CN101646814B - 沥青类碳纤维、其制备方法和成形体 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供碳纤维及其成形体，该碳纤维具有高的热传导性，容易在基质中形成网络，适用于散热部件。本发明是沥青类碳纤维、其制备方法及其成形体，该沥青类碳纤维的特征在于，以中间相沥青作为原料，平均纤维直径(AD)为5～20μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV^AD值)为5～15，个数平均纤维长度(NAL)为25～500μm，体积平均纤维长度(VAL)为55～750μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)所得的值为1.02～1.50。

Description

沥青类碳纤维、其制备方法和成形体

技术领域

本发明涉及沥青类(ピツチ系)碳纤维及其制备方法，该沥青类碳纤维具有特定的纤维直径和纤维长度，且其分布位于特定的范围中。本发明还涉及使用了沥青类碳纤维的热传导性良好的成形体。

背景技术

高性能的碳纤维可分为以聚丙烯腈(PAN)作为原料的PAN类碳纤维和以沥青类作为原料的沥青类碳纤维。并且，利用碳纤维的强度、弹性模量明显比通常的合成高分子高的特征，将其广泛用于航空、宇宙用途；建筑、土木用途；体育、休闲用途等。

与通常的合成高分子相比，碳纤维热传导率高，散热性好。碳纤维由于声子(phonon)的移动实现高热传导率。声子在晶格发达的材料中传递好。但市售的PAN类碳纤维不能说晶格十分发达，其热传导率通常小于200W/(m·K)，从热管理的观点考虑，难以说是一定合适的。与此相对，沥青类碳纤维因石墨化高，晶格很发达，与PAN类碳纤维相比，容易实现高热传导率。

近年来，随着放热性电子部件的高密度化、便携式个人计算机等电子设备的小型化、薄形化和轻量化，其中使用的散热部件的低热阻化的要求逐渐变高，要求进一步提高散热特性。作为散热部件，可示例：包含填充了热传导性填料的固化物的热传导性片；包含在凝胶状物质中填充了热传导性填料的、具有柔软性的固化物的热传导性隔离器(spacer)；在液状基质(matrix)中填充了热传导性填料的具有流动性的热传导性糊剂；用溶剂稀释热传导性糊剂，进一步提高了流动性的热传导性涂料；在固化性物质中填充了热传导性填料的热传导性粘结剂；利用了树脂的相变化的相变型散热部件等。

为提高这些散热部件的热传导率，可以在基质中填充大量热传导材料。作为热传导材料，已知氧化铝、氮化硼、氮化铝、氧化镁、氧化锌、碳化硅、石英、氢氧化铝等金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属氢氧化物等(专利文献1)。然而，金属材料类的热传导材料比重高，导致散热部件的重量增大。另外，在使用粉末状的热传导材料的情况下，由于难以形成网络(network)，故难以得到高的热传导性。因此，在提高热传导性中需要大量使用热传导材料，结果是散热部件的重量增加、成本增加，很难说是一定是使用方便的材料。

因此，为有效地利用热传导材料的高传导率，优选在介于合适的基质之间的状态中热传导材料形成网络。作为容易形成网络的形状，众所周知纤维状物质(专利文献2)。

纤维状物质有碳纤维。碳纤维因其刚性、耐热性而被用于碳纤维强化塑料等中(专利文献3)。另外，提出了在二次电池电极等中的应用(专利文献4)。

还提出了在热传导材料中使用碳纤维。例如在专利文献5中提出了，使用了平均纤维长度在30μm以上而不足300μm的石墨碳纤维的散热片。另外，在专利文献6中提出了，使用含有长度为10～150μm的碳纤维的组合物的热传导装置。在专利文献7中提出了，含有被覆有强磁体的石墨化碳纤维的半导体装置。然而，在专利文献5～7中没有用于提高碳纤维在基质中的分散性的研究，存在着提高碳纤维的网络形成能力和提高热传导性的余地。

(专利文献1)日本特开2005-72220号公报

(专利文献2)日本特表2002-535469号公报

(专利文献3)日本特开平7-90725号公报

(专利文献4)日本特开平7-85862号公报

(专利文献5)日本特开2000-192337号公报

(专利文献6)日本特开平11-279406号公报

(专利文献7)日本特开2002-146672号公报

发明内容

本发明的目的在于提供适宜用于散热部件的热传导性优异的碳纤维。另外，本发明的目的在于提供热传导性高、容易在基质中形成网络的碳纤维。另外，本发明的目的在于提供该碳纤维的制备方法。另外，本发明的目的在于提供在基质中高密度地形成碳纤维的网络、热传导性高的成形体。

