WO2018030413A1 - 炭素繊維シート及び炭素繊維シートの製造方法 - Google Patents

炭素繊維シート及び炭素繊維シートの製造方法 Download PDF

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裕一 堀
和秀 松尾
青木 誠志
米澤 諭
秀俊 内海
泰郎 勝山
丈弘 麥島
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a carbon fiber sheet used as an electrode for a secondary battery, a capacitor, a fuel cell, etc., and a method for producing the carbon fiber sheet.
  • a carbon fiber sheet made of a sheet-like carbon fiber has been used as an electrode for a secondary battery or a fuel cell. This is because carbon fiber has electrical conductivity and is suitable for an electrode because of its large specific surface area.
  • a carbon fiber sheet is generally prepared by impregnating a sheet made of carbon fiber with a thermosetting resin and firing the sheet (for example, see Patent Document 1).
  • This invention solves said subject and aims at providing the carbon fiber sheet manufactured more easily than before, and its manufacturing method.
  • the present invention is a method for producing a carbon fiber sheet, wherein the resin sheet is carbonized by heating the resin sheet to a carbonization temperature at a temperature rising rate of 15000 ° C./sec or more.
  • a method for producing a carbon fiber sheet including a fiberizing step is provided.
  • the resin is softened by exceeding the glass transition point by laser irradiation or the like. Thereafter, the decomposition of the resin starts, and gas is generated. It is estimated that the gas stretches the resin to be fiberized.
  • a carbon fiber sheet is obtained by performing gas generation, fiberization, and carbonization substantially simultaneously by performing a temperature increase rate at 15000 degrees C / sec or more. Thereby, a carbon fiber sheet can be manufactured more easily than before.
  • the resin sheet is irradiated with an energy ray having an output density of 130 W / mm 2 or more and an irradiation energy amount of 0.05 J / mm 2 or more. It is preferable to carbonize the sheet.
  • a resin sheet such as polyimide is irradiated with energy rays having an output density and an irradiation energy amount within the above-described ranges.
  • resin, such as a polyimide extends
  • resin-made sheets, such as a polyimide can be carbonized. Therefore, according to this invention, a carbon fiber sheet can be manufactured more easily than before.
  • the carbon fiber forming step it is preferable to irradiate energy rays having a power density of 150 W / mm 2 or more.
  • the output density of the energy rays with which the resin sheet such as polyimide is irradiated is 150 W / mm 2 or more.
  • the fiber diameter tends to decrease, and a carbon fiber sheet having a large specific surface area and a large pore volume can be produced.
  • the energy rays are irradiated in the air.
  • irradiation of energy rays to a resin sheet such as polyimide is performed in the atmosphere.
  • a carbon fiber sheet can be easily manufactured without using a vacuum apparatus or the like.
  • the resin constituting the resin sheet is preferably at least one selected from the group consisting of a polyimide resin, an epoxy resin, and a phenol resin.
  • the present invention provides a carbon fiber sheet in which at least a part of the resin sheet is carbonized. It is preferable that at least a part of the resin sheet is carbonized by being heated to a carbonization temperature at a heating rate of 15000 ° C./sec or more. Further, at least a part of the resin sheet is carbonized by being irradiated with energy rays having an output density of 130 W / mm 2 or more and an irradiation energy amount of 0.05 J / mm 2 or more. preferable. Moreover, it is preferable that at least a part of the resin sheet is carbonized by irradiation with energy rays having an output density of 150 W / mm 2 or more.
  • the said energy ray is irradiated in air
  • seats is at least 1 selected from the group which consists of a polyimide resin, an epoxy resin, and a phenol resin.
  • At least a part of the resin sheet is carbonized by being heated to a carbonization temperature at a heating rate of 15000 ° C./sec or more.
  • a carbon fiber sheet can be manufactured more easily than before.
  • FIG. 4 is a scanning electron micrograph of a carbon fiber sheet according to Example 4.
  • 6 is a scanning electron micrograph of a carbon fiber sheet according to Example 5.
  • 6 is a scanning electron micrograph of a carbon fiber sheet according to Example 6.
  • 6 is a scanning electron micrograph of a carbon fiber sheet according to Example 8.
