專利名稱：瀝青類碳纖維、氈以及含有它們的樹(shù)脂成型體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維徑不同的浙青類碳短纖維的混合物、含有浙青類碳短纖維的碳纖 維氈(7 7卜)、含有它們的強(qiáng)化樹(shù)脂成型體以及該成型體的用途。
背景技術(shù)：
高性能的碳纖維可以分為以聚丙烯腈(PAN)為原料的PAN類碳纖維、和一系列以 浙青類為原料的浙青類碳纖維。而且，利用碳纖維的強(qiáng)度、彈性模量比通常的合成高分子明 顯高的特征，將其廣泛用于航空、宇宙用途；建筑、土木用途；運(yùn)動(dòng)、休閑用途等中。近年，以節(jié)能為代表的有效使用能源的方法受到關(guān)注，另一方面，由于高速化的 CPU或電子電路的焦耳熱所導(dǎo)致的放熱成為問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，必須實(shí)現(xiàn)有效地處理 熱的所謂熱管理。碳纖維雖然一般與通常的合成高分子相比，熱傳導(dǎo)率高，但是需要對(duì)進(jìn)一步提高 熱傳導(dǎo)進(jìn)行研究。市售的PAN類碳纖維的熱傳導(dǎo)率通常小于200W/(m*K)。與此相對(duì)，浙青 類碳纖維一般比PAN類碳纖維易達(dá)成高熱傳導(dǎo)率。但是，實(shí)際上為了使碳纖維發(fā)揮作為熱傳導(dǎo)材料的作用，必須提高制成成型體時(shí) 的熱傳導(dǎo)度。為了使熱傳導(dǎo)在三維上各向同性，主要發(fā)揮熱傳導(dǎo)作用的填充物必須在三維 上形成網(wǎng)絡(luò)。例如，對(duì)于尺寸一致的球體填充物，雖然成型體中的填充物的網(wǎng)絡(luò)依賴于分散 狀態(tài)，但是均一分散時(shí)，形成滲漏(percolation)行為。因此，為了得到充分的熱傳導(dǎo)性、導(dǎo) 電性，填充物的添加量必須為一定以上。但是，再形成成型體的方法中，經(jīng)常難以以一定以 上的濃度分散介質(zhì)和填充物。此外，將迄今所使用的纖維制成織物狀、與基質(zhì)復(fù)合得到的復(fù) 合材料，雖然面內(nèi)的熱傳導(dǎo)率提高，但是由于不能充分地形成碳纖維的網(wǎng)絡(luò)，厚度方向的熱 傳導(dǎo)不好。基于該背景，有許多欲徹底地改善熱傳導(dǎo)率的嘗試。日本特開(kāi)平5-17593號(hào)公報(bào) 中公開(kāi)了使石墨粉末和熱固性樹(shù)脂含浸于在一方向上并絲的碳纖維而得到的機(jī)械強(qiáng)度高 的熱傳導(dǎo)性成型品。此外，日本特開(kāi)平2-242919號(hào)公報(bào)中公開(kāi)了通過(guò)提高碳纖維的物性， 提高熱傳導(dǎo)度等物性，但是對(duì)于成型體的熱物性的明確的性能提高還不清楚。如上所述，從碳纖維的高熱傳導(dǎo)率化方面考慮的開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行。但是必須從熱管 理方面考慮，提高作為成型體的熱傳導(dǎo)性。因此，強(qiáng)烈期待可以對(duì)具有適當(dāng)?shù)臒醾鲗?dǎo)率的碳 短纖維進(jìn)行控制使其在成型體中表現(xiàn)出最佳的熱傳導(dǎo)，或具有適當(dāng)?shù)臒醾鲗?dǎo)率、進(jìn)一步可 以提高成型體中的碳纖維含量的碳纖維強(qiáng)化材料；以及三維熱傳導(dǎo)性得到提高、機(jī)械特性 優(yōu)異的碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供浙青類碳短纖維混合物，該浙青類碳短纖維混合物可以以 高填充率分散于成型體中，可以提供熱傳導(dǎo)率高的成型體。本發(fā)明的其它的目的在于提供浙青類碳纖維氈，其可以以高填充率分散于成型體 中，可以提供熱傳導(dǎo)率高的成型體。本發(fā)明進(jìn)一步的其它的目的在于提供含有上述浙青類碳短纖維混合物或浙青類 碳纖維氈的碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂成型體。本發(fā)明進(jìn)一步的其它的目的在于提供上述碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂成型體在電子元件用 散熱體或熱交換器中的應(yīng)用。本發(fā)明進(jìn)一步的其它的目的和優(yōu)點(diǎn)由下述說(shuō)明可知。