JP5463807B2 - Agglomerates of finely divided fine carbon fibers - Google Patents

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Description

本発明は導電性に優れる微細な炭素繊維の毬藻状凝集体、およびその微細な炭素繊維の毬藻状凝集体を効率良く製造する方法に関する。詳しくは、触媒を使用する気相成長法により微細な炭素繊維から成る塊状の凝集体を製造し、その後、この凝集体に衝撃力を加えて解砕し、嵩密度を変化させることなく微粒子化して得られる微細な炭素繊維の毬藻状凝集体とその製造方法に関する。   The present invention relates to a diatom-like aggregate of fine carbon fibers excellent in conductivity and a method for efficiently producing the diatom-like aggregate of fine carbon fibers. Specifically, agglomerated aggregates of fine carbon fibers are produced by a vapor phase growth method using a catalyst, and then the aggregates are crushed by applying an impact force to make fine particles without changing the bulk density. The present invention relates to a diatomaceous agglomerate of fine carbon fibers and a method for producing the same.

円筒チューブ状、魚骨状(フィッシュボーン、カップ積層型)、トランプ状(プレートレット)等に代表される微細な炭素繊維は、その形状、形態から様々な応用が期待されている。とりわけ円筒チューブ状の微細な炭素繊維(カーボンナノチューブ)は従来の炭素材料と比較し、強度、導電性等に優れるため、次世代の導電性材料として注目を集めている。   Fine carbon fibers represented by a cylindrical tube shape, a fish bone shape (fishbone, cup-laminated type), a trump shape (platelet), and the like are expected to have various applications due to their shape and form. In particular, cylindrical carbon-like fine carbon fibers (carbon nanotubes) are attracting attention as next-generation conductive materials because they are superior in strength, conductivity, and the like compared to conventional carbon materials.

多層カーボンナノチューブ(多層同心円筒状)(非魚骨状)は、例えば、特公平3−64606、特公平3−77288、特表平9−502487、特開2004−299986等に記載されている。この構造のカーボンナノチューブは繊維全体が同心円状にSP2結合の炭素円筒で構成されているが、カーボンナノチューブの実際の生成形態は、これらの繊維が絡まった数十μmから数mmの凝集体として存在する。   Multi-walled carbon nanotubes (multi-layer concentric cylindrical shape) (non-fishbone-like) are described in, for example, Japanese Patent Publication No. 3-64606, Japanese Patent Publication No. 3-77288, Japanese Patent Publication No. 9-502487, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-299986, and the like. The carbon nanotubes of this structure are composed of SP2-bonded carbon cylinders concentrically as a whole, but the actual form of carbon nanotubes exists as aggregates of several tens of μm to several mm in which these fibers are entangled To do.

カーボンナノチューブは、グラファイト網面が繊維軸と平行であり、これに沿って電子が流れるため、単独の繊維における長軸方向の導電性は良好である。しかしながら、隣接する繊維間での導電性に関しては、側周面が円筒状に閉じたグラファイト網面で構成されているため、π電子の飛び出しによるジャンピング効果(トンネル効果)が期待できない。従って、カーボンナノチューブを導電性フィラーとして利用したポリマーとのコンポジットにおいては、繊維同士の接触が充分に確保されないと導電性が良好に発現されないという問題がある。さらに導電性や補強効果が良好に発現されないという問題はコンポジット中においてカーボンナノチューブを良好に分散することが困難であるということに起因するところが大きい。   In the carbon nanotube, the graphite network surface is parallel to the fiber axis, and electrons flow along this, so that the conductivity in the major axis direction of a single fiber is good. However, regarding conductivity between adjacent fibers, a jumping effect (tunnel effect) due to the jumping out of π electrons cannot be expected because the side peripheral surface is constituted by a graphite network surface closed in a cylindrical shape. Therefore, in a composite with a polymer using carbon nanotubes as a conductive filler, there is a problem that the conductivity is not exhibited well unless sufficient contact between the fibers is ensured. Furthermore, the problem that the conductivity and the reinforcing effect are not satisfactorily exhibited is largely attributable to the fact that it is difficult to satisfactorily disperse the carbon nanotubes in the composite.

カーボンナノチューブに代表される微細な炭素繊維の製造方法として、従来、アーク放電法、気相成長法、レーザー法、鋳型法等が知られている。この中で触媒粒子を用いる気相成長法は、安価な合成方法として注目されているが、大量生産方法は確立されていない。また生成するカーボンナノチューブは結晶性の低い不均質な繊維となるため、高い導電性を要求される場合には黒鉛化処理が必要である。   Conventionally, arc discharge methods, vapor phase growth methods, laser methods, mold methods, and the like are known as methods for producing fine carbon fibers typified by carbon nanotubes. Among them, the vapor phase growth method using catalyst particles is attracting attention as an inexpensive synthesis method, but a mass production method has not been established. In addition, since the carbon nanotubes to be produced are heterogeneous fibers with low crystallinity, graphitization is required when high conductivity is required.

例えば、特表平9−502487(特許文献1)には、従来技術として、特表平2−503334又は特開昭62−500943に記載の方法で製造される炭素フィブリル原料(円筒チューブ状)のXRD(X線回折)測定におけるグラファイト面間隔(d002)が0.354nmを示し、結晶性が充分でなくそのままでは導電性が低いことが記載されている。そして、このフィブリル原料を2450℃で処理することにより、グラファイト面間隔(d002)が0.340nmとなり結晶性の改善されたフィブリル材料が得られることが記載されている。   For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 9-502487 (Patent Document 1), as a conventional technique, a carbon fibril raw material (cylindrical tube shape) produced by the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 2-503334 or Japanese Patent Laid-Open No. 62-500993 is disclosed. The graphite interplanar spacing (d002) in the XRD (X-ray diffraction) measurement is 0.354 nm, indicating that the crystallinity is not sufficient and the conductivity is low as it is. Further, it is described that by treating this fibril raw material at 2450 ° C., a fibril material having an improved crystallinity with a graphite interplanar spacing (d002) of 0.340 nm can be obtained.

また、魚骨状(フィッシュボーン)型炭素繊維(カップ積層型炭素繊維)は、例えば、USP4,855,091、M.EndoおよびY.A.Kimらによる文献〔Appl.Phys.Lett.,vol80(2002)1267〜〕、特開2003−073928、特開2004−360099等に記載されている。この構造は、底のないカップを積層した形状である。この構造の炭素繊維は、特開2004−241300に記載されているように、繊維軸方向に傾斜を有するコーン形状の炭素基底面が積層した構造であるため繊維軸方向の導電性が著しく低く、導電材としては好適といえない。   Fishbone carbon fibers (cup laminated carbon fibers) are disclosed in, for example, USP 4,855,091, M.C. Endo and Y.M. A. Kim et al. [Appl. Phys. Lett. , Vol80 (2002) 1267 ~], JP2003-073928, JP2004-360099, and the like. This structure has a shape in which cups having no bottom are laminated. As described in JP-A-2004-241300, the carbon fiber having this structure has a structure in which a cone-shaped carbon base bottom having an inclination in the fiber axis direction is laminated, and thus the conductivity in the fiber axis direction is extremely low. It cannot be said that it is suitable as a conductive material.

さらに、プレートレット型カーボンナノファイバー(トランプ状)は、例えば、H.MurayamaおよびT.maedaによる文献〔Nature, vol345[No28](1990)791〜793〕、特開2004−300631等に記載されている。この構造も基本的に魚骨状(フィッシュボーン)型炭素繊維〔カップ積層型炭素繊維〕と同様に繊維軸に対し垂直に炭素基底面円盤が積層した構造であるため、プレートレット型カーボンナノファイバーのみならず、魚骨状(フィッシュボーン)型炭素繊維の場合と同様の理由で導電材としては適さない。   Furthermore, platelet-type carbon nanofibers (trump-like) are disclosed in, for example, H.P. Murayama and T.A. Maeda [Nature, vol 345 [No. 28] (1990) 791-793], Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-300631, and the like. This structure is also basically a structure in which carbon base disks are stacked perpendicular to the fiber axis in the same manner as fishbone type carbon fiber (cup laminated type carbon fiber). In addition, it is not suitable as a conductive material for the same reason as in the case of fishbone-type carbon fiber.

魚骨状、トランプ状の微細繊維は、側周面にグラファイト網面の開放端が露出するため、隣接する繊維間の導電性はカーボンナノチューブに比べ向上する。しかしながら、グラファイト網面のC軸が繊維軸方向に対し傾斜あるいは平行して積層した構造であるため、単独の繊維における繊維軸長軸方向の導電性は低下してしまう。   Fishbone-like and trump-like fine fibers expose the open end of the graphite mesh surface on the side peripheral surface, so that the conductivity between adjacent fibers is improved compared to carbon nanotubes. However, since the C-axis of the graphite network surface is laminated or inclined in parallel to the fiber axis direction, the conductivity in the fiber axis major axis direction of a single fiber is lowered.

上記の代表的な構造に加え、特開2006−103996(特許文献2)では、結晶格子の中核をなす炭素原子に化学的に結合した窒素原子を含み、一端が開き他端が閉じた多層物質が単位構造ユニットとなり1つのユニットの閉じた端部が他のユニットの開いた端部へ差し込まれた形態の繊維構造体とその製造方法が開示されている。しかし、この繊維は、グラファイト網面において炭素原子と化学的に結合した窒素原子が含まれるため、グラファイト網面に構造的歪みが生じ、結晶性が低い、即ち導電性が低いという問題がある。   In addition to the above typical structure, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-103996 (Patent Document 2) discloses a multilayer material containing nitrogen atoms chemically bonded to carbon atoms forming the core of the crystal lattice and having one end opened and the other end closed. Is a unit structure unit, and a fiber structure in a form in which a closed end of one unit is inserted into an open end of another unit, and a manufacturing method thereof are disclosed. However, since this fiber contains nitrogen atoms chemically bonded to carbon atoms on the graphite network surface, there is a problem that structural distortion occurs in the graphite network surface, resulting in low crystallinity, that is, low conductivity.

またApplied Physics A 2001(73)259−264(Ren Z. F. ら)(非特許文献1)においても、“bamboo−structure”と称した、前記特許文献2(特開2006−103996)類似の繊維構造が報告されている。この構造体の合成は、シリカに鉄を担持した触媒を使用し、アセチレン20vol%/アンモニア80vol%の混合ガスを使用して、750℃での気相成長法によって実施されている。この報告では、繊維構造体の化学組成分析は全く記述されていないが、原料中に含まれる不活性でない窒素分の濃度が非常に高いことから(59wt%)、該繊維構造体にも化学的に炭素原子と結合した窒素原子が含まれ、構造的乱れを生じていると考えられる。また触媒重量に対する生成物重量の比が6程度と著しく低いため、繊維成長が充分でなくアスペクト比が小さいという点も問題である。   Also, Applied Physics A 2001 (73) 259-264 (Ren Z. F. et al.) (Non-patent Document 1) is similar to Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-103996), which is referred to as “bamboo-structure”. Fiber structure has been reported. The structure is synthesized by a vapor phase growth method at 750 ° C. using a catalyst in which iron is supported on silica and using a mixed gas of acetylene 20 vol% / ammonia 80 vol%. In this report, the chemical composition analysis of the fiber structure is not described at all. However, since the concentration of non-inert nitrogen contained in the raw material is very high (59 wt%), the fiber structure is also chemically analyzed. Contains nitrogen atoms bonded to carbon atoms, which is thought to cause structural disturbances. In addition, since the ratio of the product weight to the catalyst weight is as low as about 6, the fiber growth is not sufficient and the aspect ratio is small.