  • 2 is a scanning electron micrograph of a carbon fiber sheet according to Example 11. It is a figure which shows reaction when the irradiation energy amount of the energy ray irradiated with respect to a polyimide resin sheet is small. It is a figure which shows reaction when the irradiation energy amount of the energy ray irradiated with respect to a polyimide resin sheet is large.
  • Example 2 is a scanning electron micrograph of a carbon fiber sheet according to Example 12. It is a scanning electron micrograph of the carbon fiber sheet concerning Example 13. It is a scanning electron micrograph of the carbon fiber sheet concerning Example 14. 18 is a scanning electron micrograph of a carbon fiber sheet according to Example 15. It is a schematic diagram which shows the relationship between temperature and the state of resin-made sheets.
  • the manufacturing method of the carbon fiber sheet which concerns on this embodiment includes the carbon fiber formation process which heats a resin-made sheet to the carbonization temperature by the temperature increase rate of 15000 degrees C / sec or more.
  • an energy ray having an output density of 130 W / mm 2 or more and an irradiation energy amount of 0.05 J / mm 2 or more is applied to a resin sheet such as polyimide.
  • a carbon fiber forming step of carbonizing the resin sheet such as polyimide is included.
  • the carbon fiber forming step of the present embodiment will be described in detail.
  • the resin constituting the resin sheet is not particularly limited as long as it is a thermosetting resin.
  • it is at least one selected from the group consisting of a polyimide resin, an epoxy resin, and a phenol resin.
  • the polyimide resin sheet a sheet-like member made of polyimide resin is used.
  • a commercially available polyimide resin sheet can be used.
  • “Kapton” (registered trademark) manufactured by DuPont, “Upilex” (registered trademark) of Ube Industries, Ltd., “Orum” of Mitsui Chemicals, Inc. "(Registered trademark) can be used.
  • “Midfil” (registered trademark) manufactured by Kurabo Industries can also be used.
  • a sheet-like member is used as the epoxy resin.
  • a commercially available epoxy resin can be used, for example, “AS-2600” manufactured by Hitachi Chemical.
  • a sheet-like member is used as the phenol resin.
  • a commercially available phenol resin can be used, for example, a paper base phenol resin made by Phutamura Chemical can be used.
  • a laser is preferably used.
  • the laser include a carbon dioxide laser and an excimer laser. Among these, a carbon dioxide laser is preferably used.
  • the method for producing a carbon fiber sheet of the present embodiment includes a carbon fiberizing step in which the resin sheet is heated to a carbonization temperature at a temperature increase rate of 15000 ° C./sec or more.
  • the resin is softened by exceeding the glass transition point by laser irradiation or the like. Thereafter, the decomposition of the resin starts, and gas is generated. It is estimated that the gas stretches the resin to be fiberized.
  • a carbon fiber sheet is obtained by performing gas generation, fiberization, and carbonization substantially simultaneously by performing a temperature increase rate at 15000 degrees C / sec or more. Thereby, a carbon fiber sheet can be manufactured more easily than before.
  • energy rays having an output density of 130 W / mm 2 or more and an irradiation energy amount of 0.05 J / mm 2 or more are irradiated.
  • seats, such as a polyimide irradiated with the laser are carbonized.
  • the output density is less than 130 W / mm 2 , a resin such as polyimide cannot be sufficiently carbonized. Further, if the irradiation energy amount is less than 0.05 J / mm 2 , a resin such as polyimide cannot be sufficiently carbonized.
  • a more preferable energy density of the energy beam is 150 W / mm 2 or more.
  • the lower limit value of the output density is 150 W / mm 2 (by increasing the lower limit value of the output density)
  • a carbon fiber sheet having a tendency to decrease the fiber diameter and having a large specific surface area and a large pore volume is obtained. Can be manufactured.
  • the carbon fiber formation process of this embodiment is performed in air
  • the resin constituting the resin sheet is at least one selected from the group consisting of a polyimide resin, an epoxy resin, and a phenol resin.
  • At least a part of the resin sheet is carbonized.
