JP3010231B2 - 高導電性炭素繊維構造体 - Google Patents

高導電性炭素繊維構造体

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JP3010231B2 JP1252892A JP25289289A JP3010231B2 JP 3010231 B2 JP3010231 B2 JP 3010231B2 JP 1252892 A JP1252892 A JP 1252892A JP 25289289 A JP25289289 A JP 25289289A JP 3010231 B2 JP3010231 B2 JP 3010231B2
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、燃料電池およびニッケルカドミウム電池の
電極素材乃至電極などとして有用な高導電性炭素繊維構
造体に関する。
なお、本明細書においては、“部”および“%”とあ
るのは、それぞれ“重量部”および“重量%”を意味す
る。
また、本発明における“炭素繊維”とは、狭義の“炭
素繊維”のみならず、“黒鉛化炭素繊維”をも包含する
ものとする。
従来技術とその問題点 従来燃料電池およびニッケルカドミウム電池の電極素
材として使用される炭素繊維シートは、黒鉛化した炭素
繊維と接着剤成分(エポキシ樹脂、ウレタン樹脂など)
とを含むスラリーを調製し、抄紙することにより製造さ
れている。しかしながら、この様な炭素繊維シートにお
いては、黒鉛化炭素繊維自体の体積抵抗は、10-3Ωcm程
度であるにもかかわらず、接着剤の主成分である樹脂自
体が絶縁体であるため、シートとしての表面抵抗は、10
1〜102Ω程度となっている。
従って、黒鉛化した炭素繊維の抄紙時に密度を高めて
接着剤成分の量を出来るだけ減少させることにより、シ
ートの導電性を向上させる試みがなされているが、この
場合には、接着剤成分の量が不十分であるため、シート
としての引張り強度が低く、実用的に問題となってい
る。
問題点を解決するための手段 本発明者は、上記の如き従来技術の問題点に鑑みて鋭
意研究を重ねた結果、炭素繊維と接着剤成分とを使用し
て炭素繊維シートを製造するに際し、特定量の黒鉛粉末
および/またはカーボンブラックを併用する場合には、
高導電性で且つ引張り強度にも優れた炭素繊維シートが
得られることを見出した。
また、炭素繊維、接着剤成分ならびに黒鉛粉末および
/またはカーボンブラックからなる組成物を使用する場
合には、シート状のみならず、円筒状、板状、棒状など
の任意の形状の構造体が容易に製造できることを見出し
た。
さらに、炭素繊維、接着剤成分ならびに黒鉛粉末およ
び/またはカーボンブラックからなる組成物に特定量の
黒鉛化ミルドファイバーを配合する場合には、得られる
炭素繊維構造体の導電率がさらに一層改善されることを
も見出した。
本発明者は、さらにまた、上記の接着剤成分に代えて
熱溶融性合成樹脂を使用する場合にも、高導電性で且つ
引張り強度にも優れた炭素繊維構造体が得られることを
見出した。
即ち、本発明は、下記の高導電率炭素繊維構造体を提
供するものである: 炭素繊維100部および粒子径0.01〜2μmの黒鉛粉末
および/またはカーボンブラック3〜10部が接着剤成分
2〜10部により結合保持されている高導電性炭素繊維構
造体。
長さ0.05mm〜1mmの黒鉛化ミルドファイバー3〜10部
をさらに含有する上記項に記載の高導電性炭素繊維構
造体。
炭素繊維100部および粒子径0.01〜2μmの黒鉛粉末
および/またはカーボンブラック5〜20部が繊維状熱溶
融性合成樹脂5〜40部により結合保持されている高導電
性炭素繊維構造体。
長さ0.05mm〜1mmの黒鉛化ミルドファイバー3〜10部
をさらに含有する上記項に記載の高導電性炭素繊維構
造体。
本願第一発明で使用する炭素繊維は、特に限定され
ず、石炭ピッチ系、石油ピッチ系、PAN系、フェノール
樹脂系、レーヨン系などのいずれであっても良い。ま
た、その寸法なども特に限定されるものではないが、通
常繊維径5〜30μm程度(より好ましくは、7〜18μm
程度)、繊維長さ1〜20mm程度(より好ましくは、2〜
20mm程度)のものを使用する。
本願第一発明で使用する黒鉛粉末としては、公知の天
然黒鉛および人造黒鉛のいずれもが使用できる。また、
カーボンブラックとしても、特に制限はなく、例えば、
炭化水素の不完全燃焼或いは熱分解により煤として形成
される公知のものが使用できる。黒鉛粉末及びカーボン
ブラックの粒子径は、0.01〜2μmとする。この粒子径
は、0.01μm程度が製造可能な下限値であり、2μmを
上回る場合には、抄紙時に黒鉛粉末またはカーボンブラ
ックが分離し易くなり、均一な導電性が得られ難い。
本願第一発明で使用する接着剤成分としては、エポキ
シ樹脂、ウレタン樹脂、ポリビニルアルコール、フェノ