さらに、Carbon 2003(41)2949−2959(Gadelle P. ら)(非特許文献2)においても、繊維を構成するグラファイト網面がコーン形状で、その開放端が繊維側周面に適当な間隔で露出した構造が報告されている。この文献では、クエン酸で共沈させたコバルト塩及びマグネシウム塩の混合物0.2gをHで活性化処理した後、CO及びHから成る原料ガス(H濃度:26vol%)と反応させることにより、4.185gの生成物を得ている。しかし、この方法で得られた繊維構造では、コーン形の側周面と繊維軸のなす角は22°程度と、繊維軸に対して大きく傾斜している。このため、単独の繊維長軸方向の導電性については、前記の魚骨状炭素繊維と同様の問題がある。また、繊維成長が不充分でアスペクト比が小さいことから、ポリマーとのコンポジットにおいて導電性や補強性を付与することが困難である。更に、触媒重量に対する生成物重量が21倍と小さいため、製造法として効率的でないばかりでなく、不純物含量が多くなるために用途が制限される。 Further, in Carbon 2003 (41) 2949-2959 (Gadelle P. et al.) (Non-Patent Document 2), the graphite mesh surface constituting the fiber is in a cone shape, and the open end thereof is at an appropriate interval on the fiber side peripheral surface. Exposed structures have been reported. In this document, 0.2 g of a mixture of cobalt salt and magnesium salt co-precipitated with citric acid is activated with H 2 and then reacted with a raw material gas composed of CO and H 2 (H 2 concentration: 26 vol%). This gives 4.185 g of product. However, in the fiber structure obtained by this method, the angle formed by the cone-shaped side peripheral surface and the fiber axis is approximately 22 °, which is greatly inclined with respect to the fiber axis. For this reason, there exists a problem similar to the said fishbone-like carbon fiber about the electroconductivity of a single fiber major axis direction. In addition, since the fiber growth is insufficient and the aspect ratio is small, it is difficult to impart conductivity and reinforcement to the composite with the polymer. Further, since the product weight with respect to the catalyst weight is as small as 21 times, not only is the production method not efficient, but the use is limited due to the increased impurity content.

上記の如く様々な構造を有する微細な炭素繊維およびその製法が提案されているが、このような微細な炭素繊維は、触媒粒子を基点とする気相成長法で得られるために数十μmから数mmの複雑に絡み合った大きな塊状の粒子凝集体として生成する。このため樹脂との混合・複合時において、凝集体の開繊が進まず、凝集体が複合物に50μm以上の大きな塊状異物として残存するため成形装置の不具合(吐出部フィルター閉塞、熱収縮不均一による割れ等)の発生および成形品の導電性発現、表面外観、機械的物性が得られない等の問題点を抱えている。   As described above, fine carbon fibers having various structures and methods for producing the same have been proposed. Since such fine carbon fibers are obtained by a vapor phase growth method based on catalyst particles, the fine carbon fibers can be obtained from several tens of μm. It is produced as a large aggregate of massive particles intricately entangled with several mm. For this reason, the opening of the aggregates does not progress during mixing and combining with the resin, and the aggregates remain as large lump particles of 50 μm or more in the composite, so that there is a problem with the molding device (discharge unit filter clogging, heat shrinkage nonuniformity) Etc.) and the appearance of the conductivity of the molded product, surface appearance, and mechanical properties cannot be obtained.

このため、樹脂分子量の最適化(特許文献3:特開2001−310994)、変性樹脂、エラストマー、相溶化剤の配合(特許文献4:特開2007−231219、特許文献5:特開2004−230926、特許文献6:特開2007−169561、特許文献7:特開2004−231745)、カーボンナノチューブの表面改質処理(特許文献8:特開2004−323738)等の特別な組成物の配合及び混合、特殊な表面改質処理を必要とし、樹脂の種類、組成等が制約される。さらに、特許文献9(特開2005−239531)ではカーボンナノチューブを高速気流中衝撃法で解砕、造粒する方法が提案されている。この方法によれば、高速気流中でカーボンナノチューブを解砕し、その後造粒することにより略球形の造粒物が得られることが報告されている。しかしながら、この方法では解砕に高速気流中での衝撃力を用いながら3分間から30分間もの長い処理時間が必要であり、また、上記のように、解砕、造粒の二工程が必要となる。また、特許文献10(特開2006−143532)においてもカーボンナノチューブを高速気流中衝撃法で解砕、造粒する方法が提案されている。この方法によれば大きな衝撃力をカーボンナノチューブ集合体に加えることにより集合体の密度を溶媒に合わせることが出来、その結果溶媒中でカーボンナノチューブ集合体が沈降し難い、また分散を容易にすると記載されている。例えば溶媒を水とした場合、カーボンナノチューブ集合体の嵩密度は水と同じ密度の1g/mlとする。しかし現実にカーボンナノチューブ集合体の嵩密度を1g/mlとすることは非常に困難である。   For this reason, optimization of resin molecular weight (Patent Document 3: Japanese Patent Laid-Open No. 2001-310994), blending of modified resin, elastomer, and compatibilizer (Patent Document 4: Japanese Patent Laid-Open No. 2007-231219, Patent Document 5: Japanese Patent Laid-Open No. 2004-230926) , Patent Document 6: JP 2007-169561, Patent Document 7: JP 2004-231745), Surface modification treatment of carbon nanotubes (Patent Document 8: JP 2004-323738), etc. Therefore, special surface modification treatment is required, and the type and composition of the resin are restricted. Further, Patent Document 9 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-239531) proposes a method of crushing and granulating carbon nanotubes by a high-speed air current impact method. According to this method, it has been reported that a substantially spherical granulated product can be obtained by crushing carbon nanotubes in a high-speed air stream and then granulating them. However, this method requires a long processing time of 3 to 30 minutes while using impact force in a high-speed air stream for crushing, and also requires two steps of crushing and granulation as described above. Become. Also, Patent Document 10 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-143532) proposes a method of crushing and granulating carbon nanotubes by a high-speed air current impact method. According to this method, by applying a large impact force to the carbon nanotube aggregate, the density of the aggregate can be adjusted to the solvent, and as a result, the carbon nanotube aggregate is difficult to settle in the solvent, and it is easy to disperse. Has been. For example, when the solvent is water, the bulk density of the carbon nanotube aggregate is 1 g / ml, which is the same density as water. However, it is very difficult to actually set the bulk density of the carbon nanotube aggregate to 1 g / ml.

特表平9−502487号公報JP 9-502487 特開2006−103996号公報JP 2006-103996 A 特開2001−310994号公報JP 2001-310994 A 特開2007−231219号公報JP 2007-231219 A 特開2004−230926号公報JP 2004-230926 A 特開2007−169561号公報JP 2007-169561 A 特開2004−231745号公報JP 2004-231745 A 特開2004−323738号公報JP 2004-323738 A 特開2005−239531号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-239531 特開2006−143532号公報JP 2006-143532 A

Applied Physics A 2001(73)259−264(Ren Z. F. ら)Applied Physics A 2001 (73) 259-264 (Ren Z. F. et al.) Carbon 2003(41)2949−2959(Gadelle P. ら)Carbon 2003 (41) 2949-2959 (Gadelle P. et al.)

本発明は、微細な炭素繊維の特殊な表面処理及び特別な混練・混合手法や配合処方、例えばゴム成分、界面活性剤、相溶化剤等の添加を用いなくても、ポリマーまたは粉体とのコンポジット化における混練性、分散性が改善された微細な炭素繊維の毬藻状凝集体を提供することを目的とする。さらに、コンポジットの加工性に優れ、またコンポジットの導電性、熱伝導性、摺動性、補強、難燃性等の機能発現に優れる微細な炭素繊維の毬藻状凝集体及びその効率的な製造方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a special surface treatment of fine carbon fibers and a special kneading / mixing method or compounding recipe, for example, without using a rubber component, a surfactant, a compatibilizing agent, etc. An object of the present invention is to provide a diatom-like aggregate of fine carbon fibers with improved kneadability and dispersibility in compositing. Furthermore, a fine carbon fiber diatomaceous agglomerate excellent in composite workability, and excellent in functions such as conductivity, thermal conductivity, slidability, reinforcement and flame retardancy of the composite, and an efficient production method thereof The purpose is to provide.

本発明は、以下の事項に関する。なお、本明細書中、「微細な炭素繊維」とは、後述する気相成長法により得られる、図2に模式的に示される連結した炭素繊維のことをいう。また、「微細な炭素繊維の塊状凝集体」とは、気相成長法により生成された直後の微細な炭素繊維が塊状に凝集した粒子のことをいう。「微細な炭素繊維の毬藻状凝集体」は、微細な炭素繊維の塊状凝集体を、後述する方法により解砕して得られる、微細な炭素繊維が凝集した粒子のことをいい、球形に近い形状を有することから、塊状凝集体と区別するためこの用語を使用する。   The present invention relates to the following matters. In the present specification, the “fine carbon fiber” refers to a connected carbon fiber schematically shown in FIG. 2 obtained by a vapor phase growth method described later. Further, the “fine aggregate of fine carbon fibers” refers to particles obtained by agglomerating fine carbon fibers immediately after being produced by a vapor phase growth method. “Fine carbon fiber diatomaceous agglomerates” refers to fine carbon fiber aggregates obtained by pulverizing fine carbon fiber aggregates according to the method described later, and are nearly spherical. The term is used to distinguish it from agglomerates because of its shape.

1. 気相成長法により製造される微細な炭素繊維の塊状凝集体を解砕することにより得られ、
直径が1〜150μm、嵩密度が0.05〜0.15g/mlであり、
前記微細な炭素繊維は、該炭素繊維を構成する構造単位集合体が互いに黒鉛基底面を介して接合する構造を少なくとも1つ有すること
を特徴とする、微細な炭素繊維の凝集体。
1. It is obtained by crushing agglomerates of fine carbon fibers produced by a vapor phase growth method,
The diameter is 1-150 μm, the bulk density is 0.05-0.15 g / ml,
The fine carbon fiber has at least one structure in which structural unit aggregates constituting the carbon fiber are bonded to each other via a graphite base surface.

2. 前記微細な炭素繊維において、黒鉛網面が、閉じた頭頂部と、下部が開いた胴部とを有する構造単位を形成し、前記構造単位が、中心軸を共有して2〜30個層状に積み重なって構造単位集合体を形成し、さらに構造単位集合体が互いの黒鉛基底面を介してHead−to−Tail様式で連続的に結合していることを特徴とする上記1に記載の微細な炭素繊維の凝集体。 2. In the fine carbon fiber, the graphite net surface forms a structural unit having a closed top portion and a trunk portion having an open lower portion, and the structural unit is formed in a layered form with 2 to 30 layers sharing a central axis. 2. The fine structure according to 1 above, wherein the structural unit aggregates are stacked to form a structural unit aggregate, and the structural unit aggregates are continuously bonded in a Head-to-Tail manner through each graphite base surface. Aggregates of carbon fibers.

3. 前記集合体胴部の端の外径Dが5〜40nm、内径dが3〜30nmであり、該集合体のアスペクト比(L/D)が2〜150であることを特徴とする上記1または2に記載の微細な炭素繊維の凝集体。 3. The outer diameter D of the end of the aggregate body is 5 to 40 nm, the inner diameter d is 3 to 30 nm, and the aspect ratio (L / D) of the aggregate is 2 to 150. 2. A fine carbon fiber aggregate according to 2.

