JPS6170014A - 流動法気相成長炭素繊維 - Google Patents
流動法気相成長炭素繊維Info
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- JPS6170014A JPS6170014A JP19172184A JP19172184A JPS6170014A JP S6170014 A JPS6170014 A JP S6170014A JP 19172184 A JP19172184 A JP 19172184A JP 19172184 A JP19172184 A JP 19172184A JP S6170014 A JPS6170014 A JP S6170014A
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- Japan
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- carbon fiber
- phase method
- carbon
- gaseous
- fine carbon
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野〕
本発明は、気相法による微細炭素ＩＩに関し、さらに詳
細には理想的描込を右し、したがって優れた機械的特性
を右するｆ９１生微細炭素繊維に関するものである。本
川１０店において「創生」という用語は繊維の生成ｔａ
に破砕またはカットなどの処理により微細化されていな
いことを意味する。
細には理想的描込を右し、したがって優れた機械的特性
を右するｆ９１生微細炭素繊維に関するものである。本
川１０店において「創生」という用語は繊維の生成ｔａ
に破砕またはカットなどの処理により微細化されていな
いことを意味する。
（従来技術とその問題点）
気相法による炭素ｍ維は結晶配向性に優れているため機
械的特性、電気的性質などにおいて従来の炭素繊維には
みられない優れた性質を有する。
械的特性、電気的性質などにおいて従来の炭素繊維には
みられない優れた性質を有する。
ここで機械的特性につき検討づれば、一般の炭素繊維の
用途は炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと云う
）として最も普及している。ＣＦＲＰには、艮ｉ；Ｉ素
繊維を使った一方向強化または二方向強化ＣＦＲＰと、
長繊維をカットして作った短炭素繊維をプラスチック中
に混合して不規則に配位成形し／ｃＩＥＩ械的特性にお
いて等方向なＣＦＲＰとがある。
用途は炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと云う
）として最も普及している。ＣＦＲＰには、艮ｉ；Ｉ素
繊維を使った一方向強化または二方向強化ＣＦＲＰと、
長繊維をカットして作った短炭素繊維をプラスチック中
に混合して不規則に配位成形し／ｃＩＥＩ械的特性にお
いて等方向なＣＦＲＰとがある。
前者の場合、一定方向の強化効果はかなり大であるが非
強化方向には殆んどその効果を朋持しくＪず、しかも成
形工程数が多くかつ技術的に難しい問題を多く抱えてい
るため、作製できるＣＦＲＰの形態に相当な制約が加わ
るなどの問題がある。これに対し、［の場合には成形は
容易であるが、強度と弾性・キ４とにＪ３いて若干不足
しがちである。この原因は、不規則配位のためＩＭ的性
質が等方向となり、その結果一方向に限ると強度および
弾性率に寄与する割合がかなり低下することにある。
強化方向には殆んどその効果を朋持しくＪず、しかも成
形工程数が多くかつ技術的に難しい問題を多く抱えてい
るため、作製できるＣＦＲＰの形態に相当な制約が加わ
