JPH02269810A

JPH02269810A - 有機質部を有する炭素繊維

Info

Publication number: JPH02269810A
Application number: JP1086961A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nakatani; 雅行中谷; Taichi Imanishi; 今西　太一
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1989-04-07
Filing date: 1989-04-07
Publication date: 1990-11-05

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】（産業上の利用分野）本発明は、有機質部を有する炭素繊維に関し、さらに詳
しくは、有機質部を有する種線の気相法炭素繊維に関す
るものである。

（従来の技術）炭素繊維は、その優れた機械的物性から各種の複合材料
に活用され、近年急速に需要が伸びつつある。しかし、
従来の炭素繊維は、有機繊維を焼成し炭化させる等複雑
な工程により製造されており、コスト面で限界があった
。これに対し、炭化水素類を熱分解させ気相反応によっ
て基板上に炭素繊維を生成させる方法が試みられている
。

さらに、本発明者らは、炭化水素類を特定の有機系の金
属化合物及びキャリアガスと共に高温反応させることに
よって、基板上ではなく空間内で炭素繊維を合成するこ
とに成功した。この方法は簡便な方法であり、工業的に
価値の高い方法である。

ここで得られる炭素繊維は特異な構造を有し結晶性、配
向性に優れ、それ故に、優れた機械的特性、電気的特性
、あるいは電極材などへの適性を有し、実用化が期待さ
れる。しかしながら、このような構造上の完璧性故に、
他の材料、例えば、樹脂やゴムとの接着性やぬれが悪く
、また、樹脂やゴムとの複合の際、微小部分への均一な
分散が容易でなかった。

（発明が解決しようとする課題）本発明の目的は、樹脂やゴムとの複合材を作成する際に
、樹脂やゴムとの接着性やぬれがよく、複合材の微少な
部分への分散を著しく改善することのできる炭素繊維を
提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、上記炭素繊維の表面を改質する観点から
鋭意研究を重ねた結果、本発明に到達した。

すなわち本発明は、繊維直径が０．０１〜４μｍであっ
て、該繊維表面に溶剤抽出可能な有機質部を０．１〜５
ｗｔ％有することを特徴とする炭素繊維である。

本発明において、炭素繊維は、直径が０．０１〜４μｍ
であり、好ましくは０．０１〜２μｍ１特に好ましくは
０．０３〜１μｍである。繊維の長さは特に制限がない
が、補強材として用いる場合には長い方が好ましく、繊
維の長さ（Ｌ）／繊維径（Ｄ）が１０以上、特に５０以
上が好ましい。

一方、射出成形等により微小な複合材の補強材として用
いる場合、繊維の長さが長すぎると母材への均一分散が
容易ではないため、繊維のＬ／Ｄは１０００以下特に５
００以下が好ましく用いられる。

本発明の炭素繊維は、電子顕微鏡で観察すると、芯の部
分とこれを取りまく一見して年輪状の炭素層からなる特
異な形状を有している気相成長法で形成される繊維であ
り、炭素層は黒鉛又は黒鉛に容易に転化しうる性質を有
する。すなわち本発明でいう炭素繊維とは、気相成長法
で形成された炭素繊維やこれを熱処理して得られる黒鉛
に近い繊維などを総称した炭素繊維である。

本発明の炭素繊維は金属を含有していてもよいが、樹脂
と複合化した場合、樹脂によっては金属による劣化が生
ずるため、その含有量は少ない方が好ましく、炭素繊維
に対して１ｗｔ％以下、特に０．５ｗｔ％以下が好まし
い。

本発明において有機質部とは、溶剤（例えば、ベンゼン
、トルエン、キノリン等）によるソックスレー抽出が可
能な物質であり、常温常圧下においては固体状の物質で
ある。

該有機質部は主に炭素と水素からなり、樹脂やゴムへの
分散性やぬれ性、接着性をより向上させるには、炭素と
水素との合計した割合が該有機質部会重量の９０ｗｔ％
以上、特に９８ｗｔ％以上とするのが好ましい。また、
炭素と水素以外の元素の種類は、特に制限されないが、
金属元素を含有すると母材によっては劣化現象が生じる
ため、金属元素の含有量は１ｗｔ％以下、特に０．５％
１ｔ％以下が好ましい。金属以外の元素は母材に応じて
種々含有していてもよく、ハロゲンやＮ、０．Ｓ等電子
吸引性の元素は、母材との分散性、ぬれ性、接着性の観
点から含有していても良く、有機質部会重量の内１０ｗ
ｔ％以下であればよく、特に０．００５〜２ｗｔ％の範
囲が好ましい。

