(57)【要約】【課題】導電性及び柔軟性に優れたピッチ系炭素繊維を提供すること。【解決手段】ピッチ系炭素繊維３０は、軸線方向Ｚに直交する方向の断面の中心に位置する芯部４０と、芯部４０の外周に設けられた鞘部５０とからなる芯鞘構造を有している。芯部４０はベース芯部４１を含み、鞘部５０はベース芯部４１よりも黒鉛化度の低いベース鞘部５１を含み、ベース芯部４１内及びベース鞘部５１内のうち少なくとも一方には、ベース芯部４１よりも黒鉛化度の高い核部４２，５２が点在している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ材料により形成された炭素繊維であって、
当該炭素繊維の軸線方向に直交する方向の断面の中心に位置する芯部と、前記芯部の外周に設けられた鞘部とからなる芯鞘構造を有し、
前記芯部はベース芯部を含み、
前記鞘部は前記ベース芯部よりも黒鉛化度の低いベース鞘部を含み、
前記ベース芯部内及び前記ベース鞘部内のうち少なくとも一方には、前記ベース芯部よりも黒鉛化度の高い核部が点在している、
ピッチ系炭素繊維。
【請求項２】
前記芯部は、前記ベース芯部内に点在し、前記ベース芯部よりも黒鉛化度の高い第１核部を含み、
前記鞘部は、前記ベース鞘部内に点在し、前記第１核部と同一の黒鉛化度を有する第２核部を含む、
請求項１に記載のピッチ系炭素繊維。
【請求項３】
前記炭素繊維の軸線方向に直交する方向における前記芯部の断面積は、前記第２核部の断面積の最大値よりも大きい、
請求項２に記載のピッチ系炭素繊維。
【請求項４】
前記第２核部の周囲には、黒鉛化度が前記第２核部よりも低く、且つ前記ベース鞘部よりも高い中間部が存在する、
請求項２または請求項３に記載のピッチ系炭素繊維。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピッチ系炭素繊維に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピッチ系炭素繊維は、ピッチ材料を原料とした前駆体繊維を黒鉛化することによって製造される（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載のピッチ系炭素繊維は、光学異方性ピッチを芯成分とし、等方性ピッチを鞘成分として複合紡糸したものに対して不融化処理を施し、更に炭化処理を施して形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−２６４０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載のものを含めて従来のピッチ系炭素繊維においては、導電性及び柔軟性の両立において、なお、改善の余地を残すものとなっている。
本発明の目的は、導電性及び柔軟性に優れたピッチ系炭素繊維を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためのピッチ系炭素繊維は、ピッチ材料により形成されたものであって、当該炭素繊維の軸線方向に直交する方向の断面の中心に位置する芯部と、前記芯部の外周に設けられた鞘部とからなる芯鞘構造を有し、前記芯部はベース芯部を含み、前記鞘部は前記ベース芯部よりも黒鉛化度の低いベース鞘部を含み、前記ベース芯部内及び前記ベース鞘部内のうち少なくとも一方には、前記ベース芯部よりも黒鉛化度の高い核部が点在している。
【０００６】
同構成によれば、炭素繊維が芯部と鞘部とからなる芯鞘構造を有している。そして、芯部においては、ベース芯部の黒鉛化度がベース鞘部よりも高い。また、芯部及び鞘部の少なくとも一方においては、ベース芯部よりも黒鉛化度の高い核部が点在している。このため、核部を持たない炭素繊維に比べて炭素繊維全体の黒鉛化度を高めることができ、炭素繊維全体の導電性を高めることができる。また、鞘部が、芯部と比較して黒鉛化度の低いベース鞘部を含んで構成されている。炭素繊維においては、黒鉛化度が低いほど、すなわち結晶性が低いほど柔軟性が高くなる。このため、炭素繊維全体の柔軟性を高めることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、導電性及び柔軟性に優れたピッチ系炭素繊維を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ピッチ系炭素繊維の一実施形態において、炭素繊維の軸線方向に直交する方向の断面構造を示す断面図。