るなどの問題がある。これに対し、［の場合には成形は
容易であるが、強度と弾性・キ４とにＪ３いて若干不足
しがちである。この原因は、不規則配位のためＩＭ的性
質が等方向となり、その結果一方向に限ると強度および
弾性率に寄与する割合がかなり低下することにある。
従来のこれら問題を解決する一つの方法として、一般的
に使用されているＰＡＮ系炭素炭素繊維も高強度かつ高
弾性の構造材料を使用することが挙げられる。この目的
で、気相法による炭素繊維は結晶配向性に優れており、
礪械的特性においてＰＡＮ系炭素炭素繊維るかに凌駕す
るものとして注目されている。
に使用されているＰＡＮ系炭素炭素繊維も高強度かつ高
弾性の構造材料を使用することが挙げられる。この目的
で、気相法による炭素繊維は結晶配向性に優れており、
礪械的特性においてＰＡＮ系炭素炭素繊維るかに凌駕す
るものとして注目されている。
一般に気相法による炭素繊維は、電気炉内にアルミナ、
黒鉛などの基板を設置し、これに鉄やニッケルなどの超
微粒子触媒を形成せしめ、その上にベンゼンなどの炭化
水素のガスと水素などのキＩＦリヤガスとの混合ガスを
導入し、１０００〜１３００℃の温度にて炭化水素を分
解させることにより基板上で繊維を成長させで生成され
、凹通には２〜１０市の直径と１〜１０ｃｍの長さとを
右する。この秒の炭素繊ｆｌ［は、さらに２９００″Ｃ
以」−Ｃ゛熱処理寸れば黒鉛にかなり近似したｈ′＋１
造をドア′つようになる。しかしながら、このＪ、うな
基吸法による炭素繊維は、ベーコンのグラフフィトウィ
スカーの強度（２０００結／細）に比べて穫めて低い７
００酌／−程度の強度しか持たない。本発明者はこの点
につさ検１．・１を！′Ｔ！ね１こ結果、気相法による
炭Ｔ？、繊紺（よ芯に相当する極めて細く結晶配向性に
優れた部分と、結晶配向性が相対的に低い部分（この部
分が大部分を占める）とから椙成されていることを突き
止めた。また、従来の気相法による炭素繊維は、マトリ
ックスと混合層るにはく４法が大き過ぎ、したがってさ
らに細かく切断１ノる必要があることも判明した。そこ
で本発明貨は、従来の基板に鉄昏ニッケルなどの超微粒
子触媒を形成させる手法に代えて、右■遷移金屈化合物
のガスを１由用して°電気炉空間に流動する超微粒子触
媒を形成往しめ、それにより流動下に炭素Ｉ！維を成長
させる製造方法を完成し、特願昭５８−１６２６０６号
として出願した（以下、この方法で製造した炭素繊維を
流動気相法炭素繊維と云う）。
黒鉛などの基板を設置し、これに鉄やニッケルなどの超
微粒子触媒を形成せしめ、その上にベンゼンなどの炭化
水素のガスと水素などのキＩＦリヤガスとの混合ガスを
導入し、１０００〜１３００℃の温度にて炭化水素を分
解させることにより基板上で繊維を成長させで生成され
、凹通には２〜１０市の直径と１〜１０ｃｍの長さとを
右する。この秒の炭素繊ｆｌ［は、さらに２９００″Ｃ
以」−Ｃ゛熱処理寸れば黒鉛にかなり近似したｈ′＋１
造をドア′つようになる。しかしながら、このＪ、うな
基吸法による炭素繊維は、ベーコンのグラフフィトウィ
スカーの強度（２０００結／細）に比べて穫めて低い７
００酌／−程度の強度しか持たない。本発明者はこの点
につさ検１．・１を！′Ｔ！ね１こ結果、気相法による
炭Ｔ？、繊紺（よ芯に相当する極めて細く結晶配向性に
優れた部分と、結晶配向性が相対的に低い部分（この部
分が大部分を占める）とから椙成されていることを突き
止めた。また、従来の気相法による炭素繊維は、マトリ
ックスと混合層るにはく４法が大き過ぎ、したがってさ
らに細かく切断１ノる必要があることも判明した。そこ
で本発明貨は、従来の基板に鉄昏ニッケルなどの超微粒
子触媒を形成させる手法に代えて、右■遷移金屈化合物