  • This carbon fiber sheet is preferably produced by the method for producing a carbon fiber sheet. Specifically, at least a part of the resin sheet is preferably carbonized by being heated to a carbonization temperature at a temperature increase rate of 15000 ° C./sec or more. Further, at least a part of the resin sheet is carbonized by being irradiated with energy rays having an output density of 130 W / mm 2 or more and an irradiation energy amount of 0.05 J / mm 2 or more. preferable.
  • resin sheet is carbonized by irradiation with energy rays having an output density of 150 W / mm 2 or more.
  • energy ray is irradiated in air
  • seats is at least 1 selected from the group which consists of a polyimide resin, an epoxy resin, and a phenol resin.
  • the resin sheet is heated to a carbonization temperature at a temperature rising rate of 15000 ° C./sec or more, and at least a part of the resin sheet is carbonized.
  • a carbon fiber sheet can be manufactured more easily than before because at least a part of the resin sheet is made into carbon fiber.
  • the carbon fiber sheet obtained in the carbon fiber forming process of the present embodiment has electrical conductivity and a large specific surface area. Therefore, this carbon fiber sheet is preferably used as an electrode for secondary batteries and fuel cells.
  • Kapton registered trademark, product number: 100 V, thickness: 25 ⁇ m
  • the polyimide resin sheet was irradiated with CO 2 laser (wavelength: 9.3 ⁇ m) in the air by a laser irradiation device.
  • the polyimide resin sheets were subjected to laser treatment under the conditions of power density, irradiation time and irradiation energy amount shown in the following table, and Examples 1 to 11 were obtained.
  • the polyimide resin sheet which does not perform a laser process was made into the comparative example 1.
  • Elemental analysis was performed by X-ray photoelectric spectroscopy on the surface of the polyimide resin sheet of Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 where the laser was irradiated (the surface of the sample in Comparative Example 1). The results are shown in the following table.
  • Nitrogen (N) was not detected, and it was confirmed that it was almost carbon (C). Therefore, it was found that the polyimide resin is carbonized by performing laser treatment under the conditions of an output density of 130 W / mm 2 or more and an irradiation energy amount of 0.05 J / mm 2 or more.
  • Specific surface area and pore volume Specific surface areas of the surfaces of the polyimide resin sheets of Examples 1 to 11 irradiated with laser were measured. For Examples 1 to 8, the pore volume was also measured. The results of measurement of specific surface area and pore volume are shown in the following table.
  • Example 5 As shown in Table 3, by measuring the specific surface area and pore volume, it was confirmed that the pore volume of Example 5 having the smallest power density among Examples was the smallest among Examples 1 to 8. It was. Further, it was confirmed that the specific surface area of Example 5 was the smallest among Examples 1 to 11.
  • the portions irradiated with the lasers of Example 1, Example 4, Example 5, Example 6, Example 8, and Example 11 are all in a carbon fiber form. It was confirmed that In addition, the fiber diameter tended to decrease as the output density was increased (as the lower limit value of the output density was increased).
  • Example 5 having the smallest output density among the examples, a part of the carbon fiber was confirmed (see FIG. 3).
  • Example 4 Example 6, Example 8, and Example 11 having a power density of 150 W / mm 2 or more, a film-like portion was not confirmed ( (See Figures 1-2 and 4-6)
  • FIG. 7 is a schematic view showing a reaction of polyimide when a laser treatment is performed on a polyimide resin sheet under a condition of low irradiation energy (for example, less than 130 W / mm 2 ).
  • FIG. 8 is a schematic view showing a reaction of polyimide when a laser treatment is performed on a polyimide resin sheet under a condition of high irradiation energy (for example, 130 W / mm 2 or more).
  • Example 5 The conditions for obtaining a carbon fiber sheet having a larger specific surface area and pore volume will be discussed.
  • the output density was small among the examples, and it was confirmed that the specific surface area of Example 5 was the smallest among the examples (see Table 2).
  • membrane form was confirmed by the carbon fiber of Example 5 (refer FIG. 3).
  • the carbon fibers of Examples 1, 4, 6, and 8 having a power density of 150 W / mm 2 or more a film-like portion was not confirmed (FIGS. 1-2). , See FIGS. 4-6). From these, it was confirmed that a carbon fiber sheet having a larger specific surface area can be obtained if the output density is 150 W / mm 2 or more.
