JP2004082129A

JP2004082129A - カーボンナノ材と低融点金属との複合金属製品及び成形方法

Info

Publication number: JP2004082129A
Application number: JP2002242277A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Koide; 小出　淳; Kiyoto Takizawa; 滝澤　清登; Yoshitoshi Yamagiwa; 山極　佳年; Masamoto Suganuma; 菅沼　雅資; Mamoru Miyagawa; 宮川　守
Original assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-18
Also published as: US6874563B2; US20040035548A1

Abstract

【課題】射出成形したカーボンナノ材による予備成形体と、射出充填による溶融状態の低融点金属との複合化により、金属製品にカーボンナノ材の特性を付与して機能向上を図る。
【解決手段】カーボンナノ材１と樹脂によるバインダー２とを可塑化して製品の予備成形体５を射出成形する。予備成形体５を加熱処理により脱脂してカーボンナノ材１による多孔質の予備成形体５１となす。多孔質の予備成形体５１を製品金型８のキャビティにインサートする。キャビティに溶融した低融点金属材料９を射出充填する。低融点金属材料９を射出圧力により予備成形体５１に含浸させて、カーボンナノ材と一体に複合化した金属製品１０に成形する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、カーボンナノ材と低融点金属とを射出成形により複合化した金属製品と成形方法に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
結晶性カーボン材の一種であるカーボンナノ材は、熱伝導率がアルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）等の金属の約５倍と高く、導電性も良好で、摩擦係数も低いことから摺動性にも優れるなどの特性を有する。しかし、カーボンナノ材は極めて微細なものであることから、その利用には他物質との複合化がよいとされている。
【０００３】
これまでに知られている複合化は、金属粉末と混合して加圧微細化し、金属粉末の粒子径が５μｍ〜１ｎｍの複合材粒子となすというものであり、その複合材粒子を加熱圧縮して複合材にホットプレス成形するというものである。このような複合手段では、金属を微粉末として用いることから酸化し易く、特に酸化による自然発火から微粉末として使用が困難なマグネシウムなどの金属には適用し難い課題を有する。
【０００４】
また複合材粒子の加圧成形を不活性ガス雰囲気中０°以下の低温で行い、ホットプレス成形に際しても、不活性ガス雰囲気中で行わねばならず、ホットプレス成形により製造される複合製品にも限りがあるので、プレス成形では困難な電子機器の放熱部品やシールド部品、軸受などの金属製品を結晶性カーボン材との複合製品とするまでには至らない、という課題をも有する。
【０００５】
この発明は、上記従来の課題を解決するために考えられたものであって、その目的は、射出成形を応用して成形したカーボンナノ材による予備成形体と、射出充填による溶融状態の低融点金属との複合化により、カーボンナノ材の特性を金属製品に付与して、電子機器の部品として要求される高熱伝導率、良導電性、摺動性などの機能の向上を図ることができる新たな複合製品と成形方法とを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明の複合金属製品は、カーボンナノ材による多孔質の予備成形体と、その予備成形体に溶融状態で射出充填され、カーボンナノ材と複合化されて製品形態をなす低融点金属とからなり、上記低融点金属は、マグネシウム（Ｍｇ）、錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）の１種又は２種以上の合金からなる、というものである。
【０００７】
この発明による成形方法は、カーボンナノ材と樹脂によるバインダーとを可塑化して製品の予備成形体を射出成形し、その予備成形体を加熱処理により脱脂してカーボンナノ材による多孔質の予備成形体となし、その多孔質の予備成形体を製品金型のキャビティにインサートして、該キャビティに溶融した低融点金属材料を射出充填し、その低融点金属材料を射出圧力により予備成形体に含浸させ
て、カーボンナノ材と一体に複合化した金属製品に成形してなるというものである。
【０００８】
また上記予備成形体の射出成形は、カーボンナノ材と樹脂によるバインダーを可塑化する装置と、可塑化したカーボンナノ材を射出する装置とを別個に備え、その両装置を流通路により連通して、可塑化したカーボンナノ材を上記射出装置により計量し射出するプリプラ式射出装置により行うというものである。
【０００９】
上記構成によれば、カーボンナノ材と低融点金属の複合化を、低融点金属材料を溶融して行うことから、低融点金属材料を微細粉末に加工してカーボンナノ材と混合する必要がなく、材料としてペレット又はチップ等の粒子が大きいものを使用できるので、マグネシウムなどの低融点金属でも複合化を安全に行うことができるようになる。
【００１０】
また複合金属製品は、低融点金属材料の射出成形によって完成されるので成形精度が高いものとなり、製品形態及び製品サイズもプレス成形と異なって制限を受けないので、高熱伝導率、良導電性、低摩擦係数などの機能を有する複合金属製品を容易に成形することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
