碳纤维片及其生产方法

专利名称：碳纤维片及其生产方法
技术领域：
本发明涉及通过烧结(碳化)氧化聚丙烯腈纤维片获得的碳纤维片，以及涉及碳纤维片的生产方法。更特别地，本发明涉及一种碳纤维片，它具有高碳纤维含量，薄，具有优异的可成形性，在厚度方向的导电性优异，适于作为导电材料如接地材料，电池电极材料等，以及涉及碳纤维片的生产方法。
此碳纤维片适于用作如下电池或蓄电池的电极材料如聚合物电解质燃料电池、氧化还原流动蓄电池、溴化锌蓄电池、氯化锌蓄电池等，或作为用于电解如氯化钠电解的电极材料等。
当碳纤维片特别用作蓄电池电极材料时，碳纤维片必须自身具有小的厚度和高的堆积密度以满足电池或蓄电池向更小尺寸和更轻重量的最近动向。这些性能允许碳材料在贯穿平面方面具有降低的电阻。
作为用于这样应用的碳纤维片，已知有模塑碳材料、碳纤维织物、碳纤维非织造织物等。
作为片状和高堆积密度的模塑碳材料，已知有纤维增强的碳材料(c/c纸)(JP No.2584497和JP-A-63-222078)。此片通过如下方式生产将切碎的碳纤维抄制成纸，采用苯酚树脂等物质浸渍获得的纸以获得苯酚树脂复合材料，碳化苯酚树脂复合材料中的苯醛树脂等物质。
此片通过加压模塑使用模具生产，因此，厚度精度和表面平滑度优异。然而，此片柔韧性较差和不能制成卷。因此，该片不适于其中需要长片的应用。
此外，片是脆性的和由于，例如在运输或加工期间施加的冲击而容易破裂。另外，片具有高的生产成本和，当大量用作导电材料时，是昂贵的。为什么碳纤维增强的碳片是脆性和柔韧性较差的原因在于，片包含大量浸渍树脂的碳化产物。
为获得具有柔韧性和仍然高堆积密度的片，必须使片中的碳纤维含量变高。
作为具有柔韧性的片形碳材料，碳纤维织物是已知的。作为这样的织物，有长丝织物(JP-A-4-281037和JP-A-7-118988)和细纱织物(JP-A-10-280426)。
通过将碳纤维线编入织物中而获得长丝织物。构成碳纤维线的碳纤维数目可以是不同的。在长丝织物中，碳纤维轴的方向基本平行于织物的平面内方向。因此，织物的电阻在平面内方向上较低但在厚度方向上较高。
同时，作为细纱织物，已知通过如下方式获得的碳纤维细纱织物使用氧化PAN纤维细纱和碳化它而生产氧化聚丙烯腈(PAN)纤维织物。此碳纤维细纱织物一般比碳纤维长丝织物更具柔韧性。此外，由于是通过扭转短纤维获得的，与碳纤维长丝织物相比，有望细纱织物在厚度方向上具有更低的电阻。另外，与上述c/c纸相比，细纱织物具有更低的生产成本。
然而，常规的碳纤维细纱织物一般堆积密度较低。因此，尽管电阻比c/c纸的电阻更低，在厚度方向上，在要求电导率的应用，如电极等中，它们显示高的电阻。
作为细纱织物，也建议通过如下方式获得的碳纤维织物将PAN衍生的碳纤维切割成给定长度和将切割纤维编入织物中(JP-A-10-280246)。然而，此织物具有低的堆积密度。用于更高堆积密度的此织物的压缩导致材料的细粉碎。
作为具有等同于碳纤维织物那些的柔韧性和良好易加工性的碳纤维片，有碳纤维非织造织物。当承受穿孔时，此非织造织物比c/c纸和碳纤维织物显示更高的形状保持性，更容易和在比c/c纸和碳纤维织物更低的成本下生产。一般情况下，通过如下方式获得碳纤维非织造物将氧化PAN纤维进行水喷射处理，针穿孔处理等，以生产氧化纤维非织造织物和碳化氧化纤维非织造织物；因此，在碳纤维非织造织物中，它的轴平行于厚度方向的纤维的比例，比在碳纤维增强的碳纤维中要高。结果是，期望碳纤维非织造织物在厚度方向上的电阻比碳纤维增强碳片的电阻更小。
然而，由于常规的氧化纤维非织造织物的堆积密度一般较低，当用于如电极等的应用中时，通过碳化这样的氧化纤维非织造织物获得的碳纤维非织造织物在厚度方向上具有高的电阻。
例如，在JP-A-9-119052中描述了用于生产氧化纤维非织造织物的方法，该方法包括使用氧化PAN纤维制备网和将网进行水喷射处理。通过此方法获得的非织造织物具有低堆积密度。
日本特表平No.9-511802公开了使用两部分稳定纤维生产织物和毛毡的方法，该稳定纤维含有由热塑性聚合物组合物组成的内芯部分和围绕内芯部分，由含碳材料组成的外部覆盖部分。此两部分稳定纤维具有1.20-1.32的相对低比重。使用此纤维生产的织物或毛毡具有低堆积密度。
本发明目的在于提供这样的碳纤维片，该纤维片适于作为导电材料如接地材料，蓄电池电极材料等，具有高堆积密度，合适的柔韧性和在厚度方向上的低电阻，成形性优异；和生产这样碳纤维片的方法。
以下描述本发明。