4. 含有する灰分が4重量%以下であることを特徴とする上記1〜3のいずれかに記載の微細な炭素繊維の凝集体。 4). 4. The fine carbon fiber aggregate according to any one of 1 to 3 above, wherein the ash content is 4% by weight or less.

5. X線回折法により測定される微細な炭素繊維の002面のピーク半価幅W(単位:degree)が、2〜4であることを特徴とする上記1〜4のいずれかに記載の微細な炭素繊維の凝集体。 5. The fine half-width W (unit: degree) of the 002 plane of fine carbon fiber measured by an X-ray diffraction method is 2 to 4, and the fine carbon fiber according to any one of 1 to 4 above Aggregates of carbon fibers.

6. X線回折法により測定される微細な炭素繊維のグラファイト面間隔(d002)が0.341〜0.350nmであることを特徴とする上記1〜5のいずれかに記載の微細な炭素繊維の凝集体。 6). 6. The fine carbon fiber aggregation according to any one of 1 to 5 above, wherein the fine carbon fiber has a graphite plane spacing (d002) of 0.341 to 0.350 nm as measured by an X-ray diffraction method. Aggregation.

7. 導電材、導電助材、熱伝導材、摺動材、補強材、難燃材および研磨材として用いることを特徴とする上記1〜6のいずれかに記載の微細な炭素繊維の凝集体の使用。 7). Use of the fine carbon fiber aggregate according to any one of the above 1 to 6, which is used as a conductive material, a conductive additive, a heat conductive material, a sliding material, a reinforcing material, a flame retardant, and an abrasive. .

8. マグネシウムが置換固溶したコバルトのスピネル型酸化物を含む触媒上に、CO及びHを含む混合ガスを供給して反応させて成長させた微細な炭素繊維に、衝撃力を加えて解砕処理することを特徴とする微細な炭素繊維の凝集体の製造方法。 8). Crushing treatment is performed by applying impact force to fine carbon fibers grown by supplying a mixed gas containing CO and H 2 on a catalyst containing cobalt spinel oxide in which magnesium is substituted and dissolved. A method for producing an aggregate of fine carbon fibers characterized by comprising:

9. 前記スピネル型酸化物を、MgCo3−xで表したとき、マグネシウムの固溶範囲を示すxの値が、0.5〜1.5であることを特徴とする上記8に記載の微細な炭素繊維の凝集体の製造方法。 9. Said spinel-type oxide, when expressed in Mg x Co 3-x O y , the value of x indicating a solid solution range of magnesium, according to the above 8, which is a 0.5 to 1.5 Of producing fine carbon fiber aggregates.

10. 前記解砕処理の際、衝撃作用を発生するハンマーミル、超遠心ミル、ピンミル、ターボミル、またはジェットミルを用いることを特徴とする、上記8または9に記載の微細な炭素繊維の凝集体の製造方法。 10. 10. Production of fine carbon fiber aggregates according to 8 or 9 above, wherein a hammer mill, an ultracentrifugal mill, a pin mill, a turbo mill, or a jet mill that generates an impact action during the crushing treatment is used. Method.

11. 前記衝撃力での解砕処理を、添加剤を用いることなく乾式で行うことを特徴とする上記8〜10いずれかに記載の微細な炭素繊維の凝集体の製造方法。 11. 11. The method for producing an aggregate of fine carbon fibers according to any one of 8 to 10 above, wherein the crushing treatment with the impact force is performed in a dry manner without using an additive.

本発明によると、気相成長法による生成直後の微細な炭素繊維の塊状凝集体を解砕する際、その微細な炭素繊維の構造上の特徴から、繊維の損傷を抑制して微粒子化できる。本発明の微粒子化された微細な炭素繊維の毬藻状凝集体は、流動、分散が容易な形状のため、粉体として取り扱う場合に作業環境を汚染することが少なく、樹脂等への混合性、開繊性、分散性に優れる。また、その結果、得られる複合材の物性も優れている。さらに、本発明の微細な炭素繊維の毬藻状凝集体の製造工程における解砕処理は、従来より簡便に短時間で行うことができ、効率的である。   According to the present invention, when pulverizing the aggregates of fine carbon fibers immediately after being produced by the vapor phase growth method, the structural features of the fine carbon fibers can suppress the damage of the fibers and make the particles fine. The micronized carbon fiber diatomaceous agglomerates of the present invention are easy to flow and disperse, so that they are less likely to contaminate the working environment when handled as powders, and are miscible with resins, Excellent spreadability and dispersibility. As a result, the physical properties of the resulting composite material are also excellent. Furthermore, the crushing process in the manufacturing process of the fine carbon fiber diatomaceous agglomerates of the present invention can be carried out more easily and in a shorter time than before, and is efficient.

(a)微細な炭素繊維を構成する最小構造単位(構造単位)を模式的に示す図である。(b)構造単位が、2〜30個積み重なった集合体を模式的に示す図である。(A) It is a figure which shows typically the minimum structural unit (structural unit) which comprises fine carbon fiber. (B) It is a figure which shows typically the aggregate | assembly in which 2-30 structural units were piled up. (a)集合体が間隔を隔てて連結し、繊維を構成する様子を模式的に示す図である。(b)集合体が間隔を隔てて連結する際に、屈曲して連結した様子を模式的に示す図である。(A) It is a figure which shows typically a mode that an aggregate | assembly connects with a space | interval and comprises a fiber. (B) It is a figure which shows typically a mode that it bent and connected, when an aggregate | assembly connects with a space | interval. 実施例1で製造した微細な炭素繊維のTEM写真像である。2 is a TEM photographic image of fine carbon fibers produced in Example 1. FIG. 微細な炭素繊維に横方向から衝撃力が加えられた時、中間点で衝撃力が引っ張り応力に転換される説明図である。It is explanatory drawing by which an impact force is converted into a tensile stress at an intermediate point when the impact force is applied to the fine carbon fiber from the lateral direction. 気相成長法により製造された直後の微細な炭素繊維の塊状凝集体のSEM写真である。It is a SEM photograph of the aggregate of the fine carbon fiber immediately after manufactured by the vapor phase growth method. 気相成長法により製造された直後の微細な炭素繊維の塊状凝集体をハンマーミルで解砕した微細な炭素繊維の毬藻状凝集体のSEM写真である。It is a SEM photograph of the diatom-like aggregate of the fine carbon fiber which pulverized the aggregate of the fine carbon fiber immediately after manufactured by the vapor phase growth method with a hammer mill.

<微細な炭素繊維の構造>
本発明の毬藻状凝集体を構成する微細な炭素繊維は、図1(a)に示すような構造を最小構造単位として有する。釣鐘(temple bell)は、日本の寺院で見られ、比較的円筒形に近い胴部を有しており、円錐形に近いクリスマスベルとは形状が異なる。図1(a)に示すように、構造単位11は、頭頂部12と、開放端を備える胴部13とを有し、概ね中心軸の周囲に回転させた回転体形状となっている。構造単位11は、炭素原子のみからなるグラファイト網面により形成され、胴部開放端の円周状部分はグラファイト網面の開放端となる。なお、図1(a)において、中心軸および胴部13は、便宜上直線で示されているが、必ずしも直線ではなく、後述する図3のように曲線の場合もある。
<Structure of fine carbon fiber>
The fine carbon fiber constituting the diatomaceous agglomerate of the present invention has a structure as shown in FIG. 1A as a minimum structural unit. The temple bell is found in Japanese temples, has a relatively cylindrical body, and is different in shape from a conical Christmas bell. As shown in FIG. 1A, the structural unit 11 has a top 12 and a body 13 having an open end, and has a rotating body shape that is rotated about the central axis. The structural unit 11 is formed of a graphite network surface made of only carbon atoms, and the circumferential portion of the body portion open end is the open end of the graphite network surface. In FIG. 1A, the central axis and the body portion 13 are shown as straight lines for convenience, but they are not necessarily straight lines and may be curved as shown in FIG.

胴部13は、開放端側に緩やかに広がっており、その結果、胴部13の母線は構造単位の中心軸に対してわずかに傾斜し、両者のなす角θは、15°より小さく、より好ましくは1°<θ<15°、更に好ましくは2°<θ<10°である。θが大きくなりすぎると、該構造単位から構成される微細繊維が魚骨状炭素繊維様の構造を呈してしまい、繊維軸方向の導電性が損なわれてしまう。一方θが小さいと、円筒チューブ状に近い構造となり、構造単位の胴部を構成するグラファイト網面の開放端が繊維外周面に露出する頻度が低くなるため、隣接繊維間の導電性が悪化する。   The trunk portion 13 gradually spreads toward the open end, and as a result, the generatrix of the trunk portion 13 is slightly inclined with respect to the central axis of the structural unit, and the angle θ formed by both is smaller than 15 °. Preferably, 1 ° <θ <15 °, more preferably 2 ° <θ <10 °. If θ is too large, fine fibers composed of the structural unit exhibit a fishbone-like carbon fiber-like structure, and the conductivity in the fiber axis direction is impaired. On the other hand, when θ is small, the structure is close to a cylindrical tube shape, and the frequency at which the open end of the graphite mesh surface constituting the body of the structural unit is exposed to the outer peripheral surface of the fiber becomes low, so the conductivity between adjacent fibers deteriorates. .

微細な炭素繊維には、欠陥、不規則な乱れが存在するが、このような不規則性を排除して、全体としての形状を捉えると、胴部13が開放端側に緩やかに広がった構造を有していると言える。微細な炭素繊維は、すべての部分においてθが上記範囲を示すことを意味しているのではなく、欠陥部分や不規則な部分を排除しつつ、構造単位11を全体的に捉えたときに、総合的にθが上記範囲を満たしていることを意味している。そこで、θの測定では、胴部の太さが不規則に変化していることもある頭頂部12付近を除くことが好ましい。より具体的には、例えば、図1(b)に示すように構造単位集合体21(下記参照)の長さをLとすると、頭頂側から(1/4)L、(1/2)Lおよび(3/4)Lの3点においてθを測定してその平均を求め、その値を、構造単位11についての全体的なθとしてもよい。また、Lについては、直線で測定することが理想であるが、実際は胴部13が曲線であることも多いため、胴部13の曲線に沿って測定した方が実際の値に近い場合もある。   The fine carbon fiber has defects and irregular turbulence. However, when such an irregularity is eliminated and the shape of the whole is captured, the body portion 13 is gently expanded toward the open end. It can be said that it has. Fine carbon fiber does not mean that θ indicates the above range in all parts, but when the structural unit 11 is captured as a whole while excluding defective parts and irregular parts, Overall, it means that θ satisfies the above range. Therefore, in the measurement of θ, it is preferable to exclude the vicinity of the crown 12 where the thickness of the trunk may be irregularly changed. More specifically, for example, when the length of the structural unit aggregate 21 (see below) is L as shown in FIG. 1B, (1/4) L, (1/2) L from the top of the head. Further, θ is measured at three points of (3/4) L to obtain an average, and the value may be used as the overall θ for the structural unit 11. In addition, it is ideal to measure L with a straight line. However, since the body part 13 is often a curved line in practice, it may be closer to the actual value when measured along the curve of the body part 13. .

