JP2006028410A - Carbon fiber composite material and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon fiber composite material where carbon nanofibers are uniformly dispersed and its manufacturing method. <P>SOLUTION: The carbon fiber composite material comprises an elastomer and carbon nanofibers dispersed therein, where the elastomer is a styrene thermoplastic elastomer bearing an epoxy group affinitive to the carbon nanofibers. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭素繊維複合材料およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon fiber composite material and a method for producing the same.

炭素繊維にエポキシ樹脂などを含浸させたシート状中間基材であるプレプリグを用いた繊維強化複合材料の製造方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。   A method for producing a fiber-reinforced composite material using a prepreg that is a sheet-like intermediate base material in which an epoxy resin or the like is impregnated with carbon fiber is known (for example, see Patent Document 1).

また、近年、特にカーボンナノファイバーを用いた複合材料が注目されているが、カーボンナノファイバーは相互に強い凝集性を有するため、複合材料の基材にカーボンナノファイバーを均一に分散させることが非常に困難とされている。そのため、現状では、所望の特性を有するカーボンナノファイバーの複合材料を得ることが難しく、また、高価なカーボンナノファイバーを効率よく利用することができない。   In recent years, composite materials using carbon nanofibers have attracted attention. However, since carbon nanofibers have strong cohesiveness with each other, it is very important to uniformly disperse carbon nanofibers on the base material of composite materials. It is considered difficult. Therefore, at present, it is difficult to obtain a composite material of carbon nanofibers having desired characteristics, and expensive carbon nanofibers cannot be efficiently used.

さらに、近年の環境運動の高まりによってリサイクルできるゴム質材料である熱可塑性エラストマーが注目されている。しかしながら、従来の熱可塑性エラストマーは、天然ゴムや合成ゴムなどに比べ、リサイクル性が良好であるものの、架橋構造が物理架橋であるため、温度上昇による流動及び低温におけるクリープ変形が大きいという課題があった。
WO96/02592号公報
Further, thermoplastic elastomers, which are recyclable rubber materials, are attracting attention due to the recent increase in environmental movement. However, although conventional thermoplastic elastomers are more recyclable than natural rubber, synthetic rubber, etc., the cross-linked structure is physical cross-linking, so there is a problem that flow due to temperature rise and creep deformation at low temperature are large. It was.
WO96 / 02592 Publication

そこで、本発明の目的は、カーボンナノファイバーが均一に分散された炭素繊維複合材料およびその製造方法を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a carbon fiber composite material in which carbon nanofibers are uniformly dispersed and a method for producing the same.

本発明にかかる炭素繊維複合材料は、エラストマーと、該エラストマーに分散されたカーボンナノファイバーと、を含み、
前記エラストマーは、前記カーボンナノファイバーに対して親和性を有するエポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーである。
The carbon fiber composite material according to the present invention includes an elastomer and carbon nanofibers dispersed in the elastomer,
The elastomer is a styrenic thermoplastic elastomer having an epoxy group having affinity for the carbon nanofibers.

本発明の炭素繊維複合材料においては、エラストマーのエポキシ基が、カーボンナノファイバーの活性な部分、特にカーボンナノファイバーの末端のラジカルや官能基と結合もしくは相互作用することにより、カーボンナノファイバーの凝集力を弱め、その分散性を高めることができる。その結果、本発明の炭素繊維複合材料は、基材であるエラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されたものとなる。   In the carbon fiber composite material of the present invention, the cohesive force of carbon nanofibers is obtained by bonding or interacting with the epoxy group of the elastomer with the active part of carbon nanofibers, in particular with radicals and functional groups at the ends of carbon nanofibers. The dispersibility can be improved. As a result, in the carbon fiber composite material of the present invention, the carbon nanofibers are uniformly dispersed in the elastomer as the base material.

また、本発明の炭素繊維複合材料においては、カーボンナノファイバーを均一分散させて含有することにより、高温における流動がなく、低温における耐クリープ性が向上する。したがって、本発明の炭素繊維複合材料は、従来の天然ゴムや合成ゴムなどと同様の分野での活躍が可能となり、リサイクルが可能なゴム質材料を提供することができる。   Moreover, in the carbon fiber composite material of the present invention, by containing carbon nanofibers uniformly dispersed, there is no flow at high temperature, and creep resistance at low temperature is improved. Therefore, the carbon fiber composite material of the present invention can be used in the same field as conventional natural rubber and synthetic rubber, and can provide a recyclable rubber material.

