[发明专利]气相生长石墨纤维组成物与其混合物及其应用

说明书

技术领域

本发明是有关于一种石墨纤维(Graphite Fibers)组成物与其混合物，且特别是有关于一种气相生长石墨纤维(Vapor-Grown Graphite Fibers；VGGF)组成物与其混合物。

背景技术

近年来，随着信息、通信、计算机、能源等产业的演进脚步，电子器材往更小体积、更高功能的方向进展，故对于电子材料的性能有更高的需求。已知技术常于塑料、橡胶等材料中添加非纤维状碳黑，以提高材料的导热、导电、强度等性能。由于非纤维状碳黑是颗粒状，因而缺乏连续性，故往往必须大量添加，才能稍有效果。然而，大量添加的结果会使复材的物性下降且容易脱碳，造成无尘室发生加工清洁度的问题。

又一已知技术改为采用聚丙烯腈(PAN)基碳纤维及沥青(Pitch)基碳纤维。虽然这些碳纤维具有连续性，但其直径太大(约10微米(μm)以上)，于复材内能构成的网络数目有限，故仍必须大量添加才会有效果，亦造成其物性下降且有容易脱碳的问题。

为解决上述的问题，再一已知技术利用直径较小的气相生长碳纤维(Vapor-Grown Carbon Fiber；VGCF)来取代非纤维状碳黑与碳纤维。由于VGCF的直径相当小(大约50至200纳米(nm))，故只要添加少量即可在复材内构成许多连续网络，因而不会造成复材物性下降及脱碳的问题，可维持无尘室的清洁度。加上，VGCF具有优异的导热性、导电性、高强度等特性，可大幅提升复材的性能。然而，已知的VGCF内含有太多非纤维状碳，因而降低其在复材中所能建构的连续网络的数目，从而影响复材的性能。再者，因已知的VGCF未被高度石墨化，故其对复材的导电、导热等性能的提高未如预期。此外，已知的VGCF制程所使用的金属催化剂未被去除到一适当范围，因而金属含量过高，使其在能源材料应用上，于电化学反应时会有不良影响，对电池功率及循环寿命的提高成效不彰。

因此，需要提出一种VGGF组成物与其混合物，藉以改善已知的VGCF未被高度石墨化与含有太多非纤维状碳与金属成份等杂质的问题。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种气相生长石墨纤维(VGGF)组成物，藉以改善已知的VGCF未被高度石墨化与含有太多非纤维状碳与金属成份等杂质的实质问题。

此VGGF组成物包含含量至少99.9重量百分比(wt%)的碳成份，其石墨化度至少在75%以上，较佳为85%以上，此碳成份包含纤维状VGGF与非纤维状碳，其中通过扫描式电子显微镜(Scanning Electron Microscope；SEM)所测量到的非纤维状碳与纤维状VGGF间的面积比是小于或等于5%。纤维状VGGF更包含具有立体交联结构的石墨纤维（也称之为“立体石墨纤维”），此具有立体交联结构的石墨纤维在纤维状VGGF中的含量是实质介于5重量百分比至50重量百分比之间。

在一实施例中，上述的VGGF组成物的平均外径是实质介于50纳米至200纳米之间，其平均长径比实质介于10至5000之间。当利用热重分析仪(Thermogravimeteric Analyzer；TGA)进行分析，在升温速率10℃/分钟(℃/min)与空气流量10至20毫升/分钟(ml/min)的测试条件下，上述的VGGF组成物的热解起始温度是大于约700℃。石墨纤维组成物的含水率是小于约0.2重量百分比，而其金属含量小于约200ppm。

依照本发明一实施例，上述的非纤维状碳与纤维状VGGF为连接、重叠或分离的状态。

依照本发明一实施例，上述的纤维状VGGF包含由碳六角网平面石墨卷绕而成的一细长中空多层结构。

本发明的又一方面是提供一种混合物。此混合物包含：树脂或无机物；以及上述的VGGF组成物。

依照本发明一实施例，上述纤维状VGGF组成物与N-甲基吡咯烷酮(N-Methyl-2-pyrrolidone；NMP)的混合物的体积电阻是小于50奥姆-厘米(Ω-cm)。其中VGGF组成物于混合物中的含量是30重量百分比。在一实施例中，此混合物还包含树脂或无机物。

本发明的另一方面是提供VGGF组成物的各种应用，例如：锂电池电极材料、燃料电池材料、导电特性复合材料、导热特性复合材料、机械强度特性复合材料等，这些材料均包含上述的混合物。

由上述实施例可知，应用本发明的VGGF组成物及含有此VGGF组成物的混合物，可大幅地提升VGGF组成物在复材中所能建构的连续网络的数目，降低不纯物的影响，而改善复材的性能，并大幅地提升复材的导电、导热、强度等性能。

附图说明