【図２】図１の２−２線に沿った断面図。
【図３】同実施形態におけるピッチ系炭素繊維の製造方法の工程を順に示すフローチャート。
【図４】同実施形態のメルトブロー法による前駆体繊維の製造装置の概略構成を示す断面図。
【図５】前駆体繊維における黒鉛添加率と炭素繊維の結晶化度（黒鉛化度）との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図１及び図２を参照して、ピッチ系炭素繊維（以下、炭素繊維３０）の一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、炭素繊維３０は、炭素繊維３０の軸線方向（以下、軸線方向Ｚ）に直交する方向の断面の中心に位置する芯部４０と、芯部４０の外周に設けられた鞘部５０とからなる芯鞘構造を有している。
【００１０】
芯部４０は、軸線方向Ｚに沿って延在するベース芯部４１と、ベース芯部４１内に点在する複数の第１核部４２とを有している。第１核部４２の黒鉛化度は、ベース芯部４１の黒鉛化度よりも高い。
【００１１】
鞘部５０は、軸線方向Ｚに沿って延在するベース鞘部５１と、ベース鞘部５１内に点在する複数の第２核部５２とを有している。ベース鞘部５１の黒鉛化度は、ベース芯部４１の黒鉛化度よりも低い。第２核部５２の黒鉛化度と第１核部４２の黒鉛化度とは同一である。
【００１２】
また、第２核部５２の周囲には、黒鉛化度が第２核部５２よりも低く、且つベース鞘部５１よりも高い中間部５３が存在している。
図１に示すように、軸線方向Ｚに直交する方向における芯部４０の断面積は、第２核部５２の断面積の最大値よりも大きい。なお、炭素繊維３０のこうした断面構造は、結晶構造を解析するラマン分光法やＸ線回折法などの周知の測定手法を用いて黒鉛化度を導出し、これをマッピングすることにより観察することができる。
【００１３】
次に、図３及び図４を参照して、炭素繊維３０の製造方法について説明する。
図３に示すように、炭素繊維３０は、繊維化工程、不融化工程、炭化工程、及び黒鉛化工程を順に行うことにより製造される。
【００１４】
まず、繊維化工程において用いられる混合材料２０の調製方法について説明する。
溶融物の前駆体である混合物は、異方性ピッチからなるピッチ材料２１に炭素系核材として黒鉛２２を添加して混合することにより調製される。なお、黒鉛２２としては、天然黒鉛、人造黒鉛、及び膨張化黒鉛のいずれであってもよい。また、本実施形態の黒鉛２２は、後述する前駆体繊維２３の繊維径よりも小さい粒径を有する黒鉛を微粒化したものである。
【００１５】
異方性ピッチの光学的異方性割合が高いほど、繊維化工程における溶融物の粘度が高くなるため、高温にて繊維化を行う必要がある。このため、異方性ピッチの光学的異方性割合は２０質量％以下であることが好ましい。また、混合物中の黒鉛２２の割合が高いほど、溶融物中での不溶の黒鉛２２の割合が増えることから、溶融物の流動性が低下する。このため、黒鉛２２は、４０質量％以下の割合で混合物中に含有されていることが紡糸性を確保する上で好ましい。
【００１６】
続いて、混合物のピッチ材料２１を軟化点以上に加熱して溶融させる。その後、混合物を冷却して固化させた後に粉砕する。このようにしてピッチ材料２１と黒鉛２２とが混合された混合材料２０が調製される。なお、混合材料２０をペレット形状にして次工程に用いてもよい。
【００１７】
＜繊維化工程＞
まず、図４を参照して、繊維化工程にて用いられる装置の概略構成について説明する。
図４に示すように、装置は、混合材料２０の溶融物を紡糸する口金１０と、口金１０の下方に配置され、口金１０により紡糸された前駆体繊維２３を集積するとともに搬送するベルト１８を有するベルトコンベア１７とを備えている。
【００１８】