のガスを１由用して°電気炉空間に流動する超微粒子触
媒を形成往しめ、それにより流動下に炭素Ｉ！維を成長
させる製造方法を完成し、特願昭５８−１６２６０６号
として出願した（以下、この方法で製造した炭素繊維を
流動気相法炭素繊維と云う）。
さらに、本発明者は、この流動気相法炭素ｍ紺につきそ
の様械的特性などを鋭意検討した結果、従来の基板法に
よる炭素繊維と比較してそのプラスチック成形品の機械
的強度は著しく優れていることを突き止めた。ざらに、
従来の基板法による気相法炭素Ｖ＆紺と流動気相法炭素
繊維との間の義賊的強度の差巽につき、プラスチック成
形品（ＣＦＲＰ）の破所面のＳＥＭ（スキャニング エ
レクトロンマイクロスコープ）による観察、およびｆｉ
ｌＪ生ｔｆｉ細炭素［雑のＴＥＭ（トランスミツシコン
エレクトロン マイクロスコープ）による観察を行なっ
た結果、直径が小さく、比表面積が大きく、破砕面を有
しない創生微細炭素繊維であること、および、従来の気
相法による炭Ｍ繊維に比較して芯の部分の比率が汎しく
大ぎいことが性能向上の原因であることが判明した。
の様械的特性などを鋭意検討した結果、従来の基板法に
よる炭素繊維と比較してそのプラスチック成形品の機械
的強度は著しく優れていることを突き止めた。ざらに、
従来の基板法による気相法炭素Ｖ＆紺と流動気相法炭素
繊維との間の義賊的強度の差巽につき、プラスチック成
形品（ＣＦＲＰ）の破所面のＳＥＭ（スキャニング エ
レクトロンマイクロスコープ）による観察、およびｆｉ
ｌＪ生ｔｆｉ細炭素［雑のＴＥＭ（トランスミツシコン
エレクトロン マイクロスコープ）による観察を行なっ
た結果、直径が小さく、比表面積が大きく、破砕面を有
しない創生微細炭素繊維であること、および、従来の気
相法による炭Ｍ繊維に比較して芯の部分の比率が汎しく
大ぎいことが性能向上の原因であることが判明した。
（発明の目的）
従って、本発明の目的は、従来の炭素［ｉｌ＋より著し
く機械的強度に優れかつアスベク［−比および比表面積
の大きい理想的構造を（Ｊりる炭素繊維を提供すること
である。
く機械的強度に優れかつアスベク［−比および比表面積
の大きい理想的構造を（Ｊりる炭素繊維を提供すること
である。
上記目的を達成りるため、本発明の炭素繊維は直径０．
０１〜０．５珈Ｊ５よび７スベクト比２〜３０，０００
を有するｆｌ生微ＯＩ炭素繊維であることを特徴とする
。また、前記炭素繊維においＣ，熱分解炭素層の厚みか
直径の２０％以下であることを特徴と４るう本明細書に
おいて、「熱分解炭素芒」という用語は、気相法による
炭素繊維の芯部外の乱層構造層を意味する。１なわら、
気相法による炭素繊維は最初に芯のみの長さ成長が起こ
り、次いで芯の周囲に炭化水素の熱分解沈積層が形成さ
れる。従来の基板法による炭素繊維は殆どの部分がこの
熱分解炭素の沈積層よりなる乱層構造層で構成される。
０１〜０．５珈Ｊ５よび７スベクト比２〜３０，０００
を有するｆｌ生微ＯＩ炭素繊維であることを特徴とする
。また、前記炭素繊維においＣ，熱分解炭素層の厚みか
直径の２０％以下であることを特徴と４るう本明細書に
おいて、「熱分解炭素芒」という用語は、気相法による
炭素繊維の芯部外の乱層構造層を意味する。１なわら、
気相法による炭素繊維は最初に芯のみの長さ成長が起こ
り、次いで芯の周囲に炭化水素の熱分解沈積層が形成さ
れる。従来の基板法による炭素繊維は殆どの部分がこの
熱分解炭素の沈積層よりなる乱層構造層で構成される。
この乱層構造層は、芯部弁と比較してかなり結晶性が悪
いため殿械的性質も貧弱である。したがって、気相法に
よる炭素繊維においては、熱分解沈積層が少ないほど構
造材料として好ましいことになる。本発明の流動気相法
による炭素ｍ維においては、乱層構造層が直径の０〜２