一种厚度为0.15-1.0mm，堆积密度为0.15-0.45g/cm3，碳纤维含量为95质量％或更大，压缩变形比为10-35％，电阻为6mΩ或更小和触动量为5-70g的碳纤维片。
一种碳纤维片，其中在纤维之间每个交叉部分单个纤维的截面具有扁圆形状和截面的长轴大致平行于碳纤维片的表面。
根据上述[2]的碳纤维片，其中纤维之间的每个交叉部分，由单个纤维截面的最大直径(L1)和单个纤维截面的最小直径(L2)表示的扁率(L2/L1)为0.2-0.7。
根据上述[2]的碳纤维片，其中在单个纤维中不是纤维之间交叉部分的部分至少包含其中扁率(L2/L1)大于0.7的局部。
一种通过将氧化聚丙烯腈纤维片进行碳化处理，生产上述[1]碳纤维片的方法，该方法包括在厚度方向，在150-300℃和10-100MPa的条件下，将氧化聚丙烯腈纤维片进行压缩处理以获得堆积密度为0.40-0.80g/cm3和压缩比为40-75％的压缩的氧化纤维片，然后将压缩的，氧化纤维片进行碳化处理。
一种通过将氧化聚丙烯腈纤维片进行碳化处理，生产上述[1]碳纤维片的方法，该方法包括允许氧化聚丙烯腈纤维片包含0.2-5质量％的树脂，然后在厚度方向，在150-300℃和5-100MPa的条件下，将包含树脂的氧化聚丙烯腈纤维片进行压缩处理以获得堆积密度为0.40-0.80g/cm3和压缩比为40-75％的压缩的氧化纤维片，然后将压缩的，氧化纤维片进行碳化处理。
在本发明中，在特定条件下将氧化纤维片进行压缩处理，因此氧化纤维片可以优选是压缩模塑的和，通过碳化获得的材料，可以获得具有高堆积密度和适于连续处理的合适柔韧性的碳纤维片。这样生产的碳纤维片在厚度方向上具有低电阻和因此适于作为导电材料如接地材料，蓄电池电极材料等。进行本发明的最好模式以下详细描述本发明。氧化聚丙烯腈纤维在生产本发明的碳纤维片中，开始材料是氧化PAN纤维。
作为是氧化PAN纤维前体的PAN纤维，优选是包含90-98质量％丙烯腈单体和2-10质量％共聚单体单元的纤维。共聚单体可以示例为乙烯基单体如丙烯酸烷基酯(如丙烯酸甲酯)、丙烯酰胺、衣康酸等。
在本发明中，将PAN纤维进行阻燃处理以生产氧化PAN纤维。阻燃处理优选通过如下方式进行在空气中在220-250℃的初始氧化温度下，处理PAN纤维，在0.2-0.9℃/min的升温速率下，将处理的PAN纤维的温度增加到250-280℃的最大温度，将PAN纤维保持在此温度下5-30分钟。通过用于PAN纤维的以上阻燃处理，可以生产具有如下所示性能的氧化PAN纤维。
氧化PAN纤维的纤度优选为0.55-2.4分特。当纤度小于0.55分特时，单个纤维具有低韧性和在纺丝中发生末端断裂。当纤度大于2.4分特时，在纺丝中得不到希望的捻度数，导致低强度的细纱。结果是，在生产织物中，细纱的切割和绒毛出现，使织物生产困难。同样当氧化PAN纤维用于氧化纤维片如氧化纤维非织造织物，氧化纤维毛毡等的生产时，氧化PAN纤维优选具有上述范围的纤度。
氧化PAN纤维可具有任何截面形状如圆形、扁圆形等。纤维的比重氧化PAN纤维的比重优选为1.34-1.43。当比重小于1.34时，当将它烧成时，氧化PAN纤维倾向于在平面内方向具有不均匀的收缩量。当比重大于1.43时，它的单个纤维伸长率较小。使用这样纤维生产的细纱具有低强度。此外，难以通过以下描述的压缩处理降低氧化纤维片的厚度(从这样的细纱生产)。当碳化不充分压缩的氧化纤维片时，难以获得由本发明规定的薄碳纤维片。卷曲率和卷曲数当将氧化PAN纤维纺丝或加工成非织造织物时，预先将氧化PAN纤维卷曲。在此情况下，氧化PAN纤维的卷曲比和卷曲数优选分别为8-25％和2.4-8.1/cm。当卷曲比小于8％时，纤维之间的缠结较低，在纺丝期间产生末端断裂。当卷曲比大于25％时，单个纤维的强度较低，使纺丝困难。当卷曲数小于2.4/cm时，在纺丝期间发生末端断裂。当卷曲数大于8.1/cm时，单个纤维的强度较低和在卷期间容易发生末端断裂。
当生产氧化纤维片如氧化纤维非织造织物、氧化纤维毛毡等时，也同样适用。干燥强度氧化PAN纤维的干燥强度优选为0.9g/分特或更大。当干燥强度小于0.9g/分特时，氧化PAN纤维变成氧化纤维片的加工性能较低。干燥伸长率氧化PAN纤维的干燥伸长率优选为8％或更大。当干燥伸长率小于8％时，氧化PAN纤维变成氧化纤维片的加工性能较低。结节强度氧化PAN纤维的结节强度优选为0.5-1.8g/分特。当结节强度小于0.5g/分特时，氧化PAN纤维变成氧化纤维片的加工性能较低和获得的氧化纤维片和碳纤维片强度较低。结节强度大于1.8g/分特的氧化PAN纤维难以生产。结节伸长率氧化PAN纤维的结节伸长率优选为5-15％。当结节伸长率小于5％时，氧化PAN纤维变成氧化纤维片的加工性能较低和获得的氧化纤维片和碳纤维片强度较低。结节伸长率大于15％的氧化PAN纤维难以生产。