  • Examples 1 to 18 showed that, if the resin sheet can be heated to the carbonization temperature at a temperature increase rate of 15000 ° C./sec or higher, regardless of the type of resin, the heated portion becomes carbon fiber.
  • the mechanism by which the heated portion is carbonized by heating the resin sheet to the carbonization temperature at a temperature increase rate of 15000 ° C./sec or higher will be considered.
  • Table 5 shown below is a table showing the relationship between the resin and its glass transition point.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the relationship between the temperature and the state of the resin sheet.
  • the curable resin does not liquefy even when heated, and is considered to decompose when heated.
  • the resin softens if the temperature of the portion irradiated with the laser exceeds the glass transition point. Thereafter, when the laser irradiation is continued, decomposition of the resin starts, gas is generated, and the resin sheet is considered to be carbon fiber by drawing the resin to be fiberized.
  • the resin sheet when the temperature of the resin sheet exceeds the glass transition point, the resin becomes rubbery, and when the temperature of the resin sheet exceeds the decomposition temperature, the resin decomposes (from the resin sheet). Gas is generated).
  • the decomposition temperature reaches from the glass transition point in a short time, and the rubbery resin and gas coexist. It becomes the condition of. If the resin sheet can be heated at a temperature increase rate of 15000 ° C./sec or more, the glass transition point to the decomposition temperature can be reached in a very short time. Therefore, it is considered that rubbery resin and gas can coexist. Therefore, regardless of the type of resin, if the resin sheet can be heated to the carbonization temperature at a temperature increase rate of 15000 ° C./sec or more, the heated portion is considered to become carbon fiber.

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Abstract

従来よりも容易に製造される炭素繊維シート及びその製造方法を提供すること。 炭素繊維シートの製造方法であって、樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱することで、樹脂製シートを炭素繊維化する炭素繊維化工程を含む炭素繊維シートの製造方法である。炭素繊維化工程において、樹脂製シートに対して、出力密度が130W/mm以上であり且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上であるエネルギー線を照射することが好ましい。

Description

炭素繊維シート及び炭素繊維シートの製造方法
 本発明は、二次電池、キャパシタ及び燃料電池等の電極として利用される炭素繊維シート及び炭素繊維シートの製造方法に関する。
 従来、二次電池や燃料電池等の電極として、シート状の炭素繊維からなる炭素繊維シートが用いられている。炭素繊維は電気伝導性を備えるとともに、比表面積が大きいため電極に適しているからである。