希望在散热部件中使用的碳纤维容易在基质中形成网络，同时具有高的热传导性。本发明人研究了热传导性和网络形成能力优异的碳纤维。结果发现，在含有碳纤维及基质的散热部件中，作为碳纤维，如果使用结晶尺寸大的沥青类碳纤维，则散热部件的热传导性提高。另外还发现，如果使散热部件中的纤维长度处于特定的范围，抑制纤维长度的分布、尽可能使其均匀，则容易形成碳纤维的网络，热传导性提高。另外还发现，如果使散热部件中的纤维直径处于特定的范围，且使纤维直径的分布处于特定的范围，则热传导性进一步提高。本发明基于这些见解而完成。

即，本发明为沥青类碳纤维，其特征在于，以中间相沥青为原料，平均纤维直径(AD)为5～20μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(平均繊維径(AD)に対する繊維径分散の百分率)(CV^AD值)为5～15，个数平均纤维长度(number-average fiber lenth)(NAL)为25～500μm，体积平均纤维长度(volume-average fiber lenth)(VAL)为55～750μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)的值为1.02～1.50。

另外，本发明包括使用上述碳纤维的成形体。

另外，本发明是沥青类碳纤维的制备方法，其特征在于，用熔喷法对熔融的中间相沥青进行纺丝，再通过不熔化(不熔化し)、烧制、粉碎来制备沥青类碳纤维，在该方法中，纺丝时熔融的中间相沥青的粘度为5～25Pa·S。

另外，本发明包括提高含有碳纤维及基质的散热部件的热传导性的方法，该方法的特征在于，作为该碳纤维使用下述沥青类碳纤维：以中间相沥青为原料，平均纤维直径(AD)为5～20μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV^AD值)为5～15，个数平均纤维长度(NAL)为25～500μm，体积平均纤维长度(VAL)为55～750μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)的值为1.02～1.50。

具体实施方式

接着，对本发明的实施方式进行说明。

(沥青类碳纤维)

(平均纤维长度：NAL、VAL)

本发明碳纤维的个数平均纤维长度(NAL)为25～500μm，体积平均纤维长度(VAL)为55～750μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)的值(VAL/NAL)为1.02～1.50。

个数平均纤维长度(NAL)优选为50～500μm，更优选为100～500μm，进一步优选为100～400μm。

体积平均纤维长度(VAL)优选为60～750μm，更优选为100～600μm。

VAL/NAL优选为1.1～1.4，更优选为1.15～1.35。

如果个数平均纤维长度(NAL)小于25μm或体积平均纤维长度(VAL)小于55μm，则基质中的碳纤维之间不能充分形成网络，不能发挥高的热传导率。另一方面，如果个数平均纤维长度(NAL)超过500μm或体积平均纤维长度(VAL)超过750μm，则纤维的交络(交絡)明显增大，在与树脂混合时粘度变得非常大，处理变得困难。

用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)的值(VAL/NAL)是指碳纤维的纤维长度分布的广度。在该值小于1.02的情况下，纤维长度几乎完全相同，实际上是不可能的。另外，在大于1.50的情况下，意味着纤维长度分布非常广，包含非常短的或非常长的碳纤维，导致热传导率下降或粘度上升。

平均纤维长度可通过粉碎条件来控制。即，能够通过调节用切割机等粉碎时的切割机的转速、球磨机的转数、气流粉碎机的气流速度、压碎机的碰撞次数、粉碎装置中的停留时间，来控制平均纤维长度。另外，可以通过进行筛分等分级操作将纤维长度短的或纤维长度长的碳纤维从粉碎后的碳纤维中除去来进行调节。

(在筛子上残留的比例)

希望本发明的沥青类碳纤维在个数平均纤维长度(NAL)为100～500μm、用孔径(目開き)为53μm的筛孔(mesh)的筛子分级时，在筛子上残留的比例是30～60％；在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例是10～29％。在孔径为53μm的筛孔的筛子上残留的碳纤维，适于形成基质，对热传导有效地起作用。另外，在100μm的筛孔的筛子上残留的碳纤维，松密度高，因此在基质中交络而形成空隙。通过在该空隙中放入在53μm的筛孔之下残留的短碳纤维，从而使基质中的碳纤维的填充状态变得良好。虽然本条件得以适当地满足，但在用53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例是30～60％，在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例是10～29％。可以通过控制粉碎条件及分级条件来控制在筛子上残留的比例。