本発明にかかる炭素繊維複合材料は、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって150℃で測定した、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は500ないし2000μ秒であり、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)は5000ないし10000μ秒であり、前記第1のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fn)は0.9以上であることができる。   The carbon fiber composite material according to the present invention has a first spin-spin relaxation time (T2n) of 500 to 2000 μsec, measured at 150 ° C. by a Hahn echo method using pulsed NMR, and a second spin- The spin relaxation time (T2nn) may be 5000 to 10,000 μs, and the component fraction (fn) of the component having the first spin-spin relaxation time may be 0.9 or more.

本発明の炭素繊維複合材料はこのような特性を有し、基材であるスチレン系熱可塑性エラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されたものである。   The carbon fiber composite material of the present invention has such characteristics, and carbon nanofibers are uniformly dispersed in a styrene thermoplastic elastomer as a base material.

本発明にかかる炭素繊維複合材料の製造方法は、エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程を含み、
前記スチレン系熱可塑性エラストマーは、前記カーボンナノファイバーに対して親和性を有するエポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーである。
The method for producing a carbon fiber composite material according to the present invention includes a step of dispersing carbon nanofibers in an elastomer by a shearing force,
The styrenic thermoplastic elastomer is a styrenic thermoplastic elastomer having an epoxy group having affinity for the carbon nanofibers.

本発明の製造方法によれば、カーボンナノファイバーの分散性がよく、しかもその分散安定性に優れた炭素繊維複合材料を得ることができる。   According to the production method of the present invention, a carbon fiber composite material having good dispersibility of carbon nanofibers and excellent dispersion stability can be obtained.

前記スチレン系熱可塑性エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、ロール間隔が0.5mm以下のオープンロール法、密閉式混練法、多軸押出し混練法を用いて行うことができる。   The step of dispersing the carbon nanofibers in the styrenic thermoplastic elastomer by a shearing force can be performed using an open roll method having a roll interval of 0.5 mm or less, a closed kneading method, or a multiaxial extrusion kneading method.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料の製造方法は、エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程を含む。そして、スチレン系熱可塑性エラストマーは、カーボンナノファイバーに対して親和性を有するエポキシ基を有する。   The method for producing a carbon fiber composite material according to the present embodiment includes a step of dispersing carbon nanofibers in a styrene-based thermoplastic elastomer having an epoxy group by a shearing force. And a styrene-type thermoplastic elastomer has an epoxy group which has affinity with respect to carbon nanofiber.

スチレン系熱可塑性エラストマーは、例えば、カーボンナノファイバーと親和性が高いことの他に、分子長がある程度の長さを有すること、柔軟性を有すること、などの特徴を有することが望ましい。また、スチレン系熱可塑性エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、できるだけ高い剪断力で混練されることが望ましい。   It is desirable that the styrenic thermoplastic elastomer has characteristics such as having a certain molecular length and flexibility in addition to having high affinity with the carbon nanofibers. Moreover, it is desirable that the step of dispersing the carbon nanofibers in the styrenic thermoplastic elastomer with a shearing force is kneaded with a shearing force as high as possible.

(a)まず、エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーについて説明する。   (A) First, the styrenic thermoplastic elastomer having an epoxy group will be described.

本実施の形態にかかるエポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマー(以下、単に「本エラストマー」と称する)は、分子量が好ましくは5000ないし50万、さらに好ましくは2万ないし20万である。本エラストマーの分子量がこの範囲であると、本エラストマー分子が互いに絡み合い、相互につながっているので、本エラストマーは、凝集したカーボンナノファイバーの相互に侵入しやすく、したがってカーボンナノファイバー同士を分離する効果が大きい。本エラストマーの分子量が5000より小さいと、本エラストマー分子が相互に充分に絡み合うことができず、後の工程で剪断力をかけてもカーボンナノファイバーを分散させる効果が小さくなる。また、本エラストマーの分子量が50万より大きいと、本エラストマーが固くなりすぎて加工が困難となる。   The styrene thermoplastic elastomer having an epoxy group according to the present embodiment (hereinafter simply referred to as “the present elastomer”) has a molecular weight of preferably 5,000 to 500,000, more preferably 20,000 to 200,000. If the molecular weight of the elastomer is within this range, the elastomer molecules are entangled with each other and are connected to each other. Therefore, the elastomer easily penetrates into the aggregated carbon nanofibers, and thus has an effect of separating the carbon nanofibers from each other. Is big. When the molecular weight of the elastomer is less than 5000, the elastomer molecules cannot be sufficiently entangled with each other, and the effect of dispersing the carbon nanofibers is reduced even when a shearing force is applied in a later step. On the other hand, if the molecular weight of the elastomer is greater than 500,000, the elastomer becomes too hard and processing becomes difficult.