 炭素繊維シートは、一般的に炭素繊維を抄造したシートに熱硬化性樹脂を含浸した後、焼成することにより作成される(例えば、特許文献1参照)。
特開2002-270191号公報
 ところが、上記のような従来の方法では、炭素繊維の抄造や焼成など、多くの工程が必要であり、炭素繊維シートを得るために時間とコストがかかっていた。
 本発明は、上記の課題を解決するものであり、従来よりも容易に製造される炭素繊維シート及びその製造方法を提供することを目的とする。
 上記目的を達成するため本発明は、炭素繊維シートの製造方法であって、樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱することで前記樹脂製シートを炭素繊維化する炭素繊維化工程を含む炭素繊維シートの製造方法を提供する。
 本発明では、レーザー照射などによりガラス転移点を超えることにより、樹脂は軟化する。その後、樹脂の分解が始まり、ガスが発生し、そのガスが樹脂を延伸させて繊維化させると推定される。昇温速度を15000℃/  sec以上で行うことでガス発生・繊維化・炭化がほぼ同時に行われることにより、炭素繊維シートが得られる。これにより、従来よりも容易に炭素繊維シートを製造できる。
 前記炭素繊維化工程において、前記樹脂製シートに対して、出力密度が130W/mm以上であり且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上であるエネルギー線を照射することで、前記樹脂製シートを炭素繊維化することが好ましい。
 この発明では、ポリイミド等の樹脂製シートに対して、上述の範囲内の出力密度及び照射エネルギー量のエネルギー線を照射する。これにより、ポリイミド等の樹脂が延伸して炭化されることで、ポリイミド等の樹脂製シートを炭素繊維化できる。従って、本発明によれば、従来よりも容易に炭素繊維シートを製造できる。
 前記炭素繊維化工程において、前記出力密度が150W/mm以上であるエネルギー線を照射することが好ましい。
 この発明では、ポリイミド等の樹脂製シートに対して照射するエネルギー線の出力密度を150W/mm以上とする。このように出力密度の下限値を大きくすることで、繊維径が小さくなる傾向が見られ、比表面積が大きく細孔容積の大きな炭素繊維シートを製造できる。
 前記炭素繊維化工程において、前記エネルギー線の照射を大気中で行うことが好ましい。
 この発明では、ポリイミド等の樹脂製シートに対するエネルギー線の照射を、大気中で実行する。これにより、真空装置等を用いることなく容易に炭素繊維シートを製造できる。
 前記樹脂製シートを構成する樹脂は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂からなる群より選択される少なくとも1つであることが好ましい。
 この発明では、これらの樹脂製シートに対して、樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱することにより、従来よりも容易に炭素繊維シートを製造できる。
 更に上記目的を達成するため本発明は、樹脂製シートの少なくとも一部が炭素繊維化した炭素繊維シートを提供する。前記樹脂製シートの少なくとも一部は、昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱されることによって炭素繊維化したことが好ましい。また、前記樹脂製シートの少なくとも一部は、出力密度が130W/mm以上であり且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上であるエネルギー線が照射されることによって炭素繊維化したことが好ましい。また、前記樹脂製シートの少なくとも一部は、出力密度が150W/mm以上であるエネルギー線が照射されることによって炭素繊維化したことが好ましい。また、前記エネルギー線は、大気中で照射されることが好ましい。また、前記樹脂製シートを構成する樹脂は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂からなる群より選択される少なくとも1つであることが好ましい。
 この発明では、例えば昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱されることによって、樹脂製シートの少なくとも一部が炭素繊維化される。これにより、炭素繊維シートを従来よりも容易に製造することができる。
 本発明によれば、従来よりも容易に製造される炭素繊維シート及びその製造方法を提供することができる。
実施例1に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 実施例4に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 実施例5に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 実施例6に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 実施例8に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 実施例11に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 ポリイミド樹脂製シートに対して照射するエネルギー線の照射エネルギー量が小さい場合の反応を示す図である。 ポリイミド樹脂製シートに対して照射するエネルギー線の照射エネルギー量が大きい場合の反応を示す図である。 実施例12に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 実施例13に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 実施例14に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 実施例15に係る炭素繊維シートの走査電子顕微鏡写真である。 温度と樹脂製シートの状態との関係を示す模式図である。