先ずカーボンナノチューブなどとして知られているカーボンナノ材１と、樹脂によるバインダー２のペレットを、インラインスクリュ式射出装置３により可塑化したのち、予備成形金型４に射出充填して製品の予備成形体５を成形する。
市販のものとしては、直径１０ｎｍ（０．０１μｍ）、長さ１〜１０μｍのカーボンナノチューブがある。
【００１２】
上記射出装置３は、先端にノズル３１を有する加熱筒３２の内部に、逆止弁付きの射出スクリュ３３を回転かつ進退自在に備える。また加熱筒３２の後部上に穿設した供給口の上に、ホッパー３４を備えた材料供給装置３５が取り付けてある。この材料供給装置３５のシリンダ内にはスクリュコンベア３６が設けてあり、そのスクリュコンベア３６の回転数を制御して材料の供給量を制限することができるようにしてある。
【００１３】
上記ホッパー３４から加熱筒３２に供給されたカーボンナノ材１とバインダー２は、スクリュ回転により可塑化（溶融・混練）されてスクリュ先端へと圧送され、内圧によるスクリュ後退により加熱筒先端部内に計量（蓄積）されたのち、可塑化材料としてスクリュ前進により上記予備成形金型４に射出充填される。
【００１４】
予備成形金型４は、図示しない型締装置の固定盤４１と可動盤４２とに取り付けた開閉自在な一対の分割型４３からなり、その内部に二組の製品形態を形成するキャビティ４４と、両キャビティ４４の中央に位置して上記ノズル３１が当接されたスプル４５とを有する。ノズル３１から射出充填された可塑化材料は、スプル４５から両キャビティ４４に充填され、冷却によりカーボンナノ材１とバインダー２とによる上記予備成形体５となる。
【００１５】
成形後、予備成形体５を分割型４３から取り出し、脱脂装置６により不活性ガス雰囲気中で樹脂の溶融温度以上に加熱する。これにより樹脂のバインダーが溶融して予備成形体５から脱脂され、予備成形体５はバインダー跡が隙間となって残ったカーボンナノ材１による多孔質の予備成形体５１となる。
【００１６】
次に予備成形体５１を、金属成形機７が備える製品金型８にインサートし、その製品金型８に金属成形機７から、マグネシウム（Ｍｇ）、錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）の１種又は２種以上の合金からなる低融点金属材料９を溶融して射出充填し、カーボンナノ材の予備成形体５１と低融点金属材料９とが一体となった複合金属製品１０を成形する。
【００１７】
上記金属成形機７は、先端にノズル７１を有する傾斜溶融筒７２の内部に、射出プランジャ７３を進退自在に備える。また傾斜溶融筒７２の後部上に穿設した供給口にホッパー７４を備え、そのホッパー７４からペレット又はチップなどの粒状材料９１に成形して低融点金属材料９を、傾斜溶融筒７２の内部に落下供給することができるようにしてある。なお傾斜溶融筒７２の内部空間は、酸化防止のために不活性ガス雰囲気としておくのが好ましい。
【００１８】
上記ホッパー７４から傾斜溶融筒７２に落下した粒状材料９１は、先に供給されて生じた低融点金属材料９の溶湯の中に落下して溶融され、射出プランジャ７３の後退移動ごとに溶融筒先端の計量室７５に蓄積されたのち、射出プランジャ７３の前進移動により押し出されて、ノズル７１から上記製品金型８に射出充填される。
【００１９】
製品金型８は、図示しない型締装置の固定盤８１と可動盤８２とに取り付けた開閉自在な一対の分割型８３からなり、その内部に二組の製品形態を形成するキャビティ８４と、両キャビティ８４の中央に位置して上記ノズル７１が当接されたスプル８５とを有する。上記ノズル７１から溶融状態で射出充填された低融点金属材料９は、スプル８５から予備成形体５１を予めインサートした両キャビティ８４に充填され、その際の射出圧力により予備成形体５１を形成するカーボンナノ材の隙間に含浸して、カーボンナノ材１と低融点金属材料９とが一体となった上記複合金属製品１０となる。
【００２０】
上記実施形態では、予備成形体５の射出成形にインラインスクリュ式射出装置３を採用して行っているが、樹脂の成形に用いられているプリプラ式射出装置と同様な射出装置を採用して、成形効率の向上を図ることができる。
【００２１】
図２に示すように、通常構造のプリプラ式射出装置は、可塑化シリンダ１１内に可塑化スクリュ１２を内装し、シリンダ後部上にホッパー１３を備えた可塑化装置１４と、射出シリンダ１５内に射出プランジャ１６を進退自在に内装した射出装置１７とを並設し、その両方を先端部にわたり設けた開閉バルブ１９を備える流通路１８により互いに連通した構造からなる。
【００２２】
したがって予備成形体５の成形工程としては、可塑化装置１４によりカーボンナノ材１とバインダー２の可塑化（溶融・混練）を行い、それを射出シリンダ１５の前部内に圧送して計量し、計量後に流通路１８の開閉バルブ１９を閉じて、、射出装置１７では射出プランジャ１６の前進によるノズル２０から製品金型８への射出充填が行われる。可塑化装置１４では射出充填中に、供給されたカーボンナノ材１とバインダー２の溶融・混練が開始される。このようなことから可塑化と射出の両方を行うインラインスクリュ式射出装置よりも、予備形成体５を効率よく成形することができる。
【００２３】
なお図では省略したが、低融点金属材料９の溶融及び射出による金属製品１０の成形は、図示の金属成形機以外にも、通常構造のインラインスクリュ式射出成形機やダイキャストマシンを採用して行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わるカーボンナノ材と低融点金属との複合金属製品の成形方法の工程図である。
【図２】この発明の成形方法に用いられるプリプラ式射出装置の略示縦断面図である。
【符号の説明】
１　　カーボンナノ材
２　　樹脂のバインダー
３　　射出装置
４　　予備成形金型
５　　予備成形体
６　　脱脂装置
７　　金属成形機
８　　製品金型
９　　低融点金属材料
１０　　複合金属製品