作为具体的控制方法为，在粉碎后用筛子、筛状物(mesh)除去纤维长度短的或纤维长度长的沥青类碳纤维填料。另外，通过控制粉碎的强度、例如切割机的切割刀的转数、球磨机的转数、气流粉碎机的气流速度、压碎机的碰撞次数、粉碎装置中的停留时间等，可以控制纤维长度的分布，通过将该控制与用筛子、筛状物(mesh)的控制进行组合，能够更精密地控制筛子上的比例。

(平均纤维直径：AD)

碳纤维的平均纤维直径(AD)为5～20μm。在不足5μm的情况下，在与基质复合时，填料的根数变多，因此，基质/填料的混合物的粘度变高，成形困难。如果超过20μm，则在与基质复合时，填料的根数变少，因此，填料间就不容易接触，在成为复合材料时不容易发挥有效的热传导。平均纤维直径(AD)优选为5～15μm，更优选为7～13μm。

纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV^AD值)为5～15。

CV^AD值可由下式求得：

CV^AD＝S/AD  (1)

这里，S是纤维直径分散度，AD是平均纤维直径。

另外，S可由下式(2)求得：

$S=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(D-\mathrm{AD})}^2}{n}}---\left(2\right)$

这里，D是各个纤维的纤维直径，n是测量的个数。

CV^AD值越小，意味着工序稳定性高，产品的不均匀小。CV^AD值小于5时，纤维直径趋于一致，因此难以在填料之间插入纤维直径小的填料，在与基质复合时难以进行大量添加，结果很难得到高性能的复合材料。反之，在CV^AD值大于15的情况下，在与基质复合时，容易产生粘度不匀，分散性降低。结果，在复合材料内部的填料的分散变得不均匀，不能产生均匀的热传导率。CV^AD值可通过调节纺丝时的熔融的中间相沥青的粘度来实现，具体地说，可以通过在利用熔喷法进行纺丝时，将纺丝时的熔融沥青调整为5～25Pa·S来实现。

(微晶大小)

本发明的碳纤维，优选来源于六角网面的生长方向的微晶大小为5nm以上。来源于六角网面的生长方向的微晶大小可以通过公知的方法求得，可以通过利用X射线衍射法所得的碳结晶的(110)面的衍射线求得。微晶大小之所以重要是因为热传导主要由声子进行，而结晶产生声子。微晶大小更优选为20nm以上，进一步优选为30nm以上。微晶大小的上限是100nm左右。

(真密度)

碳纤维的真密度优选为1.5～2.3g/cc，更优选为1.8～2.3g/cc，进一步优选为2.1～2.3g/cc。在该范围内时，石墨化度非常高，能充分发挥热传导度，同时，用于石墨化的能量成本也与所得的碳纤维的特性相应。

(热传导率)

碳纤维在纤维轴向的热传导率优选为300W/m·K以上，更优选为600～1,100W/m·K。在300W/m·K以上的情况下，在与基质混合制备成形体的情况下可以得到充分的热传导性。

(沥青类碳纤维的制备方法)

本发明的沥青类碳纤维可以如下制得：用熔喷法对熔融的中间相沥青进行纺丝，再通过不熔化、烧制、粉碎、根据需要而分级来制备。优选在粉碎后进行石墨化处理。

(原料)

作为本发明的沥青类碳纤维的原料，例如可列举萘、菲等稠合多环烃化合物；石油类沥青、煤类沥青等稠合杂环化合物等。其中，优选萘、菲等稠合多环烃化合物。特别优选光学各向异性沥青，即中间相沥青。它们可以单独使用一种，也可以将两种以上适当组合使用，但单独使用中间相沥青可使碳纤维的热传导性提高，故特别优选。

原料沥青的软化点可以用Mettler软化点法(メトラ一法)求得，优选在250℃以上350℃以下。如果软化点低于250℃，则在进行不熔化时纤维之间产生熔融粘着或大的热收缩。另外，如果软化点高于350℃，适于纺丝的温度变高，沥青容易发生热分解，纺丝变得困难。

(纺丝)