口金１０の内部には、上下方向に延在する複数の押出通路１１がベルトコンベア１７のベルト１８の幅方向Ｘに沿って間隔をおいて形成されている。各押出通路１１は、口金１０の下面に開口する吐出口１２を有している。
【００１９】
また、口金１０の内部には、各押出通路１１をベルトコンベア１７の搬送方向Ｙの両側から挟む複数の熱風通路１３が形成されている。各熱風通路１３は、口金１０の下面に開口する吹出口１４を有している。
【００２０】
前記のようにして調整された混合材料２０を押出機１５に投入すると、混合材料２０が加熱されて溶融物となり、押出通路１１に対して押し出される。そして、押出通路１１の吐出口１２から吐出される。また、熱風生成装置１６により生成された熱風は、熱風通路１３の吹出口１４から吹き出される。このとき、混合材料２０の溶融物が吐出口１２から連続して繊維状に吐出されるとともに、吐出される混合材料２０に対して搬送方向Ｙの両側から熱風が吹き付けられる。これにより、混合材料２０の繊維が更に微細化されてベルトコンベア１７のベルト１８上に集積されることで不織布状の前駆体繊維２３が形成される。こうして形成された前駆体繊維２３は、ベルトコンベア１７の搬送方向Ｙの下流側に設けられた離間フィルム（図示略）に乗せられた後、離間フィルムと共に巻取ローラ１９によって巻き取られる。
【００２１】
＜不融化工程、炭化工程、及び黒鉛化工程＞
これらの不融化工程、炭化工程、及び黒鉛化工程はいずれも炭素繊維の製造方法において周知の工程である。
【００２２】
すなわち、不融化工程は、次工程の炭化工程または黒鉛化工程を行う際に前駆体繊維２３が溶融しないようにするための処理であり、前駆体繊維２３を酸化雰囲気下にて室温から３００℃まで徐々に昇温して加熱することで前駆体繊維２３の内外を酸化処理させる。
【００２３】
また、炭化工程は、不融化された前駆体繊維２３を炭化するための処理であり、例えばアルゴンや窒素などの不活性ガスの雰囲気下にて１０００℃〜１５００℃にて加熱することにより前駆体繊維２３を焼成する。
【００２４】
また、黒鉛化工程は、炭化された前駆体繊維２３を黒鉛化するための処理であり、アルゴンや窒素などの不活性ガスの雰囲気下にて２０００℃〜３０００℃にて加熱することにより前駆体繊維２３内の炭素の結晶を成長させる。
【００２５】
このようにして炭素繊維３０が形成される。
繊維化工程にて形成された前駆体繊維２３には、ピッチ材料２１の他に黒鉛２２が含有される。このため、黒鉛化工程において、黒鉛２２を核としてピッチ材料２１の結晶化（黒鉛化）が促進されるようになる。すなわち、前駆体繊維２３の中心部に位置する黒鉛２２が第１核部４２となってベース芯部４１の結晶化が促進されるとともに、前駆体繊維２３の外周部に位置する黒鉛２２が第２核部５２となって中間部５３の結晶化が促進されるようになる。これにより、黒鉛２２が含有されていない前駆体繊維２３を用いて製造された炭素繊維に比べて、炭素繊維３０の結晶化度（黒鉛化度）が高められる。
【００２６】
図５は、本実施形態のピッチ材料２１に対して黒鉛２２を添加したときの前駆体繊維２３における黒鉛添加率と炭素繊維３０の結晶化度（黒鉛化度）との関係を示すグラフである。
【００２７】
同図の実線Ｌ３にて示すように、黒鉛添加率が４０質量％以下においては、黒鉛添加率が高くなるほど結晶化度（黒鉛化度）が高くなる傾向にあるといえる。
なお、同図の一点鎖線Ｌ１は、ピッチ材料２１に黒鉛２２を添加していない場合の結晶化度を示す。また、同図の破線Ｌ２は、ピッチ材料２１に添加した黒鉛２２が、炭素繊維３０の結晶化（黒鉛化）に全く寄与しないと仮定した場合の結晶化度、すなわちＬ１の結晶化度に対して、添加された黒鉛２２の分をそのまま加算した値を示している。
【００２８】
同図の実線Ｌ３にて示すように、黒鉛添加率が４０質量％以下においては、Ｌ３はＬ２よりも高くなっている。
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
【００２９】
（１）ピッチ系炭素繊維３０は、軸線方向Ｚに直交する方向の断面の中心に位置する芯部４０と、芯部４０の外周に設けられた鞘部５０とからなる芯鞘構造を有している。芯部４０は、ベース芯部４１と、ベース芯部４１内に点在し、ベース芯部４１よりも黒鉛化度の高い第１核部４２とを含み、鞘部５０は、ベース芯部４１よりも黒鉛化度の低いベース鞘部５１と、ベース鞘部５１内に点在し、第１核部４２と同一の黒鉛化度を有する第２核部５２とを含んでいる。