０％と極めて薄いため、その機械的強度は２９００℃以
上での熱処理によりベーコンのグラフフィト「クィスカ
ーの強度に匹敵するものとなる。アスペクト比は一般に
大きいこと（ずなわち繊維が長いこと）が好ましいが、
成る一定値以上になれば１ＩＥＩｆｆの特性に大差がな
くなる。この一定値はマトリックスと［ｔとの接着力に
より決定され、マトリックスと繊維との単位面積当りの
接着強度が繊維の引張強度と等しくなるような理想状態
では２（本発明における下限１ａ’ｉ ）となる。一般
には、繊維強ｊすに比較し接着強度が低いため１００以
上のアスペクト比が好ましい。本発明にＪ、る炭素繊維
は、マトリックスとの接着性に合わせて２〜３０．００
０のアスペクト比を右する。また、直径は０．０１〜０
，５伽であって、従来の気相法による炭素繊維に比較し
著しく細いため、一定アスペクト比を維持づるのに長さ
が短くてすむ。したがって、コンポジットとした場合、
マＩ・リツクスと［との間のひずみが極めて少なく、そ
の結果マトリックスの破壊を生じにくいという利点を右
する。さらに、マトリックスの破壊はＩＩのカット部分
など鋭利な部分ひ生じ易いが、本発明による炭素１１１
１１は破砕面やカット面を持たない創生微細炭素繊維で
あるため、マトリックスの破壊を極めて起こしにくいと
いう有利な特徴を右する。かくして、本発明による創生
微細炭素繊維は複合材料用どして理想的な素材であると
云える。
いため殿械的性質も貧弱である。したがって、気相法に
よる炭素繊維においては、熱分解沈積層が少ないほど構
造材料として好ましいことになる。本発明の流動気相法
による炭素ｍ維においては、乱層構造層が直径の０〜２
０％と極めて薄いため、その機械的強度は２９００℃以
上での熱処理によりベーコンのグラフフィト「クィスカ
ーの強度に匹敵するものとなる。アスペクト比は一般に
大きいこと（ずなわち繊維が長いこと）が好ましいが、
成る一定値以上になれば１ＩＥＩｆｆの特性に大差がな
くなる。この一定値はマトリックスと［ｔとの接着力に
より決定され、マトリックスと繊維との単位面積当りの
接着強度が繊維の引張強度と等しくなるような理想状態
では２（本発明における下限１ａ’ｉ ）となる。一般
には、繊維強ｊすに比較し接着強度が低いため１００以
上のアスペクト比が好ましい。本発明にＪ、る炭素繊維
は、マトリックスとの接着性に合わせて２〜３０．００
０のアスペクト比を右する。また、直径は０．０１〜０
，５伽であって、従来の気相法による炭素繊維に比較し
著しく細いため、一定アスペクト比を維持づるのに長さ
が短くてすむ。したがって、コンポジットとした場合、
マＩ・リツクスと［との間のひずみが極めて少なく、そ
の結果マトリックスの破壊を生じにくいという利点を右
する。さらに、マトリックスの破壊はＩＩのカット部分
など鋭利な部分ひ生じ易いが、本発明による炭素１１１
１１は破砕面やカット面を持たない創生微細炭素繊維で
あるため、マトリックスの破壊を極めて起こしにくいと
いう有利な特徴を右する。かくして、本発明による創生
微細炭素繊維は複合材料用どして理想的な素材であると
云える。
以下、本発明に係る気相法による微細炭素繊維の実施例
につき詳細に説明する。
につき詳細に説明する。
実施例１
気相法による創生微細炭素繊維の製造
ベンゼンとフェロセンとをそれぞれ別々の容器中で加熱
ガス化させ、水素ボンベと窒素ボンベとからそれぞれガ
スを導出させて水素：窒素：ベンゼン：フェロセンの比
を８２．７：７．５：８．６：１．２としがっ総流伍を
６６５ｄ／ｍｉｎ （０℃、’ｌ ａｔｌ換算）トシ
、この混合ガスを内径５２＃ｌがっ１０７０℃の均熱部
３００ｍの反応管に連続的に流動通過させた。その結果
、直径０．２ａ＋がっ平均長ざ５２伽であり、さらに直
