[发明专利]碳纤维结合体及使用其的复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及由具有特殊结构的微细碳纤维结构体和结合剂形成的碳纤维结合体，及在基质中配合该微细碳纤维结合体而成的复合材料。

背景技术

为了得到单独的原材料所不能得到的特性，进行原材料的复合。以往，作为复合材料，广泛使用玻璃纤维强化塑料，然而自从开发出碳纤维、开发出经碳纤维增强的纤维增强塑料(CFRP)之后，复合材料变得特别普遍。

这些材料不仅在体育用品等中广泛使用，而且作为航空器用的质量轻且高强度·高弹性率的结构材料而备受瞩目。后来，在复合材料中不仅包括纤维增强材料还包括微粒子增强材料。此外，除了重视强度、耐热性等的结构材料之外，着眼于电气·电子特性、光学特性、化学特性的功能材料也制成复合材料而被应用。

另一方面，随着电子机器的普及，由电子部件产生的噪音对周边机器产生影响的电波干扰、静电所致的误操作等的故障增加，成为大问题。为了解决这些问题，在该领域中要求导电性、制动性优异的材料。

以往，广泛采用一种通过在缺乏导电性的高分子材料中配合导电性高的填料等来赋予导电性功能的导电性高分子材料。作为导电性填料，一般使用金属纤维及金属粉末、炭黑、碳纤维等，但在将金属纤维及金属粉末作为导电性填料使用时，存在耐腐蚀性差、且难以获得机械强度的缺点。另一方面，将碳纤维作为导电性填料使用时，对一般的增强用碳纤维来说，可以通过配合某种程度的量来实现所期望的强度、弹性率，但涉及到导电性时则不能充分满足，要想得到所期望的导电性就必需大量填充，因而会使原来的树脂本身的物性降低。对碳纤维来说，在加入等量的纤维时，纤维径细则基质树脂和纤维之间的接触面积变大，因此可期待优异的导电性赋予效果。

目前，为确保在最终纤丝中碳原子的各向异性片良好的取向，在特别注意维持的拉伸力的作用下，将作为前驱物质的有机聚合物、特别是纤维素或聚丙烯腈的连续纤丝在控制下进行热分解，由此制造碳纤维，由于碳化中的质量损失、碳化速度慢等而价格高。

进而，近年来，作为与碳纤维相关的其他物质，以碳纳米管(以下也记作“CNT”)为代表的碳纳米结构体等微细碳纤维备受瞩目。构成碳纳米结构体的石墨层，通常具有规则的正六元环排列结构，其是具有特异的电性质，并且具有对化学、机械及热稳定的性质的物质。因此，如果可以通过在例如各种树脂、陶瓷、金属等固体材料，或燃料油、润滑剂等液体材料中分散配合这样的微细碳纤维来产生上述那样的物性，则可期待其作为添加剂的用途。

然而，另一方面，这样的微细碳纤维在生成的时刻就已成块，如果将其原样使用，则有可能在基质中分散无法进行而引起性能不良。因此，在欲使树脂等基质发挥导电性等规定的特性时，必须添加相当多的量。在专利文献1中，公开了含有凝集体的树脂组合物；所述凝集体是直径为3.5～70nm的碳原纤维互相缠绕而成的，最长径为0.25mm以下、直径为0.10～0.25mm。由专利文献1中实施例等的记载可知，该碳原纤维凝集体的最长径、直径等的数值是向树脂配合前的凝集体的特性值。另外，在专利文献2中公开了将碳纤维材料配合于基质中而成的复合体，所述碳纤维材料是直径为50～5000nm的碳纤维的凝集体，其以用碳质物的碳化物将其纤维之间的接点固定的、大小为5μm～500μm的结构体作为主体。在该专利文献2中，结构体的大小等数值是向树脂配合前的特性值。

通过使用这样的碳纤维凝集体，与用更大块混合的情况相比，在某种程度上有望提高向树脂基质的分散性。然而，在专利文献1中记载的凝集体，是可以通过例如用振动球磨机等对碳原纤维施以剪切力来进行分散处理而得到的物质，但由于堆积密度高，所以作为通过少量添加即可高效地改善导电性等特性的添加剂，还不能令人满意。另外，对于专利文献2中所示的碳纤维结构体而言，由于纤维之间的接触点的固定是通过在碳纤维制造后，将该碳纤维集合体压缩成形而形成了纤维之间的接触点的状态下进行热处理，将碳纤维表面上残留的沥青等残留有机物或作为胶粘剂添加的有机物碳化来形成的，因此接触点的固定力弱，而且，该结构体自身的电特性也不太好。因此，配合到树脂等基质中时，由于该接触点容易解离，因而不能保持该结构体的形状，例如，难以通过少量添加就发挥良好的电特性、进而难以在基质中形成良好的导电通路。进而，为了固定接触点而添加胶粘剂等进行碳化时，很难仅在其接触点的部位粘附胶粘剂等，由于粘附在纤维整体上，因此在得到的结构体中，很可能只能得到纤维径整体粗、且表面特性差的物质。

专利文献1：特许第2862578号公报

专利文献2：特开2004-119386号公报

发明内容