JPS6360132B2 - - Google Patents

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JPS6360132B2
JPS6360132B2 JP17516284A JP17516284A JPS6360132B2 JP S6360132 B2 JPS6360132 B2 JP S6360132B2 JP 17516284 A JP17516284 A JP 17516284A JP 17516284 A JP17516284 A JP 17516284A JP S6360132 B2 JPS6360132 B2 JP S6360132B2
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fibers
fiber
aromatic
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temperature
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

a 産業上の利用分野 本発明は電導性の優れた炭素質またはグラフア
イト質繊維の製造法に関する。 b 従来技術 従来、炭素質繊維の製造法としては、(1)ポリア
クリロニトリル、セルローズ、ピツチなどを繊維
にし、これを不融化し、さらに焼成する方法が広
く行われている。この方法とは別に(2)ベンゼン、
メタン、エタンなどの炭化水素ガスを熱分解して
気相反応により直接繊維を製造する方法も知られ
ている。この方法で製造された繊維は気相生長炭
素繊維と呼ばれ、前記(1)の方法で製造された炭素
質繊維に比べて、弾性率、引張り強度、電導度な
どで優れた特性を有する。例えばポリアクリロニ
トリルから製造された炭素質繊維の引張り強度、
弾性率、室温電気抵抗率の値は、それぞれ、6〜
12ton/cm2、600ton/cm2、5〜10×10-3Ωcmであ
るに対し、気相生成炭素質繊維(ベンゼン原料、
生成温度1100℃)の値は、それぞれ、10〜
30ton/cm2、2000〜4000ton/cm2、1×10-3Ωcmで
あつて優れた特性を有している。そのため、気相
生成炭素繊維は電導体、抵抗体、発熱体などのエ
レクトロニクス材料として期待されているが、次
のような欠点があるため、未だ広く一般に使用さ
れていない。 (1) 気相生長炭素繊維は連続した長繊維で得難
く、短繊維となり、また欠陥があつたりするこ
とが多く、均一な繊維が得にくい。 (2) 繊維の太さが5〜50μm程度でばらつきが多
く不均一であり、5μm以下の直径の繊維を安定
に得ることは困難である。 (3) 反応温度が高く、一般には1000℃以上の温度
を必要とする。 (4) 生長反応を促進するためには、触媒、例えば
Fe、Ni、Coなどの超微粉末を必要とする。触
媒を使用しない時は反応の制御が難しく繊維が
得られない場合もある。 (5) 電導度の値は、5×10-2Ωcm(ベンゼン原料
で気相生長温度1100℃の場合)であり、電導体
として使用するには不十分である。 本発明者らは、さきに従来の気相生長炭素繊維
の欠点を解消すべく研究の結果、ベンゼンに代
え、芳香族2酸無水物、芳香族ジイミド化合物、
または加熱により芳香族2酸無水物あるいは芳香
族イミド化合物を生成する化合物を、アルゴン、
窒素、ヘリウム、水素及びこれらの混合ガスから
選ばれたガス雰囲気あるいは真空中で加熱気化さ
せて気相生長させる炭素質繊維を製造する方法を
発明した(特願昭59−49167号)。 この方法により従来の気相生長法における欠点
をなくし、0.1〜5μmの太さの繊維を300〜1000℃
の低温でも容易に製造し得られるようになつた。
これらの繊維の電導度は従来の気相生長炭素繊維
に比べて(同一処理温度で比較した場合)優れて
いるが、未だ十分でない問題点があつた。 また、これらの繊維を2000℃以上に高温で処理
するとグラフアイト化する(特願昭59−50850
号)。これにより電導度を向上し得られる満足す
べき程度にはなし得なかつた。 c 発明の目的 本発明は本発明者らが開発した前記気相生長繊
維の電導性を向上せんとするものであり、その目
的は優れた特性を有し、かつ優れた電導性を有す
る炭素質繊維またはグラフアイト繊維を製造する
方法を提供するにある。 d 本発明の構成 本発明者らは前記目的を達成すべく、得られた
気相生長炭素繊維及びこれらを2000℃以上の高温
で処理することによりグラフアイト化したグラフ
アイト質繊維に、アクセプター性またはドナー性
のドーパントをドープすることを試みた。 その結果、繊維の原料、炭素質繊維の熱処理温
度及びドーパントの種類によつて相違するが、電
導性を高め得られることを究明し得た。この知見
に基いて本発明を完成した。 本発明の要旨は、芳香族2酸無水物、芳香族ジ
イミド化合物または加熱により芳香族2酸無水物
あるいは芳香族ジイミド化合物を生成する化合物
を、アルゴン、チツ素、ヘリウム、水素及びこれ
らの混合ガスから選ばれたガス雰囲気中あるいは
真空中で加熱気化させて気相成長させた炭素質繊
維またはこれを加熱処理してグラフアイト化した
繊維に、アクセプター性またはドナー性のドーパ
ントをドープすることを特徴とする電導性の優れ
た炭素質またはグラフアイト質繊維の製造法にあ
る。 本発明の方法は2つの段階からなつている。 第1段階は、芳香族2酸無水物、芳香族ジイミ
ド化合物または加熱により芳香族2酸無水物ある
いは芳香族ジイミド化合物を生成する化合物を、
アルゴン、チツ素、ヘリウム、水素の1種または
2種以上の混合ガス雰囲気中あるいは真空中で加
熱することによつて気化させ、気相生長させて炭
素質繊維を作ること。また更にこれを2000℃以上
の高温処理することによりグラフアイト質繊維と
することにある。 芳香族2酸無水物の代表的な化合物としては、
次のような化合物が挙げられる。 ピロメリツト酸2無水物(BTCDと略す);
1,4,5,8,ナフタレンテトラカルボン酸2