当纺丝氧化PAN纤维时，纤维优选具有25-65mm的平均切割长度。当平均切割长度不在此范围时，在纺丝期间倾向于发生末端断裂。
氧化PAN纤维细纱的生产在使用氧化PAN纤维生产细纱时，首先，根据常规方法将氧化PAN纤维纺丝以生产氧化PAN纤维细纱。然后，将此细纱进行高支数纱丝(精纺)以生产由在第二捻度和第一捻度中200-900捻/m的20-50支数单纱或双股纱构成的细纱。
细纱的捻度优选为200-900捻/m。当捻度不在此范围时，在纺丝期间的纱强度较低，使得难以使用这样的细纱生产织物。
在本发明中，使用氧化PAN纤维或其细纱生产氧化纤维片。
氧化纤维片的种类可以示例为氧化纤维非织造织物、氧化纤维毛毡和氧化纤维细纱织物。
氧化纤维片的厚度优选为0.3-2.0mm。当氧化纤维片的厚度小于0.3mm时，在以后所述的压缩处理中可能有不充分的压缩，使得不可能获得具有高堆积密度的氧化纤维片。当氧化纤维片的厚度大于2.0mm时，从其获得的碳纤维片在厚度方向具有高电阻。
氧化纤维片的堆积密度优选为0.07-0.40g/cm3，更优选0.08-0.39g/cm3。当堆积密度小于0.07g/cm3时，不可能获得具有所需堆积密度的碳纤维片。当堆积密度大于0.40g/cm3时，获得的碳纤维片具有低强度和没有所需的柔韧性。
关于生产氧化纤维片的方法，可以采用本领域技术人员已知的合适方法。压缩的氧化纤维片的生产在本发明中，其后，如需要允许氧化纤维片包含树脂。在已经被允许包含树脂或不包含任何树脂之后，将氧化纤维片在厚度方向进行压缩处理以获得压缩的氧化纤维片。通过此压缩处理，获得片的碳纤维可在碳纤维之间的交叉部分具有扁率，如下所述。
当允许氧化纤维片包含树脂时，与它不包含树脂时相比，压缩处理更容易和可以获得更薄和具有更高堆积密度的压缩的氧化纤维片。一般情况下，在后述的它的碳化阶段期间，在厚度方向中，压缩的氧化纤维片轻微膨胀。此膨胀可由在压缩之前氧化纤维片中树脂的存在最小化。在压缩之前氧化纤维片中树脂的存在抑制了压缩的氧化纤维片的膨胀和得到更薄和具有更高堆积密度的压缩的氧化纤维片。
作为允许氧化纤维片包含树脂的方法，可以提及，例如，如下方式的方法将氧化纤维片浸入给定浓度的树脂浴中和然后干燥获得的含树脂的氧化纤维片。树脂的含量，相对于氧化纤维片优选为0.2-5.0质量％，更优选0.3-4.0质量％。当树脂含量小于0.2质量％时，没有树脂加入的效果。当树脂含量大于5.0质量％时，来自压缩步骤之后的碳化步骤的产物较硬和没有柔韧性和产生细粉末。树脂浴的浓度是，例如，0.1-2.5质量％。
树脂允许氧化PAN纤维在压缩处理期间彼此粘合和最小化氧化纤维片的膨胀。作为树脂，可以提及，例如，热塑性树脂如聚乙烯醇(PVA)、聚醋酸乙烯酯、聚酯、聚丙烯酸酯等；热固性树脂如环氧树脂、酚醛树脂等；纤维素衍生物如羧甲基纤维素(CMC)等。在这些树脂中，特别优选是PVC、CMC、环氧树脂和聚丙烯酸酯，所有在压缩处理期间具有高粘度和高粘合性。树脂浴是树脂在有机溶剂中的溶液或树脂在水中的分散体。
作为将氧化纤维片进行压缩处理的方法，可以提及，例如，使用热压机，压延辊筒等压缩氧化纤维片的方法。
压缩处理的温度优选为150-300℃，更优选170-250℃。当压缩温度小于150℃时，压缩处理不足够，使得不能获得具有高堆积密度的压缩的氧化纤维片。当压缩温度高于300℃时，获得的压缩的氧化纤维片具有降低的强度。
当没有树脂处理时，压缩处理的压力优选为10-100MPa，更优选15-90MPa。当压缩压力小于10MPa时，压缩不足够，使得不能获得具有高堆积密度的压缩的氧化纤维片。当压缩压力大于100MPa时，压缩的氧化纤维片受到损害和具有降低的强度。结果是，难以连续地进行烧成。当有树脂处理时，树脂显示粘合剂作用和抑制氧化纤维片的膨胀；因此，甚至在低于没有树脂处理时使用的处理压力下，树脂处理的氧化纤维片可得到具有所需堆积密度的碳纤维片。当有树脂处理时，压缩处理的压力优选为5-100MPa。
氧化纤维片的压缩处理的时间优选为3分钟或更短，更优选0.1秒-1分钟。采用长于3分钟的压缩处理，没达到进一步的压缩，反而使纤维的损害增加。
压缩比优选是40-75％。
压缩的比例，即C由如下公式确定，其中ta表示在压缩之前氧化纤维片的厚度和tb表示在压缩之后氧化纤维片的厚度。
C(％)＝100×tb/ta压缩处理的气氛优选是空气或惰性气体气氛如氮气等。