根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)第1通過(guò)浙青類碳短纖維混合物達(dá)成，其 特征在于，含有第1浙青類碳短纖維和第2浙青類碳短纖維的混合物；并且第1浙青類碳纖 維與第2浙青類碳纖維的重量比為1 99 99 1，其中，所述第1浙青類碳短纖維的平均纖維徑為5 μ m以上且小于10 μ m,纖維徑分散度 與平均纖維徑的比為0. 05 0. 2，且纖維長(zhǎng)為20 6000 μ m ；所述第2浙青類碳短纖維的平均纖維徑為10 μ m 20 μ m，纖維徑分散度與平均纖 維徑的比為0. 05 0. 2，且纖維長(zhǎng)為20 6000 μ m。根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)第2通過(guò)含有浙青類碳短纖維的碳纖維氈 達(dá)成，該碳纖維氈的特征在于含有浙青類碳纖維氈和浙青類碳短纖維，所述浙青類碳短纖 維的平均纖維徑為1 20 μ m、纖維徑分散度與平均纖維徑的比為0. 05 0. 20，且纖維長(zhǎng) 為20 6000 μ m ；上述浙青類碳短纖維分散在上述浙青類碳纖維氈的空隙中，且上述浙青 類碳纖維氈與上述浙青類碳短纖維的重量比為30 70 95 5。根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)，第3通過(guò)碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂成型體達(dá)成，所 述碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂成型體的特征在于，含有本發(fā)明的上述浙青類碳短纖維混合物和基質(zhì)樹(shù) 脂，且相對(duì)于兩者的合計(jì)，該浙青類碳短纖維混合物占3 60容積％。根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)，第4通過(guò)具有上述碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂成型 體的電子元件散熱板或熱交換器達(dá)成。
具體實(shí)施例方式首先對(duì)本發(fā)明的浙青類碳短纖維混合物中所使用的浙青類碳纖維進(jìn)行說(shuō)明。作為 該浙青類碳短纖維，優(yōu)選以萘、菲等稠合多環(huán)烴化合物、石油類浙青或煤類浙青等稠合雜環(huán) 化合物等為原料的浙青類碳短纖維。其中，優(yōu)選萘、菲等稠合多環(huán)烴化合物，特別優(yōu)選光學(xué) 各向異性浙青，即中間相浙青。它們可以單獨(dú)使用1種，也可以將2種以上適當(dāng)組合使用， 但是從提高碳短纖維的熱傳導(dǎo)性方面考慮，特別優(yōu)選單獨(dú)使用中間相浙青。原料浙青的軟化點(diǎn)可以通過(guò)乂卜，一法求得，優(yōu)選為250°C 350°C。若軟化點(diǎn)低 于250°C則進(jìn)行不熔化時(shí)產(chǎn)生纖維之間的熔融粘著或大的熱收縮。此外，若高于350°C則產(chǎn) 生浙青的熱分解，難以形成絲狀。原料浙青通過(guò)熔噴法紡絲，然后通過(guò)不熔化、燒成、縮絨、篩分、石墨化形成浙青類 碳短纖維填充物。下文對(duì)各步驟進(jìn)行說(shuō)明。
對(duì)作為浙青類碳短纖維的原料的浙青纖維的紡絲噴嘴的形狀不特別限定，但是優(yōu) 選使用噴嘴孔的長(zhǎng)度和孔徑之比小于3的噴嘴、進(jìn)一步優(yōu)選小于1. 5的噴嘴。對(duì)紡絲時(shí)噴 嘴的溫度也不特別限定，若為可以維持穩(wěn)定的紡絲狀態(tài)的溫度，即紡絲浙青的粘度為2 80Pa · S、優(yōu)選為5 30Pa · S的溫度即可。對(duì)于由噴嘴孔出絲的浙青纖維，例如通過(guò)在細(xì)化點(diǎn)(細(xì)化點(diǎn))附近噴加熱至100 350°C的每分鐘100 10000m的線速度的氣體制成短纖維。作為所噴的氣體，例如可以使 用空氣、氮、氬，但是從性價(jià)比方面考慮，優(yōu)選空氣。浙青纖維被捕集于金屬絲網(wǎng)帶上，形成連續(xù)的氈狀，進(jìn)一步通過(guò)交叉鋪網(wǎng)形成一 定的單位面積重量的網(wǎng)。用公知的方法對(duì)如此得到的由浙青纖維形成的網(wǎng)進(jìn)行不熔化，在700 900°C下 進(jìn)行燒成。不熔化例如使用空氣或?qū)⒊粞?、二氧化氮、氮、氧、碘、溴添加于空氣中而形成?