無水物(NTCD―11);2,3,6,7,ナフタ
レンテトラカルボン酸2無水物(NTCD―2);
1,2,5,6,ナフタレンテトラカルボン酸2
無水物(NTCD―3);3,4,9,10ペリレン
テトラカルボン酸2無水物(PTCD―1);1,
12,6,7ペリレンテトラカルボン酸2無水物
(PTCD―2);3,4,8,9アントラセンテト
ラカルボン酸2無水物(ATCD);3,4,8,
9,ピレンテトラカルボン酸2無水物;3,3′,
4,4′ビフエニルテトラカルボン酸2無水物;
2,2′,3,3′ビフエニルテトラカルボン酸2無
水物;2,2―ビス(3,4―ベンゾフエノンテ
トラカルボン酸2無水物;ビス(3,4―ジカル
ボキシフエニル)スルフオン2無水物;ビス
(3,4―ジカルボキシフエニル)エーテル2酸
無水物;2,3,4,5チオフエンテトラカルボ
ン酸2無水物;また、これらの2酸無水物異性
体、フエナンスレン、アクリジン、ピロール、キ
ノリン、コロネン等の2酸無水物がある。しか
し、これら例示の化合物に限定されるものではな
い。 更にまた、本発明における出発原料としては、
加熱により前記芳香族2酸無水物を生成する化合
物、例えば加熱により脱水反応を起して、芳香族
2酸無水物を生ずるテトラ芳香族カルボン酸も同
様に使用することができる。 芳香族ジイミドの代表的な化合物としては、次
のような化合物が挙げられる。 ピロメリツトジイミド(PMDIと略す);1,
4,5,8ナフタレンジイミド(NTDI―1と略
す);2,3,6,7,ナフタレンジイミド
(NTDI―2と略す);3,4,9,10,ペリレン
ジイミド(PTDI―1と略す);1,12,6,77,
ペリレンジイミド(PTDI―2と略す);3,4,
8,9,アントラセンジイミド(ATDIと略
す);3,4,8,9,ピレンジイミド(PyTDI
と略す)などがあり、さらに有機顔料であるC.I.
ピグメントレツド123,Vatレツド23,Vatレツ
ド29などがある。しかし、これら例示の化合物に
限定されるものではない。 更にまた、本発明における出発原料としては、
加熱により前記芳香族ジイミドを生成する化合
物、例えば加熱により脱水反応を起して、芳香族
ジイミドを生ずる芳香族アミド酸も同様に使用す
ることができる。 芳香族2酸無水物や芳香族ジイミドを原料とし
て気相生長炭素繊維の生長させるメカニズムにお
いては、本質的には生長促進のための触媒を必要
としない。実際に多くの芳香族2酸無水物や芳香
族ジイミドは単に加熱するだけで繊維状生成物を
製造することができる。しかしながら、BTCDA
(融点283〜286℃)のような融点が比較的低い化
合物の場合には、触媒の存在がカルボニル基の解
裂反応を促進するので触媒の存在が好ましい。こ
のような場合に使用される触媒としては、Fe,
Co,Ni,V,Nb,Ta、またはこれらの炭化物、
窒化物などの化合物を初めとして、通常の気相生
長炭素繊維の製造に使用される触媒も使用するこ
とができる。これらの触媒は炭素質繊維が析出す
る加熱帯域中に置かれ、特に超微粉末である場合
が有効である。 生長反応は、アルゴン、チツ素、ヘリウム、水
素及びそれらの混合ガスから選ばれたガス雰囲気
中あるいは真空中で行う。特に気化する温度が高
い原料を用いる場合は真空中で行うのが有効であ
る。逆に気化温度が低い原料を用いる場合は、オ
ートクレーブを用いて前記ガスの加圧下で行うの
が有効である。水素の存在は一般に生長反応をお
そくする傾向があるが、触媒を共存させて生長反
応を行う場合は水素を存在させることが好まし
い。この場合、水素は触媒の活性を保持するのに
有効に働くものと考えられる。少量の酸素の存在
は生長反応を促進する効果があるが、10%以上の
酸素の存在は生長反応を阻害する。酸素の多量の
存在は燃焼を起こさせてスス状炭素を発生させ、
これが生長反応を阻害するものと考えられる。 次に芳香族テトラカルボン酸2無水物の内最も
典型的化合物であるPTCD―1を用いた場合にお
ける炭素繊維の生成メカニズムについて述べる。 PTCD―1は516℃で減量反応が開始し、この
温度附近から急激な酸素の減少が観察される。こ
れによりカルボニル置換基の解裂が起つて酸素が
ぬけ、ペリレンラジカルが生成するものと考えら
れる。アルゴン中で600℃、800℃、1000℃で製造
した繊維のFT―IRスペクトルを示すと、第1図
のa,b,c,dの通りである。ただしaは
PTCD―1のスペクトルで、bは600℃、cは800
℃、dは1000℃におけるスペクトルである。
PTCD―1のスペクトルaで、1774cm-1の吸収は
νC=0に基づく吸収、1757,1743,1730cm-1の
吸収は芳香族のδC−H(面外)、1595,1508cm-1
の吸収は芳香族νC=C,1407cm-1の吸収は不飽
和炭素のδC−H(面内)、1299,1234cm-1の吸収
はC―O―C,1022cm-1の吸収は
a. Industrial Application Field The present invention relates to a method for producing carbonaceous or graphite fibers with excellent electrical conductivity. b. Prior Art Conventionally, as a method for producing carbonaceous fibers, the following methods have been widely used: (1) making fibers from polyacrylonitrile, cellulose, pitch, etc., making them infusible, and then firing them. Apart from this method, (2) benzene,
