(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底の無いカップ形状をなす炭素網層が多数積層し、３０００℃の熱処理によっても黒鉛化しない気相成長法による炭素繊維であって、炭素網層の端面が露出している炭素繊維がフッ素化されて、ＣxＦyで表される構造をもち、かつ繊維状の形態を維持していることを特徴とするフッ素化炭素繊維。
【請求項２】
節の無い中空状をなすことを特徴とする請求項１記載のフッ素化炭素繊維。
【請求項３】
中空部の内表面側の炭素網層の端面も露出していることを特徴とする請求項２記載のフッ素化炭素繊維。
【請求項４】
２％以上の外表面で炭素網層の端面が露出していることを特徴とする請求項１、２または３記載のフッ素化炭素繊維。
【請求項５】
請求項１、２、３または４記載のフッ素化炭素繊維を少なくとも一部に含むことを特徴とする電池用活物質。
【請求項６】
請求項１、２、３または４記載のフッ素化炭素繊維を一部に含むことを特徴とする固体潤滑材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフッ素化炭素繊維、これを用いた電池用活物質および固体潤滑材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気相成長法による炭素繊維が知られている。
この炭素繊維は、ベンゼンやメタンなどの炭化水素を７００℃〜１０００℃程度の温度で熱分解して得られる炭素が、超微粒の鉄やニッケルなどの触媒粒子を核として成長した短繊維である。
炭素繊維は、炭素網層が同心状に成長したもの、炭素網層が軸線に垂直に成長したものがあるが、触媒、温度領域、フローレート等の気相成長条件によっては、炭素網層の積層が繊維軸に対して一定の角度で傾斜したヘリンボン（herring−bone）構造をなすものもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、気相成長法による宿命であるが、気相成長法で製造された炭素繊維の表面には、十分に結晶化していない、アモルファス状の余剰炭素が堆積した、薄い堆積層が形成される。この堆積層が存在する故に、この炭素繊維は、一般的に表面の活性度が低い。
また、ヘリンボン構造をなす気相成長法による炭素繊維の用途もほとんど開発されていなかった。
【０００４】
本発明は、このヘリンボン構造をなす炭素繊維の表面を活性化することでフッ素化を可能としたものであり、その目的とするところは、フッ素化炭素繊維、これを用いた電池用活物質および固体潤滑材を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るフッ素化炭素繊維は、底の無いカップ形状をなす炭素網層が多数積層し、３０００℃の熱処理によっても黒鉛化しない気相成長法による炭素繊維であって、炭素網層の端面が露出している炭素繊維がフッ素化されて、ＣxＦyで表される構造をもち、かつ繊維状の形態を維持していることを特徴とする。
前記炭素繊維が節の無い中空状をなすことを特徴とする。
また、中空部の内表面側の炭素網層の端面も露出していることを特徴とする。
２％以上（さらに好ましくは７％以上）の外表面で炭素網層の端面が露出していることが好ましい。
上記フッ素化炭素繊維は、リチウムイオン電池等の電池活物質、固体潤滑材等としての用途に用いて好適である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
本発明で用いる気相成長法による炭素繊維は、底の無いカップ形状をなす炭素網層が多数積層した構造をなす（以下ヘリンボン構造の炭素繊維という）。
以下に製造方法の一例を説明する。
反応器は公知の縦型反応器を用いた。
原料にベンゼンを用い、ほぼ２０℃の蒸気圧となる分圧で、水素気流により反応器に、流量０．３l／hでチャンバーに送り込んだ。触媒はフェロセンを用い、１８５℃で気化させ、ほぼ３×１０-7mol/sの濃度でチャンバーに送り込んだ。反応温度は約１１００℃、反応時間が約２０分で、直径が平均約１００ｎｍのヘリンボン構造の炭素繊維が得られた。原料の流量、反応温度を調節する（反応器の大きさによって変更される）ことで、底の無いカップ形状をなす炭素網層が多数積層され、数十ｎｍ〜数十μｍの範囲に亙って節（ブリッジ）の無い中空の炭素繊維が得られる。
【０００７】
図１は、上記気相成長法によって製造したヘリンボン構造の炭素繊維の透過型電子顕微鏡写真の複写図、図２はその拡大図、図３はその模式図である。
