(57)【要約】【解決手段】単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル及び気相成長炭素繊維等の針状微細炭素材料が紡績又は紡糸されてなることを特徴とする炭素繊維糸及びその製造方法。【効果】タイヤの補強材に用いるスチールコードやスチール−有機繊維複合コードのようなゴムや樹脂の補強材として用いられる金属製補強材や金属−有機繊維複合補強材と同等又はそれ以上の補強性を与えることができ、ゴムや樹脂等の再原料化リサイクルの障害とならない補強材となる炭素繊維糸を提供することができる。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
針状微細炭素材料を紡績又は紡糸してなることを特徴とする炭素繊維糸。
【請求項２】
上記針状微細炭素材料の径が０．４〜５００ｎｍ、長さが５０ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維糸。
【請求項３】
上記針状微細炭素材料が、単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル及び気相成長炭素繊維から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の炭素繊維糸。
【請求項４】
針状微細炭素材料を単独で又は結着剤と共に紡績又は紡糸することを特徴とする炭素繊維糸の製造方法。
【請求項５】
更に、上記針状微細炭素材料を撚り合わせることを特徴とする請求項４記載の炭素繊維糸の製造方法。
【請求項６】
針状微細炭素材料同士を融着させて接合して紡績又は紡糸することを特徴とする炭素繊維糸の製造方法。
【請求項７】
上記接合部分に放射線、電子線又はレーザー光線を照射することにより融着させることを特徴とする請求項６記載の炭素繊維糸の製造方法。
【請求項８】
針状微細炭素材料を化学処理することによりその表面部の炭素原子を親溶媒性の官能基で修飾して溶媒可溶化し、この針状微細炭素材料を溶媒に溶解させ、この溶液から溶液紡糸することを特徴とする炭素繊維糸の製造方法。
【請求項９】
針状微細炭素材料を化学処理することによりその表面部の炭素原子を反応活性を有する官能基で修飾し、この官能基同士を直接結合又は架橋剤を介して架橋させることにより連結して紡績又は紡糸することを特徴とする炭素繊維糸の製造方法。
【請求項１０】
上記針状微細炭素材料の径が０．４〜５００ｎｍ、長さが５０ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項記載の炭素繊維糸の製造方法。
【請求項１１】
上記針状微細炭素材料が、単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル及び気相成長炭素繊維から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項４乃至１０のいずれか１項記載の炭素繊維糸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、気相成長炭素繊維などの針状微細炭素材料を紡績又は紡糸してなる炭素繊維糸及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゴムタイヤには、その補強用として種々の補強用コードが用いられており、補強部位により、スチールコード、有機繊維コード又はスチール−有機繊維複合コードなどがその補強目的に合わせて選択されて用いられている。近年、環境への負荷低減の要請から、使用済みタイヤのリサイクルが進められているが、主に有機物であるゴム材料からなるタイヤ中に含まれるスチールコードやスチール−有機繊維複合コードは、特に、使用済みタイヤを再原料化リサイクルする場合に、その分離が簡単ではないためリサイクルの大きな障害となっている。これは、ゴムタイヤに限らず、ゴム製品や樹脂製品の補強材としてスチールコードのような金属線を用いた場合に共通の問題である。
【０００３】
また、ゴムタイヤには、同じく環境負荷の低減を目的として、軽量化、薄肉化が進められているが、例えば、軽量化するためにはスチール製コードを減らす必要があるが、タイヤに必要とされる強度の下限を下回るような補強材の低減はできない。また、薄肉化しつつ強度を維持するためには逆にスチール製コードを多くする必要があり、これは、軽量化や上述したようなタイヤの再原料化リサイクルに逆行する。従って、従来の補強材では、軽量化、薄肉化には限界があり、更に容易に再原料化リサイクルできるものにもなっていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、タイヤの補強材に用いるスチールコードやスチール−有機繊維複合コードのようなゴムや樹脂の補強材として用いられる金属製補強材や金属−有機繊維複合補強材と同等又はそれ以上の補強性を与えることができ、ゴムや樹脂等の再原料化リサイクルの障害とならない補強材となる炭素繊維糸を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、気相成長炭素繊維などの針状微細炭素材料は、素材としてスチールの数十倍もの高強度（単位断面積当たりの強度）を有することが知られており、従来のスチール等の金属を用いた各種補強材の代替となり得るものとして期待されている。しかしながらのこのような針状微細炭素材料は、高い強度を有するものであるが、これら材料自体は微細なため、そのまま用いても金属製補強材のような補強性能を得ることはできない。