A method of directly producing fibers by thermally decomposing hydrocarbon gases such as methane and ethane and performing a gas phase reaction is also known. Fibers produced by this method are called vapor-grown carbon fibers, and have superior properties in terms of elastic modulus, tensile strength, electrical conductivity, etc., compared to carbon fibers produced by the method (1) above. For example, the tensile strength of carbon fibers made from polyacrylonitrile,
The values of elastic modulus and room temperature electrical resistivity are 6 to 6, respectively.
12ton/cm 2 , 600ton/cm 2 , 5-10×10 -3 Ωcm, whereas vapor-generated carbonaceous fiber (benzene raw material,
The value of generation temperature (1100℃) is 10~
30ton/cm 2 , 2000 to 4000ton/cm 2 , and 1×10 −3 Ωcm, and have excellent properties. Therefore, vapor-generated carbon fibers are expected to be used as electronic materials for electrical conductors, resistors, heating elements, etc., but they are not yet widely used because of the following drawbacks. (1) Vapor-grown carbon fibers are difficult to obtain as continuous long fibers; they are short fibers and often have defects, making it difficult to obtain uniform fibers. (2) The thickness of the fibers is approximately 5 to 50 μm, which is highly variable and non-uniform, and it is difficult to stably obtain fibers with a diameter of 5 μm or less. (3) The reaction temperature is high, generally requiring a temperature of 1000℃ or higher. (4) To promote the growth reaction, catalysts, e.g.
Requires ultrafine powder of Fe, Ni, Co, etc. When a catalyst is not used, it is difficult to control the reaction and fibers may not be obtained. (5) The value of electrical conductivity is 5×10 -2 Ωcm (when using benzene as a raw material and the gas phase growth temperature is 1100°C), which is insufficient for use as an electrical conductor. As a result of research to eliminate the drawbacks of conventional vapor-grown carbon fibers, the present inventors have found that, in place of benzene, aromatic diacid anhydrides, aromatic diimide compounds,
Alternatively, a compound that generates an aromatic dianhydride or an aromatic imide compound by heating may be heated with argon,
We have invented a method for producing carbonaceous fibers by heating and vaporizing them in a gas atmosphere selected from nitrogen, helium, hydrogen, and a mixture of these gases or in a vacuum (Japanese Patent Application No. 49167/1982). This method eliminates the drawbacks of conventional vapor phase growth methods, and allows fibers with a thickness of 0.1 to 5 μm to be grown at 300 to 1000℃.
It has become possible to easily produce and obtain it even at low temperatures.