 以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において適宜変更を加えて実施することができる。
 本実施形態に係る炭素繊維シートの製造方法は、樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱する炭素繊維化工程を含む。本実施形態では、炭素繊維化工程において、ポリイミド等の樹脂製シートに対して、出力密度が130W/mm以上であり且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上であるエネルギー線を照射することで、前記ポリイミド等の樹脂製シートを炭素繊維化する炭素繊維化工程を含む。以下、本実施形態の炭素繊維化工程について、詳しく説明する。
 樹脂製シートを構成する樹脂は、熱硬化性樹脂であれば特に限定されないが、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂からなる群より選択される少なくとも1つである。
 ポリイミド樹脂製シートとしては、ポリイミド樹脂からなるシート状の部材が用いられる。本実施形態では市販のポリイミド樹脂製シートを用いることができ、例えば、デュポン社製の「カプトン」(登録商標)、宇部興産株式会社の「ユーピレックス」(登録商標)、三井化学株式会社の「オーラム」(登録商標)を用いることができる。また、クラボウ製の「ミドフィル」(登録商標)を用いることもできる。
 エポキシ樹脂としてはシート状の部材が用いられる。本実施形態では市販のエポキシ樹脂を用いることができ、例えば、日立化成製の「AS-2600」を用いることができる。
 フェノール樹脂としてはシート状の部材が用いられる。本実施形態では市販のフェノール樹脂を用いることができ、例えば、フタムラ化学製の紙基材フェノール樹脂を用いることができる。
 エネルギー線としては、レーザーが好ましく用いられる。レーザーとしては、例えば、炭酸ガスレーザー、エキシマレーザー等が挙げられる。中でも、炭酸ガスレーザーが好ましく用いられる。
 本実施形態の炭素繊維シートの製造方法は、樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱する炭素繊維化工程を含む。レーザー照射などによりガラス転移点を超えることにより、樹脂は軟化する。その後、樹脂の分解が始まり、ガスが発生し、そのガスが樹脂を延伸させて繊維化させると推定される。昇温速度を15000℃/sec以上で行うことでガス発生・繊維化・炭化がほぼ同時に行われることにより、炭素繊維シートが得られる。これにより、従来よりも容易に炭素繊維シートを製造できる。
 本実施形態の炭素繊維化工程では、出力密度が130W/mm以上であり且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上であるエネルギー線を照射する。これにより、レーザーが照射されたポリイミド等の樹脂製シートが炭素繊維化される。
 出力密度が130W/mm未満であると、ポリイミド等の樹脂を十分に炭素繊維化することができない。また、照射エネルギー量が0.05J/mm未満であると、ポリイミド等の樹脂を十分に炭素繊維化することができない。
 より好ましいエネルギー線の出力密度は、150W/mm以上である。出力密度の下限値を150W/mmとすることにより(出力密度の下限値を大きくすることにより)、繊維径が小さくなる傾向が見られ、比表面積が大きく細孔容積の大きな炭素繊維シートを製造できる。
 また、本実施形態の炭素繊維化工程は、大気中で行われることが好ましい。即ち、ポリイミド等の樹脂製シートに対して、出力密度及び照射エネルギー量が上記範囲内のエネルギー線を大気中で照射することが好ましい。これにより、真空装置等を用いることなく容易に炭素繊維シートを製造できる。
 また、樹脂製シートを構成する樹脂は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂からなる群より選択される少なくとも1つである。これらの樹脂製シートに対して、樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱することで、従来よりも容易に炭素繊維シートを製造できる。
 本実施形態の炭素繊維シートは、樹脂製シートの少なくとも一部が炭素繊維化している。この炭素繊維シートは上記炭素繊維シートの製造方法によって製造されることが好ましい。具体的には、前記樹脂製シートの少なくとも一部は、昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱されることによって炭素繊維化したことが好ましい。また、前記樹脂製シートの少なくとも一部は、出力密度が130W/mm以上であり且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上であるエネルギー線が照射されることによって炭素繊維化したことが好ましい。また、前記樹脂製シートの少なくとも一部は、出力密度が150W/mm以上であるエネルギー線が照射されることによって炭素繊維化したことが好ましい。また、前記エネルギー線は、大気中で照射されることが好ましい。また、前記樹脂製シートを構成する樹脂は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂からなる群より選択される少なくとも1つであることが好ましい。
