特開 2024-7469 カーボン繊維分散液およびカーボンペーパーの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024007469

(43)【公開日】2024-01-18

(54)【発明の名称】カーボン繊維分散液およびカーボンペーパーの製造方法

(51)【国際特許分類】

   C08J 3/02 20060101AFI20240110BHJP

   D21H 13/50 20060101ALI20240110BHJP

   D06M 15/53 20060101ALI20240110BHJP

   D06M 15/333 20060101ALI20240110BHJP

   D06M 15/285 20060101ALI20240110BHJP

   D06M 15/263 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

C08J3/02 A

D21H13/50

D06M15/53

D06M15/333

D06M15/285

D06M15/263

【審査請求】有

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023106960

(22)【出願日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】10-2022-0081800

(32)【優先日】2022-07-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】519350498

【氏名又は名称】ハンソル ケミカル カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＨＡＮＳＯＬ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＣＯ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】７－８Ｆ， ５１３， Ｔｅｈｅｒａｎ－ｒｏ， Ｇａｎｇｎａｍ－ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ ０６１６９， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】100167689

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 征二

(72)【発明者】

【氏名】ユン， ヤング－ホ

(72)【発明者】

【氏名】クォン， セ－マン

(72)【発明者】

【氏名】パク， ブユン ジュ

(72)【発明者】

【氏名】キム， セウング－ヘオン

(72)【発明者】

【氏名】アン， ダミロ

【テーマコード（参考）】

4F070

4L033

4L055

【Ｆターム（参考）】

4F070AA26

4F070AB13

4F070AC04

4F070AC12

4F070AC83

4F070AC84

4F070AD02

4F070AE14

4F070AE28

4F070CA03

4F070CB02

4F070CB12

4L033AA09

4L033AB01

4L033AC07

4L033AC11

4L033AC15

4L033CA18

4L033CA23

4L033CA48

4L055AF03

4L055AG64

4L055AG71

4L055AG72

4L055AG89

4L055AH29

4L055AH33

4L055AH37

4L055EA16

4L055EA25

4L055EA26

4L055EA31

4L055EA32

4L055FA09

4L055FA30

4L055GA21

4L055GA50

(57)【要約】      （修正有）

【課題】カーボン繊維の分散安定性を高めることができ、カーボンペーパーの性能（例えば、引張強度など）を向上させることができる、カーボン繊維分散液の製造方法およびカーボンペーパーの製造方法、ならびにこれにより製造されたカーボン繊維分散液を提供する。
【解決手段】溶媒にカーボン繊維とウェッティング剤（ｗｅｔｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ）を投入し撹拌して、親水化されたカーボン繊維を含む溶液を製造する第１ステップと、共重合体溶液を前記親水化されたカーボン繊維を含む溶液に投入して、前記親水化されたカーボン繊維を分散させる第２ステップと、を含み、前記共重合体は、アクリル酸系の単量体単位と、アクリルアミド系の単量体単位と、を含むカーボン繊維分散液の製造方法である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶媒にカーボン繊維とウェッティング剤（ｗｅｔｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ）を投入し撹拌して、親水化されたカーボン繊維を含む溶液を製造する第１ステップと、
共重合体溶液を前記親水化されたカーボン繊維を含む溶液に投入して、前記親水化されたカーボン繊維を分散させる第２ステップと、を含み、
前記共重合体は、アクリル酸系の単量体単位と、
アクリルアミド系の単量体単位と、を含む、
カーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項2】

前記第１ステップでバインダーを追加的に投入する、
請求項１に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項3】

前記第１ステップで５００～２，０００ｒｐｍの速度で剪断力（ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ）を加えて撹拌させる、
請求項１に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項4】

前記第２ステップで１，０００ｒｐｍ以下の速度で撹拌させる、
請求項１に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項5】

前記カーボン繊維の平均長さが５ｍｍ以上である、
請求項１に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項6】

前記ウェッティング剤は、陽イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、またはこれらの組み合わせである、
請求項１に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項7】