頭頂部の形状は、微細な炭素繊維として製造される場合、胴部と滑らかに連続し、上側(図において)に凸の曲面となっている。頭頂部の長さは、典型的には、構造単位集合体について説明するD(図1(b))以下程度であり、d(図1(b))以下程度であるときもある。   When manufactured as a fine carbon fiber, the shape of the top of the head is smoothly continuous with the trunk and has a curved surface convex upward (in the drawing). The length of the top of the head is typically about D (FIG. 1B) or less and about d (FIG. 1B) or less about the structural unit aggregate.

さらに、後述するように活性な窒素を原料として使用しないため、窒素等の他の原子は、構造単位のグラファイト網面中に含まれない。このため繊維の結晶性が良好である。   Furthermore, since active nitrogen is not used as a raw material as will be described later, other atoms such as nitrogen are not included in the graphite network surface of the structural unit. For this reason, the crystallinity of the fiber is good.

微細な炭素繊維においては、図1(b)に示すように、このような構造単位が中心軸を共有して2〜30個積み重なって構造単位集合体21を形成している。すなわち、隣接する構造単位が互いに黒鉛結晶の基底面で接合部分を形成し、構造単位集合体21はこの特殊な結合部を少なくとも1つ有する。積層数は、好ましくは2〜25個であり、より好ましくは2〜15個である。   In the fine carbon fiber, as shown in FIG. 1B, 2 to 30 of such structural units share the central axis to form a structural unit aggregate 21. That is, adjacent structural units form a joint portion with the base surface of the graphite crystal, and the structural unit assembly 21 has at least one special coupling portion. The number of stacked layers is preferably 2 to 25, and more preferably 2 to 15.

構造単位集合体21の胴部の外径Dは、5〜40nm、好ましくは5〜30nm、更に好ましくは5〜20nmである。Dが大きくなると形成される微細繊維の径が太くなるため、ポリマーとのコンポジットにおいて導電性能等の機能を付与するためには、多くの添加量が必要となってしまう。一方、Dが小さくなると形成される微細な繊維の径が細くなって繊維同士の凝集が強くなり、例えばポリマーとのコンポジット調製において、分散させることが困難になる。胴部外径Dの測定は、集合体の頭頂側から、(1/4)L、(1/2)Lおよび(3/4)Lの3点で測定して平均することが好ましい。なお、図1(b)に胴部外径Dを便宜上示しているが、実際のDの値は、上記3点の平均値が好ましい。   The outer diameter D of the body part of the structural unit assembly 21 is 5 to 40 nm, preferably 5 to 30 nm, and more preferably 5 to 20 nm. When D is increased, the diameter of the fine fibers formed is increased, so that a large amount of addition is required in order to impart functions such as conductive performance in the composite with the polymer. On the other hand, when D becomes small, the diameter of the fine fibers formed becomes thin and the aggregation of the fibers becomes strong. For example, in the preparation of a composite with a polymer, it becomes difficult to disperse. The measurement of the trunk outer diameter D is preferably performed by measuring at three points (1/4) L, (1/2) L, and (3/4) L from the top of the aggregate. In addition, although the trunk | drum outer diameter D is shown for convenience in FIG.1 (b), the value of actual D has the preferable average value of the said 3 points | pieces.

また、集合体胴部の内径dは、3〜30nm、好ましくは3〜20nm、更に好ましくは3〜10nmである。胴部内径dの測定についても、構造単位集合体の頭頂側から、(1/4)L、(1/2)Lおよび(3/4)Lの3点で測定して平均することが好ましい。なお、図1(b)に胴部内径dを便宜上示しているが、実際のdの値は、上記3点の平均値が好ましい。   The inner diameter d of the aggregate body is 3 to 30 nm, preferably 3 to 20 nm, more preferably 3 to 10 nm. The measurement of the trunk inner diameter d is also preferably measured and averaged at three points (1/4) L, (1/2) L, and (3/4) L from the top of the structural unit assembly. . In addition, although the trunk | drum internal diameter d is shown in FIG.1 (b) for convenience, the actual value of d has the preferable average value of the said 3 points | pieces.

構造単位集合体21の長さLと胴部外径Dから算出されるアスペクト比(L/D)は、2〜150、好ましくは2〜50、より好ましくは2〜30、更に好ましくは2〜20である。アスペクト比が大きいと、形成される繊維の構造が円筒チューブ状に近づき、1本の繊維における繊維軸方向の導電性は向上するが、構造単位胴部を構成するグラファイト網面の開放端が繊維外周面に露出する頻度が低くなるため、隣接繊維間の導電性が悪化する。一方、アスペクト比が小さいと構造単位胴部を構成するグラファイト網面の開放端が繊維外周面に露出する頻度が高くなるため、隣接繊維間の導電性は向上するが、繊維外周面が、繊維軸方向に短いグラファイト網面が多数連結して構成されるため、1本の繊維における繊維軸方向の導電性が損なわれる。   The aspect ratio (L / D) calculated from the length L of the structural unit aggregate 21 and the body outer diameter D is 2 to 150, preferably 2 to 50, more preferably 2 to 30, and still more preferably 2 to 2. 20. When the aspect ratio is large, the structure of the formed fiber approaches a cylindrical tube shape, and the conductivity in the fiber axis direction of one fiber is improved. However, the open end of the graphite network surface constituting the structural unit body is a fiber. Since the frequency of exposure to the outer peripheral surface is reduced, the conductivity between adjacent fibers is deteriorated. On the other hand, when the aspect ratio is small, the open end of the graphite mesh surface constituting the structural unit body portion is more frequently exposed to the outer peripheral surface of the fiber, so that the conductivity between adjacent fibers is improved. Since many short graphite mesh surfaces are connected in the axial direction, conductivity in the fiber axial direction of one fiber is impaired.

微細な炭素繊維は、図2(a)に示すように、前記集合体がさらにHead−to−Tailの様式で連結することにより形成される。Head−to−Tailの様式とは、微細な炭素繊維の構成において、隣り合った前記集合体どうしの接合部位が、一方の集合体の頭頂部(Head)と他方の集合体の下端部(Tail)の組合せで形成されていることを意味する。具体的な接合部分の形態は、第一の構造単位集合体21aの下端開口部において、最内層の構造単位の黒鉛結晶基底面を介して、単位集合体21bの最外層の構造単位の頭頂部を形成する黒鉛基底面が挿入され、隣接する構造単位は互いに黒鉛基底面を介して接合する。さらに、第二の構造単位集合体21bの下端開口部に、第三の構造単位集合体21cの頭頂部が挿入され、これがさらに連続することによって繊維が構成される。   As shown in FIG. 2A, the fine carbon fiber is formed by further connecting the aggregates in a head-to-tail manner. The head-to-tail style is a structure of fine carbon fibers in which the joining portions of the adjacent aggregates are the top (Head) of one aggregate and the lower end (Tail) of the other aggregate. ) In combination. Specifically, the form of the joining portion is the top of the structural unit of the outermost layer of the unit assembly 21b through the graphite crystal basal plane of the structural unit of the innermost layer at the lower end opening of the first structural unit assembly 21a. A graphite basal plane is formed, and adjacent structural units are joined to each other via the graphite basal plane. Furthermore, the top of the third structural unit assembly 21c is inserted into the lower end opening of the second structural unit assembly 21b, and this further continues to form a fiber.

微細な炭素繊維の1本の微細繊維を形成する各々の接合部分は、構造的な規則性を有しておらず、例えば第一の集合体と第二の集合体の接合部分の繊維軸方向の長さは、第二の集合体と第三の集合体の接合部分の長さと必ずしも同じではない。また、図2(a)のように、接合される二つの構造単位集合体が中心軸を共有して直線状に連結することもあるが、図2(b)の構造単位集合体21bと21cのように、中心軸が共有されずに接合して、結果として接合部分において屈曲構造を生じることもある。前記構造単位集合体の長さLは繊維ごとにおおむね一定である。しかしながら、気相成長法では、原料及び副生のガス成分と触媒及び生成物の固体成分が混在するため、発熱的な炭素析出反応の実施においては、前記の気体及び固体からなる不均一な反応混合物の流動状態によって一時的に温度の高い局所が形成されるなど、反応器内に温度分布が生じ、その結果、長さLにある程度のばらつきが生じることもある。   Each joint part forming one fine fiber of fine carbon fibers does not have structural regularity, for example, the fiber axis direction of the joint part of the first aggregate and the second aggregate The length of is not necessarily the same as the length of the junction of the second assembly and the third assembly. In addition, as shown in FIG. 2 (a), the two structural unit assemblies to be joined may be connected linearly sharing the central axis, but the structural unit assemblies 21b and 21c in FIG. 2 (b). As described above, the central axis may be joined without being shared, resulting in a bent structure at the joint. The length L of the structural unit aggregate is generally constant for each fiber. However, in the vapor phase growth method, since raw material and by-product gas components and catalyst and product solid components coexist, in the exothermic carbon deposition reaction, a heterogeneous reaction consisting of the gas and solid is performed. A temperature distribution is generated in the reactor, such as a locally high temperature is formed depending on the flow state of the mixture, and as a result, some variation in the length L may occur.

微細な炭素繊維のXRDにおいて、測定される002面のピーク半価幅W(単位:degree)は、2〜4の範囲である。Wが4を超えると、グラファイト結晶性が低く導電性も低い。一方、Wが2未満ではグラファイト結晶性は良いが、同時に繊維径が太くなり、樹脂等に導電性等の機能を付与するためには多くの添加量が必要となってしまう。   In XRD of fine carbon fiber, the peak half-value width W (unit: degree) of the 002 plane measured is in the range of 2-4. When W exceeds 4, the graphite crystallinity is low and the conductivity is low. On the other hand, when W is less than 2, the graphite crystallinity is good, but at the same time, the fiber diameter becomes large, and a large amount of addition is required to impart functions such as conductivity to the resin.

微細な炭素繊維を構成する微細な炭素繊維のXRD測定によって求められるグラファイト面間隔d002は、0.350nm以下、好ましくは0.341〜0.348nmである。d002が0.350nmを超えるとグラファイト結晶性が低くなり、導電性が低下する。一方、0.341nm未満の繊維は、製造の際に収率が低い。   The graphite plane distance d002 obtained by XRD measurement of fine carbon fibers constituting the fine carbon fibers is 0.350 nm or less, preferably 0.341 to 0.348 nm. If d002 exceeds 0.350 nm, the graphite crystallinity is lowered and the conductivity is lowered. On the other hand, the fiber of less than 0.341 nm has a low yield in production.

微細な炭素繊維に含有される灰分は、4重量%以下であり、通常の用途では、精製を必要としない。通常、0.3重量%以上1.5重量%以下であり、より好ましくは0.3重量%以上1重量%以下である。尚、灰分は、繊維を1グラム以上燃焼して残った酸化物の重量から決定される。   The ash content contained in the fine carbon fiber is 4% by weight or less, and refining is not required for normal use. Usually, it is 0.3 wt% or more and 1.5 wt% or less, more preferably 0.3 wt% or more and 1 wt% or less. The ash content is determined from the weight of oxide remaining after burning 1 g or more of fiber.