図から明らかなように、傾斜した炭素網層１０を覆って、アモルファス状の余剰炭素が堆積した堆積層１２が形成されていることがわかる。１４は中心孔である。
このような堆積層１２が形成されている炭素繊維を、４００℃以上、好ましくは５００℃以上、一層好ましくは５２０℃以上５３０℃以下の温度で、大気中で１〜数時間加熱することにより、堆積層１２が酸化されて熱分解し、除去されて炭素網層の端面（六員環端）が一部露出する。
あるいは、超臨界水により炭素繊維を洗浄することによっても堆積層１２を除去でき、炭素網層の端面を露出させることができる。
あるいはまた上記炭素繊維を塩酸または硫酸中に浸漬し、スターラーで撹拌しつつ８０℃程度に加熱しても堆積層１２を除去できる。
【０００８】
図４は、上記のように約５３０℃の温度で、大気中１時間熱処理したヘリンボン構造の炭素繊維の透過型電子顕微鏡写真の複写図、図５はその拡大図、図６はさらにその拡大図、図７はその模式図である。
図５〜図７から明らかなように、上記のように熱処理を行うことによって、堆積層１２の一部が除去され、炭素網層１０の端面（炭素六員環端）が露出していることがわかる。なお、残留している堆積層１２もほとんど分解されていて、単に付着している程度のものと考えられる。熱処理を数時間行い、また超臨界水での洗浄を併用すれば、堆積層１２を１００％除去することも可能である。
また、図４に明らかなように、炭素繊維１０は、底の無いカップ形状をなす炭素網面が多数積層しており、少なくとも数十ｎｍ〜数十μｍの範囲で中空状をなしている。
中心線に対する炭素網層の傾斜角は２５°〜３５°位である。
【０００９】
また、図６や図７に明確なように、炭素網層１０の端面が露出している外表面および内表面の部位が、端面が不揃いで、ｎｍ（ナノメーター）、すなわち原子の大きさレベルでの微細な凹凸１６を呈していることがわかる。図２に示すように、堆積層１２の除去前は明確でないが、上記の熱処理により堆積層１２を除去することによって、凹凸１６が現れた。
露出している炭素網層１０の端面は、他の原子と結びつきやすく、きわめて活性度の高いものである。これは大気中での熱処理により、堆積層１２が除去されつつ、露出する炭素網層の端面に、フェノール性水酸基、カルボキシル基、キノン型カルボニル基、ラクトン基などの含酸素官能基が増大し、これら含酸素官能基が親水性、各種物質に対する親和性が高いからと考えられる。
また中空構造をなすこと、および凹凸１６によるアンカー効果は大きい。
【００１０】
図８は、ヘリンボン構造の炭素繊維（サンプルＮＯ.２４ＰＳ）を、大気中で、１時間、それぞれ５００℃、５２０℃、５３０℃、５４０℃で熱処理した後の、炭素繊維のラマンスペクトルを示す。
上記熱処理を行うことによって、堆積層１２が除去されることは図５〜図７で示したが、図８のラマンスペクトルから明らかなように、Ｄピーク（１３６０ｃｍ-1）およびＧピーク（１５８０ｃｍ-1）が存在することから、このものは炭素繊維であるとともに、黒鉛化構造でない炭素繊維であることが示される。
【００１１】
すなわち、上記ヘリンボン構造の炭素繊維は、炭素網面のずれた（グラインド）乱層構造（Turbostratic  Structure）を有していると考えられる。
この乱層構造炭素繊維では、各炭素六角網面が平行な積層構造は有しているが各六角網面が平面方向にずれた、あるいは回転した積層構造となっていて、結晶学的規則性は有しない。
【００１２】
図９は、上記熱処理を行って炭素網層の端面を露出させた、サンプルＮＯ.１９ＰＳと、サンプルＮＯ．２４ＰＳの炭素繊維のラマンスペクトルを示す。
また図１０は、上記炭素網層の端面を露出させた、サンプルＮＯ.１９ＰＳと、サンプルＮＯ．２４ＰＳの炭素繊維に３０００℃の熱処理（通常の黒鉛化処理）を行った後の炭素繊維のラマンスペクトルを示す。
図１０に示すように、炭素網層の端面を露出させた炭素繊維に黒鉛化処理を行っても、Ｄピークが消失しないことがわかる。これは、黒鉛化処理を行っても黒鉛化していないことを示す。
図示しないが、Ｘ線回折を行っても、１１２面の回折線が出てこないことからも、上記炭素繊維は黒鉛化していないことが判明した。
【００１３】
黒鉛化処理を行っても黒鉛化しないということは、黒鉛化しやすい堆積層１２が除去されているからと考えられる。また、残ったヘリンボン構造の部位が黒鉛化しないということが明らかとなった。
上記のように、高温雰囲気下でも黒鉛化しないことは、熱的に安定であることを意味する。
【００１４】
次に、上記炭素網層の端面を露出させた炭素繊維のフッ素化について説明する。
フッ素化に用いた条件は以下のとおりである。