前記カーボン繊維分散液の総含有量１００重量％を基準として、
前記共重合体を０．１重量％以上、１０重量％以下、
前記カーボン繊維を０．０１重量％以上、１０重量％以下含む、
請求項１に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項8】

前記カーボン繊維分散液の総含有量１００重量％を基準として、
前記バインダーを０．００１重量％以上、５重量％以下含む、
請求項２に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項9】

前記共重合体の総含有量１００モル％を基準として、
前記アクリル酸系の単量体単位と前記アクリルアミド系の単量体単位とのモル％の比（前記アクリル酸系の単量体単位のモル％：前記アクリルアミド系の単量体単位のモル％）が１０：９０～９０：１０である、
請求項１に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項10】

前記共重合体のアクリル酸系の単量体単位として重合される単量体は、アクリル酸（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、メタクリル酸（ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、イタコン酸（ｉｔａｃｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、２－アクリルアミド－２－メチルプロパン－スルホン酸（２－Ａｃｒｙｌａｍｉｄｏ－２－ｍｅｔｈｙｌｐｒｏｐａｎｅ ｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、マレイン酸（ｍａｌｅｉｃ ａｃｉｄ）、またはこれらの組み合わせであり、
前記共重合体のアクリルアミド系の単量体単位として重合される単量体は、アクリルアミド（ａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）、メタクリルアミド（ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）、またはこれらの組み合わせである、
請求項１に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項11】

前記共重合体のｐＨが５以上、１０以下であり、
粘度は１００ｃｐ以上、２０，０００ｃｐ以下である、
請求項１に記載のカーボン繊維分散液の製造方法。

【請求項12】

請求項１～１１のいずれか１項に記載の製造方法により製造され、
ｐＨが２以上、１２以下であり、
粘度は１０ｃｐ以上、２００ｃｐ以下である、
カーボン繊維分散液。

【請求項13】

請求項１～１１のいずれか１項に記載の製造方法により製造されたカーボン繊維分散液を成形する第３ステップと、
前記成形されたカーボン繊維分散液を乾燥する第４ステップと、を含む、
カーボンペーパーの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、カーボン繊維分散液およびカーボンペーパーの製造方法およびこれにより製造されたカーボン繊維分散液およびカーボンペーパーに関し、カーボン繊維の分散安定性を高めることができ、カーボンペーパーの性能（例えば、引張強度など）を向上させることができる。

【背景技術】

【0002】

繊維強化複合材料は、補強材としてガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維やシリコンカーバイド繊維のような繊維を用いて製造されたもので、このうち、カーボン繊維を用いたカーボン繊維強化複合材料（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ、ＣＦＲＰ）は、比強度は鉄鋼の６倍、比弾性率は鉄鋼の３倍など優れた物理的特性を有するカーボン繊維を用いるため、軽いながらも高強度の特性を有していて、航空機、風力発電機の回転翼などに広く使用されている。

【0003】

それだけでなく、最近、環境問題の浮上により、これと共に、使用後に廃棄されるカーボン繊維強化複合材料からカーボン繊維を回収して再利用しようとする研究が増加しており、関連市場も規模が増加している。

【0004】

このようなカーボン繊維および再生カーボン繊維を適用してカーボン繊維強化複合材料を製造する方法には、繊維を織物、不織布または短繊維状態で樹脂と混合して複合材料を作る方法があり、高強度の製品を作るためには、不織布を製造して複合材料を作らなければならない。

【0005】

繊維は不織布形態に製造する時、繊維の太さ、長さ、配列、成形法などによって物性が異なって現れる。繊維の方向を一定に配列する成形法と不規則（ランダム）に分散する成形法はそれぞれの長短があるが、不規則に分散する方法は、一定に配列する成形法より、施設費用および稼働性部分の工程上のメリットのみならず、エネルギー節減と環境配慮のメリットがある。しかし、ランダムに配列される繊維は、凝集、ねじれなどの現象により不織布の機械的物性を低下しうるというデメリットがある。特に、このような物性の低下は、一般的に繊維長が長ければ、水中で繊維相互間の結合力で束になって分散が悪くなるが故に現れるので、不織布の物性を増加させるためには、繊維長の長さが長い繊維を均一に分散させることができる研究が必要である。