这样生产的压缩的氧化纤维片具有如下堆积密度优选0.40-0.80g/cm3，特别优选0.50-0.70g/cm3。当堆积密度小于0.40g/cm3时，从这样的压缩的氧化纤维片生产的碳纤维片具有低导电性。当堆积密度大于0.80g/cm3时，这样的压缩的氧化纤维片较硬和没有合适的柔韧性，使得它的碳化处理困难。
由于以上的压缩处理，压缩的氧化纤维片的每个纤维在纤维之间的交叉部分是扁圆的。在压缩的氧化纤维片的纤维之间的每个交叉部分，每个纤维截面的长轴大致平行于压缩的氧化纤维片的表面。碳纤维片的生产在本发明中，其后，将由以上方法生产的压缩的氧化纤维片烧成，同时施加压缩压力或不施加压缩压力，以获得PAN衍生的碳纤维片。
烧成通过如下方式进行在惰性气体气氛如氮气、氦气、氩气等中，在1,300-2,500℃下加热压缩的氧化纤维片。到以上加热温度达到时的升温速率，优选为200℃/min或更小，更优选170℃/min或更小。当升温速率大于200℃/min时，碳纤维的X射线子晶尺寸的生长速率较高；然而，碳纤维的强度较低和碳纤维倾向于产生大量的细粉末。
在1,300-2,500℃下加热压缩的氧化纤维片的时间优选为30分钟或更小，特别优选约0.5-20分钟。碳纤维片在这样生产的碳纤维片中，厚度为0.15-1.0mm；堆积密度为0.15-0.45g/cm3，优选0.21-0.43g/cm3；和至少在碳纤维之间的每个交叉部分处，每个碳纤维是扁圆的。在氧化纤维片的压缩处理期间形成此扁圆形状。由于在碳纤维之间的每个交叉部分每个碳纤维具有扁圆形状，碳纤维片具有合适的柔韧性，高堆积密度和低电阻。
在碳纤维之间的每个交叉部分，单个纤维截面的长轴大致平行于碳纤维片的表面。在碳纤维之间的每个交叉部分，它的截面长轴与碳纤维片表面成30°或更小角度的碳纤维的比例，通常为60％或更大，优选80％或更大。
在碳纤维之间的每个交叉部分，构成本发明碳纤维片的每个碳纤维的扁率(L2/L1)为0.2-0.7。
不是碳纤维之间交叉部分的碳纤维部分可具有扁圆形状或其它形状，但优选扁率较低者。具体地，不是碳纤维之间交叉部分的碳纤维部分至少包含其中碳纤维扁率(L2/L1)大于0.7的局部。
当在碳纤维之间的每个交叉部分碳纤维的扁率小于0.2时，碳纤维的强度较低和容易产和细粉末；因此，这样的扁率不是优选的。
当在碳纤维之间的每个交叉部分碳纤维的扁率大于0.7时，难以获得具有小厚度和高堆积密度的片；因此，这样的扁率不是优选的。
碳纤维的扁率可以通过如下方式确定例如使用电子显微镜，观察垂直于碳纤维轴的在碳纤维之间交叉部分的碳纤维截面。扁率可以通过如下方式确定测量单个纤维的最大直径(L1)和最小直径(L2)和计算它们的比例(L1/L2)。碳纤维含量本发明碳纤维片中碳纤维的含量为95质量％或更大，优选96质量％或更大。当碳纤维含量小于95质量％时，碳纤维片的触动量(feeling)高于目标水平和压缩变形比较低。
碳纤维含量通过如下方式确定碳化树脂未处理的纤维片和通过对相同质量的相同氧化纤维片施加树脂处理获得的片，然后测量两种获得碳纤维片的质量，使用如下公式计算碳纤维含量。
碳纤维含量(质量％)＝100×C2/C1其中C1是树脂处理的氧化纤维片已经碳化之后的质量，C2是树脂未处理的氧化纤维片已经碳化之后的质量。压缩变形比本发明碳纤维片的厚度变形比(压缩变形比)为10-35％。
按如下所述计算压缩变形比。
将碳纤维片切成5cm×5cm的正方形；测量在2.8kPa压力下正方形的厚度；然后，测量在1.0MPa压力下的厚度；使用如下公式计算碳纤维片的压缩变形比。
压缩变形比＝[(B1-B2/B1)]×100其中B1是在2.8kPa压力下的厚度和B2是在1.0MPa压力下的厚度。
当碳纤维的压缩变形比小于10％时，当碳纤维片已经用于蓄电池等中与其它元件接触时，厚度的改变太小；结果是，碳纤维片与其它元件的适应性较差，导致接触阻力的增加。因此，这样的压缩变形比不是优选的。
碳纤维的压缩变形比大于35％时，厚度的改变太大；结果是，当碳纤维片已经用于蓄电池中时，导致较差的尺寸稳定性。因此，这样的压缩变形比不是优选的。X射线子晶尺寸构成碳纤维片的碳纤维的X射线子晶尺寸优选为1.3-3.5nm。当子晶尺寸小于1.3nm时，碳纤维片在厚度方向具有高的电阻。在厚度方向的电阻是6mΩ或更小，优选4.5mΩ或更小。当晶体尺寸大于3.5nm时，碳纤维片具有高的电导率和在厚度方向的低电阻。然而，碳纤维片具有低的柔韧性和高的脆性，导致单个纤维强度的降低和片自身强度的降低。因此，将获得的碳纤维片进一步处理时，在工艺期间产生细粉末。