Although the electrical conductivity of these fibers is superior to that of conventional vapor-grown carbon fibers (when compared at the same processing temperature), there are still some problems in which they are not sufficient. In addition, when these fibers are treated at high temperatures of 2000°C or higher, they become graphite (Japanese Patent Application No. 59-50850).
issue). As a result, the conductivity could not be improved to a satisfactory degree. c. Purpose of the Invention The present invention aims to improve the electrical conductivity of the vapor-grown fibers developed by the present inventors, and its purpose is to improve the electrical conductivity of the vapor-grown fibers developed by the present inventors. The present invention provides a method for producing fibers or graphite fibers. d Structure of the present invention In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors added acceptor properties to the obtained vapor-grown carbon fibers and graphitic fibers that were graphitized by treating them at a high temperature of 2000°C or higher. Alternatively, an attempt was made to dope with a donor dopant. As a result, it was found that electrical conductivity can be improved, although it differs depending on the raw material of the fiber, the heat treatment temperature of the carbon fiber, and the type of dopant. The present invention was completed based on this knowledge. The gist of the present invention is to convert aromatic diacid anhydrides, aromatic diimide compounds, or compounds that produce aromatic diacid anhydrides or aromatic diimide compounds by heating into argon, nitrogen, helium, hydrogen, or mixed gases thereof. It is characterized by doping an acceptor or donor dopant into a carbonaceous fiber grown in a vapor phase by heating and vaporizing it in a gas atmosphere or in a vacuum selected from The present invention provides a method for producing carbonaceous or graphite fibers with excellent electrical conductivity. The method of the invention consists of two steps. In the first step, an aromatic diacid anhydride, an aromatic diimide compound, or a compound that produces an aromatic diacid anhydride or an aromatic diimide compound by heating,
Producing carbonaceous fibers by vaporizing and growing in a vapor phase by heating in a mixed gas atmosphere of one or more of argon, nitrogen, helium, and hydrogen or in a vacuum. Furthermore, it is possible to produce graphite fibers by subjecting this to high temperature treatment at 2000°C or higher. Representative compounds of aromatic diacid anhydrides include:
Examples include the following compounds. Pyromellitic acid dianhydride (abbreviated as BTCD);
1,4,5,8, naphthalenetetracarboxylic acid 2
Anhydride (NTCD-11); 2,3,6,7, naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTCD-2);
1,2,5,6, naphthalenetetracarboxylic acid 2
Anhydride (NTCD-3); 3,4,9,10 perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCD-1); 1,
12,6,7 perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCD-2); 3,4,8,9 anthracenetetracarboxylic dianhydride (ATCD); 3,4,8,
9, pyrenetetracarboxylic dianhydride; 3,3',
4,4′biphenyltetracarboxylic dianhydride;
2,2',3,3'biphenyltetracarboxylic dianhydride; 2,2-bis(3,4-benzophenonetetracarboxylic dianhydride); bis(3,4-dicarboxyphenyl)sulfone dianhydride; bis(3,4-dicarboxyphenyl)ether dianhydride; 2,3,4,5 thiophenetetracarboxylic dianhydride; also, these dianhydride isomers, phenanthrene, Examples include diacid anhydrides such as acridine, pyrrole, quinoline, and coronene.However, the compounds are not limited to these examples.Furthermore, starting materials in the present invention include:
Compounds that produce the aromatic diacid anhydride when heated, such as tetraaromatic carboxylic acids that produce aromatic diacid anhydrides when heated, can also be used. Typical aromatic diimide compounds include the following compounds. Pyromellit diimide (abbreviated as PMDI); 1,
4,5,8 naphthalene diimide (abbreviated as NTDI-1); 2,3,6,7, naphthalene diimide (abbreviated as NTDI-2); 3,4,9,10, perylene diimide (abbreviated as PTDI-1) ;1,12,6,77,
Perylene diimide (abbreviated as PTDI-2); 3, 4,
8,9, anthracene diimide (abbreviated as ATDI); 3,4,8,9, pyrene diimide (P y TDI
), and the organic pigment CI
Pigment Red 123, Vat Red 23, Vat Red 29, etc. However, the invention is not limited to these exemplified compounds. Furthermore, starting materials in the present invention include:
Compounds that produce the aromatic diimide when heated, such as aromatic amic acids that produce aromatic diimides when heated, can also be used. The mechanism for growing gas-phase growth carbon fibers using aromatic diacid anhydride or aromatic diimide as a raw material essentially does not require a catalyst for growth promotion. In fact, fibrous products can be produced from many aromatic diacid anhydrides and aromatic diimides simply by heating them. However, BTCDA
In the case of a compound having a relatively low melting point such as (melting point: 283 to 286°C), the presence of a catalyst is preferred because the presence of a catalyst promotes the cleavage reaction of the carbonyl group. Catalysts used in such cases include Fe,
Co, Ni, V, Nb, Ta, or their carbides,
Catalysts used in conventional vapor grown carbon fiber production can also be used, including compounds such as nitrides. These catalysts are placed in the heating zone where the carbonaceous fibers are precipitated, and are particularly effective when they are in the form of ultrafine powders. The growth reaction is carried out in a gas atmosphere selected from argon, nitrogen, helium, hydrogen, and mixed gases thereof, or in vacuum. Particularly when using raw materials whose vaporization temperature is high, it is effective to carry out the process in a vacuum. On the other hand, when using a raw material with a low vaporization temperature, it is effective to use an autoclave and pressurize the gas. Although the presence of hydrogen generally tends to slow down the growth reaction, it is preferable to have hydrogen present when the growth reaction is carried out in the presence of a catalyst. In this case, hydrogen is considered to work effectively to maintain the activity of the catalyst. The presence of a small amount of oxygen has the effect of promoting the growth reaction, but the presence of 10% or more of oxygen inhibits the growth reaction. The presence of large amounts of oxygen causes combustion to produce sooty carbon,
This is thought to inhibit the growth reaction. Next, we will describe the carbon fiber production mechanism when using PTCD-1, which is the most typical compound among aromatic tetracarboxylic dianhydrides. The weight loss reaction of PTCD-1 starts at 516°C, and a rapid decrease in oxygen is observed from around this temperature. It is thought that this causes cleavage of the carbonyl substituent, which eliminates oxygen and generates perylene radicals. The FT-IR spectra of fibers produced at 600°C, 800°C, and 1000°C in argon are shown as a, b, c, and d in Figure 1. However, a is
In the spectrum of PTCD-1, b is 600℃ and c is 800℃.