【0006】

しかし、既存のカーボン繊維の分散に適用される分散剤であるＣＭＣなどのセルロース系高分子などは一定長さ以上のカーボン繊維を均一に分散させることができないのが現状である。

【0007】

したがって、一定長さ以上のカーボン繊維を性能の低下なく均一に分散させることができる方法が要求されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】大韓民国公開特許公報第１０－２０２２－００５５３３７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

そこで、本発明は、カーボン繊維を効果的に水系分散させるカーボン繊維分散液およびカーボンペーパーの製造方法およびこれにより製造された優れた分散性のカーボン繊維分散液および優れた特性のカーボンペーパーを提供することを目的とする。

【0010】

特に、平均長さが１２ｍｍ～２５ｍｍで比較的長さの長いカーボン繊維を水系分散させることにより、カーボンペーパーの機械的物性を強化することを目的とする。

【0011】

しかし、本願が解決しようとする課題は以上に言及した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本願の一側面は、溶媒にカーボン繊維とウェッティング剤（ｗｅｔｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ）を投入し撹拌して、親水化されたカーボン繊維を含む溶液を製造する第１ステップと、
共重合体溶液を前記親水化されたカーボン繊維を含む溶液に投入して、前記親水化されたカーボン繊維を分散させる第２ステップと、を含み、
前記共重合体は、アクリル酸系の単量体単位と、
アクリルアミド系の単量体単位と、を含む、
カーボン繊維分散液の製造方法を提供する。

【0013】

本願の他の側面は、前記カーボン繊維分散液の製造方法により製造され、
ｐＨが２以上、１２以下であり、
粘度は１０ｃｐ以上、２００ｃｐ以下である、
カーボン繊維分散液を提供する。

【0014】

本願のさらに他の側面は、前記カーボン繊維分散液の製造方法により製造されたカーボン繊維分散液を成形する第３ステップと、
前記成形されたカーボン繊維分散液を乾燥する第４ステップと、を含む、
カーボンペーパーの製造方法を提供する。

【発明の効果】

【0015】

本発明によるカーボン繊維分散液の製造方法およびカーボンペーパーの製造方法は、カーボン繊維（特に、長繊維）を効果的に水系分散させて、優れた分散安定性のカーボン繊維分散液および優れた特性のカーボンペーパーを製造できる効果がある。

【0016】

特に、相対的に長さの長いカーボン繊維を効率的に水系分散させることにより、カーボンペーパーの機械的物性を強化させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】ロープ状の凝集体が形成されたカーボン繊維分散液を示す写真である。

【図2】２ｄ ｌａｂ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ装置によって測定された測定値によるカーボンペーパー内のカーボン繊維の分散性を示す写真である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、発明の具体的な実施例を通じて、発明の作用および効果をより詳述する。ただし、このような実施例は発明の例として提示されたものに過ぎず、これによって発明の権利範囲が定められるのではない。

【0019】

これに先立ち、本明細書および特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常または辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自らの発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則り、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。

【0020】

したがって、本明細書に記載された実施例の構成は本発明の最も好ましい一つの実施例に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替可能な多様な均等物と変形例が存在できることを理解しなければならない。

【0021】

本明細書において、単数の表現は文脈上明らかに異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」、「備える」または「有する」などの用語は、実施された特徴、数字、段階、構成要素、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や、数字、段階、構成要素、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。

【0022】

本明細書において、数値範囲を示す「ａないしｂ」および「ａ～ｂ」において、「ないし」および「～」は、≧ａかつ≦ｂで定義する。

【0023】

本願の一側面によるカーボン繊維分散液の製造方法は、溶媒にカーボン繊維とウェッティング剤（ｗｅｔｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ）を投入し撹拌して、親水化されたカーボン繊維を含む溶液を製造する第１ステップと、共重合体溶液を前記親水化されたカーボン繊維を含む溶液に投入して、前記親水化されたカーボン繊維を分散させる第２ステップと、を含むことができる。