可以通过控制碳化温度和碳化中的升温速率，控制X射线子晶尺寸。在厚度方向的电阻可以通过控制碳纤维片的X射线子晶尺寸，堆积密度，等，控制碳纤维片在厚度方向的电阻。
当片用作导电材料时，碳纤维片在厚度方向的电阻优选为6mΩ或更小。当碳纤维片在厚度方向的电阻大于6mΩ时和当碳纤维片用作导电材料时，可出现生热和发生碳材料的脆化。触动量本发明碳纤维片的触动量为5-70g。当触动量小于5g时，碳纤维片太柔软和因此加工性能较差。当触动量大于70g时，碳纤维片具有高的刚度。结果是，碳纤维片不能通过片连续生产步骤之后的步骤中的辊筒，使连续后处理困难。压缩强度本发明碳纤维片的压缩强度优选为4MPa或更大，特别优选4.5MPa或更大。当在片生产步骤之后的步骤中需要使用压料辊等压挤时，压缩强度小于4MPa的碳纤维片在步骤中得到片的切割和细粉末的产生；因此，这样的碳纤维不是优选的。
碳纤维片的压缩强度由在1mm/min速率下需要压缩碳纤维片的最大负荷，即由于碳纤维的断裂的负荷屈服点确定。用于聚合物电解质燃料电池的电极材料上述碳纤维片特别优异作为聚合物电解质燃料电池的电极材料。在使用本发明碳纤维片作为聚合物电解质燃料电池的电极材料的情况下，进行如下描述。
聚合物电解质燃料电池由层压几十到几百个单电池层构成。
每个单电池由如下层构成。
第一层隔离层第二层电极材料(碳纤维片)第三层聚合物电解质膜第四层电极材料(碳纤维片)第五层隔离层使用本发明的碳纤维片作为聚合物电解质燃料电池的电极材料的单电池的形成由如下方式进行生产薄碳纤维片，在隔离层和聚合物电解质膜之间插入两个这样的片，在压力下将它们一体化。用于一体化的压力是0.5-4.0MPa，电极材料在贯穿平面方面由压力压缩。
用作电极材料的碳纤维片的厚度优选为0.15-0.60mm。
当碳纤维片的厚度小于0.15mm时，片的强度较低，片在加工，如切割中存在问题，显著地出现伸长等。此外，当在1.0MPa的压力下压挤时，片的压缩变形比较低和没得到10％或更大的所需厚度变形比。
当碳纤维片的厚度大于0.60mm时，当将片与隔离层集成以组装电池时，难以实现电池小型化。
碳纤维片的压缩变形比优选为10-35％。
当碳纤维片的压缩变形比小于10％时，聚合物电解质膜的损害和厚度变化容易发生；因此，这样的压缩变形比不是优选的。
当碳纤维片的压缩变形比大于35％时，用作电极材料的片，当与隔离层等一体化以形成单电池时，会填充隔离层的凹槽和妨碍反应气体的迁移；因此，这样的压缩变形比不是优选的。
碳纤维片的堆积密度优选为0.15-0.45g/cm3。
当碳纤维片的堆积密度小于0.15g/cm3时，碳纤维比的压缩变形比较高，使得难以获得压缩变形比为35％或更小的材料。
当碳纤维片的堆积密度大于0.45g/cm3时，电极中气体的渗透性较低，降低获得电池的性能。
用作聚合物电解质燃料电池的电极材料的碳纤维片必须具有上述性能。原因在于碳纤维片需要显示这样的合适厚度变化范围，如当压挤用于单电池形成时片可显示抗压力的缓冲作用。
除厚度，堆积密度和压缩变形比的上述合适水平以外，用作聚合物电解质燃料电池的电极材料的碳纤维片优选具有30-150g/m2的面积重量。
当碳纤维片的面积重量小于30g/m2时，片在厚度方向具有低强度或高电阻；因此，这样的面积重量不是优选的。
当碳纤维片的面积重量大于150g/m2时，片的气体渗透性或扩散性较低；因此，这样的面积重量不是优选的。
用作聚合物电解质燃料电池的电极材料的碳纤维片进一步具有优选4.5MPa或更大的压缩强度和优选14-56MPa的压缩弹性模量。
当碳纤维片的压缩强度小于4.5MPa时，当将片加压一体化到单电池中时，产生碳细粉末；因此，这样的压缩强度不是优选的。
当碳纤维片的压缩模量小于14MPa时，没达到小于35％的所需压缩变形比；因此，这样的压缩模量不是优选的。
当碳纤维片的压缩模量大于56MPa时，片倾向于具有小于10％的压缩变形比；因此，这样的压缩模量不是优选的。
当使用直径为30mm尺寸的圆形板将2.8kPa负荷施加到片上时，氧化纤维片或碳纤维片的厚度。<堆积密度>
将氧化纤维片或碳纤维片在110℃下真空干燥1小时，其后将面积重量除以厚度以获得片的堆积密度。<触动量>
将长度为100mm和宽度为25.4mm的碳纤维片放在宽度为W(mm)的狭缝上，使得片的长度方向垂直于狭缝。使用宽度为2mm和长度为100mm的金属板，在3mm/sec的速度下将碳纤维片强制入狭缝中15mm的深度。必须用于操作的，施加到金属板上的最大负荷作为碳纤维片的触动量。伴随地，控制狭缝宽度W以满足W/T＝10-12(T是碳纤维片的厚度(mm))。<拉伸强度>
