JPH04222227A - 気相成長炭素繊維およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気相成長炭素繊維に関す
る。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】気相成長
炭素繊維は黒鉛網面が繊維軸に並行して発達しているこ
とによって、高強度高弾性である。したがって、この気
相成長炭素繊維を利用して、優れた複合材料が得られる
ものと期待されている。その期待の下に、各種材料（プ
ラスチック、ゴム、金属、セラミックス）をマトリック
スとした複合材料が検討されてきている。

【０００３】しかし、前記各種の材料に気相成長炭素繊
維を分散してなる複合材料は、期待された程の機械的特
性が発現しなかった。その理由は次のようである。

【０００４】気相成長炭素繊維は、鉄や遷移金属等の微
細子を触媒としてベンゼンや天然ガス等の炭化水素類あ
るいは一酸化炭素等の炭素源となる材料が熱分解して得
られる炭素繊維であり、必要に応じて不活性気流中で１
０００〜３０００℃に更に黒鉛化して得られる。したが
って、この気相成長炭素繊維は、従来からある所謂ピッ
チ系炭素繊維およびＰＡＮ系炭素繊維とは全く異なる繊
維であると言える。

【０００５】このような生成過程を経て得られるので、
通常その先端は球状に形成された独特の繊維である。ま
た、繊維の長さと直径の比を変えるには、例えば反応時
間を短くする等の手段が採用される。

【０００６】しかしながら、前記手段を採用すると、長
さと直径とが同時に変化してしまうので、所望するアス
ペクト比を有する繊維を得るのが困難である。更に先に
述べた熱分解で得られた気相成長炭素繊維（創生微細炭
素繊維）は、通常、互いにからみあった綿状になってい
る。

【０００７】これらの理由からこれを他の材料と混合し
て複合材料とした場合、分散が不均一となり、複合材料
の強度・弾性を低下させていた。

【０００８】複合材料の強度・弾性の低下の他の原因と
しては、また、繊維中に含まれる微細な球状物、不純物
等の影響が考えられる。

【０００９】本発明者らは、綿状になって生成した創生
微細炭素繊維を切断・分散することを種々検討して本発
明に至ったものである。

【００１０】すなわち、本発明の目的は、各種のマトリ
クス材料中に分散して大きな機械的特性を有する複合材
料を形成することのできる気相成長炭素繊維を提供する
ことにある。

【００１１】本発明の他の目的は、各種のマトリクス材
料中に分散して大きな機械的特性を有する複合材料を形
成することのできる気相成長炭素繊維を製造する方法を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、綿状にな
って形成された創生微細炭素繊維を切断・分散すること
を各種検討して本発明に至ったものである。

【００１３】すなわち、前記課題を解決するための本発
明は、直径が５μ以下であり、長さが１００μ以下であ
り、平均アスペクト比が２〜１００であり、端面が破断
面であることを特徴とする気相成長炭素繊維であり、前
記気相成長炭素繊維は、創生気相成長炭素繊維を高衝撃
力で、特に直径１μ〜１００μの微粒子による高衝撃力
で破断することにより製造することができる。

【００１４】一般に、微細なものを更に小さくするには
ボールミルやローラーミルのように押し砕く方法が採用
されるが、創生微細炭素繊維の径が５μ以下と非常に微
細であるため、ボールミルやローラーミルでは繊維の長
さを所望の値に制御するのが困難であり、また、要処理
時間も長いという欠点があった。本発明は、創生微細炭
素繊維を単独または比重差、熱処理等によって分離可能
な粒径１〜１００μの粒子とともに高衝撃力処理をする
ことにより、創生微細炭素繊維の長さを任意に、数分の
短い処理時間で調節することすることを可能とした。

【００１５】更に高衝撃処理ではボールミル等で使用さ
れるセラミック球等を使用しないのでこれらによる汚染
がなく、また繊維が粉体にまで微粉化されることが少な
い。

【００１６】高衝撃処理の一例として、具体的には例え
ば図１に示すように、気流の通路である自己循環回路１
、衝撃羽根２を有する容器３を備える、高衝撃力処理装
置に、前記創生微細炭素繊維または前記創生微細炭素繊
維および微粒子を入れて回転させ、高衝撃力を与えるこ
とを内容とする処理を挙げることができる。