【０００６】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、針状微細炭素材料、特に、単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル及び気相成長炭素繊維から選ばれる１種又は２種以上の針状微細炭素材料を紡績又は紡糸してなる炭素繊維糸が、上記したような従来、金属製補強材や金属−有機繊維複合補強材が用いられているゴム製品や樹脂製品の補強材として適用することができ、これが同等又はそれ以上の強度を与えることができること、特に、タイヤ等のゴム製品や樹脂製品の補強材として用いれば、炭素繊維糸はスチール線等の金属線に比べ比重が小さいので、軽量化が可能であると共に、このタイヤは補強材として再原料化リサイクルの障害となる金属線含まないので、使用済みタイヤの再原料化リサイクルが容易になること、更に、このような炭素繊維糸が、
針状微細炭素材料を単独で又は結着剤と共に紡績又は紡糸すること、
針状微細炭素材料同士を融着させて接合して紡績又は紡糸すること、
針状微細炭素材料を化学処理することによりその表面部の炭素原子を親溶媒性の官能基で修飾して溶媒可溶化し、この針状微細炭素材料を溶媒に溶解させ、この溶液から溶液紡糸すること、又は
針状微細炭素材料を化学処理することによりその表面部の炭素原子を反応活性を有する官能基で修飾し、この官能基同士を直接結合又は架橋剤を介して架橋させることにより連結して紡績又は紡糸すること
により製造できることを見出し、本発明をなすに至った。
【０００７】
即ち、本発明は、
（１）針状微細炭素材料を紡績又は紡糸してなることを特徴とする炭素繊維糸、
（２）上記針状微細炭素材料の径が０．４〜５００ｎｍ、長さが５０ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維糸、
（３）上記針状微細炭素材料が、単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル及び気相成長炭素繊維から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする（１）又は（２）記載の炭素繊維糸、
（４）針状微細炭素材料を単独で又は結着剤と共に紡績又は紡糸することを特徴とする炭素繊維糸の製造方法、
（５）更に、上記針状微細炭素材料を撚り合わせることを特徴とする（４）記載の炭素繊維糸の製造方法、
（６）針状微細炭素材料同士を融着させて接合して紡績又は紡糸することを特徴とする炭素繊維糸の製造方法、
（７）上記接合部分に放射線、電子線又はレーザー光線を照射することにより融着させることを特徴とする（６）記載の炭素繊維糸の製造方法、
（８）針状微細炭素材料を化学処理することによりその表面部の炭素原子を親溶媒性の官能基で修飾して溶媒可溶化し、この針状微細炭素材料を溶媒に溶解させ、この溶液から溶液紡糸することを特徴とする炭素繊維糸の製造方法、
（９）針状微細炭素材料を化学処理することによりその表面部の炭素原子を反応活性を有する官能基で修飾し、この官能基同士を直接結合又は架橋剤を介して架橋させることにより連結して紡績又は紡糸することを特徴とする炭素繊維糸の製造方法、
（１０）上記針状微細炭素材料の径が０．４〜５００ｎｍ、長さが５０ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする（４）乃至（９）のいずれか１項記載の炭素繊維糸の製造方法、又は
（１１）上記針状微細炭素材料が、単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル及び気相成長炭素繊維から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする（４）乃至（１０）のいずれか１項記載の炭素繊維糸の製造方法を提供する。
【０００８】
以下、本発明につき更に詳述する。
本発明の炭素繊維糸は、針状微細炭素材料を紡績又は紡糸してなるものである。ここで、上記針状微細炭素材料としては、骨格が炭素原子により形成されたチューブ構造、中実構造、コイル構造などの針状微細炭素材料が好ましく、特に径が０．４〜５００ｎｍ、長さが５０ｎｍ〜１００μｍのものが好ましく挙げられる。このようなものとして、具体的には、単層カーボンナノチューブ、複層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）などが挙げられる。これらは１種単独で用いたものでも、２種以上を混合して用いたものでもよい。
【０００９】
特に、カーボンナノチューブの場合、単層カーボンナノチューブであれば、径が０．４〜１０ｎｍ、長さが５０ｎｍ〜１０μｍのもの、複層カーボンナノチューブであれば、径が０．７〜３０ｎｍ、長さが５０ｎｍ〜１０μｍのもの、多層カーボンナノチューブであれば、径が２〜１００ｎｍ、長さが１〜１００μｍのものが好ましい。また、気相成長炭素繊維の場合は、径が２０〜５００ｎｍ、長さが１〜１００μｍものが好ましい。
【００１０】
本発明の炭素繊維糸は、以下に詳述する第１〜第４の製造方法により製造することができる。
【００１１】
本発明の炭素繊維糸の第１の製造方法は、針状微細炭素材料を単独で又は結着剤と共に紡績又は紡糸することにより炭素繊維糸を製造する方法である。この方法は、針状微細炭素材料を長さ方向にある程度配向させながらこれら針状微細炭素材料同士を絡み合わせて束ねながら紡績又は紡糸するものである。この第１の製造方法においては、長さ／径が大きい針状微細炭素材料を用いることが好ましく、針状微細炭素材料は分岐の少ないものが好ましい。また、針状微細炭素材料としては、その表面に突起、溝等の凹凸が適度に存在するものの方が、紡績又は紡糸したときに隣接する針状微細炭素材料同士が絡みやすいため好ましい。
