【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノファイバーを含む材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ｃ６０フラーレン、カーボンナノファイバー、グラファイトナノファイバー等のナノメートルオーダーの大きさを有するナノ構造炭素が注目されている。前記ナノ構造炭素は、その特殊な構造のために、特殊な機能的性質、構造的性質を備えている。例えば、カーボンナノファイバーは数千ＧＰａのヤング率を持つものと予測されており、各種材料との複合材料とすることにより高強度化することが期待されている。
【０００３】
ところが、カーボンナノファイバーは、配向させて引張強度を得るか、複数のカーボンナノファイバーを太い束（バンドル）にして、細いカーボンナノファイバーバンドルの欠点であるねじれ強度、折り曲げ強度等を向上しなければ、高強度性を有効に利用することができないとの問題がある。
【０００４】
従来、配向されたカーボンナノファイバーを得るために、ＳｉＣからなる多結晶質焼結体または多孔質焼結体を、該焼結体の表面から珪素原子が失われる温度に加熱する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。前記方法によれば、前記焼結体を前記温度に加熱することにより、ＳｉＣから珪素原子が除去され、該焼結体の表面にカーボンナノファイバーが長さ方向に配向されたカーボンナノファイバー膜が形成される、とされている。
【０００５】
しかしながら、前記方法では、前記カーボンナノファイバー膜はＳｉＣからなる焼結体の表面を被覆するに過ぎず、長さ方向に配向されたカーボンナノファイバーのみからなる成形体を得ることはできないという不都合がある。
【０００６】
一方、前記カーボンナノファイバーの強度を向上するために、前記カーボンナノファイバーと合成樹脂等とを混合して、該カーボンナノファイバーを含む複合材料を形成する方法が知られている（例えば特許文献２〜４参照）。しかしながら、前記特許文献２〜４には、前記カーボンナノファイバーを長さ方向に配向することは記載されていない。
【０００７】
前記カーボンナノファイバーを配向させる方法として、カーボンナノファイバーを製造する際に電界または磁場を印加することが考えられる。しかしながら、電界を印加する場合には電極付近でしか前記カーボンナノファイバーを配向させることができず、磁場を印加する場合には前記カーボンナノファイバーを配向させるためには数Ｔという磁界強度を必要とするという不都合がある。しかも、前記電界または磁場を印加する方法では、前記カーボンナノファイバーの太いバンドルを得ることが難しい。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２５５５２６号公報
【特許文献２】
特開平７−１０２１２０号公報
【特許文献３】
特開平８−２７２７９号公報
【特許文献４】
特開２００２−１９４６２４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、配向されたカーボンナノファイバーの太いバンドルを得ることができるカーボンナノファイバー材料の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明のカーボンナノファイバー材料の製造方法は、カーボンナノファイバーにバインダーを混合して流動化された混合物を一軸延伸して、該バインダー中で該カーボンナノファイバーが長さ方向に配向されている成形体を形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明の製造方法では、まず、カーボンナノファイバーにバインダーを混合して流動化された混合物を得る。前記バインダーは、液状であってもよく、加熱等の手段により流動化する粉体、ペレット等であってもよい。次に、前記流動化された混合物を、例えば射出成形により一軸延伸する。前記混合物を一軸延伸すると、前記カーボンナノファイバーが前記バインダーに伴われて移動して、長さ方向に配向される。
【００１２】
従って、本発明の製造方法によれば、前記カーボンナノファイバーが長さ方向に配向されている成形体を、容易に得ることができる。
【００１３】
本発明の製造方法では、前記バインダーは加熱除去可能な樹脂であり、前記成形体を加熱することにより該バインダーを除去して、長さ方向に配向された該カーボンナノファイバーからなるバンドルを形成するようにしてもよい。
【００１４】
前記バインダーとして加熱除去可能な樹脂を用いる場合、前記カーボンナノファイバーは、カーボンナノチューブであってもよい。前記バインダーは、加熱除去されるので、形成されたカーボンナノファイバー材料において、前記カーボンナノチューブの内部空間を有効に利用することができる。