【００１７】このような高衝撃処理において、炭素繊維
の長さの調節は、主に衝撃力を変化させることにより可
能である。衝撃力を与える方法としては回転ではなく、
一方向あるいは往復で羽根、壁に打ちつけることも可能
であるが、回転が最も容易である。衝撃による繊維の切
断は繊維が羽根に当たった時と繊維が壁に打ちつけられ
た時の双方で起こる。

【００１８】衝撃を与える羽根の速度（あるいは繊維が
壁に打ちつけられる速度）としては２０ｍ／ｓｅｃ以上
、好ましくは４０ｍ／ｓｅｃ以上が良い。高速である程
切断効果は大きいが、速度が１００ｍ／ｓｅｃ以上にな
ると、安全対策上周辺に防護装置等を設けるなど、装置
が大型化し、使用しにくくなったり、経済的な問題を生
じることがある。また、処理時間も５分以内が良く、あ
まり長時間の処理は経済的観点から好ましくない。 尚、回転により衝撃を与える場合の速度は、回転羽根の
場合、最も外側の部分の速度により示した。回転羽根の
場合、最も外側における速度が最大であり効果的である
からである。

【００１９】また、高速衝撃を与える際の前記微粒子の
粒径としては、その粒径が１〜１００μｍ、好ましくは
１０〜６０μｍである。かかる粒径範囲の微粒子である
と、炭素繊維がより均一に切断される。微粒子の粒径が
１μｍ未満であり、あるいは１００μｍを越える場合に
は、切断効果は小さい。

【００２０】微粒子の材質は、プラスチックや金属、セ
ラミックスが挙げられるが、プラスチックで特にポリエ
チレンや、ポリメチルメタリレートあるいはポリスチレ
ンといった加熱により分解蒸発してしまうものが、後処
理も容易で好ましい。従って、好ましい微粒子はプラス
チック微粒子であるといえる。金属、セラミックの場合
、重量で分級するとロスが多くまた繊維中の残存不純物
を除去する為、酸・アルカリ処理といった工程が必要に
なり、煩雑であり完全な純化が難しい。

【００２１】一般的に繊維を強化材として複合した複合
材料において、マトリックスの種類に応じた繊維の最適
なアスペクト比（繊維の長さ／繊維の直径）があり、た
とえばエポキシ樹脂では４０〜６０、アルミニウムでは
２０〜４０、セラミックでは１０〜２０と言われている
。

【００２２】以上のように創生気相成長炭素繊維を微粒
子で高衝撃破断処理をすると、創生気相成長炭素繊維の
端面は、破断面を呈する。繊維の端面が破断面であるか
否かは、たとえば電子顕微鏡等で観察することにより容
易に確認することができる。電子顕微鏡観察をすると、
高衝撃処理をした創生気相成長炭素繊維の端面は、高衝
撃処理以前に観察されたような丸みのある端部が消失し
、繊維の軸に対して鋭角、直角あるいは鈍角をなす端面
が生じている。

【００２３】創生微細炭素繊維を破断すると、年輪構造
を呈する黒煙結晶の断面が露出する。この年輪構造の故
に、年輪の層間に他の物質の侵入もしくは貫入が容易に
なる。

【００２４】したがって、創生微細炭素繊維を、その１
／２以上がその両端に破断面を有するようになる本発明
の創生気相成長炭素繊維は、触媒を担持する担体として
、あるいは、層間化合物のホスト材料として有用である
。

【００２５】本発明の高衝撃力処理をすることにより簡
単に創生微細炭素繊維のアスペクト比を最適な値に調節
することが可能になる。また長さを１００μｍ以下にす
ることにより繊維同志が絡み合う為の分散不良を防ぐこ
とができる。さらに創生微細炭素繊維の一端または両端
が破断面になることにより、マトリックスとの濡れ性が
向上し複合材の強度向上を達成することができる。創生
微細炭素繊維の長さが短く、一端または両端が破断面に
なることにより、創生微細炭素繊維を触媒の担体、層間
化合物のホスト材料として使用するときにも有効である
。