【0024】

また、前記共重合体は、アクリル酸系の単量体単位と、アクリルアミド系の単量体単位と、を含むことができる。

【0025】

前記溶媒としては、水が使用できる。

【0026】

前記共重合体は、合成工程によってランダムまたはブロック共重合体であってもよい。

【0027】

本願のカーボン繊維分散液の製造方法の前記第１ステップは、疎水性である前記カーボン繊維の表面に水と水素結合を形成可能な親水基を導入して水分散を可能にするステップであってもよい。

【0028】

また、前記第２ステップは、静電気的反発力による前記カーボン繊維の分散を誘導すると同時に、立体障害を利用して前記カーボン繊維の再凝集を防止するためのステップで、前記共重合体を溶媒に溶解した前記共重合体溶液を前記第１ステップで適切に親水化されたカーボン繊維に混合し、適切に分散できるように一定量の溶媒を追加することができる。

【0029】

例えば、前記第２ステップでは、前記第１ステップで用意された親水化されたカーボン繊維を含む溶液（カーボン繊維、溶媒、ウェッティング剤、バインダーなどを含むことが可能）をカーボン繊維の重量対比１～５０倍の前記共重合体溶液（共重合体（分散剤）および共重合体を希釈させた溶媒（例えば、水））と混合することができる。

【0030】

一方、前記カーボン繊維は、ＰＡＮ系、Ｐｉｔｃｈ系、Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ系、化学的／物理的方法により、プリプレグなどで再利用した再生カーボン繊維（ｒｅｃｙｃｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ）、またはこれらの組み合わせから選択して使用可能である。

【0031】

一実施形態において、前記第１ステップにおいて、バインダー（バインダー繊維またはバインダー高分子）を追加的に投入することができる。

【0032】

前記バインダー繊維またはバインダー高分子は、カーボンペーパーの製造時、乾燥ステップ後のカーボンペーパーの結合強度を増加させるために使用されるもので、例えば、ポリビニルアルコール（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ、ＰＶＡ）繊維、低融点ポリエステル繊維（ｌｏｗ－ｍｅｌｔｉｎｇ－ｐｏｉｎｔ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ、ＬＭＰＥＴ）、ポリビニルアルコール樹脂（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｒｅｓｉｎ）などであってもよい。

【0033】

一実施形態において、前記第１ステップで５００～２，０００ｒｐｍの速度で剪断力（ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ）を加えて撹拌させることができる。これは、前記カーボン繊維分散液に含まれる繊維の損傷を最小化するためのもので、ｐｕｌｐｅｒ、ｏｖｅｒｈｅａｄ ｓｔｉｒｒｅｒ、ｋｎｉｆｅ ｂｅａｔｅｒなど高い剪断力を加えられる装置が用いられる。

【0034】

一実施形態において、前記第２ステップで１，０００ｒｐｍ以下の速度で撹拌させて、前記親水化されたカーボン繊維を分散させることができる。

【0035】

前記撹拌速度は、例えば、１，０００ｒｐｍ以下、８００ｒｐｍ以下、５００ｒｐｍ以下、３００ｒｐｍ以下であってもよい。

【0036】

この時、渦流発生を最小化できるように設計されたインペラを適用して撹拌させて、カーボン繊維を分散および安定化させることができる。

【0037】

一実施形態において、前記カーボン繊維の平均長さが５ｍｍ以上であってもよい。例えば、前記カーボン繊維の平均長さは、６ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、１２ｍｍ以上、１５ｍｍ以上、２０ｍｍ以上であってもよい。

【0038】

一実施形態において、前記ウェッティング剤は、陽イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、またはこれらの組み合わせであってもよい。

【0039】

例えば、前記ウェッティング剤は、ＥＯ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ）／ＰＯ（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ）共重合体界面活性剤、ＰＥＯ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ）系界面活性剤、ＰＥＧ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）系界面活性剤、またはこれらの組み合わせであってもよい。