本エラストマーは、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって、30℃で測定した、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間(T2n/30℃)が好ましくは100ないし3000μ秒、より好ましくは200ないし1000μ秒である。上記範囲のスピン−スピン緩和時間(T2n/30℃)を有することにより、本エラストマーは、柔軟で充分に高い分子運動性を有することができる。このことにより、本エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合したときに、本エラストマーは高い分子運動によりカーボンナノファイバー相互の隙間に容易に侵入することができる。スピン−スピン緩和時間(T2n/30℃)が100μ秒より短いと、本エラストマーが充分な分子運動性を有することができない。また、スピン−スピン緩和時間(T2n/30℃)が3000μ秒より長いと、本エラストマーが液体のように流れやすくなり、カーボンナノファイバーを分散させることが困難となる。   The elastomer preferably has a network component spin-spin relaxation time (T2n / 30 ° C.) of 100 to 3000 μsec, more preferably 200 to 1000 μsec, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. It is. By having a spin-spin relaxation time (T2n / 30 ° C.) in the above range, the elastomer can be flexible and have sufficiently high molecular mobility. Thus, when the present elastomer and carbon nanofibers are mixed, the present elastomer can easily enter the gaps between the carbon nanofibers due to high molecular motion. If the spin-spin relaxation time (T2n / 30 ° C.) is shorter than 100 μsec, the elastomer cannot have sufficient molecular mobility. Also, if the spin-spin relaxation time (T2n / 30 ° C.) is longer than 3000 μsec, the elastomer easily flows like a liquid, and it becomes difficult to disperse the carbon nanofibers.

パルス法NMRを用いたハーンエコー法によって得られるスピン−スピン緩和時間は、物質の分子運動性を表す尺度である。具体的には、パルス法NMRを用いたハーンエコー法により本エラストマーのスピン−スピン緩和時間を測定すると、緩和時間の短い第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)を有する第1の成分と、緩和時間のより長い第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)を有する第2の成分とが検出される。第1の成分は高分子のネットワーク成分(骨格分子)に相当し、第2の成分は高分子の非ネットワーク成分(末端鎖などの枝葉の成分)に相当する。そして、第1のスピン−スピン緩和時間が短いほど分子運動性が低く、本エラストマーは固いといえる。また、第1のスピン−スピン緩和時間が長いほど分子運動性が高く、本エラストマーは柔らかいといえる。   The spin-spin relaxation time obtained by the Hahn-echo method using pulsed NMR is a measure representing the molecular mobility of a substance. Specifically, when the spin-spin relaxation time of the elastomer is measured by the Hahn echo method using pulsed NMR, a first component having a first spin-spin relaxation time (T2n) having a short relaxation time; A second component having a second spin-spin relaxation time (T2nn) having a longer relaxation time is detected. The first component corresponds to a polymer network component (skeleton molecule), and the second component corresponds to a polymer non-network component (branch and leaf component such as a terminal chain). The shorter the first spin-spin relaxation time, the lower the molecular mobility and the harder the elastomer. Moreover, it can be said that the longer the first spin-spin relaxation time, the higher the molecular mobility and the softer the elastomer.

パルス法NMRにおける測定法としては、ハーンエコー法でなくてもソリッドエコー法、CPMG法(カー・パーセル・メイブーム・ギル法)あるいは90゜パルス法でも適用できる。ただし、本発明にかかる炭素繊維複合材料は中程度のスピン−スピン緩和時間(T2)を有するので、ハーンエコー法が最も適している。また、高温においても正確な測定が可能であることからも、ハーンエコー法が最も適している。一般的に、ソリッドエコー法および90゜パルス法は、短いT2の測定に適し、ハーンエコー法は、中程度のT2の測定に適し、CPMG法は、長いT2の測定に適している。   As a measurement method in the pulsed NMR method, the solid echo method, the CPMG method (Car Purcell, Mayboom, Gill method) or the 90 ° pulse method can be applied instead of the Hahn echo method. However, since the carbon fiber composite material according to the present invention has a moderate spin-spin relaxation time (T2), the Hahn echo method is most suitable. Further, since accurate measurement is possible even at high temperatures, the Hahn echo method is most suitable. In general, the solid echo method and the 90 ° pulse method are suitable for short T2 measurement, the Hahn echo method is suitable for medium T2 measurement, and the CPMG method is suitable for long T2 measurement.