【００２６】

【実施例】（実施例１）平均直径が０．７６μｍ、平均
長さが１７４μｍ、アスペクト比１７４の創生微細炭素
繊維に何も加えずに、高速気流中衝撃処理装置（ハイブ
リダイザー、ＮＨＳ−１、（株）奈良機械製作所製）を
用い７，２００ｒｐｍ（９０ｍ／ｓｅｃ）、５，０００
ｒｐｍ（６２．５ｍ／ｓｅｃ）、３，５００ｒｐｍ（４
３．８ｍ／ｓｅｃ）、２，０００ｒｐｍ（２５ｍ／ｓｅ
ｃ）にて２分間処理した。処理後、走査型電子顕微鏡観
察により、ランダムに選ばれた１００本の繊維の直径、
長さを測定した。結果を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】（実施例２）平均直径が０．７７μｍ、平
均長さが１３０μｍ、アスペクト比１６９の創生微細炭
素繊維５０ｇに低密度ポリエチレン（フロービーズ平均
粒径４０μｍ、住友精化（株）製）６５ｇを加え、実施
例１と同様の処理を実施した後、窒素雰囲気中で、６０
０℃で１時間加熱処理を施し、低密度ポリエチレンを除
去した。その後、走査型電子顕微鏡観察により、ランダ
ムに選ばれた１００本の繊維の直径、長さを測定した。 結果を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】（比較例１）平均直径が０．７８μｍ、平
均長さが１３０μｍ、アスペクト比１６７の創生微細炭
素繊維になにも加えずに、振動ミル（小型振動ミル、Ｎ
Ｂ−Ｏ、日陶科学（株）製）に直径８ｍｍのセラミック
ボールを入れ、処理時間を１０分、３０分、１時間、５
時間、１０時間と変えて、高衝撃処理をした。実施例１
、２と同様に電子顕微鏡により観察した結果を表３に示
す。

【００３１】

【表３】

【００３２】（比較例２）平均直径が０．７５μｍ、平
均長さが１３６μｍ、アスペクト比１８１の創生微細炭
素繊維５０ｇに低密度ポリエチレン（フロービーズ平均
粒径４０μｍ住友精化（株）製）６５ｇを加え比較例１
と同ようの処理を実施後、窒素雰囲気中、６００℃にて
１時間加熱処理をし低密度ポリエチレンを除去した結果
を表４に示す。

【００３３】

【表４】

【００３４】（実施例３）実施例１、２、比較例１、２
の最も苛酷な高衝撃処理（表１〜表４の最下段）が行わ
れた試料を走査型電子顕微鏡で比較した際、各試料には
微細な粉末が含まれており、その量については、実施例
２（約１容量％）＜実施例１（約２容量％）＜＜比較例
１（約５〜１０ｖｏｌ）＝比較例２（約５〜１０ｖｏｌ
）という関係があった。

【００３５】また、この各試料それぞれ３ｇを空気中で
８００℃に加熱して、１６時間かけて燃焼処理をした後
に、微細な前記粉末の残存量を調べたところ、実施例１
では０．１％、実施例２では０％、比較例１では３．７
％、比較例２では３．２５％であり、比較例における燃
焼残分にはセラミック粉と思われる白粉が多量に見られ
た。

【００３６】（実施例４）各処理によって得られたアス
ペクト比のほぼ同等な繊維（実施例１のＮｏ．　３、実
施例２のＮｏ．　２、比較例１のＮｏ．　５、比較例２
のＮｏ．　５）をエポキシ樹脂（ＣＩＢＡ−ＧＥＩＧＹ
社製のＬＹ５５６　　１００部、ＨＹ９１７Ｊ　　９０
部、ＤＹ６０２　　１部）と各々２０重量％にて３本ロ
ールにて混練した後、真空脱泡した後、これを１５０℃
にて２時間、５ｋｇ／ｃｍ２　のオートクレーブ中で硬
化させ、その３点曲げ強度を比較したのが表５である。

【００３７】

【表５】

【００３８】

【発明の効果】本発明によると、各種のマトリクス材料
と複合することにより強度等の機械的特性に優れた複合
材料を与えることのできる炭素繊維を提供することがで
きる。また、本発明の方法によると、短時間に平均アス
ペクト比が１００以下で、アスペクト比の標準偏差が小
さく、その両端または一端が破断面よりなる不純物の少
ない炭素繊維を簡単に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法において好適に使用することので
きる衝撃切断装置の構成の一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１　　気流の通路である自己循環回路 ２　　衝撃羽根 ３　　容器

Claims (3)

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