後述の気相成長法による生成直後は、上記特徴をもつ微細な炭素繊維が数十μmから数mmの塊状に複雑に絡み合った凝集体を形成している。本発明においては、この塊状凝集体に後述する方法で衝撃力を加えて解砕処理し、毬藻状凝集体を得ることができる。解砕処理によって、微細な炭素繊維は切断を伴いながら分割、微粒子化され、嵩密度は変化することなく、微細な炭素繊維間の凝集力が弱められた微小な亀裂を有した微細な炭素繊維の毬藻状凝集体を形成する。微細な炭素繊維の毬藻状凝集体は、流動、分散が容易な概ね球形体であるため、ポリマーとの混練複合において、凝集体の開繊、分散を容易にする。   Immediately after the production by the vapor phase growth method described later, fine carbon fibers having the above characteristics form an aggregate intricately intertwined into a mass of several tens μm to several mm. In the present invention, an agglomerate can be obtained by applying an impact force to the massive agglomerate by a method described later and crushing it. Fine carbon fibers with fine cracks that are divided and made into fine particles while being cut by the crushing process, the bulk density does not change, and the cohesive force between the fine carbon fibers is weakened Diatomaceous agglomerates. Fine carbon fiber diatomaceous agglomerates are generally spherical bodies that are easy to flow and disperse, and therefore facilitate the opening and dispersion of the agglomerates in a kneading composite with a polymer.

微細な炭素繊維の塊状凝集体に衝撃力を加えると、上記構造単位集合体の接合部は互いに隣接する黒鉛基底面で接合しているため、繊維軸に平行な応力が加わることにより黒鉛基底面間で容易に滑りが生じ、構造単位集合体はお互いに引き抜けるように切断して短繊維化する。このとき、構造単位集合体がファンデルワールス力で接合した構造であるため、小さなエネルギーで接合部を分離することができ、得られた微細な炭素繊維は何ら損傷を受けることはない。また、解砕によって切断された微細な炭素繊維が派生するが、同繊維は繊維間のファンデルワールス力により微粒子化された毬藻状凝集体に集まり、1本1本の微細な炭素繊維が独立して存在することは無い。   When impact force is applied to the aggregates of fine carbon fibers, the joints of the structural unit aggregates are joined at the graphite bases adjacent to each other. Sliding easily occurs between them, and the structural unit aggregate is cut so as to be pulled out from each other and shortened. At this time, since the structural unit aggregate has a structure joined by van der Waals force, the joined portion can be separated with small energy, and the obtained fine carbon fiber is not damaged at all. In addition, fine carbon fibers cut by crushing are derived, but the fibers gather together in diatomaceous agglomerates that are atomized by van der Waals forces between the fibers, and each fine carbon fiber is independent. And never exist.

衝撃力が微細な炭素繊維に加わった状態を図4に示す。この場合、A、B、C点に加えられた力は、B’点を支点とする繊維軸方向に垂直な圧縮力と繊維軸方向に平行な張力として作用する。この張力が本発明の繊維の最も引っ張り強度の低い、言い換えれば、黒鉛AB面間(黒鉛基底面間)ですべりを起こし易い構造単位集合体の接合部で作用し、繊維はこの部分で分離切断される。   FIG. 4 shows a state in which the impact force is applied to the fine carbon fiber. In this case, the force applied to the points A, B, and C acts as a compressive force perpendicular to the fiber axis direction and a tension parallel to the fiber axis direction with the B ′ point as a fulcrum. This tension acts at the joint of the structural unit assembly, which has the lowest tensile strength of the fiber of the present invention, in other words, easily slips between the graphite AB planes (between the graphite base surfaces), and the fibers are separated and cut at this portion. Is done.

一方、通常のカーボンナノチューブといわれる欠陥のない微細な炭素繊維は、繊維のほぼ全体が炭素SP2結合で出来ているため、この結合を切断するには多大のエネルギーを要するのみならず、切断された繊維の外壁は大きな損傷を受ける。   On the other hand, fine carbon fibers having no defects, which are called normal carbon nanotubes, are made of carbon SP2 bonds, so that not only a great deal of energy is required to cut these bonds, but they are also cut. The outer wall of the fiber is severely damaged.

前記構造単位集合体接合部の一部を切断した同部分のグラファイト網面は繊維外周面に露出し、グラファイト層端面はより活性な部位として存在する。この結果、1本の繊維における繊維軸方向の導電性を損なうことなく、前記π電子の飛び出しによるジャンピング効果(トンネル効果)によって隣接する繊維間の導電性は、解砕前の微細な炭素繊維よりも一層向上し、ポリマーとの親和性も改善されることが期待される。   The graphite network surface of the portion of the structural unit assembly joint cut out is exposed on the outer peripheral surface of the fiber, and the end surface of the graphite layer exists as a more active site. As a result, the conductivity between adjacent fibers by the jumping effect (tunnel effect) due to the jumping out of the π electrons is less than the fine carbon fiber before pulverization without impairing the conductivity in the fiber axis direction of one fiber. Is expected to be further improved and the affinity with the polymer is also improved.

このような部分的な短繊維化により得られる微細な炭素繊維の毬藻状凝集体は、構造単位集合体が数個(即ち2個から9個)から数十個程度(即ち100個以下、80個程度まで、好ましくは70個程度まで)、好ましくは、10個から50個程度連結した微細な炭素繊維が互いに絡み合った二次構造体である。この微細な炭素繊維の毬藻状凝集体を形成する微細な炭素繊維1本のアスペクト比は5ないし200程度である。さらに好ましいアスペクト比は10ないし50である。衝撃力を加えても、構造単位集合体の炭素SP2結合から成る繊維直胴部分では、繊維の切断が起こらず、また構造単位集合体よりも小さく切断されることはない。   The fine carbon fiber diatomaceous agglomerates obtained by such partial fiber shortening have several structural unit aggregates (ie, 2 to 9) to several tens (ie, 100 or less, 80 (Up to about 70, preferably up to about 70), preferably about 10 to 50 fine carbon fibers connected to each other are secondary structures intertwined with each other. The aspect ratio of one fine carbon fiber forming the diatom-like aggregate of fine carbon fibers is about 5 to 200. A more preferred aspect ratio is 10 to 50. Even if an impact force is applied, the fiber straight body portion composed of the carbon SP2 bond of the structural unit assembly does not cause the fiber to be cut and is smaller than the structural unit assembly.

ここで、微細な炭素繊維の毬藻状凝集体は、概ね球形を呈しており、ほぼ球形に近い形から、楕円球や卵状等、一般に丸みをもった形状を有する。具体的には、例えば、凝集体を一方向から見たときの最も長い軸rと最も短い軸rの比(r/r)が、1〜2の範囲にあるものを意味する。 Here, the diatomaceous agglomerates of fine carbon fibers have a generally spherical shape, and generally have a rounded shape, such as an elliptical sphere or egg shape, from a nearly spherical shape. Specifically, for example, it means that the ratio (r 1 / r 2 ) between the longest axis r 1 and the shortest axis r 2 when the aggregate is viewed from one direction is in the range of 1 to 2. .

解砕処理された微細な炭素繊維の毬藻状凝集体の粒径は、1〜150μmであることが好ましく、更に好ましくは2〜120μmである。   The particle diameter of the fine carbon fiber diatom aggregates subjected to the crushing treatment is preferably 1 to 150 μm, and more preferably 2 to 120 μm.

微細な炭素繊維の毬藻状凝集体の嵩密度は0.05〜0.15g/mlが好ましく、更に好ましくは0.08〜0.11g/mlである。当該嵩密度は、実施例1および2で示されるように、衝撃力による解砕処理の前後で、ほとんど変化しない。   The bulk density of the diatomaceous agglomerates of fine carbon fibers is preferably 0.05 to 0.15 g / ml, more preferably 0.08 to 0.11 g / ml. As shown in Examples 1 and 2, the bulk density hardly changes before and after the crushing treatment by impact force.

次に、本発明の微細な炭素繊維の毬藻状凝集体の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the diatomaceous aggregate of the fine carbon fiber of this invention is demonstrated.

<微細な炭素繊維の塊状凝集体の製造方法>
まず、本発明の微細な炭素繊維の毬藻状凝集体の原体である微細な炭素繊維の塊状凝集体の製造方法は、次のとおりである。コバルトのスピネル型結晶構造を有する酸化物に、マグネシウムが固溶置換した触媒を用いて、CO及びHを含む混合ガスを触媒粒子に供給して気相成長法により、塊状の微細な炭素繊維集合体を製造する。
<Method for producing agglomerates of fine carbon fibers>
First, the manufacturing method of the aggregate of the fine carbon fiber which is the raw material of the diatomaceous aggregate of the fine carbon fiber of the present invention is as follows. Using a catalyst in which magnesium is replaced by a solid solution with an oxide having a spinel crystal structure of cobalt, a mixed gas containing CO and H 2 is supplied to the catalyst particles, and the fine carbon fibers in a lump are formed by vapor phase growth. Produce an assembly.

Mgが置換固溶したコバルトのスピネル型結晶構造は、MgCo3−xで表される。ここで、xは、MgによるCoの置換を示す数であり、形式的には0<x<3である。また、yはこの式全体が電荷的に中性になるように選ばれる数で、形式的には4以下の数を表す。即ち、コバルトのスピネル型酸化物Coでは、2価と3価のCoイオンが存在しており、ここで、2価および3価のコバルトイオンをそれぞれCoIIおよびCoIIIで表すと、スピネル型結晶構造を有するコバルト酸化物はCoIICoIII で表される。Mgは、CoIIとCoIIIのサイトの両方を置換して固溶する。MgがCoIIIを置換固溶すると、電荷的中性を保つためにyの値は4より小さくなる。但し、x、y共に、スピネル型結晶構造を維持できる範囲の値をとる。 The spinel type crystal structure of cobalt in which Mg is substituted and dissolved is represented by Mg x Co 3-x O y . Here, x is a number indicating the replacement of Co by Mg, and formally 0 <x <3. In addition, y is a number selected so that the entire expression is neutral in terms of charge, and formally represents a number of 4 or less. That is, in the spinel oxide Co 3 O 4 of cobalt, there are divalent and trivalent Co ions, where the divalent and trivalent cobalt ions are represented by Co II and Co III , respectively. A cobalt oxide having a spinel crystal structure is represented by Co II Co III 2 O 4 . Mg displaces both Co II and Co III sites and forms a solid solution. When Mg substitutes Co III for solid solution, the value of y becomes smaller than 4 in order to maintain charge neutrality. However, both x and y take values in a range where the spinel crystal structure can be maintained.

触媒として使用できる好ましい範囲として、Mgの固溶範囲は、xの値が0.5〜1.5であり、より好ましくは0.7〜1.5である。xの値が0.5未満の固溶量では、触媒の活性は低く、生成する微細な炭素繊維の量は少ない。xの値が1.5を超える範囲では、スピネル型結晶構造を調製することが困難である。   As a preferable range that can be used as a catalyst, the solid solution range of Mg has a value x of 0.5 to 1.5, and more preferably 0.7 to 1.5. When the value of x is less than 0.5, the catalyst activity is low and the amount of fine carbon fibers produced is small. When the value of x exceeds 1.5, it is difficult to prepare a spinel crystal structure.

触媒のスピネル型酸化物結晶構造は、XRD測定により確認することが可能であり、結晶格子定数a(立方晶系)は、0.811〜0.818nmの範囲であり、より好ましくは0.812〜0.818nmである。aが小さいとMgの固溶置換が充分でなく、触媒活性が低い。また、0.818nmを超える格子定数を有する前記スピネル型酸化物結晶は調製困難である。   The spinel oxide crystal structure of the catalyst can be confirmed by XRD measurement, and the crystal lattice constant a (cubic system) is in the range of 0.811 to 0.818 nm, more preferably 0.812. ~ 0.818 nm. If “a” is small, the solid solution substitution of Mg is insufficient and the catalytic activity is low. Also, the spinel oxide crystal having a lattice constant exceeding 0.818 nm is difficult to prepare.