径の５％の熱分解沈積層厚さを有する創生微細ＦＡ素ｌ
ｌｆｆが１９られた。
ガス化させ、水素ボンベと窒素ボンベとからそれぞれガ
スを導出させて水素：窒素：ベンゼン：フェロセンの比
を８２．７：７．５：８．６：１．２としがっ総流伍を
６６５ｄ／ｍｉｎ （０℃、’ｌ ａｔｌ換算）トシ
、この混合ガスを内径５２＃ｌがっ１０７０℃の均熱部
３００ｍの反応管に連続的に流動通過させた。その結果
、直径０．２ａ＋がっ平均長ざ５２伽であり、さらに直
径の５％の熱分解沈積層厚さを有する創生微細ＦＡ素ｌ
ｌｆｆが１９られた。
比較例１
従来の気相法による炭素繊維の製造
１００人のＦｅ超微粒子（真空冶金駄より入手）１グを
１１！のアルコール中に懸濁し、ぞの上澄液をアルミナ
基板上にｒＱ霧して乾燥し、５２φＸ１７００ｍの反応
管内に収納し、１０７０℃にてベンゼン：水素−２，２
：１００の混合ガスを５時間導入して平均直径７肉、平
均長さ４ ｃｍかつ直径に対でる熱分解炭素層の厚みの
比９０％を有する炭素繊維をアルミナ基板上に得た。基
板から炭素繊維を分離し、長さ２ ｃｒｙにカットして
供試料とした。
１１！のアルコール中に懸濁し、ぞの上澄液をアルミナ
基板上にｒＱ霧して乾燥し、５２φＸ１７００ｍの反応
管内に収納し、１０７０℃にてベンゼン：水素−２，２
：１００の混合ガスを５時間導入して平均直径７肉、平
均長さ４ ｃｍかつ直径に対でる熱分解炭素層の厚みの
比９０％を有する炭素繊維をアルミナ基板上に得た。基
板から炭素繊維を分離し、長さ２ ｃｒｙにカットして
供試料とした。
実施例２
実施例１および比較例１で得られた炭素繊維をそれぞれ
Ｊ１５．に−７１１３に従う引張試験法により試験した
。引張試験は次の条件で行なった： （１）マトリックスグラスデック：シェアケミカル社製
のエポキシエビコート８２８の１００虫ｍ部に対し５ｍ
Φ部のＢＦ３ＭＥＡを混合したものを使用した： （２）炭素繊維の表面処理：アルゴンガス雰囲気中で２
９００℃にて３０分間熱処理した後、リフラックス類ｔ
ｉｌｌ Ｍで１０時間にわたり表面処理した； ｉ３） ｖｆ （複合材料中の械雑の占める体積；１合
２３０％ ； （１１） Ｊｔ）２化法：１２５°Ｃ／、＋Ｍ）Ｊｆカ
１０８９／ｍｔＡＵ）条（′；下で１時間硬化させた。
Ｊ１５．に−７１１３に従う引張試験法により試験した
。引張試験は次の条件で行なった： （１）マトリックスグラスデック：シェアケミカル社製
のエポキシエビコート８２８の１００虫ｍ部に対し５ｍ
Φ部のＢＦ３ＭＥＡを混合したものを使用した： （２）炭素繊維の表面処理：アルゴンガス雰囲気中で２
９００℃にて３０分間熱処理した後、リフラックス類ｔ
ｉｌｌ Ｍで１０時間にわたり表面処理した； ｉ３） ｖｆ （複合材料中の械雑の占める体積；１合
２３０％ ； （１１） Ｊｔ）２化法：１２５°Ｃ／、＋Ｍ）Ｊｆカ
１０８９／ｍｔＡＵ）条（′；下で１時間硬化させた。
ズ験の結果を、下記第１表に示す。
第１表
＊σｎ−１＝標ｉ％を偏差
実施例３
実施例１で得たΩ１生微細炭素謀雑（２９゜０℃にて熱
処理〉を日立製作所Ｈ−８００型電子顕微鏡により内部
構造観察し７．−結果、表皮（熱分解炭素層）の割合は
約５９６であった。
処理〉を日立製作所Ｈ−８００型電子顕微鏡により内部
構造観察し７．−結果、表皮（熱分解炭素層）の割合は
約５９６であった。
本発明による炭素繊維の形状を電−ｆ−顕做鋭Ｃ゛観察
すると、繊維軸方向に平（１イ１■１線の格子像が見ら
れ、これは完全４１グラノｉ・イ１−甲結晶類似のＷ４
造を示している。織組の表面に拳、Ｉ熱分解炭素層偵層
が存在し、格子が乱れた乱層溝造層を形成している。従
来の気相法（二、１、る炭素域ｉｌｌに、（３いては乱
層ｉＭ ｉＬ唐が大部分ろ占めでいるが、本発明による