ール樹脂などの樹脂を使用する。炭素繊維構造体を製造
するに際しては、これらの樹脂をメタノール、エタノー
ル、プロピルアルコール、メチルエチルケトン、アセト
ン、トルエンなどの有機溶媒に溶解させるか或いは水に
溶解若しくは分散させた液状接着剤の形態で使用する。
これらの樹脂は、単独で使用しても良く、或いは2種以
上を併用しても良い。
本願第一発明による高導電性炭素繊維構造体は、例え
ば、次のようにして製造される。まず、炭素繊維100部
ならびに黒鉛粉末および/またはカーボンブラック3〜
10部を液媒に溶解若しくは分散させた接着剤2〜10部
(固形分として)に均一に分散させてスラリーを調製し
た後、所定の形状に応じて、成形し、乾燥する。或い
は、炭素繊維、黒鉛粉末および/またはカーボンブラッ
クならびに接着剤成分を所定の液媒に溶解若しくは分散
させて、スラリーを調製しても良い。この際、スラリー
には、炭素繊維構造体の導電特性、機械的特性などを阻
害しない限り、分散剤、安定剤、粘度調整剤などを添加
しておいても良い。スラリーの固形分濃度は、特に限定
されないが、取扱いの容易さ、成形の容易さなどの観点
からは、0.1〜2%程度とすることが好ましい。炭素繊
維構造体の製造は、構造体の形状に応じて適宜選択すれ
ば良く、特に限定されない。例えば、シート状の炭素繊
維構造体を製造する場合には、通常の紙の製造と同様に
して抄紙成形を行なっても良く、或いはフィルターを介
してスラリーの吸引脱水を行なう吸引成形を行なっても
良い。或いは、板状構造体を製造する場合には、所定の
型に注型し、圧縮成形しても良く、また、円筒状構造体
を製造する場合には、遠心成形を行なっても良い。
本願第一発明の炭素繊維構造体は、炭素繊維100部お
よび黒鉛粉末および/またはカーボンブラック3〜10部
が、接着剤成分2〜10部(固形分として)によりランダ
ムに接合保持された構成となっている。また、その表面
抵抗は、10-1〜100Ω程度であり、機械的強度にも優れ
ている。
さらに、本願第一発明においては、炭素繊維構造体の
製造に際し、炭素繊維、黒鉛粉末および/またはカーボ
ンブラックならびに接着剤を含むスラリーに、炭素繊維
100部に対し長さ0.05mm〜1mm程度の黒鉛化ミルドファイ
バーを3〜10部程度の割合で配合しても良い。この場合
には、炭素繊維フィラメント同士の絡合状態がより緊密
となって、構造体の導電性および強度がより一層改善さ
れる。
本願第二発明で使用する炭素繊維、黒鉛粉末および/
またはカーボンブラックならびに必要に応じて使用する
黒鉛化ミルドファイバーは、本願第一発明で使用するも
のと同様であって良い。但し、炭素繊維100部に対する
黒鉛粉末および/またはカーボンブラックの配合量は、
5〜20部程度とする。本願第一発明の場合に比して、黒
鉛粉末および/またはカーボンブラックの配合量が多い
のは、融着結合剤として使用する熱融着性合成樹脂によ
る導電性の低下を抑制するためである。
本願第二発明においては、本願第一発明の接着剤成分
に代えて、熱融着性合成樹脂を使用する。この様な熱融
着性合成樹脂としては、融点が50〜200℃程度のものが
好適であり、具体的には、ポリアクリロニトリル、ポリ
エチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポ
リアクリロニトリルなどが例示され、これらの中でもポ
リアクリロニトリルが最も適している。熱融着性合成樹
脂としては、糸状乃至繊維状のものを使用すると、構造
体の強度が改善されるので、より好ましい。
糸状乃至繊維状の熱融着性合成樹脂としては、糸径5
〜100μm程度、長さ0.5〜10mm程度のものが好ましい。
糸状乃至繊維状の熱融着性合成樹脂としては、構造体製
造時の加熱温度では溶融若しくは変質しない高融点繊維
糸の表面に熱溶融性合成繊維を被覆した構造のものを使
用しても良い。
炭素繊維100部に対する熱融着性合成樹脂の配合量
は、5〜40部程度とする。熱溶融性合成樹脂の配合量が
少なすぎる場合には、炭素繊維構造体の強度が低下する
のに対し、配合量が多すぎる場合には、炭素繊維構造体
の導電性が阻害される。
本願第二発明による高導電性炭素繊維構造体は、例え
ば、次のようにして製造される。まず、炭素繊維、黒鉛
粉末および/またはカーボンブラックならびに熱融着性
合成樹脂を均一に分散させて、水性スラリーを調製す
る。スラリーの調製に際しては、常法に従って、叩解を
行なっても良い。水性スラリーの固形分濃度は、特に限
定されないが、取扱いの容易さ、成形の容易さなどの観
点からは、やはり0.1〜2%程度とすることが好まし
い。スラリーには、炭素繊維構造体の導電特性、機械的
特性などを阻害しない限り、分散剤、安定剤、粘度調整
剤などを添加しておいても良いことは言うまでもない。
また、本願第一発明の場合と同様に、スラリーに、炭素
繊維100部に対し長さ0.05mm〜1mm程度の黒鉛化ミルドフ