原料沥青可以通过在熔融后从喷嘴排出(吐出)、并将其冷却的熔融纺丝而纤维化。作为纺丝方法并无特别限制，具体而言可举出：用卷绕机将从喷嘴(口金)排出的沥青卷取的通常的纺丝法；采用热风作为喷射(atomizing)源的熔喷法；利用离心力将沥青卷取的离心纺丝法等，但出于生产性高等原因，优选使用熔喷法。

原料沥青优选在熔融纺丝后，经过不熔化、烧制、粉碎，最后进行石墨化。下面，以熔喷法为例，对各工序进行说明。

在本发明中，对作为沥青类碳纤维原料的沥青纤维的纺丝喷嘴的形状并无特别限制，优选使用的纺丝喷嘴为：导丝角α为10～90°、排出口的长度L与直径D的比值L/D在6～20的范围内的喷嘴。纺丝时的喷嘴温度，只要是能维持稳定的纺丝状态的温度即可。为使纤维直径的不均匀小，即，使CV^AD处于规定的范围内，纺丝时的熔融沥青的粘度优选为5～25Pa·S，更优选为6～22Pa·S。根据原料沥青的组成、即易挥发性成分的含量，而使熔融沥青的粘度的温度依赖性不同，但具体地说，如果将熔融沥青的温度调整为比软化点高40～60℃的温度，则大多可实现该粘度。当纺丝条件处于该范围中时，原料沥青中的剪切负荷可以使芳香环为一定程度的排列(配列)。在纺丝条件处于该范围之外时，例如在粘度过小、或导丝角过小、或L/D过大时等剪切负荷更强的条件下，芳香环过度地排列，在石墨化时，碳纤维容易损坏。反之，在粘度过大、或导丝角过大、或L/D过小等剪切负荷更小的条件下，芳香环不怎么排列，因此，即使进行石墨化处理也不更提高石墨化度，不能得到高的热传导性。

对于从喷嘴孔出丝的沥青纤维，通过在细化点(細化点)附近喷射加热至100～350℃的每分钟100～10000m的线速度的气体而制成短纤维。气体的温度约高，则到沥青固化为止的时间变长，发挥更长时间的拉伸作用，有得到更细的纤维的倾向。优选喷射与原料沥青的熔融温度相近的温度的气体。同样，所喷气体的线速度越大，则发挥更强的拉伸作用，有得到更细的纤维的倾向。但是，如果气体的线速度过高，则沥青纤维会折断，在后述金属丝网带(金網ベルト)上的损耗变大。优选的线速度根据纺丝时的熔融粘度而不同，具体而言，在熔融粘度为100Pa·S时，线速度优选为每分钟3,000～7,000m。所喷的气体可以使用空气、氮气和氩气，但从性价比方面考虑，优选空气。

沥青纤维被捕集于金属丝网带上，形成连续的毡状(マツト状)，进而通过交叉铺网(cross lap)成为三维随机毡。

三维随机毡是指，除了交叉铺网之外，沥青纤维还三维地交络的毡。该交络是在从喷嘴到金属丝网带之间的被称为烟囱(chimney)的筒中实现的。因为线状的纤维立体地交络，所以通常仅显示一维的行为的纤维的特性在立体中也有所反映。

(不熔化)

将含有如上得到的沥青纤维的三维随机毡，用公知的方法进行不熔化。不熔化是使用空气或者将臭氧、二氧化氮、氮、氧、碘、溴添加于空气中而形成的气体，在200～350℃下进行的。考虑到安全性和便利性，优选在空气中实施。

(烧制)

另外，将经过不熔化的沥青纤维在真空中或在氮气、氩气、氪气等惰性气体中，在600～1,500℃下烧制。烧制多在常压、且成本便宜的氮气中实施。

(粉碎)

可以通过在不熔化之后或烧制后，粉碎纤维来得到沥青类碳纤维。粉碎可以以公知的方法来进行。具体地说，可以使用切割机、球磨机、气流粉碎机、压碎机等。

(分级)

为除去纤维长度长的碳纤维或短的碳纤维，优选用筛子对碳纤维进行分级。除去长的碳纤维的筛子的孔为0.8～1mm左右，除去短的碳纤维的筛子的孔为20μm左右。重复分级能够除去短的或长的碳纤维，但仅实施一次也具有良好的效果。

该分级工序在粉碎后还是在石墨化后进行均没有区别，但粉碎机和分级装置可以容易地组合，在粉碎后进行分级处理能够有效地进行，故优选。

(石墨化)