°C and d are spectra at 1000 °C.
In spectrum a of PTCD-1, the absorption at 1774 cm -1 is based on νC = 0, and the absorptions at 1757, 1743, and 1730 cm -1 are aromatic δC-H (out-of-plane), 1595 and 1508 cm -1
The absorption of is aromatic νC=C, the absorption of 1407 cm -1 is unsaturated carbon δC-H (in-plane), the absorption of 1299 and 1234 cm -1 is C-O-C, and the absorption of 1022 cm -1 is

【式】859,808,792,733cm-1の各吸 収は芳香族化合物のδC−H(面外)であると同定
できる。600℃で作成した繊維のスペクトルbで
はC―O―C,
[Formula] Each absorption at 859, 808, 792, and 733 cm -1 can be identified as δC-H (out-of-plane) of an aromatic compound. In the spectrum b of the fiber created at 600℃, C-O-C,

【式】に基づく吸収はほ ぼ消失してしまうが、芳香族化合物のδC−H,
υC=C、に基づく各吸収は消失しないで残つて
いる。一方、800℃,1000℃で作成した繊維のス
ペクトルc、dはδC−Hの吸収もほとんど消失
し全体的にブロードなスペクトルになり赤外光の
透過性も悪くなつてくる。一方、元素分析の結果
では600℃で作成した繊維はC=93.6%、H=2.4
%であり800℃での繊維はC=94.5%、H=0.9
%、1000℃で作成した繊維はC=98.5%、H=
0.4%であつた。また、XPSの測定ではいずれの
試料でも酸素の存在量は1.5%以下であつた。こ
の様な結果から繊維はPTCDの分解により生成し
たペリレンラジカルが第2図に示す様なメカニ
ズムによつて生長するものと考えられる。ここで
ポリペリレン構造のでは水素の存在量は3.2%
であり、が2分子結合したの構造では1.6%
である。従つて、600℃で製造した繊維は水素の
存在比よりとの中間構造のものであり、800
℃、1000℃で製造した繊維はの構造より更にグ
ラフアイト化したものと考えられる。 以上はPTCD―1を原料とした場合における生
成メカニズムと繊維の基本的構造について述べた
が、他の原料を使用した場合も、その原料に対応
して同様な生成メカニズムとそれに対応した繊維
構造のものが得られる。 このようにして得られた炭素質繊維を熱処理す
ると電導性が大きくなり、2000℃以上の熱処理を
行うとグラフアイト質繊維となり電導性は更に増
加する。 例えばPTCD―1を原料とした炭素質繊維を、
530℃,600℃,800℃,1000℃,1200℃,2000℃,
2500℃に熱処理した繊維の電導度は、それぞれ、
0.2,10,200,570,1100,10000,17000S/cmで
ある。 これらの炭素質繊維の電導度はベンゼンを原料
とする従来の気相生長炭素繊維の電導度よりも大
きい。 第2段階は電導性を向上させる化学的ドープ処
理、すなわち、アクセプター性またはドナー性の
ドーパントをドープする。 アクセプター性のドーパントとしては、例え
ば、H2SO4,SO3,I2,HF,FeCl3,FeCl2,
CuCl2,ICl,Br2,Cl2,HNO3,HCl,
Et2O+BF- 4,NO+ 2BF- 4,SbF5,AsF5が挙げられ
る。ドナー性のドーパントとしては、例えばNa,
K,Li,Csが挙げられる。 これらのドーパントの内、H2SO4,SO3,
AsF5ガスによるドーピングが最も大きい効果を
もたらし、最高100倍の電導度の向上が見られる。
またFeCl3,I2,HF,HNO3,K,Naでは10〜
100倍、ICl,Br2,Cl2,HCl,Et+ 2OBF- 4,
FeCl2,CuCl2,NO+ 2BF- 4,SbF5,Li,Cs,等で
も電導度の向上が観察された。 また、炭素質繊維の熱処理温度もドーピング効
果に影響がある。一般に熱処理温度が800℃以下
の場合は、ドーピング効果が比較的大きく、800
℃を超え1400℃までの領域ではドーピング効果が
小さく、1400℃を越えると再びドーピング効果が
増し、2000℃以上ではドーピング効果が著しくな
る。 e 実施例 実施例 1 ペレツト状のプレス加工した各種の芳香族2酸
無水物及び芳香族ジイミド化合物(ペレツト径13
mm、厚さ1mm)を加熱炉にセツトし10℃/minの
速度で200〜1000℃の間のあらかじめ設定した温
度まで昇温し、1時間その温度に保持した後40
℃/minの速度で降温した。反応はすべてアルゴ
ン気流中で行ない、反応終了後ペレツト表面を観
察して生成物の有無を確かめた。生成物の存在の
認められる最低の温度を生成温度とし、この生成
温度と1000℃の間の温度で生成した繊維の一般的
な形状(径と長さ)を電子顕微鏡で測定した。そ
の結果を第1表に示す。
The absorption based on [Formula] almost disappears, but the δC-H of aromatic compounds,
Each absorption based on υC=C remains without disappearing. On the other hand, in the spectra c and d of the fibers prepared at 800°C and 1000°C, absorption of δC-H almost disappears, resulting in an overall broad spectrum and poor infrared light transmittance. On the other hand, the results of elemental analysis show that the fiber made at 600℃ has C=93.6% and H=2.4.
%, and the fiber at 800℃ is C = 94.5%, H = 0.9
%, fibers made at 1000℃ have C=98.5%, H=
It was 0.4%. Furthermore, XPS measurements showed that the amount of oxygen present in all samples was 1.5% or less. From these results, it is thought that fibers grow through the mechanism shown in Figure 2, in which perylene radicals generated by the decomposition of PTCD occur. Here, in the polyperylene structure, the amount of hydrogen present is 3.2%