ァイバーを3〜10部程度の割合で配合しても良い。次い
で、上記のスラリーを本願第一発明におけると同様にし
て所定の形状に成形した後、使用する熱融着性合成樹脂
の溶融温度に応じた温度で加熱し、合成樹脂の溶融によ
る成形体の一体化および乾燥を行なって、本願第二発明
による炭素繊維構造体を得る。
本願第二発明の炭素繊維構造体は、炭素繊維100部な
らびに黒鉛粉末および/またはカーボンブラック約5〜
20部が、熱融着性合成樹脂5〜40部によりランダムに接
合保持された構成となっている。その表面抵抗は、10-1
〜100Ω程度であり、機械的強度にも優れている。さら
に、炭素繊維100部に対し黒鉛化ミルドファイバーを3
〜10部程度の割合で配合する場合には、炭素繊維フィラ
メント同士の絡合状態がより緊密となって、構造体の導
電性および強度がより一層改善される。
発明の効果 本発明によれば、従来の炭素繊維構造体(例えば、シ
ート状炭素繊維)では達成不可能であった表面抵抗10-1
〜100Ω程度という高導電性の炭素繊維構造体が得られ
る。
また、本発明による炭素繊維構造体は、シート状、円
筒状、板状、棒状などの任意の形態を取り得るので、広
範な分野で高導電性材料として利用できる。
実 施 例 以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをよ
り一層明確にする。
実施例1 接着剤としてのエポキシ樹脂水溶液(濃度10%)5部
に黒鉛化炭素繊維(長さ3〜30mm、径13μm)100部を
分散させ、次いで黒鉛粉末(粒子径0.2μm)10部を分
散させた後、さらにポリビニルアルコール水溶液(濃度
0.5%)5部を加え、均一なスラリーを得た。
次いで、多数の吸引用小孔を設けたフィルターの一面
側から吸引を行ないつつ他の一面にスラリーを付着させ
た後、フィルター上に形成された湿潤状態のシートをフ
ィルターから取り外し、140℃で120分間加熱乾燥した。
得られたシート状炭素繊維構造体は、30g/m2で、厚さ
0.3mm、表面抵抗7×10-1Ωであった。
実施例2 長さ0.7mmの黒鉛化ミルドファイバーを炭素繊維100部
に対し7部の割合で配合する以外は実施例1と同様にし
てシート状炭素繊維構造体を得た。
得られたシート状炭素繊維構造体は、30g/m2で、厚さ
0.5mm、表面抵抗2×10-1Ωであった。
実施例3 黒鉛化炭素繊維(実施例1と同様のもの)100部、高
融点ポリアクリロニトリル繊維(糸径約10μm、長さ約
2mm)10部およびカーボンブラック(粒径0.3μm)20部
を水2000部に分散させ、炭素繊維およびポリアクリロニ
トリル繊維の長さが5mm以下となるまで叩解して、均一
なスラリーを得た。
次いで、実施例1と同様の成形操作を行なって、湿潤
シート状物を得た後、130℃で120分間加熱乾燥した。
得られたシート状炭素繊維構造体は、40g/m2で、厚さ
0.5mm、表面抵抗8×10-1Ωであった。
実施例4 長さ0.17mmの黒鉛化ミルドファイバーを炭素繊維100
部に対し10部の割合で配合する以外は実施例3と同様に
してシート状炭素繊維構造体を得た。
得られたシート状炭素繊維構造体は、40g/m2で、厚さ
0.4mm、表面抵抗1×10-1Ωであった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI D21H 5/00 D 5/18 F (56)参考文献 特開 昭57−174805(JP,A) 特開 昭63−40261(JP,A) 特開 昭63−254669(JP,A) 特公 昭48−27554(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 1/24 H01M 4/96 C04B 26/00 D21H 27/00 D21H 13/50

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素繊維100部および粒子径0.01〜2μm
    の黒鉛粉末および/またはカーボンブラック3〜10部が
    接着剤成分2〜10部により結合保持されている高導電性
    炭素繊維構造体。
  2. 【請求項2】長さ0.05mm〜1mmの黒鉛化ミルドファイバ
    ー3〜10部をさらに含有する請求項に記載の高導電性
    炭素繊維構造体。
  3. 【請求項3】炭素繊維100部および粒子径0.01〜2μm
    の黒鉛粉末および/またはカーボンブラック5〜20部が
    繊維状熱溶融性合成樹脂5〜40部により結合保持されて
    いる高導電性炭素繊維構造体。
  4. 【請求項4】長さ0.05mm〜1mmの黒鉛化ミルドファイバ
    ー3〜10部をさらに含有する請求項に記載の高導電性
    炭素繊維構造体。
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