すなわち、上記炭素繊維をニッケルボートに充填し、フッ素化用のニッケル管（内径５０ｍｍφ）中に設置した。フッ素との反応温度は３４０℃、フッ素分圧４６０ｍｍＨｇ、窒素分圧３１０ｍｍＨｇである。反応時間は７２時間であった。
なお、フッ素化を促進させるために、フッ化銀などの触媒を用いることができる。
形成物はいずれも純白の線状となって得られ、この色から、ＣxＦyで表される構造をもつフッ素化炭素繊維が良好に形成されたことが知られる。
フッ素化の条件は上記に限られないことはもちろんである。
【００１５】
なお、炭素網層が繊維軸と同心状に成長した炭素繊維のフッ素化については知られている。
しかしながら、この炭素繊維をフッ素化した場合、層間に進入したフッ素原子によって、炭素網層がフッ素原子が進入した側に引き寄せられる結果、炭素網層が断面ジグザグ状となって破壊されてしまい、フッ素化により炭素繊維は粉状となって、繊維状の形態を失う。したがって、繊維状をなすことによる有為さが失われてしまう不具合がある。
【００１６】
この点、上記ヘリンボン構造をなす炭素繊維は、炭素網層が繊維軸に対して傾斜していること、黒鉛化しない乱層構造を呈していることが原因と考えられるが、フッ素化した場合にあっても、繊維状を呈している。
このように、本実施の形態のフッ素化炭素繊維は、繊維状を維持していることから、高い電導性と優れた機械的強度を有していて、リチウム一次電池の正極材もしくは正極材の添加剤として良好に用いることができ、従来の共有結合型のフッ化炭素を用いるときより一段と高出力の電池が得られ、優れた電池用活物質として利用することができる。
【００１７】
また、本実施の形態のフッ素化炭素繊維は、繊維状を維持しているから、ＡＢ面間の滑りを維持し、エポキシ樹脂等の樹脂、油脂などの基材材料に配合した場合、優れた潤滑性を有している。
その他、本実施の形態に係るフッ素化炭素繊維は、撥水・撥油剤、非粘着性付与剤、導電性付与剤、各種の複合材、静電現像用のトナー添加剤やキャリア被覆層添加剤、定着ローラ、リン酸型燃料電池、空気／亜鉛電池、ニッケル／水素蓄電池等の多くの用途に有用である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明に係るフッ素化炭素繊維は、繊維状を維持していることから、高い電導性と優れた機械的強度を有している。
したがって、リチウム一次電池の正極材もしくは正極材の添加剤として良好に用いることができ、従来の共有結合型のフッ化炭素を用いるときより一段と高出力の電池が得られ、優れた電池用活物質として利用することができる。
また、本発明に係るフッ素化炭素繊維は、繊維状を維持しているから、ＡＢ面間の滑りを維持し、エポキシ樹脂等の樹脂、油脂などの基材材料に配合した場合、優れた潤滑性を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】気相成長法によって製造したヘリンボン構造の炭素繊維の透過型電子顕微鏡写真の複写図である。
【図２】図１の拡大図である。
【図３】図２の模式図である。
【図４】約５３０℃の温度で、大気中１時間熱処理したヘリンボン構造の炭素繊維の透過型電子顕微鏡写真の複写図である。
【図５】図４の拡大図である。
【図６】図５のさらに拡大図である。
【図７】図６の模式図である。
【図８】ヘリンボン構造の炭素繊維（サンプルＮＯ.２４ＰＳ）を、大気中で、１時間、それぞれ５００℃、５２０℃、５３０℃、５４０℃で熱処理した後の、炭素繊維のラマンスペクトルを示す。
【図９】上記熱処理を行って炭素網層の端面を露出させた、サンプルＮＯ.１９ＰＳと、サンプルＮＯ．２４ＰＳの炭素繊維のラマンスペクトルを示す。
【図１０】上記炭素網層の端面を露出させた、サンプルＮＯ.１９ＰＳと、サンプルＮＯ．２４ＰＳの炭素繊維に３０００℃の熱処理を行った後の炭素繊維のラマンスペクトルを示す。
【符号の説明】
１０  炭素網層
１２  堆積層
１４  中心孔
１６  凹凸
【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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【図６】
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【図７】
0004014832.tif 000008
【図８】
0004014832.tif 000009
【図９】
0004014832.tif 000010
【図１０】
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