本実施の形態に用いられるスチレン系熱可塑性エラストマー原料は、ポリスチレンをハードセグメントとし、ポリブタジエン、ポリブチレン、ポリイソプレンなどのゴム質重合体をソフトセグメントとするブロックポリマーとして定義されるものである。   The styrene-based thermoplastic elastomer raw material used in the present embodiment is defined as a block polymer having polystyrene as a hard segment and a rubbery polymer such as polybutadiene, polybutylene, or polyisoprene as a soft segment.

また、本発明に用いるスチレン系熱可塑性エラストマー原料は、通常、スチレン系化合物の構成単位含有量が5〜80重量%であることが好ましく、より好ましくは10〜70重量%である。   Moreover, it is preferable that the structural unit content of the styrene compound is usually 5 to 80% by weight, and more preferably 10 to 70% by weight in the styrene thermoplastic elastomer raw material used in the present invention.

本発明に用いるスチレン系熱可塑性エラストマー原料の分子構造は、直鎖状であることが好ましい。例えば、A−B−A、B−A−B−A、A−B−A−B−A等の構造を有するスチレン系化合物−共役ジエン化合物ブロック共重合体である(「A」はスチレン系化合物、「B」は共役ジエン化合物とする)。また、分子末端に多官能のカップリング剤残基を有していてもよい。   The molecular structure of the styrenic thermoplastic elastomer raw material used in the present invention is preferably linear. For example, it is a styrene compound-conjugated diene compound block copolymer having a structure such as ABA, BABA, ABABA, or the like ("A" is a styrene compound). Compound, “B” is a conjugated diene compound). Moreover, you may have a polyfunctional coupling agent residue in the molecule terminal.

本エラストマーは、上記スチレン系熱可塑性エラストマー原料をエポキシ化したものである。より詳細には、本エラストマーは、スチレン系化合物を主体とする重合体ブロックと、共役ジエン化合物またはその部分水添物を主体とする重合体ブロックと、からなるブロック共重合体の共役ジエン化合物の二重結合をエポキシ化したものである。   This elastomer is obtained by epoxidizing the styrene thermoplastic elastomer raw material. More specifically, the present elastomer comprises a conjugated diene compound of a block copolymer comprising a polymer block mainly comprising a styrene compound and a polymer block mainly comprising a conjugated diene compound or a partially hydrogenated product thereof. This is an epoxidized double bond.

前記スチレン系化合物としては、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、p−第3級ブチルスチレン、ジビニルベンゼン、p−メチルスチレン、1,1−ジフェニルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン等のうちから1種または2種以上が選択でき、中でもスチレンが好ましい。   Examples of the styrenic compound include styrene, α-methylstyrene, vinyltoluene, p-tertiary butylstyrene, divinylbenzene, p-methylstyrene, 1,1-diphenylstyrene, vinylnaphthalene, vinylanthracene, and the like. 1 type or 2 types or more can be selected from among them, and styrene is preferable among them.

前記共役ジエン化合物としては、例えば、ブタジエン、イソプレン、1,3−ペンタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、ピペリレン、3−ブチル−1,3−オクタジエン、フェニル−1,3−ブタジエン等の内から1種または2種以上を選択することができ、中でもブタジエンが好ましい。   Examples of the conjugated diene compound include butadiene, isoprene, 1,3-pentadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, piperylene, 3-butyl-1,3-octadiene, phenyl-1,3-butadiene. Among these, one or more can be selected, and butadiene is particularly preferable.

したがって、例えば、本エラストマーがスチレン−ブタジエンブロック共重合体の場合、エポキシ基は、スチレン−ブタジエンブロック共重合体の内、ブタジエンの二重結合をエポキシ化したものとすることができる。   Therefore, for example, when the present elastomer is a styrene-butadiene block copolymer, the epoxy group can be an epoxidized double bond of butadiene in the styrene-butadiene block copolymer.

本エラストマーの製造方法は、上記した構造を有するものが得られればどのような製造方法でもよい。例えば、本実施の形態に用いられるスチレン系熱可塑性エラストマーを不活性溶媒中でハイドロパーオキサイド類、過酸類等のエポキシ化剤と反応させることにより得ることができる。「不活性溶媒」は、原料粘度の低下、エポキシ化剤の希釈による安定化等の目的で使用し、例えばヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、ベンゼン、酢酸エチル、四塩化炭素、クロロホルム等を用いることができる。   The manufacturing method of this elastomer may be any manufacturing method as long as it has the structure described above. For example, it can be obtained by reacting the styrenic thermoplastic elastomer used in the present embodiment with an epoxidizing agent such as hydroperoxides and peracids in an inert solvent. The “inert solvent” is used for the purpose of reducing the viscosity of the raw material and stabilizing by diluting the epoxidizing agent, and for example, hexane, cyclohexane, toluene, benzene, ethyl acetate, carbon tetrachloride, chloroform, etc. can be used. .