 このように、例えば昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱され、樹脂製シートの少なくとも一部が炭素繊維化される。樹脂製シートの少なくとも一部が炭素繊維化されることで、炭素繊維シートを従来よりも容易に製造することができる。
 本実施形態の炭素繊維化工程で得られる炭素繊維シートは、電気伝導性を備えるとともに、比表面積が大きい。そのため、この炭素繊維シートは、二次電池や燃料電池等の電極として好ましく用いられる。
 以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。
 ポリイミド樹脂製シートとして、カプトン(登録商標、品番100V、厚み25μm)を準備した。ポリイミド樹脂製シートに対し、レーザー照射装置によりCOレーザー(波長9.3μm)を大気中で照射した。次の表に示す出力密度、照射時間及び照射エネルギー量の条件で、ポリイミド樹脂製シートに対しレーザー処理を行い、実施例1~11とした。また、レーザー処理を行わないポリイミド樹脂製シートを比較例1とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
(元素分析)
 実施例1~8及び比較例1のポリイミド樹脂製シートのレーザーを照射した部分の表面(比較例1においては試料の表面)について、X線光電分光法により、元素分析を実施した。結果を次の表に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2に示すように、実施例1~8の元素分析により、出力密度が130W/mm以上、且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上という条件で、レーザーによる処理を受けた部分は窒素(N)が検出されず、ほぼ炭素(C)であることが確認された。そのため、出力密度が130W/mm以上、且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上という条件でレーザー処理を行うことにより、ポリイミド樹脂が炭化されることが分かった。
(比表面積及び細孔容積)
 実施例1~11のポリイミド樹脂製シートのレーザーを照射した部分の表面について、比表面積の測定を行った。また、実施例1~8については細孔容積の測定も行った。比表面積及び細孔容積の測定の結果を次の表に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表3に示すように、比表面積及び細孔容積の測定により、実施例の中で最も出力密度の小さい実施例5の細孔容積は、実施例1~8の中で最も小さいことが確認された。また、実施例5の比表面積は、実施例1~11の中で最も小さいことが確認された。
(SEM観察)
 実施例1、実施例4、実施例5、実施例6、実施例8、実施例11のポリイミド樹脂製シートのレーザーを照射した部分について、SEM観察を実施した。結果を図1~6に示す。
 図1~図6に示すように、実施例1、実施例4、実施例5、実施例6、実施例8及び実施例11のレーザーを照射した部分について、いずれも炭素が繊維状の形態になっていることが確認された。また、出力密度を高めるほど(出力密度の下限値を大きくするほど)繊維径が小さくなる傾向が見られた。
 実施例の中で最も出力密度の小さい実施例5の炭素繊維には、一部膜状になった部分が確認された(図3参照)。一方で、出力密度が150W/mm以上である実施例1、実施例4、実施例6、実施例8及び実施例11の炭素繊維には、膜状になった部分が確認されなかった(図1~2、図4~6参照)
(考察)
 ポリイミド樹脂製シートに対し、レーザー処理を行うことにより、レーザーを照射した部分が炭素繊維化する機序について、考察する。図7は、ポリイミド樹脂製シートに対し、照射エネルギーが小さい条件(例えば、130W/mm未満)で、レーザー処理を行った場合のポリイミドの反応を示す模式図である。図8は、ポリイミド樹脂製シートに対し、照射エネルギーが大きい条件(例えば、130W/mm以上)で、レーザー処理を行った場合のポリイミドの反応を示す模式図である。
 図7に示すように、レーザーの照射エネルギーが小さいと、脂肪族炭化水素が発生するなど分子構造内の水素(H)や窒素(N)の脱離が進まず、結果として炭素化(グラファイト化)ならびに繊維化が進まない。一方で、図8に示すように、ポリイミド樹脂製シートに対し、高エネルギーを短時間で与えた場合、ポリイミドに含まれる水素(H)、窒素(N)や酸素(O)等が脱離する。水素、窒素や酸素等が脱離する際にポリイミド樹脂が延伸し、レーザーを照射した部分に繊維状のグラファイトが形成される。このように、照射エネルギーが大きい条件(例えば、130W/mm以上)で、レーザー処理を行うことにより、レーザーを照射した部分が炭素繊維化する。
 比表面積及び細孔容積がより大きい炭素繊維シートを得るための条件について、考察する。実施例5は、実施例の中で出力密度が小さく、実施例5の比表面積は実施例の中で最も小さいことが確認された(表2参照)。また、実施例5の炭素繊維には、一部膜状になった部分が確認された(図3参照)。一方で、出力密度が150W/mm以上である実施例1、実施例4、実施例6及び実施例8の炭素繊維には、膜状になった部分が確認されなかった(図1~2、図4~6参照)。これらのことから、出力密度が150W/mm以上であれば、比表面積がより大きい炭素繊維シートを得られることが確認された。