このような触媒が好適である理由として、本発明者らは、コバルトのスピネル構造酸化物にマグネシウムが置換固溶した結果、あたかもマグネシウムのマトリックス中にコバルトが分散配置された結晶構造が形成されることにより、反応条件下においてコバルトの凝集が抑制されていると推定している。   The reason why such a catalyst is suitable is that, as a result of the substitutional dissolution of magnesium in the spinel structure oxide of cobalt, the present inventors formed a crystal structure in which cobalt is dispersedly arranged in a magnesium matrix. Thus, it is presumed that the aggregation of cobalt is suppressed under the reaction conditions.

また、触媒の粒子サイズは、適宜選ぶことができるが、例えばメジアン径として、0.1〜100μm、好ましくは、0.1〜10μmである。   The particle size of the catalyst can be selected as appropriate. For example, the median diameter is 0.1 to 100 μm, preferably 0.1 to 10 μm.

触媒粒子は、一般に基板または触媒床等の適当な支持体に、散布するなどの方法により載せて使用する。基板または触媒床への触媒粒子の散布は、触媒粒子を直接散布して良いが、エタノール等の溶媒に懸濁させて散布し、乾燥させることにより所望の量を散布しても良い。   The catalyst particles are generally used by being applied to a suitable support such as a substrate or a catalyst bed by a method such as spraying. The catalyst particles may be sprayed directly onto the substrate or the catalyst bed, but the catalyst particles may be sprayed directly, but a desired amount may be sprayed by suspending in a solvent such as ethanol and drying.

触媒粒子は、原料ガスと反応させる前に、活性化させることも好ましい。活性化は通常、HまたはCOを含むガス雰囲気下で加熱することにより行われる。これらの活性化操作は、必要に応じて、HeやNなどの不活性ガスで希釈することにより実施することができる。活性化を実施する温度は、好ましくは400〜600℃、より好ましくは450〜550℃である。 The catalyst particles are preferably activated before reacting with the raw material gas. Activation is usually performed by heating in a gas atmosphere containing H 2 or CO. These activation operations can be performed by diluting with an inert gas such as He or N 2 as necessary. The temperature at which the activation is performed is preferably 400 to 600 ° C, more preferably 450 to 550 ° C.

気相成長法の反応装置に特に制限はなく、固定床反応装置や流動床反応装置といった反応装置により実施することができる。   There is no particular limitation on the reactor for the vapor phase growth method, and the reaction can be performed by a reactor such as a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor.

気相成長の炭素源となる原料ガスは、CO及びHを含む混合ガスが利用される。 A mixed gas containing CO and H 2 is used as a source gas that becomes a carbon source for vapor phase growth.

ガスの添加濃度{H/(H+CO)}は、好ましくは0.1〜30vol%、より好ましくは2〜20vol%である。添加濃度が低すぎると円筒状のグラファイト質網面が繊維軸に平行したカーボンナノチューブ様の構造を形成してしまう。一方、30vol%を超えると構造体の炭素側周面の繊維軸に対する傾斜角が大きくなり、魚骨形状を呈するため繊維方向の導電性の低下を招く。 The added concentration of H 2 gas {H 2 / (H 2 + CO)} is preferably 0.1 to 30 vol%, more preferably 2 to 20 vol%. If the addition concentration is too low, a cylindrical graphitic network surface forms a carbon nanotube-like structure parallel to the fiber axis. On the other hand, when it exceeds 30 vol%, the inclination angle with respect to the fiber axis of the carbon side peripheral surface of the structure becomes large, and it exhibits a fishbone shape, leading to a decrease in conductivity in the fiber direction.

また、原料ガスは不活性ガスを含有していてもよい。不活性ガスとしては、CO、N、He、Ar等が挙げられる。不活性ガスの含有量は、反応速度を著しく低下させない程度が好ましく、例えば80vol%以下、好ましくは50vol%以下の量である。また、HおよびCOを含有する合成ガスまたは転炉排出の廃棄ガスを、必要により適宜処理して使用することもできる。 Further, the raw material gas may contain an inert gas. Examples of the inert gas include CO 2 , N 2 , He, Ar, and the like. The content of the inert gas is preferably such that the reaction rate is not significantly reduced, for example, 80 vol% or less, preferably 50 vol% or less. Further, the synthesis gas containing H 2 and CO or the waste gas discharged from the converter can be appropriately treated as necessary.

気相成長を実施する反応温度は、好ましくは400〜650℃、より好ましくは500〜600℃である。反応温度が低すぎると繊維の成長が進行しない。一方、反応温度が高すぎると収量が低下してしまう。反応時間は、特に限定されないが、例えば2時間以上であり、また12時間程度以下である。   The reaction temperature for carrying out the vapor phase growth is preferably 400 to 650 ° C, more preferably 500 to 600 ° C. If the reaction temperature is too low, fiber growth does not proceed. On the other hand, if the reaction temperature is too high, the yield decreases. Although reaction time is not specifically limited, For example, it is 2 hours or more, and is about 12 hours or less.

気相成長を実施する反応圧力は、反応装置や操作の簡便化の観点から常圧で行うことが好ましいが、Boudouard平衡の炭素析出が進行する範囲であれば、加圧または減圧の条件で実施しても差し支えない。   The reaction pressure for carrying out the vapor phase growth is preferably normal pressure from the viewpoint of simplifying the reaction apparatus and operation, but it is carried out under pressure or reduced pressure as long as Boudard equilibrium carbon deposition proceeds. It doesn't matter.

この微細な炭素繊維の製造方法によれば、触媒単位重量あたりの微細な炭素繊維の生成量は、従来の製造方法、例えば非特許文献2記載の方法に比べて格段に大きいことが示された。この微細な炭素繊維の製造方法による微細な炭素繊維の生成量は、触媒単位重量あたり40倍以上であり、例えば40〜200倍である。その結果、前述のような不純物、灰分の少ない微細な炭素繊維の製造が可能である。   According to this method for producing fine carbon fibers, it was shown that the amount of fine carbon fibers produced per unit weight of the catalyst is much larger than conventional production methods, for example, the method described in Non-Patent Document 2. . The amount of fine carbon fibers produced by this fine carbon fiber production method is 40 times or more per unit weight of the catalyst, for example, 40 to 200 times. As a result, it is possible to produce fine carbon fibers with less impurities and ash as described above.

この微細な炭素繊維の製造方法により製造される微細な炭素繊維に特有な接合部の形成過程は明らかではないが、発熱的なBoudouard平衡と原料ガスの流通による除熱とのバランスから、前記触媒から形成されたコバルト微粒子近傍の温度が上下に振幅するため、炭素析出が断続的に進行することにより形成されるものと考えられる。即ち、[1]構造体頭頂部形成、[2]構造体の胴部成長、[3]前記[1]、[2]過程の発熱による温度上昇のため成長停止、[4]流通ガスによる冷却、の4過程が触媒微粒子上で繰り返されることにより、微細な炭素繊維構造特有の接合部が形成されると推定される。   Although the formation process of the joints unique to the fine carbon fibers produced by this fine carbon fiber production method is not clear, the catalyst has a balance between the exothermic Boudouard equilibrium and the heat removal by the flow of the raw material gas. Since the temperature in the vicinity of the cobalt fine particles formed from oscillates up and down, it is considered that carbon deposition is formed by intermittent progress. That is, [1] formation of the top of the structure body, [2] growth of the trunk of the structure, [3] growth stop due to temperature rise due to heat generation in the above [1] and [2] processes, [4] cooling by flowing gas These four processes are repeated on the catalyst fine particles, so that it is estimated that a fine carbon fiber structure-specific joint is formed.

<微細な炭素繊維の毬藻状凝集体の製造方法>
次に、本発明の微細な炭素繊維の毬藻状凝集体の製造方法について説明する。本発明の微細な炭素繊維の毬藻状凝集体は、上記方法で製造された微細な炭素繊維の塊状凝集体に衝撃力を加え、解砕することにより製造される。具体的な解砕処理方法としてはハンマーミル、超遠心ミル、ピンミル、ターボミル、またはジェットミルが好適である。
<Method for producing diatomaceous agglomerates of fine carbon fibers>
Next, the manufacturing method of the diatomaceous aggregate of the fine carbon fiber of this invention is demonstrated. The diatomaceous agglomerates of fine carbon fibers of the present invention are produced by applying an impact force to the fine aggregates of fine carbon fibers produced by the above method and crushing them. As a specific crushing method, a hammer mill, an ultracentrifugal mill, a pin mill, a turbo mill, or a jet mill is suitable.

ハンマーミル、超遠心ミル、ピンミル及びターボミルは、スイングするハンマーもしくは固定されたピンやブレードやエッジで塊状凝集体を打撃し、微細な炭素繊維の一部を分離切断する。衝撃力は衝突体の速度で決定されるが、粉砕機外周速度で80m/秒以下、好ましくは10m/秒から70m/秒である。この範囲で解砕を行うことにより、微細な炭素繊維の塊状凝集体は開繊、小粒子化され、微細な炭素繊維の一部で短繊維化(部分的な切断)が起こり、同時に、粉砕された集合体はほぼ球形、すなわち毬藻状の凝集体となる。また、ジェットミル及びターボミルは、圧縮気流が圧力開放される際に発生する衝撃波を塊状凝集体に作用させるか、もしくは塊状凝集体を含む気流同士が衝突し、凝集体同士が衝突するか、更には凝集体を含む気流を衝突板に衝突させることにより塊状凝集体を毬藻状の概ね球形の凝集体へ解砕する。   A hammer mill, an ultracentrifugal mill, a pin mill, and a turbo mill strike a lump aggregate with a swinging hammer or fixed pins, blades, and edges, and separate and cut a part of fine carbon fibers. The impact force is determined by the speed of the collision body, and is 80 m / second or less, preferably 10 m / second to 70 m / second, at the outer peripheral speed of the pulverizer. By crushing in this range, the aggregates of fine carbon fibers are opened and made into smaller particles, and a part of the fine carbon fibers are shortened (partially cut), and simultaneously pulverized. The assembled aggregates are almost spherical, that is, diatom-like aggregates. Also, the jet mill and the turbo mill may cause the shock wave generated when the compressed air flow is released from pressure to act on the aggregates, or the air streams containing the aggregates collide, and the aggregates collide, Breaks up agglomerates into diatom-like, generally spherical agglomerates by causing an air stream containing agglomerates to collide with the impact plate.

衝撃法による塊状凝集体を解砕処理する時間は数秒以内(即ち5秒以内、好ましくは3秒以内、更に好ましくは1秒以内)と極めて短時間である。   The time for pulverizing the aggregated mass by the impact method is as short as several seconds (that is, within 5 seconds, preferably within 3 seconds, more preferably within 1 second).