炭素繊維μ、ｓ＋、 ｈ゛・７構造層が大幅に減少して
いる。
すると、繊維軸方向に平（１イ１■１線の格子像が見ら
れ、これは完全４１グラノｉ・イ１−甲結晶類似のＷ４
造を示している。織組の表面に拳、Ｉ熱分解炭素層偵層
が存在し、格子が乱れた乱層溝造層を形成している。従
来の気相法（二、１、る炭素域ｉｌｌに、（３いては乱
層ｉＭ ｉＬ唐が大部分ろ占めでいるが、本発明による
炭素繊維μ、ｓ＋、 ｈ゛・７構造層が大幅に減少して
いる。
〔発明の効果］
本発明によれば、直径０．０１〜０゜５迦７スベクト比
２〜３０，０００である創生微細炭素繊維が得られる。
２〜３０，０００である創生微細炭素繊維が得られる。
該Ω１生微細炭木繊紺は熱分解炭素層の割合が従来より
？しく小さく、優れた１械的性質を有する。
？しく小さく、優れた１械的性質を有する。
Claims (3)
- （１）直径０．０１〜０．５μｍおよびアスペクト比２
〜３０，０００を有する創生微細炭素繊維。 - （２）熱分解炭素層の厚みが直径の２０％以下である特
許請求の範囲第１項記載の創生微細炭素繊維。 - （３）出発気体材料の流動下に気相法で成長させた特許
請求の範囲第１項記載の創生微細炭素繊維。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19172184A JPS6170014A (ja) | 1984-09-14 | 1984-09-14 | 流動法気相成長炭素繊維 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19172184A JPS6170014A (ja) | 1984-09-14 | 1984-09-14 | 流動法気相成長炭素繊維 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6170014A true JPS6170014A (ja) | 1986-04-10 |
| JPH0536521B2 JPH0536521B2 (ja) | 1993-05-31 |
Family
ID=16279371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19172184A Granted JPS6170014A (ja) | 1984-09-14 | 1984-09-14 | 流動法気相成長炭素繊維 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6170014A (ja) |
Cited By (12)
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| JPH0280398A (ja) * | 1988-09-12 | 1990-03-20 | Nkk Corp | ウィスカー状炭素繊維 |
| JPH02198826A (ja) * | 1989-01-26 | 1990-08-07 | Toray Ind Inc | 炭素繊維補強樹脂複合材料およびその製造方法 |
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-
1984
- 1984-09-14 JP JP19172184A patent/JPS6170014A/ja active Granted
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| JPH0536521B2 (ja) | 1993-05-31 |
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