【００１２】
また、この第１の製造方法においては、針状微細炭素材料に撚りをかけることが好ましい、撚りをかけることで、針状微細炭素材料同士がより強固に絡み合うことになり、炭素繊維糸がより高い強度を有するものになる。
【００１３】
更に、この第１の製造方法において、針状微細炭素材料を結着剤と共に紡績又は紡糸する場合、結着剤としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、液状ポリマーなどを用いることができ、針状微細炭素材料と結着剤を混合し、必要に応じて加熱することにより炭素繊維糸を製造することができる。
【００１４】
本発明の炭素繊維糸の第２の製造方法は、針状微細炭素材料同士を融着させて接合して紡績又は紡糸することにより炭素繊維糸を製造する方法である。この方法は、針状微細炭素材料を長さ方向にある程度配向させながら放射線、電子線又はレーザー光線などを照射して、これら針状微細炭素材料同士が接触する部分に高エネルギーを与え、この接触部分を融着させて接合することにより、針状微細炭素材料同士を連結させて紡績又は紡糸するものである。この第２の製造方法においては、長さ／径が大きい針状微細炭素材料を用いることが好ましく、針状微細炭素材料は分岐の多いものが好ましい。また、針状微細炭素材料としては、その表面に突起、溝等の凹凸が適度に存在するものの方が、融着部分を多数形成することができるため好ましい。
【００１５】
本発明の炭素繊維糸の第３の製造方法は、針状微細炭素材料を化学処理することによりその表面部の炭素原子を親溶媒性の官能基で修飾して溶媒可溶化し、この針状微細炭素材料を溶媒に溶解させ、この溶液から溶液紡糸することにより炭素繊維糸を製造する方法である。この方法は、そのままの状態では溶媒不溶性である針状微細炭素材料を溶媒に溶解可能な状態にすることにより、溶媒紡糸可能にして、これを溶媒紡糸するものである。
【００１６】
この第３の製造方法においては、針状微細炭素材料の表面部の炭素原子を親水性の官能基で修飾し、溶媒として水を用いることが好ましい。また、溶液粘度を高くして紡糸する方が、得られる炭素繊維糸の強度を高くできることから好ましい。なお、この第３の製造方法においては、特に単層カーボンナノチューブを用いることが好ましく、長さ／径が小さい単層カーボンナノチューブを用いることが更に好ましい。
【００１７】
本発明の炭素繊維糸の第４の製造方法は、針状微細炭素材料を化学処理することによりその表面部の炭素原子を反応活性を有する官能基で修飾し、この官能基同士を直接結合又は架橋剤を介して架橋させることにより連結して紡績又は紡糸することにより炭素繊維糸を製造する方法である。この方法は、そのままでは反応性に乏しい針状微細炭素材料を化学処理することにより、その表面部の炭素原子を反応活性を有する官能基で修飾して反応性を高め、この官能基を介して針状微細炭素材料を連結して紡績又は紡糸するものである。
【００１８】
この第４の製造方法においては、修飾する官能基を選択することにより、官能基同士を水素結合させることも可能である。また架橋剤を用いて官能基同士を架橋する場合は、パーオキサイド等の架橋剤を使用することができる。また、架橋の際に、放射線、電子線又はレーザー光線などを照射することも可能である。なお、この第４の製造方法においては、特に、針状微細炭素材料は両末端部分の炭素原子の活性が比較的高いため、この部分の炭素原子を官能基で修飾することが好ましく、これにより架橋の効率が向上すると共に、強固な結合が形成されるため炭素繊維糸の強度も向上させることができる。
【００１９】
本発明の炭素繊維糸は、ゴム製品、樹脂製品の補強材、特にゴムタイヤに用いられる補強材に好適に用いることができる。特に、図１に示されるようなゴムタイヤのカーカスプライ１、ベルト２、ビードコア３、インサート４、チェーファ５、キャンバスチェーファ６、キャップ７１、レイヤー７２などのベルト補強層７として用いられる補強材として好適である。この場合、従来、金属製補強材や金属−有機繊維複合補強材が用いられている部分に本発明の炭素繊維糸を用いれば、この炭素繊維糸は金属線に比べ比重が小さいので、軽量化が可能であると共に、このタイヤは補強材として再原料化リサイクルの障害となる金属線を含まないので、使用済みタイヤの再原料化リサイクルが容易になるため好適である。また、コンベヤベルト、クローラ、ホース等のゴム製品、ウレタンフォーム用の一体成形ワイヤなどの補強材、その他ゴム製、樹脂製の工業用品の補強材としても好適である。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、タイヤの補強材に用いるスチールコードやスチール−有機繊維複合コードのようなゴムや樹脂の補強材として用いられる金属製補強材や金属−有機繊維複合補強材と同等又はそれ以上の補強性を与えることができ、ゴムや樹脂等の再原料化リサイクルの障害とならない補強材となる炭素繊維糸を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭素繊維糸を補強材として適用したタイヤの一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１  カーカスプライ
２  ベルト
３  ビードコア
４  インサート
５  チェーファ
６  キャンバスチェーファ
７  ベルト補強層
７１  キャップ
７２  レイヤー
【図１】
2004149996.tif 000002