エポキシ化の際には必要に応じて「触媒」を用いることができる。例えば過酸類の場合、炭酸ソーダ等のアルカリや硫酸等の酸を触媒として用いることができる。一方、ハイドロパーオキサイド類の場合、タングステン酸と苛性ソーダの混合物を過酸化水素と、あるいは有機酸を過酸化水素と、あるいはモリブデンヘキサカルボニルをターシャリブチルハイドロパーオキサイドとそれぞれ併用して触媒効果を得ることができる。   In the epoxidation, a “catalyst” can be used as necessary. For example, in the case of peracids, an alkali such as sodium carbonate or an acid such as sulfuric acid can be used as a catalyst. On the other hand, in the case of hydroperoxides, a catalytic effect is obtained by using a mixture of tungstic acid and caustic soda with hydrogen peroxide, organic acid with hydrogen peroxide, or molybdenum hexacarbonyl with tertiary butyl hydroperoxide. be able to.

得られた本エラストマーの単離は、例えば貧溶媒で沈殿させる方法、本エラストマーを熱水中に撹拌の下で投入し溶媒を蒸留除去する方法、加熱及び/または減圧操作によって溶媒を直接乾燥させる方法等で行うことができる。   Isolation of the obtained elastomer is, for example, a method of precipitating with a poor solvent, a method of pouring the elastomer into hot water with stirring and distilling off the solvent, or directly drying the solvent by heating and / or decompression. It can be performed by a method or the like.

本発明におけるエポキシ化スチレン系熱可塑性エラストマーのエポキシ化率は、0.01ないし10重量%であること、特には0.5ないし3重量%であることが好ましい。0.01重量%よりエポキシ基の量が少ないとカーボンナノファイバーの分散性改良効果が乏しく、その反面、10重量%を越えると、固くなって加工性が悪くなる。   The epoxidation rate of the epoxidized styrenic thermoplastic elastomer in the present invention is preferably 0.01 to 10% by weight, more preferably 0.5 to 3% by weight. When the amount of the epoxy group is less than 0.01% by weight, the effect of improving the dispersibility of the carbon nanofibers is poor. On the other hand, when the amount exceeds 10% by weight, the carbon nanofiber becomes hard and the workability becomes poor.

カーボンナノファイバーは、通常、側面は炭素原子の6員環で構成され、先端は5員環が導入されて閉じた構造となっているが、構造的に無理があるため、実際上は欠陥を生じやすく、その部分にラジカルや官能基を生成しやすくなっている。本実施の形態では、本エラストマーのエポキシ基が、カーボンナノファイバーのラジカルと親和性が高いため、本エラストマーとカーボンナノファイバーとを結合することができる。このことにより、カーボンナノファイバーの凝集力にうち勝ってその分散を容易にすることができる。   Carbon nanofibers usually have a six-membered ring of carbon atoms and a closed end with a five-membered ring introduced at the tip. It tends to occur, and it is easy to generate radicals and functional groups in the part. In the present embodiment, since the epoxy group of the elastomer has a high affinity with the radical of the carbon nanofiber, the elastomer and the carbon nanofiber can be bonded. This makes it possible to easily disperse the carbon nanofibers by overcoming the cohesive force.

(b)次に、カーボンナノファイバーについて説明する。   (B) Next, the carbon nanofiber will be described.

カーボンナノファイバーは、平均直径が0.5ないし500nmであることが好ましく、平均直径が0.5ないし100nmであることがさらに好ましい。また、カーボンナノファイバーは、平均長さが0.01〜1000μmであることが好ましい。   The carbon nanofibers preferably have an average diameter of 0.5 to 500 nm, and more preferably an average diameter of 0.5 to 100 nm. The carbon nanofibers preferably have an average length of 0.01 to 1000 μm.