and 1.6% in the structure where two molecules are bonded.
It is. Therefore, the fiber produced at 600℃ has an intermediate structure with hydrogen abundance ratio of 800℃.
The fibers produced at 1000°C and 1000°C are considered to have a more graphite structure than the structure of . The above has described the formation mechanism and basic fiber structure when PTCD-1 is used as the raw material, but even when other raw materials are used, the same generation mechanism and corresponding fiber structure will apply depending on the raw material. You can get something. When the carbonaceous fiber thus obtained is heat-treated, its electrical conductivity increases, and when it is heat-treated at 2000° C. or higher, it becomes a graphite fiber, and its electrical conductivity further increases. For example, carbon fiber made from PTCD-1,
530℃, 600℃, 800℃, 1000℃, 1200℃, 2000℃,
The electrical conductivity of the fibers heat-treated at 2500℃ is
0.2, 10, 200, 570, 1100, 10000, 17000S/cm. The electrical conductivity of these carbon fibers is higher than that of conventional vapor-grown carbon fibers made from benzene. The second step is a chemical doping treatment to improve conductivity, ie, doping with acceptor or donor dopants. Examples of acceptor dopants include H 2 SO 4 , SO 3 , I 2 , HF, FeCl 3 , FeCl 2 ,
CuCl 2 , ICl, Br 2 , Cl 2 , HNO 3 , HCl,
Examples include Et 2 O + BF - 4 , NO + 2 BF - 4 , SbF 5 and AsF 5 . Examples of donor dopants include Na,
Examples include K, Li, and Cs. Among these dopants, H 2 SO 4 , SO 3 ,
Doping with AsF 5 gas has the greatest effect, increasing conductivity by up to 100 times.
Also, for FeCl 3 , I 2 , HF, HNO 3 , K, Na, 10~
100 times, ICl, Br 2 , Cl 2 , HCl, Et + 2 OBF - 4 ,
Improvement in conductivity was also observed with FeCl 2 , CuCl 2 , NO + 2 BF - 4 , SbF 5 , Li, Cs, etc. Furthermore, the heat treatment temperature of carbonaceous fibers also affects the doping effect. Generally, when the heat treatment temperature is 800℃ or less, the doping effect is relatively large, and the 800℃
The doping effect is small in the range above 1400°C, the doping effect increases again when the temperature exceeds 1400°C, and the doping effect becomes significant above 2000°C. e Examples Example 1 Various aromatic dianhydrides and aromatic diimide compounds pressed into pellets (pellet diameter 13
mm, thickness 1 mm) in a heating furnace, heated at a rate of 10°C/min to a preset temperature between 200 and 1000°C, and held at that temperature for 1 hour.
The temperature was lowered at a rate of °C/min. All reactions were carried out in an argon atmosphere, and after the reaction was completed, the pellet surface was observed to confirm the presence or absence of products. The lowest temperature at which the presence of the product was recognized was defined as the formation temperature, and the general shape (diameter and length) of the fibers formed between this formation temperature and 1000°C was measured using an electron microscope. The results are shown in Table 1.