微細な炭素繊維の塊状凝集体の解砕処理は、乾式でも、湿式でも行うことが可能であるが、乾式で行うことがより好ましい。乾式で行う場合、溶媒を除去する工程を必要としないばかりか、乾燥時に微細な炭素繊維が再凝集して、大きな塊状粒子を形成する恐れがない。さらに残留する溶媒や添加剤が製品中に残留し、この製品を複合材フィラーとして用いる時に重合抑制や物性発現の抑制等の影響を与えることがない。乾式解砕処理における雰囲気は不活性雰囲気も酸化雰囲気も目的によって選択することが出来る。   The crushing treatment of the fine aggregates of fine carbon fibers can be performed either dry or wet, but is more preferably performed dry. When the dry process is performed, not only a process for removing the solvent is required, but there is no fear that fine carbon fibers are re-agglomerated during drying to form large aggregate particles. Further, residual solvent and additives remain in the product, and when this product is used as a composite filler, there is no influence such as suppression of polymerization and suppression of physical properties. The atmosphere in the dry crushing treatment can be selected from an inert atmosphere and an oxidizing atmosphere depending on the purpose.

本発明による微細な炭素繊維の毬藻状凝集体は種々の樹脂あるいは無機材料の導電化および導電化補助に有効である。特に、球状、ウィスカー状、扁平状、ナノ粒子などの形態如何に関わらず、非導電性或は低導電性の有機物ポリマー、半金属、酸化物、フッ化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、硫化物、および水素化物等の無機化合物、特に電池材料として用いられる固体材料の導電化および導電化補助に有効である。
また、本発明による微細な炭素繊維の毬藻状凝集体は、黒鉛構造を有する炭素に特有な高い熱伝導性や摺動性、さらには高い引っ張り強度と弾性率を生かして、導電化、導電化補助としての用途の他に、樹脂や無機材料と複合化することによる熱伝導材、摺動材、難燃化材および補強材のフィラーとして、あるいは研磨材として有用である。
The diatomaceous agglomerates of fine carbon fibers according to the present invention are effective in conducting various resins or inorganic materials and assisting in conducting them. In particular, non-conductive or low-conductivity organic polymers, semi-metals, oxides, fluorides, nitrides, carbides, borides, sulfides, regardless of the shape, such as spherical, whisker, flat, or nanoparticles It is effective for conducting and assisting the conduction of inorganic compounds such as hydrides and hydrides, especially solid materials used as battery materials.
Further, the diatomaceous agglomerates of fine carbon fibers according to the present invention are made conductive and conductive by taking advantage of the high thermal conductivity and slidability characteristic of carbon having a graphite structure, as well as high tensile strength and elastic modulus. In addition to the use as an auxiliary, it is useful as a filler for a heat conductive material, a sliding material, a flame retardant and a reinforcing material by compounding with a resin or an inorganic material, or as an abrasive.

以下に本発明の実施例を比較例とともに説明する。   Examples of the present invention will be described below together with comparative examples.

<実施例1>
イオン交換水500mLに硝酸コバルト〔Co(NO・6HO:分子量291.03〕115g(0.40モル)、硝酸マグネシウム〔Mg(NO・6HO:分子量256.41〕102g(0.40モル)を溶解させ、原料溶液(1)を調製した。また、重炭酸アンモニウム〔(NH)HCO:分子量79.06〕粉末220g(2.78モル)をイオン交換水1100mLに溶解させ、原料溶液(2)を調製した。次に、反応温度40℃で原料溶液(1)と(2)を混合し、その後4時間攪拌混合した。生成した沈殿物のろ過、洗浄を行い、乾燥した。
<Example 1>
In 500 mL of ion exchange water, 115 g (0.40 mol) of cobalt nitrate [Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O: molecular weight 291.03], magnesium nitrate [Mg (NO 3 ) 2 .6H 2 O: molecular weight 256.41 102 g (0.40 mol) was dissolved to prepare a raw material solution (1). Further, 220 g (2.78 mol) of ammonium bicarbonate [(NH 4 ) HCO 3 : molecular weight 79.06] powder was dissolved in 1100 mL of ion-exchanged water to prepare a raw material solution (2). Next, the raw material solutions (1) and (2) were mixed at a reaction temperature of 40 ° C., and then stirred and mixed for 4 hours. The produced precipitate was filtered, washed and dried.

これを焼成した後、乳鉢で粉砕し、43gの触媒を取得した。本触媒中のスピネル構造の結晶格子定数a(立方晶系)は0.8162nm、置換固溶によるスピネル構造中の金属元素の比はMg:Co=1.4:1.6であった。   After baking this, it grind | pulverized in the mortar and 43g of catalysts were acquired. The crystal lattice constant a (cubic system) of the spinel structure in the present catalyst was 0.8162 nm, and the ratio of metal elements in the spinel structure by substitutional solid solution was Mg: Co = 1.4: 1.6.

石英製反応管(内径75mmφ、高さ650mm)を立てて設置し、その中央部に石英ウール製の支持体を設け、その上に触媒0.9gを散布した。He雰囲気中で炉内温度を550℃に加熱した後、CO、Hからなる混合ガス(容積比:CO/H=95.1/4.9)を原料ガスとして反応管の下部から1.28L/分の流量で7時間流し、微細な炭素繊維を合成した。 A quartz reaction tube (inner diameter: 75 mmφ, height: 650 mm) was installed upright, a support made of quartz wool was provided at the center, and 0.9 g of catalyst was sprayed thereon. After heating the furnace temperature to 550 ° C. in a He atmosphere, a mixed gas composed of CO and H 2 (volume ratio: CO / H 2 = 95.1 / 4.9) was used as a raw material gas from the bottom of the reaction tube. Flowing at a flow rate of 28 L / min for 7 hours, fine carbon fibers were synthesized.

収量は53.1gであり、灰分を測定したところ1.5重量%であった。生成物のXRD分析で観察されたピーク半価幅W(degree)は3.156、d002は0.3437nmであった。実施例1で得られた微細な炭素繊維のTEM像を図3に示す。TEM画像から、得られた微細な炭素繊維を構成する構造単位及びその集合体の寸法に関するパラメータは、D=12nm、d=7nm、L=114nm、L/D=9.5、θは0から7°であり、平均すると約3°であった。また、集合体を形成する構造単位の積層数は4乃至10であった。尚、D、dおよびθについては、集合体の塔頂から(1/4)L、(1/2)Lおよび(3/4)Lの3点について測定した。   The yield was 53.1 g, and the ash content was 1.5% by weight. The peak half-value width W (degree) observed by XRD analysis of the product was 3.156, and d002 was 0.3437 nm. The TEM image of the fine carbon fiber obtained in Example 1 is shown in FIG. From the TEM image, the structural unit constituting the obtained fine carbon fiber and the parameters relating to the size of the aggregate are D = 12 nm, d = 7 nm, L = 114 nm, L / D = 9.5, and θ is 0. It was 7 ° and averaged about 3 °. Further, the number of stacked structural units forming the aggregate was 4 to 10. D, d, and θ were measured at three points (1/4) L, (1/2) L, and (3/4) L from the top of the aggregate.

不二パウダル(株)製スイングハンマー式衝撃粉砕機(サンプルミル)を用い、上記の方法で調製した200gのほぼ長さ10cm、幅3cm、厚み2cmの塊をヌッチェを用いて粉砕し、50μmから2mm、平均粒度700μm、嵩密度0.10g/mlの塊状粒子とした後、塊状粒子のサンプルミル内の滞留時間は1秒以内であった。スクリーンメッシュ口径0.2mm(200μm)、ハンマー回転速度12000回転/秒:外周速度78.5m/秒で解砕処理を行った。微細な炭素繊維の毬藻状凝集体を得た。得られた毬藻状凝集体をSEMで観察し、SEM写真を画像解析することにより、粒度分布、形状因子を測定した。また100mlのメスシリンダーに振動を与えることなく毬藻状凝集体を約85ml挿入し、その毬藻状凝集体重量を体積で除した値を嵩密度とした。その結果、同粒子の最小粒度は2μm、最大粒度は80μm、平均粒度は25μmであり、粒子の球形度(各粒子の最大長/最小長の平均値)は1.32であり、ほぼ球形状を呈していた。嵩密度は0.11g/mlであった。   Using a swing hammer type impact crusher (sample mill) manufactured by Fuji Paudal Co., Ltd., 200 g of a lump of approximately 10 cm in length, 3 cm in width and 2 cm in thickness prepared by the above method was pulverized using Nutsche, and from 50 μm After forming 2 mm, an average particle size of 700 μm, and bulk particles having a bulk density of 0.10 g / ml, the residence time of the bulk particles in the sample mill was within 1 second. The crushing treatment was performed at a screen mesh diameter of 0.2 mm (200 μm), a hammer rotation speed of 12,000 rotations / second: an outer peripheral speed of 78.5 m / second. A diatom-like aggregate of fine carbon fibers was obtained. The obtained diatomaceous agglomerates were observed with SEM, and the particle size distribution and the shape factor were measured by image analysis of the SEM photograph. Moreover, about 85 ml of diatomaceous agglomerates were inserted without giving vibration to a 100 ml graduated cylinder, and the value obtained by dividing the weight of the diatomaceous agglomerates by volume was taken as the bulk density. As a result, the minimum particle size of the same particle is 2 μm, the maximum particle size is 80 μm, the average particle size is 25 μm, and the sphericity of the particles (the average value of the maximum length / minimum length of each particle) is 1.32. Was presenting. The bulk density was 0.11 g / ml.

<実施例2>
レッチェ製超遠心ミルを用いて上記の方法で調製した100gの塊状の微細な炭素繊維の凝集体(塊状凝集体粒度が50μmから2mm、平均粒度700μm、嵩密度0.10g/ml)を回転数6000回転/秒:外周速度31m/秒で粉砕を行なった。塊状凝集体の遠心ミル中の滞留時間は1秒以内であった。
得られた微細な炭素繊維の毬藻状凝集体は微粒子化され、実施例1と同様の方法で粒度と粒形および嵩密度を測定した。その結果、同粒子の最小粒度は6μm、最大粒度は120μm、平均粒度は40μmであり、粒子の球形度(各粒子の最大長/最小長の平均値)は1.25であり、ほぼ球形状を呈していた。嵩密度は0.09g/mlであった。
<Example 2>
100 g of agglomerated fine carbon fiber agglomerates prepared by the above method using a Lecce ultracentrifugal mill (agglomerate particle size is 50 μm to 2 mm, average particle size 700 μm, bulk density 0.10 g / ml) 6000 revolutions / second: Crushing was performed at an outer peripheral speed of 31 m / second. The residence time of the massive aggregate in the centrifugal mill was within 1 second.
The obtained diatomaceous agglomerates of fine carbon fibers were made into fine particles, and the particle size, particle shape and bulk density were measured in the same manner as in Example 1. As a result, the minimum particle size of the particles is 6 μm, the maximum particle size is 120 μm, the average particle size is 40 μm, and the sphericity of the particles (the average value of the maximum length / minimum length of each particle) is 1.25, which is almost spherical. Was presenting. The bulk density was 0.09 g / ml.