カーボンナノファイバーの配合量は、特に限定されず、用途に応じて設定できる。本実施の形態の炭素繊維複合材料は、エラストマー系材料として用いることができ、あるいは金属や樹脂の複合材料の原料として用いることができる。本実施の形態の炭素繊維複合材料を金属あるいは樹脂の複合材料の原料として用いるときは、カーボンナノファイバーを0.01〜50重量%の割合で含むことができる。かかる金属あるいは樹脂の複合材料の原料は、金属あるいは樹脂にカーボンナノファイバーを混合する際に、カーボンナノファイバーの供給源としてのいわゆるマスターバッチとして用いることができる。   The compounding quantity of carbon nanofiber is not specifically limited, It can set according to a use. The carbon fiber composite material of this embodiment can be used as an elastomer-based material, or can be used as a raw material for a composite material of metal or resin. When the carbon fiber composite material of the present embodiment is used as a raw material for a metal or resin composite material, carbon nanofibers can be included in a proportion of 0.01 to 50% by weight. The raw material of the composite material of metal or resin can be used as a so-called master batch as a supply source of carbon nanofibers when carbon nanofibers are mixed with metal or resin.

カーボンナノファイバーとしては、例えば、いわゆるカーボンナノチューブなどが例示できる。カーボンナノチューブは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造を有する。すなわち、カーボンナノチューブは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有する炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブといった名称で称されることもある。   Examples of carbon nanofibers include so-called carbon nanotubes. Carbon nanotubes have a single-layer structure in which graphene sheets with carbon hexagonal mesh surfaces are closed in a cylindrical shape, or a multilayer structure in which these cylindrical structures are arranged in a nested manner. That is, the carbon nanotube may be composed of only a single-layer structure or a multilayer structure, and the single-layer structure and the multilayer structure may be mixed. A carbon material partially having a carbon nanotube structure can also be used. In addition to the name “carbon nanotube”, it may be called “graphite fibril nanotube”.

単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。   Single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes are manufactured to a desired size by an arc discharge method, a laser ablation method, a vapor phase growth method, or the like.

アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得る方法である。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル/コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。   The arc discharge method is a method of obtaining multi-walled carbon nanotubes deposited on a cathode by performing an arc discharge between electrode materials made of carbon rods in an argon or hydrogen atmosphere at a pressure slightly lower than atmospheric pressure. In addition, the single-walled carbon nanotube is obtained by mixing the carbon rod with a catalyst such as nickel / cobalt to cause arc discharge and adhering to the inner surface of the processing vessel.

レーザーアブレーション法は、希ガス(例えばアルゴン)中で、ターゲットであるニッケル/コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面に、YAGレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面を溶融・蒸発させて、単層カーボンナノチューブを得る方法である。   The laser ablation method melts and evaporates the carbon surface by irradiating a strong YAG laser pulsed laser beam onto a carbon surface mixed with a target catalyst such as nickel / cobalt in a rare gas (eg argon). This is a method for obtaining single-walled carbon nanotubes.

気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、より具体的には、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などが例示できる。   The vapor phase growth method is a method in which hydrocarbons such as benzene and toluene are thermally decomposed in the gas phase to synthesize carbon nanotubes. More specifically, a fluid catalyst method, a zeolite supported catalyst method, and the like can be exemplified.

カーボンナノファイバーは、エラストマーと混練される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、本エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。   The carbon nanofibers can be improved in adhesion and wettability with the elastomer by performing a surface treatment such as ion implantation treatment, sputter etching treatment, and plasma treatment in advance before being kneaded with the elastomer. .

(c)次に、本エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程について説明する。   (C) Next, a process of dispersing carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force will be described.

本実施の形態では、本エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程として、ロール間隔が0.5mm以下のオープンロール法を用いた例について述べる。   In the present embodiment, an example using an open roll method in which a roll interval is 0.5 mm or less will be described as a step of dispersing carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force.

図1は、2本のロールを用いたオープンロール法を模式的に示す図である。図1において、符号10は第1のロールを示し、符号20は第2のロールを示す。第1のロール10と第2のロール20とは、所定の間隔d、好ましくは0.5mm以下、より好ましくは0.1ないし0.3mmの間隔で配置されている。第1および第2のロールは、正転あるいは逆転で回転する。図示の例では、第1のロール10および第2のロール20は、矢印で示す方向に回転している。第1のロール10の表面速度をV1、第2のロール20の表面速度をV2とすると、両者の表面速度比(V1/V2)は、1.05ないし3.00であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。この工程での剪断力は、本エラストマーの種類およびカーボンナノファイバーの量などによって適宜設定される。   FIG. 1 is a diagram schematically showing an open roll method using two rolls. In FIG. 1, the code | symbol 10 shows a 1st roll and the code | symbol 20 shows a 2nd roll. The first roll 10 and the second roll 20 are arranged at a predetermined interval d, preferably 0.5 mm or less, more preferably 0.1 to 0.3 mm. The first and second rolls rotate in the normal direction or the reverse direction. In the illustrated example, the first roll 10 and the second roll 20 rotate in the direction indicated by the arrow. When the surface speed of the first roll 10 is V1, and the surface speed of the second roll 20 is V2, the surface speed ratio (V1 / V2) is preferably 1.05 to 3.00. By using such a surface velocity ratio, a desired shear force can be obtained. The shearing force in this step is appropriately set depending on the type of the elastomer and the amount of carbon nanofibers.

