[发明专利]碳纳米纤维及其制备方法、使用了碳纳米纤维的碳纤维复合材料的制备方法以及碳纤维复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米纤维及其制备方法、使用了碳纳米纤维的碳纤维复合材料的制备方法以及碳纤维复合材料。

背景技术

通常，碳纳米纤维是一种难以分散到基质中的填充物。根据本发明人等之前提出的碳纤维复合材料的制备方法，改善了以往认为难以改进的碳纳米纤维的分散性，并能够使碳纳米纤维均匀地分散在弹性体中(例如，参照日本特开2005-97525号公报)。根据这种碳纤维复合材料的制备方法，通过对弹性体与碳纳米纤维进行混炼，利用剪切力提高了凝聚性强的碳纳米纤维的分散性。更具体而言，当使弹性体与碳纳米纤维混合时，具有粘性的弹性体与碳纳米纤维相互地侵入，并且，弹性体特定的部分通过化学方式地相互作用与碳纳米纤维活性高的部分结合，在这种状态下，如果很强的剪切力作用于分子长度适当并且分子运动性高(具有弹性)的弹性体与碳纳米纤维的混合物，则伴随着弹性体的变形，碳纳米纤维也移动，并且，由于剪切后弹性所产生的弹性体恢复力而使凝聚了的碳纳米纤维分离，进而分散在弹性体中。这样，通过提高碳纳米纤维向基质中的分散性，从而能够将价格高昂的碳纳米纤维高效地用作复合材料的填充物了。

碳纳米纤维是利用在金属类催化剂存在下使烃等气体进行气相热裂(气相热分解)的气相生长法(气相沉积法)制备的，在工业上被批量生产。在这种已批量生产的碳纳米纤维中，也有例如在1000℃左右的加热炉内利用气相生长法制备并再经过高温热处理后进行石墨化的碳纳米纤维(例如，参照日本特开2006-198393号公报)。然而，这样石墨化的碳纳米纤维表面虽然缺陷少，具有所希望的性质，但是，具有与基质材料例如弹性体的润湿性变差的倾向。

发明内容

本发明的目的在于提供碳纳米纤维及其制备方法、使用了碳纳米纤维的碳纤维复合材料的制备方法以及碳纤维复合材料。

本发明的碳纳米纤维是对利用气相生长法制备的第一碳纳米纤维进行氧化处理而获得，并且所述碳纳米纤维利用X射线光电子光谱法(XPS)测定的表面氧浓度为2.6atm％～4.6atm％。

根据本发明涉及的碳纳米纤维，由于表面被适度氧化，因而能够提高碳纳米纤维与其他材料例如复合材料中的基质材料的表面反应性，并能够改善碳纳米纤维与基质材料的润湿性。通过使用这样改善了润湿性的碳纳米纤维，从而能够改善复合材料的刚性和柔性。

在本发明涉及的碳纳米纤维中，所述碳纳米纤维利用拉曼散射光谱法测定的1300cm^-1附近的峰强度D与1600cm^-1附近的峰强度G之比(D/G)能够为0.12～0.22。

在本发明涉及的碳纳米纤维中，氮吸附比表面积可以是34m²/g～58m²/g。

在本发明涉及的碳纳米纤维中，平均直径可以是4nm～230nm。

本发明涉及的碳纳米纤维的制备方法包括：对利用气相生长法制备的第一碳纳米纤维进行氧化处理从而获得第二碳纳米纤维的步骤，其中，利用X射线光电子光谱法(XPS)测定的所述第二碳纳米纤维的表面氧浓度相对于所述第一碳纳米纤维的表面氧浓度的增加量为0.5atm％～2.6atm％。

根据本发明涉及的碳纳米纤维的制备方法，由于碳纳米纤维的表面被适度氧化了，因而能够提高碳纳米纤维与其他材料例如复合材料中的基质材料的表面反应性，并改善碳纳米纤维与基质材料的润湿性。

本发明涉及的碳纳米纤维的制备方法包括：对利用气相生长法制备的第一碳纳米纤维进行氧化处理而获得第二碳纳米纤维的步骤，其中，利用X射线光电子光谱法(XPS)测定的所述第二碳纳米纤维的表面氧浓度相对于所述第一碳纳米纤维的表面氧浓度的增加比例为20％～120％。

根据本发明涉及的碳纳米纤维的制备方法，由于碳纳米纤维的表面被适度氧化了，因而能够提高碳纳米纤维与其他材料例如复合材料中的基质材料的表面反应性，并改善碳纳米纤维与基质材料的润湿性。

在本发明涉及的碳纳米纤维的制备方法中，所述步骤中，可以在含有氧气环境中、600℃～800℃下对所述第一碳纳米纤维进行热处理。

在本发明涉及的碳纳米纤维的制备方法中，所述步骤中，可以通过使所述第一碳纳米纤维的质量减少2％～20％而获得所述第二碳纳米纤维。

在本发明涉及的碳纳米纤维的制备方法中，在所述步骤中获得的第二碳纳米纤维利用X射线光电子光谱法(XPS)测定的表面氧浓度可以是2.6atm％～4.6atm％。