膨胀碳素纤维体以及使用该碳素纤维体的复合材料制造技术

本发明专利技术所涉及的膨胀碳素纤维体有多个呈无底杯形的碳素六边网层进行层叠，碳素六边网层的边缘从膨胀碳素纤维体的外表面或内表面的至少一部分处露出。此外，多个碳素六边网层层间中的至少一部分层间的间隔膨胀而比气相生长时的碳素六边网层层间间隔宽。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及膨胀碳素纤维体以及使用该碳素纤维体的复合材料。
技术介绍
一般来说，以气相生长法制造的碳素纤维具有碳素六边网层呈同心状层叠的结构。石墨层层间膨胀的膨胀石墨已经公知，被应用于各种用途中。但是，上述以气相生长法制造的碳素纤维，其碳素六边网层呈同心状层叠，各层的边缘所露出的只是纤维的两端而已。因此，对于上述碳素纤维，硫酸等难以渗入碳素六边网层层间，要形成通常的膨胀石墨那样的结构体是困难的。
技术实现思路
本专利技术是为解决上述问题而提出的，其目的是，提供一种碳素六边网层层间间隔气相生长时膨胀的、可用于各种用途的膨胀碳素纤维体以及复合材料。为解决上述问题，本专利技术所涉及的膨胀碳素纤维体具有气相生长的切头圆锥筒形碳素网层的同轴层叠结构(coaxial stackingmorphlogy of truncated conical tubular layers)，所说切头圆锥筒形碳素网层各个含有碳素六边网层(hexagonal carbon layer)，并且，在轴向的两端具有大直径环端和小直径环端，从所说大直径环端的至少一部分，露出所说碳素六边网层的边缘，所说多个碳素六边网层层间中的至少一部分层间的间隔膨胀而比气相生长时的所说碳素六边网层层间的间隔宽。作为本专利技术，碳素六边网层的边缘露出，该露出的边缘具有非常高的活性度，与各种材料的亲和性良好，是优异的催化金属载持体。此外，还可以作为在比气相生长时变宽的碳素六边网层层间插入各种化合物的碳素层层间化合物加以利用。此外，与树脂材料和金属材料等进行混合，可提供强度上优异的复合材料。除此之外，可以在一次、二次锂电池的负极材料以及负极材料的添加剂、燃料电池的各种构件(高分子电解质膜、催化剂载持体、隔板等)等种种用途中使用。本专利技术的膨胀碳素纤维体，其体积密度(bulk sensity)可在0.010g/cm3以下，可望成为空隙度高、具有优异的氢吸储性的碳素纤维体。此外，作为专利技术，所说多个碳素六边网层层间中的至少一部分层间的间隔能够比气相生长时的所说碳素六边网层层间的间隔宽100～1000倍。此外，作为专利技术，所说切头圆锥筒形碳素网层的同轴层叠结构可以是所说碳素六边网层以一个～数万为单位相连的结构。此外，作为专利技术，能够在所说碳素六边网层的边缘上载持催化金属。在这里，从所说小直径环端的至少一部分上，也能够使所说碳素六边网层的边缘露出，在该露出的所说碳素六边网层的边缘上也可以载持催化金属。此外，以气相生长法制造的碳素纤维是直径为数nm～数十nm的极细纤维，因此，一定重量下碳素纤维的表面积(催化效果可得到发挥的状态下所能够载持催化金属的表面积)与碳黑相比大得多，因此，催化金属的载持量也多，可增加催化效果。换言之，使用碳黑时，存在有以无法发挥催化效果的状态载持的催化金属。因此，使用本专利技术的膨胀碳素纤维体时，即使催化金属的量较少，也能够得到与使用碳黑时的催化效果同等的效果。附图说明图1是以气相生长法制造的鱼骨结构的碳素纤维的穿透型电子显微镜照片的复印图。图2是图1的放大图。图3是图2的示意图。图4是在大约530℃温度下，在大气中热处理1小时后的鱼骨结构的碳素纤维的穿透型电子显微镜照片的复印图。图5是图4的放大图。图6是将图5进一步放大的图。图7是图6的示意图。图8示出将鱼骨结构的碳素纤维(样品NO.24PS)，在大气中，分别以500℃、520℃、530℃、540℃热处理1小时后的碳素纤维的喇曼频谱。图9示出经上述热处理而露出碳素六边网层的边缘的样品NO.19PS、样品NO.24PS的碳素纤维的喇曼频谱。图10示出对上述露出碳素六边网层的边缘的样品NO.19PS、样品NO.24PS的碳素纤维进行3000℃的热处理后的碳素纤维的喇曼频谱。