Claims

カーボンナノ材による多孔質の予備成形体と、その予備成形体に溶融状態で射出充填され、カーボンナノ材と複合化されて製品形態をなす低融点金属とからなることを特徴とするカーボンナノ材と低融点金属との複合金属製品。
上記低融点金属は、マグネシウム（Ｍｇ）、錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）の１種又は２種以上の合金からなることを特徴とする請求項１の複合金属製品。
カーボンナノ材と樹脂によるバインダーとを可塑化して製品の予備成形体を射出成形し、
その予備成形体を加熱処理により脱脂してカーボンナノ材による多孔質の予備成形体となし、
その多孔質の予備成形体を製品金型のキャビティにインサートして、該キャビティに溶融した低融点金属材料を射出充填し、その低融点金属材料を射出圧力により予備成形体に含浸させて、カーボンナノ材と一体に複合化した金属製品に成形してなることを特徴とする複合金属製品の成形方法。
上記予備成形体の射出成形は、カーボンナノ材と樹脂によるバインダーを可塑化する装置と、可塑化したカーボンナノ材を射出する装置とを別個に備え、その両装置を流通路により連通して、可塑化したカーボンナノ材を上記射出装置により計量し射出するプリプラ式射出装置により行うことを特徴とする請求項３記載の複合金属製品の成形方法。