【００１５】
また、本発明の製造方法では、前記バインダーは液状樹脂からなり、前記成形体を形成した後、該液状樹脂を硬化せしめ、長さ方向に配向された該カーボンナノファイバーと硬化された樹脂とからなり該樹脂により強化されたバンドルを形成するようにしてもよい。前記液状樹脂は、前記成形体を加熱することにより硬化させることができることから、熱硬化性樹脂であることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００１７】
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１８】
本実施形態では、カーボンナノファイバーに加熱除去可能な樹脂を混合して流動化された混合物を一軸延伸し、得られた成形体を加熱して前記樹脂を除去することにより、カーボンナノファイバー材料として、実質的に長さ方向に配向されたカーボンナノファイバーのみからなるバンドルを製造する。
【００１９】
前記カーボンナノファイバーとしては、例えば、純度９０％以上の単層カーボンナノチューブを用いる。また、前記加熱除去可能な樹脂としては、例えばパラフィン等を挙げることができる。前記混合物は、例えば射出成形機のシリンダー内で所定の温度に加熱されることにより流動化され、該射出成形機により線状に射出成形することにより一軸延伸される。
【００２０】
例えば、純度９０％以上の単層カーボンナノチューブとパラフィン（関東化学株式会社製、融点６０〜６２℃）とを、単層カーボンナノチューブ：パラフィン＝１：１０（重量比）で混合した混合物の場合、該混合物１０ｇを９０℃に加熱して流動化し、射出成形することにより、太さ数十μｍ、長さ約１０ｃｍの繊維を得ることができる。前記射出成形により、前記単層カーボンナノチューブはパラフィンに伴われて移動し、長さ方向に高度に配向する。また、前記繊維は、断面積当たりの前記単層カーボンナノチューブの密度が高くなる。この結果、前記繊維中に、長さ方向に高度に配向された単層カーボンナノチューブの高密度バンドルが得られる。
【００２１】
次に、前記繊維を、細孔径１３オングストローム、直径約２０μｍの顆粒状のモレキュラーシーブ中に投入し、真空中にて１００℃の温度で１０時間加熱して、前記パラフィンを昇華させ、前記モレキュラーシーブに抽出させることにより除去する。この結果、前記カーボンナノファイバー材料として、最大径０．３μｍで、長さ方向に高度に配向された単層カーボンナノチューブのバンドルを得ることができる。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００２３】
本実施形態では、カーボンナノファイバーに液状樹脂を混合して流動化された混合物を一軸延伸して成形体を得た後、前記液状樹脂を硬化させることにより、カーボンナノファイバー材料として長さ方向に配向されたカーボンナノファイバーと硬化された樹脂とからなり該樹脂により強化されたバンドルを製造する。
【００２４】
前記カーボンナノファイバーとしては、例えば、純度９０％以上の単層カーボンナノチューブを用いる。また、前記液状樹脂としては、例えば加熱されたエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等を挙げることができる。前記混合物は、例えば射出成形機により線状に射出成形することにより一軸延伸される。
【００２５】
例えば、純度９０％以上の単層カーボンナノチューブとエポキシ樹脂（油化シェルエポキシ株式会社製、商品名：エピコート９３０２）とを、単層カーボンナノチューブ：エポキシ樹脂＝１：５（重量比）で混合した混合物の場合、該混合物１０ｇを射出成形することにより、太さ１００μｍ、長さ数十ｃｍの繊維を得ることができる。前記射出成形により、前記単層カーボンナノチューブはエポキシ樹脂に伴われて移動し、長さ方向に高度に配向する。また、前記繊維は、断面積当たりの前記単層カーボンナノチューブの密度が高くなる。この結果、前記繊維中に、長さ方向に高度に配向された単層カーボンナノチューブの高密度バンドルが得られる。
【００２６】
次に、前記繊維を１００℃の温度で１時間加熱することにより、前記エポキシ樹脂を硬化させる。この結果、前記カーボンナノファイバー材料として、最大径１００μｍで、長さ方向に高度に配向された単層カーボンナノチューブと硬化された前記エポキシ樹脂とからなり、該エポキシ樹脂で強化されたバンドルを得ることができる。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a material containing carbon nanofibers.