根据需要，将粉碎的沥青类碳纤维分级，接着优选进行石墨化。为提高作为碳纤维的热传导率，石墨化温度优选为2,000～3,500℃，更优选为2,300～3,100℃，进一步优选为2,800～3,100℃。在石墨化时，若放入到石墨性的坩埚内进行处理，则能隔断来自外部的物理、化学的作用，故优选。石墨制的坩埚只要能将上述碳纤维以期望量放入即可，其大小和形状没有限制，但为防止在石墨化处理中或冷却中与炉内的氧化性气体或水蒸气反应而造成碳纤维损伤，可以适当利用带盖的气密性高的坩埚。通常根据石墨化使用的炉的形式来改变惰性气体的种类。

(成形体)

本发明的碳纤维与基质复合可以得到复合物、片状物(sheet)、油脂(grease)、粘结剂等成形体。因此，本发明包含使用该碳纤维的成形体。

成形体含有碳纤维和基质，相对于成形体100重量份，碳纤维的含有量优选为10～70重量份，更优选为20～60重量份。作为基质，可以使用聚烯烃树脂、聚酯树脂、聚碳酸酯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚酮树脂、聚醚醚酮树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂、酚醛树脂(フエノ一ル系樹脂)和有机硅树脂等。成形体可优选作为放热性电子部件的散热部件。

(提高热传导性的方法)

本发明是提高散热部件的热传导性的方法，该散热部件含有碳纤维及基质，其特征在于，作为该碳纤维使用如下的沥青类碳纤维：以中间相沥青作为原料，平均纤维直径(AD)为5～20μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV^AD值)为5～15，个数平均纤维长度(NAL)为25～500μm，体积平均纤维长度(VAL)为55～750μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)的值为1.02～1.50。

碳纤维及基质如上所述。相对于散热部件100重量份，在散热部件中的碳纤维的含有量优选为10～70重量份，更优选为20～60重量份。

实施例

下面示出了实施例，但本发明并不限于此。实施例中的各值根据下面的方法求得。

(1)碳纤维的平均纤维直径(AD)是在光学显微镜下使用标度(scale)测量经过烧制的60根碳纤维所得的平均值。

(2)碳纤维的个数平均碳纤维长度(NAL)是用长度测量器测量经过烧制的1,000根碳纤维所得的平均值。另外，求出实际测量的1,000根纤维的各纤维长度的平方的平均值，该平均值的平方根即为体积平均纤维长度(VAL)。

(3)碳纤维的微晶大小如下求得：测量来自在X射线衍射中出现的(110)面的反射，并用学振法(学振法)求得。

(4)碳纤维的密度如下确定：调节三溴甲烷(密度为2.90g/cc)和1，1，2，2-四氯化乙烷(密度为1.59g/cc)的混合比，将碳纤维投入到调整了溶液密度的混合液中，根据碳纤维的沉降程度来确定。

(5)碳纤维的热传导率如下求得：使用银糊剂以石墨化沥青类碳纤维(该碳纤维是除粉碎工序之外以相同的条件制作的石墨化沥青类碳纤维)的两端距离为1cm的方式进行固定，用测量器测量20根(20本)两端的电阻，使用碳纤维的半径来计算求出电阻率，由热传导率和电阻的下述关系式(参考专利3648865号)来计算求得：

K＝1272.4/ER-49.4

(K为碳纤维的热传导率W/(m·K)，ER为碳纤维的电阻率μΩm)。

(6)碳纤维/有机硅复合物的热传导率，使用京都电子公司生产的QTM-500用探针法求得。

(7)沥青类碳纤维填料在筛子(mesh)上残留的比例如下求得：通过将100g碳纤维用孔径为100μm、孔径为53μm的筛子，以震荡机(タナカテツク生产的R-1)进行筛分后，测量所得的碳纤维的质量而求得。

实施例1

以含有稠合多环烃化合物的沥青作为主原料。该沥青的光学各向异性比例为100％，软化点为283℃。使用直径为0.2mmΦ的孔的盖，以每分钟5,500m的线速度从缝隙喷出加热空气，牵伸熔融沥青，制作平均直径为14.5μm的沥青类短纤维。此时的树脂温度为337℃，熔融粘度为8.0Pa·S。将纺出的纤维捕集于带上制成毡，进而通过交叉铺网制作单位面积重量(目付)为320g/m²的由沥青类短纤维形成的三维随机毡。