通过如下方式获得的数值将宽度为25.4mm和长度为120mm或更大的碳纤维片固定到卡盘到卡盘距离为100mm的夹具上，在30mm/sec的速度下拉动碳纤维片，将获得的断裂强度换算成100mm宽度的断裂强度。<压缩强度>
在1mm/min速率下需要压缩碳纤维片的最大负荷，即由于碳纤维的断裂的负荷屈服点。<碳纤维含量>
碳化树脂未处理的氧化纤维片和通过对相同质量的相同氧化纤维片施加树脂处理获得的片，然后测量两种获得碳纤维片的质量，使用如下公式计算碳纤维含量。
碳纤维含量(质量％)＝100×C2/C1其中C1是树脂处理的氧化纤维片已经碳化之后的质量，C2是树脂未处理的氧化纤维片已经碳化之后的质量。<压缩强度和弹性模量>
以约5mm的厚度层压多个碳纤维片的相同测试片(5cm×5cm)；在100mm/min的压缩速度下压缩层压材料；和测量性能。<在贯穿平面阻力中的电阻>
将5cm×5cm的碳纤维片放入两个板电极之间和当施加10kPa的负荷时测量电阻。<子晶尺寸的测试方法>
从如下所示的Scherrer公式，使用通过宽角X射线衍射仪获得的数据(在2θ＝26°-附近的峰)，计算晶体尺寸Lc。
Lc(nm)＝0.1kλ/βcosθ其中k是设备常数(在实施例和对比例中0.9)，λ是X射线波长(0.154nm)，β是在2θ＝26°附近的半峰宽度，θ是峰位置(°)。
测试条件设定管电压40kV设定管电流30mA测试范围10-40°采样间隔0.02°扫描速度4°/min累积次数一次样品形式层压多个相同样品使得在基线校正之后的峰强度为5,000cps或更大。<氧化纤维和碳纤维的比重>
这些通过乙醇置换测量。<碳纤维的扁率>
对于碳纤维片，在纤维交叉部分和在不是纤维交叉部分的纤维部分采取垂直于纤维轴的碳纤维截面的显微照片(放大率＝5,000)。测量每个截面的最小直径和最大直径，使用如下公式计算。
碳纤维的扁率＝L2/L1其中L1是碳纤维截面的最大直径和L2是碳纤维截面的最小直径。
伴随地，在不是纤维交叉部分的纤维部分的碳纤维扁率是在最近两个交叉部分之间中间点测量的碳纤维的扁率。<氧化纤维的芯比例>
通过熔融聚乙烯或蜡固定在一个方向排列的氧化PAN纤维；然后，在垂直于纤维轴的方向进行切割以制备多个宽度(T)为1.5-2.0mm的多个固定纤维样品。将这些固定纤维样品放置在玻璃板上。通过施加1.5×103-2.5×103lx的光，在1,000放大率下从光施加侧和相反侧采取显微照片。观察采取的显微照片；选择这样的那些固定纤维样品，它的两个部分，即纤维截面的中间部分(亮部分)和纤维截面的周围部分(暗部分)可以彼此区分；测量每个选择样品的纤维直径(L)和纤维侧(亮部分)直径(R)。使用这些直径，从如下公式计算氧化PAN纤维的芯比例。
芯比例(％)＝100×(R/L)
将此氧化纤维细纱织物采用PVA[由日本合成化学(株)生产的Ghosenol GH-23(商品名)]水溶液(浓度0.1质量％)处理或不处理。在各种温度和各种压力下，将每个处理和未处理的织物进行压缩处理以生产压缩的，氧化纤维细纱织物。然后，将它们在氮气气氛中在2,000℃下碳化1.5分钟，以获得如表1所示性能的碳纤维细纱织物。
表1

实施例7将实施例1使用的相同氧化纤维细纱织物采用聚丙烯酸酯[由松本油脂制药(株)生产的MARBOZOL W-60D(商品名)]水溶液(浓度0.1质量％)处理，以获得包含数量为3质量％的树脂的织物。然后，在250℃的温度下，在50MPa的压力下，将织物进行压缩比为63％的压缩处理以获得厚度为0.32mm和堆积密度为0.54g/cm3的压缩的，氧化纤维细纱织物。然后，在氮气气氛中，在1,750℃下将压缩的，氧化纤维细纱织物碳化2分钟，因此获得面积重量为120g/m2，厚度为0.35mm，堆积密度为0.28g/cm3，在厚度方向电阻为2.3mΩ，拉伸强度为80N/cm，压缩强度为5.6MPa，压缩变形比为21％和触动量为23g的碳纤维细纱织物。碳纤维细纱织物的性能见表2。
表2

实施例9在200℃的温度下，在40MPa的压力下，将实施例1使用的相同氧化纤维细纱织物进行压缩比为64％的压缩处理以获得厚度为0.35mm和堆积密度为0.57g/cm3的压缩的，氧化纤维细纱织物。然后，在氮气气氛中，在1,750℃下将压缩的，氧化纤维细纱织物碳化2分钟，因此获得面积重量为126g/m2，厚度为0.41mm，堆积密度为0.31g/cm3，在厚度方向电阻为3.2mΩ，拉伸强度为120N/cm，压缩强度为5.7MPa，压缩变形比为31％，触动量为17g，碳纤维含量为100％，晶体尺寸为2.1nm和纤维比重为1.74的碳纤维细纱织物。