本発明において該有機質部は、混合物であるのが好まし
く、ベンゼンとキノリンを用いた分別抽出によるベンゼ
ン可溶成分（ＢＳ）とベンゼン不溶−キノリン可溶成分
（Ｂｌ−ＱＳ）との混合物を含有するのが好ましい。こ
れらの内、該有機質部の全重量に対して、ＢＳ成分が１
０〜９５−１％特に２０〜９０−ｔ％が好ましく、Ｂｌ
−ＱＳ成分は３〜９０−ｔ％、特に５〜８０ｗｔ％であ
るのが好ましい。このような混合物とすることによって
、樹脂やゴムへの分散性、ぬれ性、接着性をさらに向上
させることができる。

一般的にＢＳ成分は、平均分子量がおよそ５００以下で
あり、ＢＩ−ＱＳ成分はおよそ３００〜２０００である
ことが知られている。ＢＳ成分やＢｌ−ＱＳ成分の量を
コントロールすることによって樹脂やゴムへの分散性や
ぬれ性、接着性がさらに向上する理由は明確ではないが
、樹脂やゴムへ炭素繊維を複合化する際に、樹脂やゴム
と、それらに対してぬれ性の悪い炭素繊維との仲介役と
して大きな役割をはたしていると思われる。

本発明の有機質部の水素においては、’Ｉｔ−ＮＭＲに
よる水素（プロトン）の積分比から求めた芳香族水素と
脂肪族水素との比が、１：０．３〜１：４の範囲が好ま
しい、このような割合の水素（プロトン）とすることに
より、樹脂やゴムへの分散性、ぬれ性、接着性をより向
上させることができる。

本発明の有機質部は、Ｎ２雰囲気中、１００°Ｃで１時
間放置することによる重量減少量が、有機質部会重量に
対して２０−１％以下、特に５ｗｔ％以下であることが
好ましい。低沸点物が多すぎると、複合材としたときの
機械物性が低下する傾向にある。

本発明の炭素繊維は、該有機質部を炭素繊維の表面に有
し、その量は炭素繊維に対して０．１〜５．０ｗｔ％で
あり、特に０．５〜３．０ｗｔ％が好ましい。

有機質部が多いと、複合材としたときの機械物性が低下
する。有機質部は、炭素繊維の表面に均一に有する方が
より好ましい。

本発明の有機質部を有する炭素繊維を製造する方法とし
ては、気相法による方法や液相法による方法がある。気
相法による方法としては、気相成長法で作製した直径が
ｏ、ｏｉ〜４μｍの炭素繊維を４００°Ｃ以下の雰囲気
に設置し、これに炭化水素の熱分解を不完全に行った反
応ガスを通して、有機質部を炭素繊維の表面に付着させ
る方法を用いることができる。有機質部の性質及び量は
、用いる炭化水素の種類や、その時の温度、滞留時間、
濃度、雰囲気のガスの種Ｍ（１１□、Ｎ、、Ａｒ等）及
び反応ガスとの接触時間や炭素繊維の設置温度によって
コントロールすることができる。有機質部に炭素や水素
以外の元素を含有させるには、用いる炭化水素に種々の
置換基を有するものを混合して用いることによって含有
させることができる。

また、気相法による別法としては、炭化水素類を特定の
金属化合物及びキャリヤガスと共に高温反応させる際の
条件をコントロールし、かつ、反応混合ガスと共に排出
してくる炭素繊維とを特定の条件下（例えば１５０〜４
００°Ｃ）で捕集することにより、本発明の有機質部を
有する炭素繊維を得ることができる。

液相法としては、炭化水素類を液相で熱分解をコントロ
ールして望ましい有機質物をつくり、これを炭素繊維に
含浸させ、その後、含浸した炭素繊維を不活性雰囲気下
（１１２，Ｎｇ、Ａｒ等）で４００°Ｃ以下の熱処理を
行う方法が用いられる。

これらの方法のうち、気相法による方法が、炭素繊維の
表面に均一に有機質部を有するものが得られやすいため
、好ましく用いられる。

（実施例）以下、実施例により詳細に説明する。

実施例１第１図に示したように電気炉３．４を直列につないで装
置を組立てた。電気炉３は均熱長が約６０ｃｍの炉であ
り、これにアルミナチューブ２（内径６０ＩＩｌ１ｍ）
を設置した。電気炉４は均熱長が約３０ｃｍの炉であり
、これにアルミナチューブ６（内径６０ｍａ＋）を設置
した。アルミナチューブ２と６は、フランジを用いて直
列に接続し、電気炉３と４の間はできるだけ保温、した
。アルミナチューブ２の一端はゴム栓でシールをして導
入バ・イブ１を設置し、アルミナチューブ６の一端は、
同様にして排ガスバイブ７を設置した。