<実施例3>
実施例1の微細な炭素繊維の毬藻状凝集体と低密度ポリエチレン樹脂(日本ポリケム(株)製LF441H)とを適当量配合し、2本ロールミルで160℃にて均一に加熱溶融混合して、樹脂中に開繊・分散させた。得られた溶融組成物をペレット化して、導電性樹脂組成物を得た。導電性樹脂組成物のSEM観察から、10μm以上の微細炭素繊維凝集体は観察されなかった。このペレットをフィルム成形機により厚さ100μmのフィルムに溶融成形した。得られたフィルムの体積抵抗値(Ω・cm)(印加電圧10V)は、樹脂組成物の体積抵抗値は、低抵抗率計ロレスタGP(MCP−T610)および高抵抗率計ハイレスタUP(MCP−HT450)((株)ダイヤインスツルメンツ製)で測定した。測定結果を、配合組成とともに表1に示す。
<Example 3>
A suitable amount of the fine carbon fiber diatom aggregates of Example 1 and a low density polyethylene resin (LF441H manufactured by Nippon Polychem Co., Ltd.) were blended, and heated and melted and mixed uniformly at 160 ° C. with a two-roll mill. The fibers were spread and dispersed in the resin. The obtained molten composition was pelletized to obtain a conductive resin composition. From SEM observation of the conductive resin composition, fine carbon fiber aggregates of 10 μm or more were not observed. This pellet was melt-molded into a film having a thickness of 100 μm by a film molding machine. The volume resistivity (Ω · cm) of the obtained film (applied voltage: 10 V) is the same as that of the resin composition. The low resistivity meter Loresta GP (MCP-T610) and the high resistivity meter Hiresta UP (MCP- (HT450) (manufactured by Dia Instruments Co., Ltd.). The measurement results are shown in Table 1 together with the composition.

<比較例1>
塊状の微細な炭素繊維凝集体の原体を実施例3と同様に混合、溶融成形し、フィルムの体積抵抗値を測定した結果を表1に示す。
<Comparative Example 1>
Table 1 shows the results of mixing and melt-molding the bulk fine carbon fiber aggregate base material in the same manner as in Example 3 and measuring the volume resistance value of the film.

<実施例4>
実施例2の微細な炭素繊維の毬藻状凝集体とポリカーボネート樹脂(三菱エンジニアリングプラスチックス(株)製ユーピロンS−3000)とを適当量ヘンシェルミキサーで予備混合した後、配合物を二軸押出混練機により250℃で溶融混合し、溶融混合物をペレット化して導電性樹脂組成物を得た。このペレットを285℃にてホットプレス成形し、厚さ100μmのシートを作成した。得られたフィルムの体積抵抗値(印加電圧10V)を測定した。結果を表2に示す。
<Example 4>
An appropriate amount of the fine carbon fiber diatom aggregates of Example 2 and a polycarbonate resin (Iupilon S-3000 manufactured by Mitsubishi Engineering Plastics Co., Ltd.) were premixed with a Henschel mixer, and then the compound was mixed with a twin-screw extrusion kneader. Was melt-mixed at 250 ° C., and the molten mixture was pelletized to obtain a conductive resin composition. This pellet was hot press molded at 285 ° C. to prepare a sheet having a thickness of 100 μm. The volume resistance value (applied voltage 10 V) of the obtained film was measured. The results are shown in Table 2.

<比較例2>
状の微細な炭素繊維凝集体の原体を実施例と同様に混合、溶融成形し、フィルムの体積抵抗値を測定した結果を表2に示す。
<Comparative example 2>
Mixed in the same manner as conformal Example 4 mass-like fine fine carbon fiber aggregates, and melt-molding, Table 2 shows the results of measuring the volume resistivity of the film.

<実施例5>
実施例1の微細な炭素繊維の毬藻状凝集体とナイロン12(宇部興産(株)製3012U)とを適当量ヘンシェルミキサーで予備混合した後、配合物を二軸押出混練機により230℃で溶融混合し、溶融混合物をペレット化して導電性樹脂組成物を得た。このペレットを250℃にてホットプレス成形し、厚さ100μmのシートを作成した。得られたフィルムの体積抵抗値(印加電圧10V)を測定した。結果を表3に示す。
<Example 5>
An appropriate amount of the diatomaceous agglomerate of carbon fibers of Example 1 and nylon 12 (3012U manufactured by Ube Industries) were premixed with a Henschel mixer, and the blend was melted at 230 ° C. with a twin-screw extruder kneader. After mixing, the molten mixture was pelletized to obtain a conductive resin composition. This pellet was hot press molded at 250 ° C. to prepare a sheet having a thickness of 100 μm. The volume resistance value (applied voltage 10 V) of the obtained film was measured. The results are shown in Table 3.

<比較例3>
塊状微細な炭素繊維凝集体の原体を実施例5と同様に混合、溶融成形し、フィルムの体積抵抗値を測定した結果を表3に示す。
<Comparative Example 3>
Table 3 shows the results of mixing and melt-molding the bulk fine carbon fiber aggregate base material in the same manner as in Example 5 and measuring the volume resistance value of the film.

本発明の微細な炭素繊維の毬藻状凝集体を含有する導電性樹脂組成物は、樹脂本来の物性を維持しながら、高い導電性を示す。従って、電気電子分野や自動車分野における電磁波遮蔽部材、帯電防止部品、静電塗装用部材として、さらには、半導体デバイスの製造、搬送工程におけるトレー、包装材、クリーンルーム用の建材、無塵衣、また、電子機器導電部材(ベルト、鞘、ロール、コネクター、ギヤ、チューブ等)、などの用途に有用である。   The conductive resin composition containing the fine carbon fiber diatom aggregates of the present invention exhibits high conductivity while maintaining the original physical properties of the resin. Therefore, as an electromagnetic shielding member, an antistatic component, an electrostatic coating member in the electric and electronic fields and the automobile field, and further, trays, packaging materials, building materials for clean rooms, dust-free clothing, It is useful for applications such as electronic device conductive members (belts, sheaths, rolls, connectors, gears, tubes, etc.).

11 構造単位
12 頭頂部
13 胴部
21、21a、21b、21c 集合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Structural unit 12 Head top part 13 Traction part 21, 21a, 21b, 21c Assembly

Claims (11)

気相成長法により製造される微細な炭素繊維の塊状凝集体を解砕することにより得られ、
直径が1〜150μm、嵩密度が0.05〜0.15g/mlであり、
前記微細な炭素繊維は、該炭素繊維を構成する構造単位集合体が互いに黒鉛基底面を介して接合する構造を少なくとも1つ有し、
前記構造単位集合体を構成する構造単位が、頭頂部と、開放端を備える胴部とを有し、概ね中心軸の周囲に回転させた回転体形状を有すること
を特徴とする、微細な炭素繊維の凝集体。
It is obtained by crushing agglomerates of fine carbon fibers produced by a vapor phase growth method,
The diameter is 1-150 μm, the bulk density is 0.05-0.15 g / ml,
The fine carbon fibers, at least one have the structure structural unit aggregate constituting the carbon fiber is bonded via the graphite basal plane with each other,
The structural unit constituting the structural unit aggregate has a top portion and a trunk portion having an open end, and has a rotating body shape rotated about a central axis. , Fine carbon fiber aggregates.
前記微細な炭素繊維において、黒鉛網面が、閉じた頭頂部と、下部が開いた胴部とを有する構造単位を形成し、前記構造単位が、中心軸を共有して2〜30個層状に積み重なって構造単位集合体を形成し、さらに構造単位集合体が互いの黒鉛基底面を介してHead−to−Tail様式で連続的に結合していることを特徴とする請求項1に記載の微細な炭素繊維の凝集体。   In the fine carbon fiber, the graphite net surface forms a structural unit having a closed top portion and a trunk portion having an open lower portion, and the structural unit is formed in a layered form with 2 to 30 layers sharing a central axis. The fine structure according to claim 1, wherein the structural unit aggregates are stacked to form a structural unit aggregate, and the structural unit aggregates are continuously bonded in a head-to-tail manner via each graphite base surface. Carbon fiber aggregates. 前記集合体胴部の端の外径Dが5〜40nm、内径dが3〜30nmであり、該集合体のアスペクト比(L/D)が2〜150であることを特徴とする請求項1または2に記載の微細な炭素繊維の凝集体。   The outer diameter D of the end of the aggregate body is 5 to 40 nm, the inner diameter d is 3 to 30 nm, and the aspect ratio (L / D) of the aggregate is 2 to 150. Or an aggregate of fine carbon fibers according to 2; 含有する灰分が4重量%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の微細な炭素繊維の凝集体。   The fine carbon fiber aggregate according to any one of claims 1 to 3, wherein the ash content is 4% by weight or less. X線回折法により測定される微細な炭素繊維の002面のピーク半価幅W(単位:degree)が、2〜4であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の微細な炭素繊維の凝集体。   The peak half-value width W (unit: degree) of the 002 plane of fine carbon fibers measured by X-ray diffraction method is 2-4. Agglomerates of fine carbon fibers. X線回折法により測定される微細な炭素繊維のグラファイト面間隔(d002)が0.341〜0.350nmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の微細な炭素繊維の凝集体。   The fine carbon fiber according to any one of claims 1 to 5, wherein a fine carbon fiber has a graphite plane interval (d002) of 0.341 to 0.350 nm as measured by an X-ray diffraction method. Fiber agglomerates. 導電材、導電助材、熱伝導材、摺動材、補強材、難燃材および研磨材として用いることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の微細な炭素繊維の凝集体の使用。   It is used as a conductive material, a conductive auxiliary material, a heat conductive material, a sliding material, a reinforcing material, a flame retardant material and an abrasive material, and the fine carbon fiber aggregation according to any one of claims 1 to 6, Use of collectives. マグネシウムが置換固溶したコバルトのスピネル型酸化物を含む触媒上に、CO及びHを含む混合ガスを供給して反応させて成長させた微細な炭素繊維に、衝撃力を加えて解砕処理することを特徴とする微細な炭素繊維の凝集体の製造方法であって、
前記微細な炭素繊維が、該炭素繊維を構成する構造単位集合体が互いに黒鉛基底面を介して接合する構造を少なくとも1つ有し、
前記構造単位集合体を構成する構造単位が、頭頂部と、開放端を備える胴部とを有し、概ね中心軸の周囲に回転させた回転体形状を有することを特徴とする微細な炭素繊維の凝集体の製造方法
Crushing treatment is performed by applying impact force to fine carbon fibers grown by supplying a mixed gas containing CO and H 2 on a catalyst containing cobalt spinel oxide in which magnesium is substituted and dissolved. A method for producing an aggregate of fine carbon fibers, characterized in that:
The fine carbon fiber has at least one structure in which structural unit aggregates constituting the carbon fiber are bonded to each other via a graphite base surface;
A fine carbon fiber characterized in that the structural unit constituting the aggregate of structural units has a top shape and a body portion having an open end, and has a shape of a rotating body rotated about a central axis. A method for producing an aggregate .
前記スピネル型酸化物を、MgCo3−xで表したとき、マグネシウムの固溶範囲を示すxの値が、0.5〜1.5であることを特徴とする請求項8に記載の微細な炭素繊維の凝集体の製造方法。 Said spinel-type oxide, when expressed in Mg x Co 3-x O y , the value of x indicating a solid solution range of magnesium, to claim 8, characterized in that 0.5 to 1.5 The manufacturing method of the aggregate of the fine carbon fiber of description. 前記解砕処理の際、衝撃作用を発生するハンマーミル、超遠心ミル、ピンミル、ターボミル、またはジェットミルを用いることを特徴とする、請求項8または9に記載の微細な炭素繊維の凝集体の製造方法。   The fine carbon fiber aggregate according to claim 8 or 9, wherein a hammer mill, an ultracentrifugal mill, a pin mill, a turbo mill, or a jet mill that generates an impact action during the crushing treatment is used. Production method. 前記衝撃力での解砕処理を、添加剤を用いることなく乾式で行うことを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の微細な炭素繊維の凝集体の製造方法。   The method for producing a fine carbon fiber aggregate according to any one of claims 8 to 10, wherein the crushing treatment with the impact force is performed in a dry manner without using an additive.
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