而且，铜-钴-镍合金电镀的合金组成与上述实施例3相同，一直电镀到达到与实施例3的激光钻孔率相同的程度。
对于以上实施例1-4及比较例1、2的样品，以半固化片(FR-4)作为片面基板，按以下条件用激光照射每块板上的100个部位，比较了其开口率。其结果在表1中表示。[激光照射条件]使用装置二氧化碳激光加工装置光斑尺寸144μmφ脉冲宽度32μsec频率400Hz、 发射数发射1次能量13mJ/发射、21mJ/发射、32mJ/发射、42mJ/发射

实施例1中铜箔的粗面(Rz为2.2μm)在32mJ/发射时开口率为第二捻度400捻/m和在第一捻度500捻/m的30支数双股纱。然后，使用此细纱，生产在经向和纬向两者纱密度为7.1纱/cm的平织物。面积重量是1200g/m2和厚度是0.51mm。将此氧化纤维细纱织物采用PVA[由日本合成化学工业(株)生产的Ghosenol GH-23(商品名)]水溶液(浓度0.1质量％)处理，以获得包含PVA数量为0.5质量％的织物。然后，在200℃的温度下，在40MPa的压力下，将包含PVA的织物进行压缩比为65％的压缩处理以获得厚度为0.28mm和堆积密度为0.36g/cm3的压缩的，氧化纤维细纱织物。然后，在氮气气氛中，在2,000℃下将压缩的，氧化纤维细纱织物碳化1.5分钟，因此获得面积重量为60g/m2，厚度为0.31mm，堆积密度为0.19g/cm3，在厚度方向电阻为5.8mΩ，拉伸强度为30N/cm，压缩强度为3.2MPa，压缩变形比为40％和触动量为20g的碳纤维细纱织物。碳纤维细纱织物的性能见表4。对比例6将纤度为1.5d，比重为1.41，卷曲数为3.7/cm，卷曲比为14％，芯比例为60％和平均切割长度为51mm的氧化聚丙烯腈人造纤维纺丝，以获得在第二捻度550捻/m和在第一捻度600捻/m的40支数双股纱。然后，使用此细纱，生产在经向和纬向两者纱密度为33纱/cm的平织物。面积重量是300g/m2和厚度是0.71mm。将此氧化纤维细纱织物采用CMC[由第一工业药品(株)生产的Celogen(商品名)]水溶液(浓度0.9质量％)处理，以获得包含CMC数量为3质量％的织物。然后，在250℃的温度下，在80MPa的压力下，将包含CMC的织物进行压缩比为61％的压缩处理以获得厚度为0.43mm和堆积密度为0.67g/cm3的氧化纤维细纱织物。然后，在氮气气氛中，在2,100℃下将压缩的，氧化纤维细纱织物碳化2分钟，因此获得面积重量为180g/m2，厚度为0.48mm，堆积密度为0.38g/cm3，在厚度方向电阻为5.7mΩ，拉伸强度为210N/cm，压缩强度为5.3MPa，压缩变形比为7％和触动量为83g的碳纤维细纱织物。碳纤维细纱织物的性能见表4。
表4

实施例11-13将纤度为2.3分特，比重为1.38，卷曲数为4.5每cm，卷曲比为12％，芯比例为56％和平均切割长度为51mm的氧化聚丙烯腈人造纤维制成非织物织物。面积重量是150g/m2，厚度是0.80mm。
将非织造织物采用树脂处理或不处理和然后进行压缩处理，如表5所示，以获得压缩的，氧化纤维非织造织物。在氮气气氛中，在2,000℃下，将压缩的，氧化纤维非织造织物碳化以获得每个压缩变形比为10-35％的碳纤维片。
表5

<p>表1

由该表1可知，若设定识别卡31的功率衰减是-30dB(接收天线32a、BPF34a(34b)、DBM36、延迟元件37、BPF38和发送天线39分别是-5dB；-5dB×6＝-30dB)，则可测定距离往返是64m。
因此，能在微弱电波范围内从基站21发送的上行扩散信号由基站21发送后经识别卡31，其电波被基站21接收，所以可知，假如是64m的一半、即32m的距离，就可以测定。
此外，本系统的使用者携带的识别卡31如前所述，具有作为各ID信息把同一系列分别相位延迟、即移位后的PN码。因此，当接收从基站21来的上行扩散信号时，返送与各ID信息相当的相位的PN码。例如，如下表2所示，使用者n的识别卡n将PN2n-1作为ID信息保持。
表2

再有，如表2所示，如后述那样，PN码之所述每隔1个分配是为了不受别的使用者携带的识别卡31的相关值的影响。因此，ID信息可以分配所使用的PN码长除以2那么多个。
这里，说明构成基站21的计数·距离测定部28的计数测定。计数测定可以通过求接收的下行扩散信号和成为基地保持的各ID信息的200℃。压缩压力是20MPa，压缩时间是2秒。