【0040】

一実施形態において、前記カーボン繊維分散液の総含有量１００重量％を基準として、前記共重合体を０．１重量％以上、１０重量％以下、前記カーボン繊維を０．０１重量％以上、１０重量％以下含むことができる。

【0041】

前記共重合体の含有量が前記範囲を上回る場合、分散液の粘度が高くなって、カーボンペーパーの製造時に脱水および乾燥に困難があり、下回る場合、繊維の分散が低下しうる。

【0042】

ウェブの作製時に目標しようとする坪量に合わせて前記カーボン繊維の適切な含有量を選択することができ、前記カーボン繊維の含有量が前記範囲を上回ったり、下回る場合、摩擦による損傷が増加したり、ウェッティングが適切に行われない。

【0043】

一実施形態において、前記カーボン繊維分散液の総含有量１００重量％を基準として、前記バインダー（バインダー繊維）を０．００１重量％以上、５重量％以下含むことができる。

【0044】

前記バインダー繊維の含有量が前記範囲を下回る場合、好適な強度が出ない。

【0045】

また、前記カーボン繊維分散液の総含有量１００重量％を基準として、前記ウェッティング剤を０．０１重量％以上、５重量％以下含むことができる。

【0046】

一実施形態において、前記共重合体の総含有量１００モル％を基準として、前記アクリル酸系の単量体単位と前記アクリルアミド系の単量体単位とのモル％の比（前記アクリル酸系の単量体単位のモル％：前記アクリルアミド系の単量体単位のモル％）が１０：９０～９０：１０であってもよい。

【0047】

例えば、前記アクリル酸系の単量体単位と前記アクリルアミド系の単量体単位とのモル％の比は、９０：１０、８０：２０、７０：３０、６０：４０、５０：５０、４０：６０、３０：７０、２０：８０、１０：９０であってもよく、３０：７０～７０：３０であってもよい。

【0048】

アクリル酸またはアクリルアミドが単独で重合された単一重合体（ｈｏｍｏｐｏｌｙｍｅｒ）を分散剤として用いる場合、カーボン繊維の分散がまともに行われない。

【0049】

一実施形態において、前記共重合体のアクリル酸系の単量体単位として重合される単量体は、アクリル酸（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、メタクリル酸（ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、イタコン酸（ｉｔａｃｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、２－アクリルアミド－２－メチルプロパン－スルホン酸（２－Ａｃｒｙｌａｍｉｄｏ－２－ｍｅｔｈｙｌｐｒｏｐａｎｅ ｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、マレイン酸（ｍａｌｅｉｃ ａｃｉｄ）、またはこれらの組み合わせであってもよい。

【0050】

また、前記共重合体のアクリルアミド系の単量体単位として重合される単量体は、アクリルアミド（ａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）、メタクリルアミド（ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）、またはこれらの組み合わせであってもよい。

【0051】

前記共重合体は、ｐＨが５以上、１０以下であり、粘度は１００ｃｐ以上、２０，０００ｃｐ以下であってもよい。

【0052】

例えば、前記共重合体のｐＨは、５以上、９以下であってもよい。前記カーボン繊維分散液のｐＨが前記範囲を上回ったり、下回ると、時間によって分散剤が変質したり、カーボン繊維の分散性能が減少しうる。

【0053】

前記共重合体は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アミン化合物、またはこれらの組み合わせを追加して前記共重合体のｐＨを調節することができる。

【0054】

特に、前記アミン化合物は、ｐＨ９以上のアミン化合物であってもよい。

【0055】

例えば、Ｓｏｄｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ、Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ、Ａｍｍｏｎｉｏｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ、Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ、ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ、ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ、Ｍｏｎｏｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ、ｄｉｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ、ｔｒｉｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ、Ａｒｇｉｎｉｎｅ、Ｔｒｏｍｅｔｈａｍｉｎｅ、Ｄｉｉｓｏｐｒｏｐａｎｏｌａｍｉｎｅ、Ｔｒｉｉｏｓｐｒｏｐａｎｏｌａｍｉｎｅなどが前記共重合体のｐＨを調節するために使用できるが、これに限定されない。