[0002]
[Prior art]
In recent years, attention has been paid to nanostructured carbon having a size on the order of nanometers, such as C60 fullerene, carbon nanofiber, and graphite nanofiber. The nanostructured carbon has special functional and structural properties due to its special structure. For example, carbon nanofibers are predicted to have a Young's modulus of several thousand GPa, and are expected to have higher strength by using composite materials with various materials.
[0003]
However, carbon nanofibers must be oriented to obtain tensile strength or to form a bundle of multiple carbon nanofibers to improve the torsional strength, bending strength, etc., which are the drawbacks of thin carbon nanofiber bundles. However, there is a problem that high strength cannot be used effectively.
[0004]
Conventionally, a method of heating a polycrystalline sintered body or a porous sintered body made of SiC to a temperature at which silicon atoms are lost from the surface of the sintered body to obtain oriented carbon nanofibers is known. (For example, see Patent Document 1). According to the method, by heating the sintered body to the temperature, silicon atoms are removed from SiC, and a carbon nanofiber film in which carbon nanofibers are oriented in the length direction is formed on the surface of the sintered body. It is formed.
[0005]
However, in the above method, the carbon nanofiber film only covers the surface of the sintered body made of SiC, and it is not possible to obtain a molded body consisting only of carbon nanofibers oriented in the length direction. is there.
[0006]
On the other hand, in order to improve the strength of the carbon nanofiber, a method of mixing the carbon nanofiber with a synthetic resin or the like to form a composite material containing the carbon nanofiber is known (for example, Patent Document 2). 4). However, Patent Documents 2 to 4 do not disclose that the carbon nanofibers are oriented in the length direction.
[0007]
As a method for orienting the carbon nanofiber, it is conceivable to apply an electric field or a magnetic field when manufacturing the carbon nanofiber. However, when an electric field is applied, the carbon nanofibers can be oriented only near the electrodes, and when a magnetic field is applied, a magnetic field strength of several T is required to orient the carbon nanofibers. There is a disadvantage of doing so. Moreover, it is difficult to obtain a thick bundle of the carbon nanofibers by the method of applying the electric field or the magnetic field.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2002-255526 A [Patent Document 2]
JP-A-7-102120 [Patent Document 3]
JP-A-8-27279 [Patent Document 4]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-194624
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for producing a carbon nanofiber material capable of solving such inconvenience and obtaining a thick bundle of oriented carbon nanofibers.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the method for producing a carbon nanofiber material of the present invention comprises mixing a binder mixed with carbon nanofibers, uniaxially stretching the fluidized mixture, and forming the carbon nanofiber in the binder into a long length. Forming a shaped body oriented in the vertical direction.
[0011]
In the production method of the present invention, first, a binder is mixed with carbon nanofibers to obtain a fluidized mixture. The binder may be in a liquid state, or may be a powder, a pellet, or the like which is fluidized by a means such as heating. Next, the fluidized mixture is uniaxially stretched by, for example, injection molding. When the mixture is uniaxially stretched, the carbon nanofibers move with the binder and are oriented in the length direction.
[0012]
Therefore, according to the production method of the present invention, a molded body in which the carbon nanofibers are oriented in the length direction can be easily obtained.
[0013]
In the production method of the present invention, the binder is a resin that can be removed by heating, and the binder is removed by heating the molded body to form a bundle of the carbon nanofibers oriented in the length direction. You may do so.
[0014]
When a resin that can be removed by heating is used as the binder, the carbon nanofibers may be carbon nanotubes. Since the binder is removed by heating, the internal space of the carbon nanotube can be effectively used in the formed carbon nanofiber material.