将该三维随机毡在空气中以平均升温速度6℃/分钟从170℃升温到285℃进行不熔化。用切割机(タ一ポ工业公司生产)以800rpm将经不熔化的三维随机毡粉碎，用1mm的筛子分级，将所得物在3000℃下烧制。

烧制后的碳纤维的平均纤维直径(AD)为8.8μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV值)为12％。

个数平均纤维长度(NAL)为200μm，体积平均纤维长度(VAL)为240μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)所得的值为1.20，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为45％，在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为24％。来源于六角网面的生长方向的微晶大小为70nm。真密度为2.18g/cc，热传导率为350W/m·K。

通过将25重量份所得的碳纤维、75重量份有机硅树脂(東レ·ダウシリコ一ン(株)生产的SE1740)混合，并在130℃下进行热固化处理，得到碳纤维/有机硅复合物。测量所制作的碳纤维/有机硅复合物的热传导率，结果为6.3W/(m·K)。

实施例2

除了将实施例1中的切割机的转数改变为700rpm外，以相同的方法制作碳纤维。

烧制后的碳纤维的平均纤维直径(AD)为8.6μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV值)为12％。个数平均纤维长度(NAL)为300μm，体积平均纤维长度(VAL)为390μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)所得的值为1.30，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为55％；在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为29％。来源于六角网面的生长方向的微晶大小为70nm。真密度为2.18g/cc，热传导率为350W/m·K。

通过将25重量份所得的碳纤维、75重量份有机硅树脂(東レ·ダウシリコ一ン(株)生产的SE1740)混合，并在130℃下进行热固化处理，得到碳纤维/有机硅复合物。测量所制作的碳纤维/有机硅复合物的热传导率，结果为6.6W/(m·K)。

比较例1

除了不进行实施例1中的用筛子进行的分级操作外，以相同的方法制作碳纤维。

烧制后的碳纤维的平均纤维直径(AD)为8.8μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV值)为12％。个数平均纤维长度(NAL)为250μm，体积平均纤维长度(VAL)为400μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)所得的值为1.60，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为62％；在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为33％。来源于六角网面的生长方向的微晶大小为70nm。真密度为2.19g/cc，热传导率为350W/m·K。

通过将25重量份所得的碳纤维、75重量份有机硅树脂(東レ·ダウシリコ一ン(株)生产的SE1740)混合，并在130℃下进行热固化处理，得到碳纤维/有机硅复合物。测量所制作的碳纤维/有机硅复合物的热传导率，结果为3.3W/(m·K)。

比较例2

除了将实施例1中的切割机(cutter)的转数改变为1200rpm外，以相同的方法制作碳纤维。

烧制后的碳纤维的平均纤维直径(AD)为8.8μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV值)为13％。个数平均纤维长度(NAL)为40μm，体积平均纤维长度(VAL)为50μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)所得的值为1.13，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为18％；在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为3％。来源于六角网面的生长方向的微晶大小为70nm。真密度为2.18g/cc，热传导率为350W/m·K。

通过将25重量份所得的碳纤维、75重量份有机硅树脂(東レ·ダウシリコ一ン(株)生产的SE1740)混合，并在130℃下进行热固化处理，得到碳纤维/有机硅复合物。测量所制作的碳纤维/有机硅复合物的热传导率，结果为1.4W/(m·K)。

比较例3

除了将实施例1中的切割机的转数改变为400rpm外，进行相同的操作制作碳纤维。

烧制后的碳纤维的平均纤维直径(AD)为8.8μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV值)为12％。个数平均纤维长度(NAL)为600μm，体积平均纤维长度(VAL)为700μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)所得的值为1.17，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为87％；在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为59％。来源于六角网面的生长方向的微晶大小为70nm。密度为2.18g/cc，热传导率为350W/m·K。

将25重量份所得的碳纤维、75重量份有机硅树脂(東レ·ダウシリコ一ン(株)生产的SE1740)混合，但粘度高不能制得与实施例1相同的片状物。

比较例4

除了将实施例1中的树脂温度改变为345℃、熔融粘度改变为2.0Pa·S外，以相同的方法制作碳纤维。

烧制后的碳纤维的平均纤维直径(AD)为8.4μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV值)为19％。个数平均纤维长度(NAL)为180μm，体积平均纤维长度(VAL)为240μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)所得的值为1.33，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为49％；在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为23％。来源于六角网面的生长方向的微晶大小为70nm。真密度为2.18g/cc，热传导率为350W/m·K。