【0056】

また、前記共重合体の粘度が前記範囲を上回る場合、粘度が高くなって使用に不利であり、下回る場合、カーボン繊維の分散がまともに行われない。

【0057】

一方、前記共重合体の重量平均分子量は、１０万以上、５００万以下であってもよい。

【0058】

前記共重合体の分子量が前記範囲を上回る場合、粘度が高くて使用に不利であり、下回る場合、カーボン繊維の分散がまともに行われない。

【0059】

また、分子量範囲により、低い分子量の共重合体は短繊維の分散に、高分子量の共重合体は長繊維の分散に適合できる。

【0060】

本願の他の側面によるカーボン繊維分散液は、本願のカーボン繊維分散液の製造方法により製造され、ｐＨが２以上、１２以下であり、粘度は１０ｃｐ以上、２００ｃｐ以下であってもよい。

【0061】

本願のさらに他の側面によるカーボンペーパーの製造方法は、本願のカーボン繊維分散液の製造方法により製造されたカーボン繊維分散液を成形する第３ステップと、前記成形されたカーボン繊維分散液を乾燥する第４ステップと、を含むことができる。

【0062】

前記第３ステップは、前記第２ステップで製造されたカーボン繊維分散液を用いて、湿式工程により紙状に成形するステップで、例えば、カーボン繊維分散液は、Ｗｅｔ－ｌａｉｄ湿式不織布製造機、手すき機などを用いて紙状に成形することができる。

【0063】

以後、第４ステップにより乾燥させて最終的なカーボンペーパーを製造することができる。

【0064】

本願のさらに他の側面によるカーボンペーパーは、本願のカーボンペーパーの製造方法により製造され、引張強度が２５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上であってもよい。

【0065】

例えば、前記カーボンペーパーの引張強度は、２５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上、３０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上、４０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上であってもよい。

【0066】

一方、前記カーボンペーパーは、坪量１６ｇ／ｍ^２、厚さ１２０～１５０μｍに製造して、２Ｄラブフォーメーションセンサ装置で測定した均一度（分散性）が３２０以下であってもよい。

【0067】

例えば、前記カーボンペーパーの均一度（分散性）は、３２０以下、３１０以下、３００以下、２９０以下であってもよい。

【0068】

以下、実施例を用いて本願をより具体的に説明するが、本願がこれに制限されるものではない。

【0069】

製造例１．重合体の製造
３口フラスコ反応器にアクリル酸単量体（ＡＡ）、アクリルアミド単量体（ＡＭ）および水を入れて、温度計装着後、窒素ｐｕｒｇｉｎｇし、７０℃に到達するまで昇温させた。

【0070】

アクリル酸単量体（ＡＡ）＋アクリルアミド単量体（ＡＭ）と水との重量比（アクリル酸単量体（ＡＡ）＋アクリルアミド単量体（ＡＭ）の重量：水の重量）は２：８であった。

【0071】

次に、過硫酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｐｅｒｓｕｌｆａｔｅ、ＡＰＳ）を水に溶解後、３０分間滴下した（ＡＰＳは、アクリル酸単量体（ＡＡ）、アクリルアミド単量体（ＡＭ）および水の総含有量１００重量部に対して０．１重量部使用した）。

【0072】

滴下完了後、７０℃で７時間維持し冷却させた後、ＮａＯＨでｐＨ７．０に調節して、固形分２５％、重量平均分子量１００，０００ｇ／ｍｏｌの重合体を製造した。

【0073】

前記重合体の総含有量１００ｍｏｌ％を基準として、アクリル酸単量体（ＡＡ）とアクリルアミド単量体（ＡＭ）とのｍｏｌ％の比率（アクリル酸単量体（ＡＡ）のｍｏｌ％：アクリルアミド単量体（ＡＭ）のモル％）は７０：３０（Ｄ１）、３０：７０（Ｄ２）、１００：０（Ｄ３）および０：１００（Ｄ４）に調節して４つの重合体を製造した。