[0015]
Further, in the production method of the present invention, the binder is formed of a liquid resin, and after forming the molded body, the liquid resin is cured, and the carbon nanofiber oriented in the length direction and the cured resin are used. Alternatively, a bundle reinforced by the resin may be formed. The liquid resin is preferably a thermosetting resin because it can be cured by heating the molded body.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in more detail.
[0017]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
[0018]
In the present embodiment, by mixing a resin that can be removed by heating to carbon nanofibers, uniaxially stretching the fluidized mixture, and heating the obtained molded body to remove the resin, as a carbon nanofiber material A bundle consisting essentially of carbon nanofibers oriented substantially in the longitudinal direction.
[0019]
As the carbon nanofiber, for example, a single-walled carbon nanotube having a purity of 90% or more is used. Examples of the resin that can be removed by heating include, for example, paraffin. The mixture is fluidized, for example, by being heated to a predetermined temperature in a cylinder of an injection molding machine, and is uniaxially stretched by linearly injection-molding with the injection molding machine.
[0020]
For example, in the case of a mixture in which single-walled carbon nanotubes having a purity of 90% or more and paraffin (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd., melting point: 60 to 62 ° C.) are mixed at a single-walled carbon nanotube: paraffin = 1: 10 (weight ratio), By heating and fluidizing 10 g of the mixture at 90 ° C. and injection molding, fibers having a thickness of several tens μm and a length of about 10 cm can be obtained. By the injection molding, the single-walled carbon nanotube moves along with the paraffin and is highly oriented in the length direction. Further, the density of the single-walled carbon nanotube per cross-sectional area of the fiber increases. As a result, a high-density bundle of single-walled carbon nanotubes highly oriented in the length direction is obtained in the fiber.
[0021]
Next, the fibers are put into a granular molecular sieve having a pore diameter of 13 Å and a diameter of about 20 μm, and heated in a vacuum at a temperature of 100 ° C. for 10 hours to sublimate the paraffin. To remove. As a result, a bundle of single-walled carbon nanotubes having a maximum diameter of 0.3 μm and highly oriented in the length direction can be obtained as the carbon nanofiber material.
[0022]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0023]
In the present embodiment, after a liquid resin is mixed with the carbon nanofibers to obtain a molded body by uniaxially stretching the fluidized mixture, the liquid resin is cured, so that the carbon nanofiber material is formed in the length direction. A bundle comprising oriented carbon nanofibers and a cured resin is reinforced.
[0024]
As the carbon nanofiber, for example, a single-walled carbon nanotube having a purity of 90% or more is used. In addition, examples of the liquid resin include a thermosetting resin such as a heated epoxy resin. The mixture is uniaxially stretched, for example, by linear injection molding with an injection molding machine.
[0025]
For example, a single-walled carbon nanotube having a purity of 90% or more and an epoxy resin (trade name: Epicoat 9302, manufactured by Yuka Shell Epoxy Co., Ltd.) were mixed in a single-walled carbon nanotube: epoxy resin = 1: 5 (weight ratio). In the case of a mixture, fibers having a thickness of 100 μm and a length of several tens of cm can be obtained by injection molding 10 g of the mixture. Due to the injection molding, the single-walled carbon nanotube moves along with the epoxy resin and is highly oriented in the length direction. Further, the density of the single-walled carbon nanotube per cross-sectional area of the fiber increases. As a result, a high-density bundle of single-walled carbon nanotubes highly oriented in the length direction is obtained in the fiber.
[0026]
Next, the epoxy resin is cured by heating the fibers at a temperature of 100 ° C. for one hour. As a result, as the carbon nanofiber material, a bundle composed of single-walled carbon nanotubes having a maximum diameter of 100 μm and highly oriented in the length direction and the cured epoxy resin, and reinforced with the epoxy resin is obtained. Can be.