【００３０】
こうした構成によれば、炭素繊維３０が芯部４０と鞘部５０とからなる芯鞘構造を有している。そして、芯部４０においては、点在する第１核部４２の黒鉛化度が高いことに加えて、ベース芯部４１の黒鉛化度がベース鞘部５１よりも高い。また、鞘部５０においては、第１核部４２と同一の黒鉛化度を有する第２核部５２が点在している。このため、核部４２，５２を持たない炭素繊維に比べて炭素繊維３０全体の黒鉛化度を高めることができ、炭素繊維３０全体の導電性を高めることができる。また、鞘部５０が、芯部４０と比較して黒鉛化度の低いベース鞘部５１と、ベース鞘部５１内に点在する第２核部５２とによって構成されている。炭素繊維３０においては、黒鉛化度が低いほど、すなわち結晶性が低いほど柔軟性が高くなる。このため、炭素繊維３０全体の柔軟性を高めることができる。
【００３１】
（２）軸線方向Ｚに直交する方向における芯部４０の断面積は、第２核部５２の断面積の最大値よりも大きい。
こうした構成によれば、ベース鞘部５１に比べて黒鉛化度の高い芯部４０の断面積の割合が大きくなる。このため、炭素繊維３０全体の導電性を高めることができる。
【００３２】
（３）第２核部５２の周囲には、黒鉛化度が第２核部５２よりも低く、且つベース鞘部５１よりも高い中間部５３が存在する。
こうした構成によれば、中間部５３が存在しない場合に比べて、鞘部５０全体の黒鉛化度を高めることができる。したがって、鞘部５０の柔軟性を確保しつつ、鞘部５０全体の導電性、ひいては炭素繊維３０全体の導電性を高めることができる。
【００３３】
＜変更例＞
上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【００３４】
・中間部５３が存在しない構成であってもよい。
・軸線方向Ｚに直交する方向における芯部４０の断面積が、第２核部５２の断面積の最大値と同じかそれよりも小さい構成であってもよい。
【００３５】
・ピッチ材料２１と黒鉛２２との混合方法は適宜変更することができる。例えば、混練機を用いて混合することもできる。
・混練機能を有する二軸押出機を用いることもできる。この場合、押出機においてピッチ材料２１に黒鉛２２を混合しながら混合材料２０の溶融物を押し出すことができる。
【００３６】
・炭素系核材として、前駆体繊維２３の繊維径よりも大きい粒径を有する黒鉛を採用することもできる。この場合、混合材料２０を調製する際に、同黒鉛が前駆体繊維２３の繊維径よりも小さくなるように微粒化すればよい。
【００３７】
・黒鉛の他、例えば、カーボンナノチューブやグラフェンなどを炭素系核材として採用することもできる。また、これらの各炭素系核材を組み合わせたものとしても良い。
・ピッチ材料として、異方性ピッチに代えて等方性ピッチを採用することもできる。
【００３８】
・前駆体繊維２３を巻取ローラ１９によって巻き取ることにより回収する方法に代えて、前駆体繊維２３を所定の長さで切断し、切断された前駆体繊維２３同士の間に離間フィルムを介在させた状態で束にして回収することもできる。
【００３９】
・炭素繊維は、ベース芯部４１が第１核部４２を有していない構成や、ベース鞘部５１が第２核部５２を有していない構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１０…口金、１１…押出通路、１２…吐出口、１３…熱風通路、１４…吹出口、１５…押出機、１６…熱風生成装置、１７…ベルトコンベア、１８…ベルト、１９…巻取ローラ、２０…混合材料、２１…ピッチ材料、２２…黒鉛、２３…前駆体繊維、３０…炭素繊維、４０…芯部、４１…ベース芯部、４２…第１核部、５０…鞘部、５１…ベース鞘部、５２…第２核部、５３…中間部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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