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】 得られた繊維を下記のようにしてドーピングし
た。 a 減圧にしたセル中にセツトし、硫酸蒸気やI2
ガスをセル中に導入する方法。 b FeCl3のニトロメタン溶液に、NaのTHF溶
液に浸漬する方法。 c CuCl2,FeCl2を真空中で導入する方法。 ドーピング前後の電導度を測定した結果は第2
表に示す通りであつた。 なお、電導度は銀ペースト、金線、金電極を用
い4端子電極を取付けて測定した。
[Table] The obtained fibers were doped as follows. a Set in a cell under reduced pressure, and remove sulfuric acid vapor or I 2
A method of introducing gas into a cell. b Method of immersing FeCl3 in nitromethane solution and Na in THF solution. c A method of introducing CuCl 2 and FeCl 2 in vacuum. The results of measuring the electrical conductivity before and after doping are shown in the second
It was as shown in the table. The conductivity was measured using silver paste, gold wire, and gold electrodes, and a four-terminal electrode was attached.

【表】【table】

【表】 この結果が示すように、いずれもドーピングに
より繊維の電導度を向上し得られる。 実施例 2 実施例1と同じ方法でペレツト状にプレス加工
したPTCD―1を処理温度、処理時間、雰囲気を
変えて熱処理した。結果を第3表に示す。PTCD
―1は520℃未満の温度では繊維状の生成物は得
られず生成には520℃以上の温度が必要である事
が分る。繊維の生長は比較的低温520〜600℃で起
こりこれ以上の温度では太さ方向の生長がおこる
(700〜1000℃)。長時間の処理により長さ方向及
び太さ方向の生長が進むがそれはあまり大きくな
い。また、ArとHe,N2、真空中での生長は同じ
様に起り、差は殆んど認められなかつた。
[Table] As shown in these results, doping can improve the electrical conductivity of the fibers. Example 2 PTCD-1, which had been pressed into a pellet shape in the same manner as in Example 1, was heat-treated by changing the treatment temperature, treatment time, and atmosphere. The results are shown in Table 3. PTCD
-1 shows that a fibrous product cannot be obtained at a temperature below 520°C, and a temperature of 520°C or higher is required for formation. Fiber growth occurs at a relatively low temperature of 520 to 600°C, and growth in the thickness direction occurs at higher temperatures (700 to 1000°C). Although the long-term treatment causes growth in the length and thickness directions, it is not very large. Furthermore, the growth in Ar, He, and N 2 in vacuum occurred in the same way, with almost no difference observed.

【表】 前記の各種温度で処理したPTCD―1繊維に実
施例1と同様にしてドーピングし、電導度を測定
した。その結果は第4表の通りであつた。
[Table] The PTCD-1 fibers treated at the various temperatures described above were doped in the same manner as in Example 1, and the conductivity was measured. The results were as shown in Table 4.

【表】【table】

【表】【table】

【表】 以上の結果から明らかなように、加熱処理温度
が1000〜1200℃の炭素繊維ではドーピング効果は
小さいが、この温度より低温または特に高温で処
理した場合はドーピング効果が顕著である。 実施例 3 実施例2と同じ方法でPTCD―1を原料とし、
600℃で作成した炭素質繊維を用いて、各種のド
ーパントを用いてドーピングして電導度を測定し
た。その結果は第5表の通りであつた。
[Table] As is clear from the above results, the doping effect is small in carbon fibers heated at a temperature of 1000 to 1200°C, but the doping effect is significant when treated at temperatures lower than this temperature or particularly at high temperatures. Example 3 Using the same method as Example 2, using PTCD-1 as a raw material,
Carbon fibers prepared at 600°C were doped with various dopants and their electrical conductivity was measured. The results were as shown in Table 5.