通过将25重量份所得的碳纤维、75重量份有机硅树脂(東レ·ダウシリコ一ン(株)生产的SE1740)混合，并在130℃下进行热固化处理，得到碳纤维/有机硅复合物，但碳纤维分散不均匀，得到不均匀的成形体。

比较例5

除了将实施例1中的3000℃的烧制工序改变为在粉碎前进行之外，以相同的方法制作碳纤维。

烧制后的碳纤维的平均纤维直径(AD)为8.1μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV值)为18％。个数平均纤维长度(NAL)为210μm，体积平均纤维长度(VAL)为300μm，用体积平均纤维长度(VAL)除以个数平均纤维长度(NAL)所得的值为1.43，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为48％；在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为26％。来源于六角网面的生长方向的微晶大小为70nm。真密度为2.18g/cc，热传导率为350W/m·K。

通过将25重量份所得的碳纤维、75重量份有机硅树脂(東レ·ダウシリコ一ン(株)生产的SE1740)混合，并在130℃下进行热固化处理，得到碳纤维/有机硅复合物，但粘度高不能制得与实施例1相同的片状物。

实施例1～2、比较例1～5的结果如表1和表2所示。

表1

项目	单位	实施例1	实施例2	比较例1	比较例2	比较例3	比较例4	比较例5
									AD	μm	8.8	8.6	8.8	8.8	8.8	8.4	8.1
CVAD值	％	12	12	12	13	12	19	18
									NAL	μm	200	300	250	40	600	180	210
VAL	μm	240	390	400	50	700	240	300
									VAL/NAL	-	1.20	1.30	1.60	1.13	1.17	1.33	1.43
微晶大小	nm	70	70	70	70	70	70	70
									真密度	g/cc	2.18	2.18	2.19	2.18	2.18	2.18	2.18
热传导率	W/m·K	350	350	350	350	350	350	350
									转数	rpm	800	700	800	1200	400	800	800
分级	-	有	有	无	有	有	有	有
									在孔径为53μm的筛子上	％	45	55	62	18	87	49	48
在孔径为100μm的筛子上	％	24	29	33	3	59	23	26

AD：平均纤维直径；NAL：个数平均纤维长度；VAL：体积平均纤维长度

表2

项目	单位	实施例1	实施例2	比较例1	比较例2	比较例3	比较例4	比较例5
									碳纤维	重量份	25	25	25	25	25	25	25
有机硅树脂	重量份	75	75	75	75	75	75	75
									热传导率	W/(m·K)	6.3	6.6	3.3	1.4	-	-	-

实施例3

以含有稠合多环烃化合物的沥青作为主原料。该沥青的光学各向异性的比例为100％，软化点为283℃。使用直径为0.2mmΦ的孔的盖，以每分钟5,500m的线速度从缝隙喷出加热空气，牵伸熔融的沥青，制作平均直径为14.5μm的沥青类短纤维。此时的树脂温度为337℃，熔融粘度为8.0Pa·S。将纺出的纤维捕集于带上制成毡，进而通过交叉铺网制作单位面积重量为320g/m²的由沥青类短纤维形成的三维随机毡。

将该三维随机毡在空气中以平均升温速度6℃/分钟从170℃升温到285℃进行不熔化。用切割机(タ一ポ工业公司生产)以800rpm将经不熔化的三维随机毡粉碎，用孔径为1mm的筛子分级，将所得物在3000℃下烧制。烧制后的沥青类碳纤维填料的平均纤维直径(AD)为8.8μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV值)为12。个数平均纤维长度(NAL)为200μm，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为45％；在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为24％。来源于六角网面的生长方向的微晶大小为70nm。密度为2.18g/cc，热传导率为350W/m·K。

通过将25重量份所得的碳纤维、75重量份有机硅树脂(東レ·ダウシリコ一ン(株)生产的SE1740)混合，并在130℃下进行热固化处理，得到碳纤维/有机硅复合物。测量所制作的碳纤维/有机硅复合物的热传导率，结果为5.6W/(m·K)。