アルミナチューブ６の内の均熱帯域に、炭素繊維（ベン
ゼン、１１□、フェロセンを用いて製造、直径約０．１
μｍ、長さ約２０μｍ）をかさ密度０．０１ｇ／ｃＩ１
１３で設置した後、導入パイプｌからＮ！を流してアル
ミナチューブ２．６内を置換しながら、電気炉３を７０
０°Ｃ１電気炉５を１００°Ｃに昇温した。

昇温後、導入パイプ１からベンゼン１０＋ｍｔ％を含有
する１１．ガスを１１／分（室温）で１０分間流し、さ
らにアルミナチューブ内をＮ２で置換した後、アルミナ
チューブ６内の炭素繊維を取出した。

取出した炭素繊維を、ベンゼンを用いてソックスレー抽
出を抽出液が無色透明になるまで行った。

抽出液をエバボレート後、真空ポンプでベンゼンを除い
たところ、固体状の物質が得られた。

アルミナチューブ６から取出した炭素繊維の内抽出する
のに用いた炭素繊維の重量（有機質部を有する炭素繊維
）と抽出した固体状の物質の重量（有機質部）から算出
したところ、有機質部は、炭素繊維（有機質部を有さな
い）に対して２ｗｔ％であった。

次に、抽出して得られた固体状物質の一部を重水素置換
した溶媒に溶解させてＩｌｌ−ＮＭＲを測定したところ
、ケミカルシフトσ６．０〜９．０に存するピーク（芳
香族プロトン）と６０．５〜４．０に存するピーク（脂
肪族プロトン）との積分比は約１：１．５であった。

チューブ６内から取出した炭素繊維の一部をＮ２下、電
気炉で１００℃、１時間処理したが、重量減少は見られ
なかった。

抽出して得られた固体状物質の元素分析を行ったところ
、炭素と水素の合計が９９．９％であった。

抽出して得られた固体状物質の内、約５０ａ＋ｇを秤取
し、これをベンゼンとキノリンを用いて分別抽出を行っ
た（ＪＩＳ　Ｋ　２４２５−１９７６）。その結果、抽
出して得られた固体状物質の内、’ＢＳ成分が７２−ｔ
％、Ｂｌ−ＱＳ成分が２８−ｔ％であり、キノリンネ溶
成分はなかった。

樹脂との複合化を行うため、前記で得られた２％の有機
質部を有する炭素繊維をナイロン６６の粉末と均一に混
合した後、２軸スクリユーで２９０°Ｃにて混練してペ
レット（炭素繊維１５−ｔ％）を作製し、その後射出成
形して歯車を成形した。

得られた歯車の山の先端部をミクロトームで薄片とし、
透過形の顕微鏡で観察したところ、炭素繊維は均一に樹
脂中に分散していた。

比較例１実施例１の方法で得られた、有機質部を有する炭素繊維
を、ベンゼンでソックスレー抽出し、有機質部を除去し
た。この有機質部を有さない炭素繊維を用いて、実施例
３と同様に歯車を成形し、薄片を観察したところ、炭素
繊維の分散が充分でなく、樹脂だけの部分が見られた。

また、ダンベルとして機械物性を測定したところ、実施
例１で得られた値よりも、強度及び弾性率とも低かった
。さらに実施例１のダンベルと比較すると、体積固有抵
抗も高い傾向にあった。

（発明の効果）本発明の炭素繊維は、有機質部を有する極細の炭素繊維
であるため、ゴムや樹脂との接着性やぬれがよく、それ
らの複合材とした際に微小な部分への分散が容易であり
、機械的特性が改善される。

したがって、樹脂やゴムなどの補強材として極めて有用
である。また、電気伝導性や熱伝導性を向上させるため
の補強材としても極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の炭素繊維を製造するための装置の図
面である。１・・・導入パイプ、２．６・・・アルミナチューブ、
３．４・・・電気炉、５・・・炭素繊維、７・・・排ガスパイプ・特許出願人旭化成工業株式会社采図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）繊維直径が０．０１〜４μｍであって、該繊維表
面に溶剤抽出可能な有機質部を０．１〜５ｗｔ％有する
ことを特徴とする炭素繊維。