【表】 以上の結果から明らかなように、電導度を向上
させるドーパントとしては、H2SO4,SbF5,
AsF5,FeCl3が優れている。 実施例 4 PTCD―1を原料として得た炭素質繊維を2500
℃で熱処理したグラフアイト質繊維(電導度
17000S/cm)をCuCl2及びFeCl2をドーパントと
して用いドーピングした。即ち、石英ガラス容器
中に前記繊維とCuCl2またはFeCl2を入れ、ガラ
ス容器を真空下で封入し、これを350℃の炉に入
れて約20時間放置した。金属光沢の増加した繊維
が得られた。得られた繊維の室温における電導度
はCuCl2の場合170000S/cm、FeCl2の場合は
190000S/cmであつた。 CuCl2をドーピングした繊維を150℃で2時間
放置しても電導度は変化しなく高い安定性を示し
た。FeCl2をドーピングした繊維は湿気中での安
定性は劣るが、乾燥気体中ではCuCl2と同様の安
定性を示した。 これらの繊維の電導度は従来の炭素繊維をドー
ピングした場合における電導度の向上に比べては
るかに高いものである。 f 発明の効果 以上のように、本発明の方法によると、従来の
気相生長炭素繊維の原料を異にする芳香族2酸無
水物または芳香族ジイミド化合物を使用すること
により得られた炭素質繊維及びこれより得られる
グラフアイト質繊維をドーピング処理することに
より、従来の炭素繊維よりもはるかにすぐれた電
導性を有する炭素質繊維を得る事が出来る優れた
効果を有する。
[Table] As is clear from the above results, dopants that improve conductivity include H 2 SO 4 , SbF 5 ,
AsF 5 and FeCl 3 are excellent. Example 4 2500 carbon fibers obtained from PTCD-1 as raw material
Graphite fiber heat-treated at °C (conductivity
17000S/cm) using CuCl 2 and FeCl 2 as dopants. That is, the fibers and CuCl 2 or FeCl 2 were placed in a quartz glass container, the glass container was sealed under vacuum, and the container was placed in a 350° C. furnace and left for about 20 hours. Fibers with increased metallic luster were obtained. The electrical conductivity of the obtained fibers at room temperature is 170000S/cm for CuCl 2 and 170000S/cm for FeCl 2
It was 190000S/cm. Even when the fiber doped with CuCl 2 was left at 150°C for 2 hours, the conductivity did not change and it showed high stability. Fibers doped with FeCl 2 were less stable in moisture, but showed similar stability to CuCl 2 in dry gas. The conductivity of these fibers is much higher than the increase in conductivity when doping conventional carbon fibers. f. Effects of the Invention As described above, according to the method of the present invention, carbonaceous material obtained by using aromatic diacid anhydride or aromatic diimide compound, which is different from the raw material of conventional vapor-grown carbon fibers, can be obtained. By subjecting the fibers and the graphite fibers obtained therefrom to a doping treatment, it is possible to obtain carbonaceous fibers having much better conductivity than conventional carbon fibers.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はPTCD―1より作成した炭素質繊維の
FT―IRスペクトルであり、aはPTCD―1、b
は600℃で作成した繊維、cは800℃で作成した繊
維、dは1000℃で作成した繊維のスペクトル、第
2図はPTCD―1の炭素質繊維生成のメカニズム
を示す図である。
Figure 1 shows carbon fiber made from PTCD-1.
FT-IR spectrum, a is PTCD-1, b
is the spectrum of the fiber produced at 600°C, c is the fiber produced at 800°C, d is the spectrum of the fiber produced at 1000°C, and Figure 2 is a diagram showing the mechanism of carbon fiber production of PTCD-1.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 芳香族2酸無水物、芳香族ジイミド化合物ま
たは加熱により芳香族2酸無水物あるいは芳香族
ジイミド化合物を生成する化合物を、アルゴン、
チツ素、ヘリウム、水素及びこれらの混合ガスか
ら選ばれたガス雰囲気中あるいは真空中で加熱気
化させて気相成長させた炭素質繊維またはこれを
加熱処理してグラフアイト化した繊維に、アクセ
プター性またはドナー性のドーパントをドープす
ることを特徴とする電導性の優れた炭素質または
グラフアイト質繊維の製造法。 2 アクセプター性のドーパントが、H2SO4,
SO3,I2,HF,FeCl3,FeCl2,CuCl2,ICl,
Br2,Cl2,HNO3,HCl,Et2O+BF- 4,NO+ 2BF- 4,
SbF5及びAsF5から選ばれたものからなる特許請
求の範囲第1項記載の電導性の優れた炭素質また
はグラフアイト質繊維の製造法。 3 ドナー性のドーパントが、Na,K,Li及び
Csから選ばれたものからなる特許請求の範囲第
1項記載の電導性の優れた炭素質またはグラフア
イト質繊維の製造法。
[Scope of Claims] 1. Argon,
Carbon fibers grown in vapor phase by heating and vaporizing in a gas atmosphere selected from nitrogen, helium, hydrogen, and mixed gases thereof or in vacuum, or fibers made from graphite by heat treatment, have acceptor properties. Alternatively, a method for producing a carbonaceous or graphite fiber with excellent electrical conductivity, which is characterized by doping with a donor dopant. 2 The acceptor dopant is H 2 SO 4 ,
SO 3 , I 2 , HF, FeCl 3 , FeCl 2 , CuCl 2 , ICl,
Br 2 , Cl 2 , HNO 3 , HCl, Et 2 O + BF - 4 , NO + 2 BF - 4 ,
A method for producing a carbonaceous or graphite fiber with excellent electrical conductivity according to claim 1, which is made of a fiber selected from SbF 5 and AsF 5 . 3 Donor dopants include Na, K, Li and
A method for producing a carbonaceous or graphite fiber with excellent electrical conductivity according to claim 1, which is made of a fiber selected from Cs.
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