实施例4

除了将实施例1中的切割机的转数改变为900rpm外，以相同的方法制作沥青类碳纤维填料。烧制后的沥青类碳纤维填料的平均纤维直径(AD)为8.8μm，纤维直径分散相对于平均纤维直径(AD)的百分率(CV值)为12。个数平均纤维长度(NAL)为160μm，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为35％；在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，在筛子上残留的比例为20％。来源于六角网面的生长方向的微晶大小为70nm。密度为2.18g/cc，热传导率为350W/m·K。

通过将25重量份所得的碳纤维、75重量份有机硅树脂(東レ·ダウシリコ一ン(株)生产的SE1740)混合，并在130℃下进行热固化处理，得到碳纤维/有机硅复合物。测量所制作的碳纤维/有机硅复合物的热传导率，结果为4.8W/(m·K)。

实施例3和4的结果如表3和表4所示。

表3

项目	单位	实施例3	实施例4
				AD	μm	8.8	8.8
CVAD值	％	12	12
				NAL	μm	200	160
VAL	μm	240	190
				VAL/NAL	-	1.20	1.19
微晶大小	nm	70	70
				真密度	g/cc	2.18	2.18
热传导率	W/m·K	350	350
				转数	rpm	800	900
分级	-	有	有
				在孔径为53μm的筛子上	％	45	35
在孔径为100μm的筛子上	％	24	20

AD：平均纤维直径；NAL：个数平均纤维长度；VAL：体积平均纤维长度

表4

项目	单位	实施例3	实施例4
				碳纤维	重量份	25	25
有机硅树脂	重量份	75	75
				热传导率	W/(m·K)	5.6	4.8

发明的效果

本发明的碳纤维热传导性优异，可用于散热部件。本发明的碳纤维热传导性高，容易在基质中形成网络。

根据本发明的碳纤维的制备方法，可以将该碳纤维制成无纤维直径不均的碳纤维。另外，本发明的成形体，在基质中高密度地形成碳纤维网络，热传导性高。

工业适用性

本发明的碳纤维可用于放热性电子部件的散热部件等。

Claims (10)

1.沥青类碳纤维，其特征在于，以中间相沥青作为原料，平均纤维直径AD为5～20μm，纤维直径分散度相对于平均纤维直径AD的百分率CV^AD值为5～15，个数平均纤维长度NAL为100～500μm，体积平均纤维长度VAL为55～750μm，用体积平均纤维长度VAL除以个数平均纤维长度NAL所得的值为1.02～1.50，在用孔径为53μm的筛孔的筛子分级时，筛子上残留的比例为30～60％，在用孔径为100μm的筛孔的筛子分级时，筛子上残留的比例为10～29％，

所述个数平均纤维长度NAL是1,000根碳纤维的平均值，

所述体积平均纤维长度VAL是，求出1,000根纤维的各纤维长度的平方的平均值，该平均值的平方根即为体积平均纤维长度VAL，

所述CV^AD值由下式求得：

CV^AD＝S/AD  (1)

这里，S是纤维直径分散度，AD是平均纤维直径，

S由下式(2)求得：

$S=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(D-\mathrm{AD})}^2}{n}}---\left(2\right)$

这里，D是各个纤维的纤维直径，n是测量的个数。

2.权利要求1所述的碳纤维，其特征在于，来源于六角网面的生长方向的微晶大小为5nm以上。

3.权利要求1所述的碳纤维，其特征在于，真密度为1.5～2.3g/cc的范围，纤维轴向的热传导率为300W/(m·K)以上。

4.成形体，该成形体使用权利要求1-3中任一项所述的碳纤维。

5.成形体，该成形体含有权利要求1-3中任一项所述的碳纤维及基质，相对于成形体100重量份，碳纤维的含量为10～70重量份。

6.权利要求5所述的成形体，其中，基质为选自聚烯烃树脂、聚酯树脂、聚碳酸酯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚酮树脂、聚醚醚酮树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂和有机硅树脂中的至少一种。

7.权利要求5所述的成形体，该成形体为散热部件。

8.权利要求1所述的沥青类碳纤维的制备方法，其是通过用熔喷法对熔融的中间相沥青进行纺丝，并进行不熔化、烧制、粉碎，接着进行分级来制备沥青类碳纤维的方法，其特征在于，纺丝时熔融的中间相沥青的粘度为5～25Pa·S，用0.8～1mm的筛子进行分级。

9.权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在粉碎后，在2300～3100℃下进行石墨化。

10.提高含有碳纤维和基质的散热部件的热传导性的方法，其特征在于，作为该碳纤维，使用权利要求1中所述的沥青类碳纤维。