例1及び2で得られた極細炭素繊維混合物を使用する場合、比較例1と比較して不可逆容量が小さくなった。また、電極密度が低い割には充電容量及び放電容量が高くなった。即ち、実施例1及び2の極細炭素繊維混合物を用いることによって、電極内で極細炭素繊維が多方向に配向していることが推定される。また、電極密度が小さく、軽量化できる。 When using the ultrafine carbon fiber mixtures obtained in Examples 1 and 2, the irreversible capacity was smaller than in Comparative Example 1. Furthermore, the charging capacity and discharging capacity were high despite the low electrode density. That is, it is presumed that by using the ultrafine carbon fiber mixtures of Examples 1 and 2, the ultrafine carbon fibers are oriented in multiple directions within the electrode. In addition, the electrode density is low and the weight can be reduced.

Figure 0007402631000001
Figure 0007402631000001


Claims (13)

平均繊維径が10~900nmである極細炭素繊維と、
熱可塑性樹脂の変性物と、
を含み、
前記熱可塑性樹脂の変性物はハードカーボンであり、
前記極細炭素繊維と前記熱可塑性樹脂の変性物との質量比が1:0.05~1:1.5であることを特徴とする極細炭素繊維混合物。
Ultrafine carbon fibers having an average fiber diameter of 10 to 900 nm,
A modified thermoplastic resin,
including;
The modified thermoplastic resin is hard carbon,
An ultrafine carbon fiber mixture characterized in that the mass ratio of the ultrafine carbon fiber to the modified thermoplastic resin is 1:0.05 to 1:1.5 .
前記極細炭素繊維の一部又は全部が繊維束の状態である請求項1に記載の極細炭素繊維混合物。 The ultrafine carbon fiber mixture according to claim 1, wherein some or all of the ultrafine carbon fibers are in the form of fiber bundles. 前記極細炭素繊維の一部又は全部が前記熱可塑性樹脂の変性物を介して結合している請求項2に記載の極細炭素繊維混合物。 The ultrafine carbon fiber mixture according to claim 2, wherein some or all of the ultrafine carbon fibers are bonded via a modified thermoplastic resin. 前記極細炭素繊維のX線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002が、0.335~0.350nmの範囲である請求項1~3のいずれか1項に記載の極細炭素繊維混合物。 The ultrafine carbon fiber according to any one of claims 1 to 3 , wherein the average interplanar spacing d002 of the (002) planes measured by X-ray diffraction of the ultrafine carbon fiber is in the range of 0.335 to 0.350 nm. blend. 前記熱可塑性樹脂の変性物が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-4-メチルペンテン-1及びこれらを含む共重合体からなる群から選ばれる少なくとも一種のポリオレフィンの変性物である請求項1~4のいずれか1項に記載の極細炭素繊維混合物。 Any one of claims 1 to 4, wherein the modified thermoplastic resin is a modified product of at least one polyolefin selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, and copolymers containing these. The ultrafine carbon fiber mixture according to item 1. (1) 熱可塑性樹脂と、前記熱可塑性樹脂100質量部に対して1~150質量部のメソフェーズピッチと、からなるメソフェーズピッチ組成物を溶融状態で成形することにより前記メソフェーズピッチを繊維化して樹脂複合繊維を得る成形工程と、
(2) 酸素を含む気体を前記樹脂複合繊維に接触させて、メソフェーズピッチを安定化させるとともに、前記熱可塑性樹脂の一部を酸化して熱可塑性樹脂酸化物を生成させて、樹脂複合安定化繊維を得る安定化/酸化工程と、
(3) 前記樹脂複合安定化繊維から酸化されていない熱可塑性樹脂を除去し、極細炭素繊維前駆体及び熱可塑性樹脂酸化物からなる極細炭素繊維前駆体混合物を得る除去工程と、
(4) 前記極細炭素繊維前駆体混合物を加熱し、極細炭素繊維と熱可塑性樹脂の変性物とを得る高温加熱工程と、
を含むことを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。
(1) A mesophase pitch composition consisting of a thermoplastic resin and 1 to 150 parts by mass of mesophase pitch per 100 parts by mass of the thermoplastic resin is molded in a molten state to form the mesophase pitch into fibers to produce a resin. A forming process to obtain composite fibers;
(2) Stabilizing the mesophase pitch by bringing a gas containing oxygen into contact with the resin composite fiber, and oxidizing a part of the thermoplastic resin to generate a thermoplastic resin oxide to stabilize the resin composite. a stabilization/oxidation step to obtain fiber;
(3) a removing step of removing the unoxidized thermoplastic resin from the resin composite stabilized fiber to obtain an ultrafine carbon fiber precursor mixture consisting of an ultrafine carbon fiber precursor and a thermoplastic resin oxide;
(4) a high temperature heating step of heating the ultrafine carbon fiber precursor mixture to obtain ultrafine carbon fibers and a modified thermoplastic resin;
The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to any one of claims 1 to 5 , comprising:
前記熱可塑性樹脂が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-4-メチルペンテン-1及びこれらを含む共重合体からなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項6に記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to claim 6 , wherein the thermoplastic resin is at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, and copolymers containing these. 前記熱可塑性樹脂が、JIS K 7210に準拠して測定されたメルトマスフローレート(MFR)が0.1~25g/10minのポリエチレンである請求項6又は7に記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to claim 6 or 7 , wherein the thermoplastic resin is polyethylene having a melt mass flow rate (MFR) of 0.1 to 25 g/10 min as measured in accordance with JIS K 7210. 前記メソフェーズピッチ組成物が、熱可塑性樹脂と、前記熱可塑性樹脂100質量部に対して1~100質量部のメソフェーズピッチと、からなる請求項6~8のいずれか1項に記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 The ultrafine carbon fiber according to any one of claims 6 to 8 , wherein the mesophase pitch composition comprises a thermoplastic resin and 1 to 100 parts by mass of mesophase pitch per 100 parts by mass of the thermoplastic resin. Method of manufacturing the mixture. 前記樹脂複合繊維の平均繊維径が10~200μmである請求項6~9のいずれか1項に記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to any one of claims 6 to 9, wherein the resin composite fiber has an average fiber diameter of 10 to 200 μm. 前記安定化/酸化工程が250~400℃で1~10時間加熱処理を行う請求項6~10のいずれか1項に記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to any one of claims 6 to 10, wherein the stabilization/oxidation step includes heat treatment at 250 to 400°C for 1 to 10 hours. 前記高温加熱工程における加熱温度が500~3500℃である請求項6~11のいずれか1項に記載の極細炭素繊維混合物の製造方法。 The method for producing an ultrafine carbon fiber mixture according to any one of claims 6 to 11, wherein the heating temperature in the high temperature heating step is 500 to 3500°C. 請求項1~5のいずれか1項に記載の極細炭素繊維混合物を含んでなることを特徴とする炭素系導電助剤。
A carbon-based conductive additive comprising the ultrafine carbon fiber mixture according to any one of claims 1 to 5 .
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