【0074】

製造例２．カーボン繊維分散液の製造
総含有量５００ｇを基準として、カーボン繊維（Ｚｏｌｔｅｃｋ社）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）繊維（ＶＰＢ－１０１、ｋｕｒａｒｙ社）および非イオン性界面活性剤系のウェッティング剤（ＨＰＷ－５００、Ｈａｎｓｏｌ社）を、下記表１に示したように含有量を調節して、残部の溶媒（水）に入れて混合した後、ｐｕｌｐｅｒを適用して、１，０００ｒｐｍでプレウェッティングステップ（親水化されたカーボン繊維を含む溶液を製造するステップ）を経た。

【0075】

以後、溶媒（水）２，０００ｇと製造例１により製造された重合体（分散剤）を溶解させた重合体溶液に、プレウェッティングステップを経た親水化されたカーボン繊維を含む溶液を投入し、渦流形成を少なく発生させるインペラを適用して、３００ｒｐｍ以下の低速で撹拌させてカーボン繊維分散液を製造した。

【0076】

使用されたカーボン繊維の平均長さは、下記表１に示したように、それぞれ６、１２、２０ｍｍであった。

【0077】

実施例１～３、比較例６は、分散剤として前記製造例１により製造された重合体Ｄ１を用い、実施例４は、分散剤として前記製造例１により製造された重合体Ｄ２を用い、比較例１は、分散剤として前記製造例１により製造された重合体Ｄ３を用い、比較例２は、分散剤として前記製造例１により製造された重合体Ｄ４を用いて、製造例２によりカーボン繊維分散液を製造した。

【0078】

一方、比較例３～５は、分散剤としてＣＭＣ（ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、Ｄｕｋｓａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｍｗ２１，０００～５００，０００）を用いて、製造例２によりカーボン繊維分散液を製造した。

【0079】

【表1】

【0080】

実施例１～４および比較例１～６のカーボン繊維分散液の図１に示すように、ロープ状の凝集カーボン繊維が肉眼で観察されない時までの時間を測定して、分散速度を測定した。

【0081】

また、実施例１～４および比較例１～６のカーボン繊維分散液の分散後、２時間放置した後、カーボン繊維の再凝集や沈降が発生するかを肉眼で観察して分散安定性を測定した。

【0082】

測定されたカーボン繊維分散液の分散速度および分散安定性を、下記表２に示した。

【0083】

【表2】

【0084】

アクリル酸単量体（ＡＡ）およびアクリルアミド単量体（ＡＭ）の共重合体を分散剤として用いた実施例１～４のカーボン繊維分散液の場合、アクリル酸単量体（ＡＡ）またはアクリルアミド単量体（ＡＭ）が単独で重合された単一重合体（ｈｏｍｏｐｏｌｙｍｅｒ）を分散剤として用いた比較例１および２のカーボン繊維分散液と比較した時、分散液の分散速度が高くなり（分散に必要な時間が短くなり）、分散安定性が向上することを確認することができた。

【0085】

また、ＣＭＣを分散剤として用いた比較例３～５のカーボン繊維分散液に比べて、実施例１～４のカーボン繊維分散液の分散速度が高くなり（分散に必要な時間が短くなり）、分散安定性が向上することを確認することができた。

【0086】

特に、相対的に長さの長い平均長さ１２ｍｍおよび２０ｍｍのカーボン繊維を含む実施例２～４のカーボン繊維分散液の高い分散安定性を確認することができた。

【0087】

これに対し、実施例２と単一重合体またはＣＭＣを分散剤として用いたことだけを除いて同一の比較例１、２および５の場合、平均長さ１２ｍｍのカーボン繊維の分散が容易でなく、分散安定性も非常に不良であった。