然后，在氮气气氛中，在1,400℃下，将厚度为0.45mm和堆积密度为0.34g/cm3的压缩的，氧化纤维非织造织物连续碳化1分钟。
获得碳纤维非织造织物的性能见表7。
使用温度是370℃的热金属辊筒，在58MPa的压缩压力下，将非织造织物进行连续压缩处理10秒。
然后，在氮气气氛中，在1,400℃下，将厚度为0.33mm和堆积密度为0.46g/cm3的压缩的，氧化纤维非织造织物连续碳化1分钟。
获得碳纤维非织造织物的性能见表8。
在对比例10中获得的碳纤维非织造织物在碳纤维之间的每个交叉部分具有0.15的扁率(在不是碳纤维之间交叉部分的部分的扁率0.43)，不可以获得具有所需扁率的材料。非织造织物的透气性较差。对比例11将纤度为2.5分特，比重为1.43，芯比例为15％，卷曲数为4.5/cm，卷曲比为11％，干燥强度为2.1g/分特，干燥伸长率为17％和平均切割长度为51mm的氧化聚丙烯腈人造纤维进行梳理和然后进行水喷射方法以生产厚度为1.1mm，面积重量为160g/m2和堆积密度为0.15g/cm3的非织造织物。
使用温度是200℃的热金属辊筒，在25MPa的压缩压力下，将非织造织物进行连续压缩处理1秒。
然后，在氮气气氛中，在1,400℃下，将厚度为0.90mm和堆积密度为0.11g/cm3的压缩的，氧化纤维非织造织物连续碳化1分钟。
获得碳纤维非织造织物的性能见表8。
在对比例11中获得的碳纤维非织造织物具有大厚度，大电阻和在碳纤维之间的每个交叉部分0.87的扁率(在不是碳纤维之间交叉部分的部分的扁率1.00)，不可以获得具有所需扁率的碳纤维片。
表7

表8

实施例16将纤度为2.5分特，比重为1.35，芯比例为55％，卷曲数为3.9/cm，卷曲比为11％，干燥强度为2.5g/分特，干燥伸长率为24％的氧化纤维通过拉伸断裂，切割成平均切割长度为75mm的氧化纤维。将切割的纤维纺丝以生产细纱(捻度数为250捻/m的40支数双股纱)。使用此纱，生产氧化纤维细纱织物。
使用温度是200℃的热金属辊筒，在20MPa的压缩压力下，将此氧化纤维细纱织物(平织物，经向和纬向的每个纬纱数目17/cm，厚度0.9mm，面积重量230g/m2，堆积密度0.26g/cm3)进行连续压缩处理1秒。
然后，在氮气气氛中，在1,400℃下，将压缩的，氧化聚丙烯腈纤维细纱织物(厚度0.45mm，堆积密度0.35g/cm3)连续碳化1分钟。
获得碳纤维细纱织物的性能见表9。
表9

权利要求
1.一种碳纤维片，厚度为0.15-1.0mm，堆积密度为0.15-0.45g/cm3，碳纤维含量为95质量％或更大，压缩变形比为10-35％，电阻为6mΩ或更小，触动量为5-70g。
2.一种碳纤维片，其中在纤维之间每个交叉部分单个纤维的截面具有扁圆形状，截面的长轴大致平行于碳纤维片的表面。
3.根据权利要求2的碳纤维片，其中纤维之间的每个交叉部分，由单个纤维截面的最大直径(L1)和单个纤维截面的最小直径(L2)表示的扁率(L2/L1)为0.2-0.7。
4.根据权利要求2的碳纤维片，其中在单个纤维中不是纤维之间交叉部分的部分至少包含其中扁率(L2/L1)大于0.7的局部。
5.一种通过将氧化聚丙烯腈纤维片进行碳化处理，生产权利要求1碳纤维片的方法，该方法包括在厚度方向，在150-300℃和10-100MPa的条件下，将氧化聚丙烯腈纤维片进行压缩处理以获得堆积密度为0.40-0.80g/cm3和压缩比为40-75％的压缩的氧化纤维片，然后将压缩的，氧化纤维片进行碳化处理。
6.一种通过将氧化聚丙烯腈纤维片进行碳化处理，生产权利要求1碳纤维片的方法，该方法包括允许氧化聚丙烯腈纤维片包含0.2-5质量％的树脂，然后在厚度方向，在150-300℃和5-100MPa的条件下，将包含树脂的氧化聚丙烯腈纤维片进行压缩处理以获得堆积密度为0.40-0.80g/cm3和压缩比为40-75％的压缩的氧化纤维片，然后将压缩的，氧化纤维片进行碳化处理。
全文摘要
本发明公开了一种生产碳纤维片的方法，该方法包括如需要，允许氧化聚丙烯腈纤维片包含0.2－5质量％的树脂，然后在厚度方向，在150－300℃和5－100MPa(当进行无树脂的处理时，10－100MPa)的条件下，将包含树脂的氧化聚丙烯腈纤维片进行压缩处理以获得堆积密度为0.40－0.80g/cm
文档编号B82Y30/00GK1401022SQ01804993
公开日2003年3月5日 申请日期2001年11月21日 优先权日2000年11月24日
发明者岛崎贤司, 田中慎太郎 申请人:东邦泰纳克丝株式会社