图11是膨胀碳素纤维体的示意图。图12是对催化金属(铂)载持在膨胀碳素体上的状态加以展示的示意图。图13示出各种复合材料的拉伸强度(横轴)和拉伸弹性(纵轴)。图14是对切头圆锥筒形碳素网层的同轴层叠结构加以展示的、依据精密量子理论计算(rigorousquantum theoretical calculation)绘制的计算机绘图。图15是图14所示切头圆锥筒形碳素网层的同时层叠结构的一个单位之碳素六边网层的依据精密量子理论计算绘制的计算机绘图。图16是用来对形成切头圆锥筒形碳素网层的同时层叠结构的外表面的大直径环端及形成其内表面的小直径环端进行说明的示意图。图17是用来对在碳素纤维的外周面的大范围形成的热分解碳的堆积膜进行说明的示意图。具体实施例方式下面，对本专利技术的最佳实施形式结合附图进行详细说明。以气相生长法制造的碳素纤维是使诸如苯或甲烷等碳氢化合物在700℃～1000℃程度的温度下热分解而得到的碳以超微粒的铁或镍等催化剂粒子为核而生成的短纤维。作为碳素纤维，有碳素六边网层呈同心状生长的，有碳素六边网层与轴线相垂直地生长的，而通过改变催化剂、温度范围、流量等气相生长条件，还能够制造出具有碳素六边网层相对于纤维轴以一定角度倾斜地层叠的鱼骨(herring-bone)结构的。通常的鱼骨结构的碳素纤维是多个呈有底杯形的碳素六边网层层叠的结构，而以本专利技术一实施形式所采用的气相生长法所制造的碳素纤维是多个呈无底杯形的碳素六边网层层叠的结构(下面，将该无底碳素纤维称作鱼骨结构的碳素纤维)。即，该碳素纤维具有如图14中以计算机绘图所示的切头圆锥筒形碳素网层的同轴层叠结构1。各个切头圆锥筒形碳素网层由如图15所示的碳素六边网层10形成。在这里，图14所示的各碳素六边网层10实际上是在轴向A上紧密层叠的，而在图14中，为便于进行说明而将层叠密度表现得较稀疏。图16是图14的示意图，各碳素六边网层10在轴向的两端具有大直径环端20和小直径环端22。各大直径环端20在轴向A上层叠而形成碳素纤维1的外表面30，各小直径环端22在轴向A上层叠而形成碳素纤维1的内表面32。似这样，碳素纤维1呈具有中心孔14的、无节的中空核的形状。下面，对图14所示碳素纤维1的制造方法的一个例子进行说明。反应器使用的是公知的纵型反应器。原料使用苯，以产生大约20℃的蒸汽压的分压力，靠氢气流向反应器以流量0.3l/h送入燃烧室中。催化剂使用二茂铁，在185℃下使其气化，以大约3×10-7mol/s的浓度送入燃烧室中。反应温度约为1100℃，反应时间约为20分，得到平均直径约为100nm的鱼骨结构的碳素纤维。通过对原料的流量、反应温度进行调节(根据反应器大小改变之)，可得到由多个无底杯形的碳素六边网层层叠的、数十nm～数十μm的范围无节(桥)的中空的碳素纤维。图1是以上述气相生长法制造的鱼骨结构的碳素纤维的穿透型电子显微镜照片的复印图，图2是其放大照片的复印图，图3是其示意图。由各图可知，形成有将倾斜的碳素六边网层10覆盖的、呈非晶形形状的过剩碳堆积而成的堆积层12。堆积层12的厚度在数nm程度。14是中心孔。图17对碳素纤维1的外表面30在较大范围内形成有堆积层14的状况进行示意。如图17所示，在碳素纤维1的外表面未被堆积层12覆盖的部分处，碳素六边网层10的边缘从露出的大直径环端20处直接露出，该部分的活性度高。碳素纤维1的内表面上也有未被堆积层12覆盖的区域，在该区域，碳素六边网层1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膨胀碳素纤维体，其特征是，具有气相生长的切头圆锥筒形碳素网层的同轴层叠结构，所说切头圆锥筒形碳素网层各个含有碳素六边网层，并且，在轴向的两端具有大直径环端和小直径环端，从所说大直径环端的至少一部分，露出所说碳素六边网层的边缘，所说多个碳素六边网层层间中的至少一部分层层间的间隔膨胀而比气相生长时的所说碳素六边网层层间的间隔宽。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：柳泽隆，远藤守信，
申请(专利权)人：株式会社科立思，远藤守信，
类型：发明
国别省市：JP[日本]