氣體在200 350°C進(jìn)行。若考慮到安全性、便利性則優(yōu)選在空氣中實(shí)施。此外，在真空中 或氮、氬、氪等惰性氣體中對(duì)不熔化了的浙青纖維進(jìn)行燒成。優(yōu)選在常壓下、成本低的氮中 實(shí)施。為了使實(shí)施至燒成的由浙青纖維形成的網(wǎng)進(jìn)一步短纖維化，實(shí)施縮絨、篩分?？s絨 中例如可以使用Ε々卜U — $ >、噴射磨、高速旋轉(zhuǎn)磨等粉碎機(jī)、切斷機(jī)等。為了效率較好 地進(jìn)行縮絨，通過(guò)使安裝有刀片的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，沿相對(duì)于纖維軸成直角的方向?qū)⒗w維切 段的方法是適當(dāng)?shù)?。通過(guò)縮絨產(chǎn)生的碳纖維的平均長(zhǎng)度可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度、刀 片的角度等進(jìn)行控制。進(jìn)一步地，通過(guò)篩優(yōu)選分成20 6000 μ m、更優(yōu)選20 1000 μ m、進(jìn) 一步優(yōu)選50 500 μ m的長(zhǎng)度。該尺寸的調(diào)整可以通過(guò)組合篩眼的粗度來(lái)達(dá)成。對(duì)于本發(fā)明中所使用的浙青類碳短纖維，將完成上述篩分的實(shí)施至燒成的浙青纖 維加熱至2300 3500°C進(jìn)行石墨化。石墨化在非氧化性氛圍氣中實(shí)施。下面說(shuō)明本發(fā)明中所使用的浙青類碳短纖維的形狀。浙青類碳短纖維的長(zhǎng)度雖然 由上述篩分決定，但是纖維徑和纖維徑的分散基本上僅由紡絲步驟決定。而且，浙青類碳短 纖維的纖維徑比紡絲時(shí)的原絲的纖維徑小1 2μπι。另一方面，纖維徑分散度與平均纖維 徑的比CV由下式定義，直接反映由熔噴法制造的原絲的值。
權(quán)利要求
含有瀝青類碳短纖維的碳纖維氈，其特征在于，含有瀝青類碳纖維氈和瀝青類碳短纖維，所述瀝青類碳短纖維的平均纖維徑為1～20μm、纖維徑分散度與平均纖維徑的比為0.05～0.20、且纖維長(zhǎng)為20～6000μm；所述瀝青類碳短纖維分散在所述瀝青類碳纖維氈的空隙中，且所述瀝青類碳纖維氈與所述瀝青類碳短纖維的重量比為30∶70～95∶5。
2.如權(quán)利要求1所述的碳纖維氈，其中，浙青類碳纖維氈為構(gòu)成其的碳纖維在規(guī)定的 空間中于三維方向上隨機(jī)分布形成的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維氈，其中，構(gòu)成浙青類碳纖維氈的碳纖維的微晶六角 網(wǎng)面方向的尺寸為5nm以上。
4.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維氈，其中，構(gòu)成浙青類碳纖維氈的碳纖維的平均纖維 徑為1 20 μ m，并且纖維徑分散度與平均纖維徑的比為0. 05 0. 2。
5.如權(quán)利要求3所述的碳纖維氈，其中，構(gòu)成浙青類碳纖維氈的碳纖維的平均纖維徑 為1 20 μ m，并且纖維徑分散度與平均纖維徑的比為0. 05 0. 2。
6.如權(quán)利要求1所述的碳纖維氈，其中，構(gòu)成浙青類碳纖維氈的碳纖維和浙青類碳短 纖維都具有1. 5 2. 5g/cc的真密度。
7.如權(quán)利要求1所述的碳纖維氈，其中，構(gòu)成浙青類碳纖維氈的碳纖維和浙青類碳短 纖維都具有200W/m · K以上的下式(1)所表示的熱傳導(dǎo)率，K = 1272. 4/ER-49. 4 (1)其中，K表示碳纖維的熱傳導(dǎo)率W/ (m · K)，ER表示碳纖維的電阻率μ Ω m。
全文摘要
將纖維徑分散度與平均纖維徑之比為0.05～0.2、且纖維長(zhǎng)為20～6000μm的瀝青類碳短纖維中的平均纖維徑為5μm以上且小于10μm的第1瀝青類碳短纖維和平均纖維徑為10μm～20μm的第2瀝青類碳短纖維混合，或者將平均纖維徑為1μm～20μm的混合在瀝青類碳纖維氈中，提供在基質(zhì)樹(shù)脂中的分散性和分散比例提高、熱傳導(dǎo)性和機(jī)械特性優(yōu)異的碳纖維強(qiáng)化材料。
文檔編號(hào)D06C7/00GK101935919SQ20101024878
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日
發(fā)明者伴哲夫, 原寬, 平田滋己 申請(qǐng)人:帝人株式會(huì)社