 ポリイミド樹脂製シートとして、ミドフィル(登録商標)と、ユーピレックス(登録商標)とを準備し、エポキシ樹脂製シートとして、AS-2600W(日立化成製)を準備し、フェノール樹脂製(ベークライト)シートとして紙基材フェノール樹脂(フタムラ化学製)を準備した。これらの樹脂製シートに対し、レーザー照射装置によりCOレーザー(波長9.3μm)を大気中で照射した。次の表に示す出力密度、照射時間及び照射エネルギー量の条件で、ポリイミド樹脂製シートに対しレーザー処理を行い、実施例12~18とした。なお、実施例12~18において、いずれも昇温速度が15000℃/sec以上であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
(SEM観察)
 実施例12~18の樹脂製シートのレーザーを照射した部分について、SEM観察を実施した。実施例12~15の結果を図9~12に示す。図9~図12に示すように、実施例12、実施例13、実施例14、実施例15のレーザーを照射した部分について、いずれも炭素が繊維状の形態になっていることが確認された。また、実施例14よりも実施例12、実施例13、実施例15の方が、繊維化が進んでいる傾向が見られた。なお、実施例16~18(不図示)においても炭素が繊維状の形態になっていることが確認された。
(考察)
 実施例1~18により、樹脂の種類によらず、樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱することができれば、加熱した部分が炭素繊維化することが示された。樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱することにより、加熱した部分が炭素繊維化する機序について、考察する。以下に示す表5は、樹脂とそのガラス転移点等との関係を示した表である。また、図13は、温度と樹脂製シートの状態との関係を示す模式図である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 表5に示したように、硬化性樹脂は、一度硬化すると、加熱しても液化することはなく、加熱を続けると分解すると考えられる。樹脂にレーザーを照射する場合、レーザーを照射する部分の温度がガラス転移点を越えると樹脂は軟化すると考えられる。その後、レーザー照射を続けると樹脂の分解が始まり、ガスが発生し、ガスが樹脂を延伸し繊維化することで、樹脂製シートが炭素繊維化すると考えられる。
 図12に示したように、樹脂製シートの温度がガラス転移点を上回ると、樹脂はゴム状になり、更に樹脂製シートの温度が分解温度を上回ると、樹脂は分解する(樹脂製シートからガスが発生する)。ガスが樹脂を延伸することで、樹脂製シートが炭素繊維化するためには、ガラス転移点から、分解温度が短時間で到達し、ゴム状の樹脂とガスが共存していることが繊維化の条件となる。そして、昇温速度15000℃/sec以上で樹脂製シートを加熱することができれば、ガラス転移点から、分解温度までが極めて短い時間で到達できることになる。そのため、ゴム状の樹脂とガスが共存できると考えられる。従って、樹脂の種類によらず、樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱することができれば、加熱した部分が炭素繊維化すると考えられる。

Claims (11)

  1.  炭素繊維シートの製造方法であって、
     樹脂製シートを昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱することで前記樹脂製シートを炭素繊維化する炭素繊維化工程を含む炭素繊維シートの製造方法。
  2.  前記炭素繊維化工程において、前記樹脂製シートに対して、出力密度が130W/mm以上であり且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上であるエネルギー線を照射することで、前記樹脂製シートを炭素繊維化する請求項1に記載の炭素繊維シートの製造方法。
  3.  前記炭素繊維化工程において、前記出力密度が150W/mm以上であるエネルギー線を照射する請求項2に記載の炭素繊維シートの製造方法。
  4.  前記炭素繊維化工程において、前記エネルギー線の照射を大気中で行う請求項2又は3に記載の炭素繊維シートの製造方法。
  5.  前記樹脂製シートを構成する樹脂は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂からなる群より選択される少なくとも1つである請求項1~4のいずれかに記載の炭素繊維シートの製造方法。
  6.  樹脂製シートの少なくとも一部が炭素繊維化した炭素繊維シート。
  7.  前記樹脂製シートの少なくとも一部は、昇温速度15000℃/sec以上で炭化温度まで加熱されることによって炭素繊維化した請求項6に記載の炭素繊維シート。
  8.  前記樹脂製シートの少なくとも一部は、出力密度が130W/mm以上であり且つ照射エネルギー量が0.05J/mm以上であるエネルギー線が照射されることによって炭素繊維化した請求項7に記載の炭素繊維シート。
  9.  前記樹脂製シートの少なくとも一部は、出力密度が150W/mm以上であるエネルギー線が照射されることによって炭素繊維化した請求項8に記載の炭素繊維シート。
  10.  前記エネルギー線は、大気中で照射される請求項8又は9記載の炭素繊維シート。
  11.  前記樹脂製シートを構成する樹脂は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂からなる群より選択される少なくとも1つである請求項6~10のいずれかに記載の炭素繊維シート。
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