【0088】

実施例１～３と同一の重合体を分散剤として用いたが、ウェッティング剤を含まない（すなわち、プレウェッティングステップを経ていない）比較例６のカーボン繊維分散液は、カーボン繊維の分散が容易でなく、カーボン繊維の分散安定性も非常に不良であった。

【0089】

すなわち、プレウェッティングステップがカーボン繊維分散液のカーボン繊維の分散および分散安定性に大きく影響を及ぼすことが分かった。

【0090】

製造例３．カーボンペーパーの製造
２５×２５ｃｍ^２の手すき機を用いて、実施例１～４および比較例１～６のカーボン繊維分散液の抄紙を作製し、これを１２０℃の熱風乾燥オーブンで３０分間乾燥してカーボンペーパーを製造した。

【0091】

実施例１～４および比較例１～６のカーボン繊維分散液を用いて、製造例３により製造したカーボンペーパーの分散性および引張強度を測定した。

【0092】

カーボンペーパーの分散性（均一性）は、製造例３により坪量１６ｇ／ｍ^２、厚さ１２０～１５０μｍのカーボンペーパーをＴｅｃｈｐａｐ ＳＡＳ社（フランス）の２ｄ ｌａｂ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ装置を用いて分散性を測定した。

【0093】

２ｄ ｌａｂ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ装置によって測定されたｆｌｏｃの数と分布によりカーボンペーパーの分散性を評価することができ、測定値が低いほど分散性に優れていると評価することができる。

【0094】

引張強度は、Ｓｈｉｍａｄｚｕ社のＡＧＳ－Ｘ １０Ｎ－１０ＫＮ装置を用いて、２ｍ／ｍｉｎの速度でカーボンペーパーの引張強度を測定した。

【0095】

図２に示すように、実施例１～４のカーボン繊維分散液を用いて製造したカーボンペーパーの場合、実施例１～４の分散液の優れた分散性によって２ｄ ｌａｂ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ装置による測定値が２００～３００に相当し、カーボンペーパー内でカーボン繊維が均一に分散したと測定された。

【0096】

これに対し、比較例１～６の分散液を用いて製造したカーボンペーパーの場合、２ｄ ｌａｂ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ装置による測定値が３２０を超えており、カーボンペーパー内でカーボン繊維が均一に分散していないことを確認することができた。

【0097】

測定されたカーボンペーパーの分散性と引張強度を、下記表３に示した。

【0098】

【表3】

【0099】

実施例１～４のカーボン繊維分散液を用いて製造したカーボンペーパーの場合、カーボン繊維の長さが増加するにつれて、２ｄ ｌａｂ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ装置による測定値が少しずつ大きくなったが、測定値が３００以下に相当して優れた分散性を示した。

【0100】

これに対し、比較例１～６のカーボン繊維分散液を用いて製造したカーボンペーパーの場合、カーボン繊維の長さが増加するにつれて、２ｄ ｌａｂ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ装置による測定値が急激に大きくなって、分散性が非常に低下することを確認することができた。

【0101】

また、実施例１～４の分散液を用いて製造したカーボンペーパーの場合、比較例１～６の分散液を用いて製造したカーボンペーパーに比べて優れた分散性によって引張強度が大きく向上することを確認することができた。

【0102】

特に、実施例１～３の分散液を用いて製造したカーボンペーパーの場合、カーボン繊維の長さが増加するにつれて、引張強度が向上することを確認することができた。

【0103】

すなわち、本願のアクリル酸単量体（ＡＡ）およびアクリルアミド単量体（ＡＭ）の共重合体は、相対的に長さの長い平均長さが１２ｍｍ、２０ｍｍのカーボン繊維にも効果的な分散剤として使用可能であることを確認することができた。

【0104】

本願のカーボン繊維分散液は、既存のカーボン繊維分散液に比べて優れた分散特性を有するので、本願のカーボン繊維分散液を用いてカーボンペーパーの特性を向上させることができることを確認した。

【0105】

本発明の範囲は上記の詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味および範囲、そしてその均等概念から導出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれると解釈されなければならない。

【図1】

【図2】