また、この工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、本エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合は、好ましくは0ないし50℃、より好ましくは5ないし30℃の温度で行われる。オープンロール法を用いた場合には、ロールの温度を上記の温度に設定することが望ましい。   In this step, in order to obtain as high a shearing force as possible, the present elastomer and carbon nanofiber are mixed preferably at a temperature of 0 to 50 ° C., more preferably 5 to 30 ° C. When the open roll method is used, it is desirable to set the temperature of the roll to the above temperature.

第1,第2のロール10,20が回転した状態で、第2のロール20に、本エラストマー30を巻き付けると、ロール10,20間に本エラストマーがたまった、いわゆるバンク32が形成される。このバンク32内にカーボンナノファイバー40を加えて、さらに第1,第2のロール10,20を回転させることにより、スチレン系熱可塑性エラストマー30とカーボンナノファイバー40との混合が行われる。ついで、第1,第2ロール10,20の間隔をさらに狭めて前述した間隔dとし、この状態で第1,第2ロール10,20を所定の表面速度比で回転させる。これにより、本エラストマー30に高い剪断力が作用し、この剪断力によって凝集していたカーボンナノファイバーが1本づつ引き抜かれるように相互に分離し、本エラストマー30に分散される。   When the elastomer 30 is wound around the second roll 20 in a state where the first and second rolls 10 and 20 are rotated, a so-called bank 32 in which the elastomer is accumulated between the rolls 10 and 20 is formed. The carbon nanofiber 40 is added to the bank 32 and the first and second rolls 10 and 20 are further rotated to mix the styrenic thermoplastic elastomer 30 and the carbon nanofiber 40. Next, the distance between the first and second rolls 10 and 20 is further reduced to the distance d described above, and the first and second rolls 10 and 20 are rotated at a predetermined surface speed ratio in this state. Thereby, a high shearing force acts on the elastomer 30, and the carbon nanofibers aggregated by the shearing force are separated from each other so as to be pulled out one by one and dispersed in the elastomer 30.

このとき、本実施の形態の本エラストマーは、上述した特徴、すなわち、本エラストマーの分子形態(分子長)、分子運動、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用などの特徴を有することによってカーボンナノファイバーの分散を容易にするので、分散性および分散安定性(カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと)に優れた炭素繊維複合材料を得ることができる。より具体的には、本エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、分子長が適度に長く、分子運動性の高い本エラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、本エラストマーのエポキシ基が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分、例えばカーボンナノファイバーの欠陥部分に形成された官能基例えばカルボキシル基やカルボニル基などと結合する。また、エラストマーがオープンロールなどによる剪断力で分子鎖が切断されることでエラストマー分子の末端にはラジカルが生成するため、このラジカルとカーボンナノファイバーの欠陥部分とが反応する。この状態で、本エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物に強い剪断力が作用すると、本エラストマーの移動に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、本エラストマー中に分散されることになる。そして、一旦分散したカーボンナノファイバーは、本エラストマーとの化学的相互作用によって再凝集することが防止され、良好な分散安定性を有することができる。   At this time, the elastomer of the present embodiment has the above-described characteristics, that is, the characteristics of the elastomer, such as molecular morphology (molecular length), molecular motion, and chemical interaction with the carbon nanofibers. Therefore, it is possible to obtain a carbon fiber composite material excellent in dispersibility and dispersion stability (hardness of re-aggregation of carbon nanofibers). More specifically, when the elastomer and carbon nanofibers are mixed, the elastomer having a reasonably long molecular length and high molecular mobility enters the carbon nanofibers, and the epoxy groups of the elastomer are chemically It binds to a functional group such as a carboxyl group or a carbonyl group formed in a highly active portion of the carbon nanofiber, for example, a defective portion of the carbon nanofiber, by mechanical interaction. In addition, radicals are generated at the ends of the elastomer molecules when the elastomer is cleaved by a shearing force generated by an open roll or the like, and the radicals react with defective portions of the carbon nanofibers. In this state, when a strong shearing force is applied to the mixture of the elastomer and carbon nanofibers, the carbon nanofibers move with the movement of the elastomer, and the aggregated carbon nanofibers are separated. Will be distributed. And once disperse | distributed carbon nanofiber is prevented from reaggregating by the chemical interaction with this elastomer, and it can have favorable dispersion stability.

本エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、上記オープンロール法に限定されず、既に述べた密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。要するに、この工程では、凝集したカーボンナノファイバーを分離できる剪断力を本エラストマーに与えることができればよい。   The step of dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force is not limited to the open roll method, and the above-described closed kneading method or multiaxial extrusion kneading method can also be used. In short, in this step, it is sufficient that a shearing force capable of separating the aggregated carbon nanofibers can be given to the elastomer.

上述した本エラストマーにカーボンナノファイバーを分散させて両者を混合させる工程(混合・分散工程)の後は、公知の方法によって、押出工程、成形工程などを行うことができる。   After the step of dispersing the carbon nanofibers in the elastomer described above and mixing them (mixing / dispersing step), an extrusion step, a molding step, and the like can be performed by a known method.

本エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合・分散工程において、あるいはこの混合・分散工程に続いて、通常、ゴムなどのエラストマーの加工で用いられる配合剤を加えることができる。配合剤としては公知のものを用いることができる。配合剤としては、例えば、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤などを挙げることができる。   In the mixing / dispersing step of the present elastomer and the carbon nanofiber, or following the mixing / dispersing step, a compounding agent usually used in processing of an elastomer such as rubber can be added. A well-known thing can be used as a compounding agent. Examples of the compounding agent include a softening agent, a plasticizer, a curing agent, a reinforcing agent, a filler, an antiaging agent, and a coloring agent.

(d)次に、上記方法によって得られた炭素繊維複合材料について述べる。   (D) Next, the carbon fiber composite material obtained by the above method will be described.

本実施の形態の炭素繊維複合材料は、基材である本エラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されている。このことは、本エラストマーがカーボンナノファイバーによって拘束されている状態であるともいえる。この状態では、カーボンナノファイバーによって拘束を受けた本エラストマー分子の運動性は、カーボンナノファイバーの拘束を受けない場合に比べて小さくなる。そのため、本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)及びスピン−格子緩和時間(T1)は、カーボンナノファイバーを含まない本エラストマー単体の場合より短くなる。   In the carbon fiber composite material of the present embodiment, carbon nanofibers are uniformly dispersed in the elastomer as a base material. This can be said to be a state where the present elastomer is restrained by carbon nanofibers. In this state, the mobility of the present elastomer molecules constrained by the carbon nanofibers is smaller than that when not constrained by the carbon nanofibers. Therefore, the first spin-spin relaxation time (T2n), the second spin-spin relaxation time (T2nn), and the spin-lattice relaxation time (T1) of the carbon fiber composite material according to the present embodiment are the carbon nanofibers. This is shorter than the case of the present elastomer alone that does not contain.

また、本エラストマー分子がカーボンナノファイバーによって拘束された状態では、以下の理由によって、非ネットワーク成分(非網目鎖成分)は減少すると考えられる。すなわち、カーボンナノファイバーによって本エラストマーの分子運動性が全体的に低下すると、非ネットワーク成分は容易に運動できなくなる部分が増えて、ネットワーク成分と同等の挙動をしやすくなること、また、非ネットワーク成分(末端鎖)は動きやすいため、カーボンナノファイバーの活性点に吸着されやすくなること、などの理由によって、非ネットワーク成分は減少すると考えられる。そのため、第1のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fn)は、カーボンナノファイバーを含まない本エラストマー単体の場合より大きくなる。   In the state where the present elastomer molecule is constrained by carbon nanofibers, the non-network component (non-network chain component) is considered to decrease for the following reason. In other words, when the molecular mobility of the elastomer decreases as a whole due to the carbon nanofibers, the non-network component becomes more difficult to move, making it easier to behave in the same way as the network component. Since the (end chain) is easy to move, the non-network component is considered to decrease because it is easily adsorbed to the active site of the carbon nanofiber. Therefore, the component fraction (fn) of the component having the first spin-spin relaxation time is larger than that of the present elastomer alone not containing carbon nanofibers.

以上のことから、本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料は、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって得られる測定値が以下の範囲にあることが望ましい。   From the above, it is desirable that the carbon fiber composite material according to the present embodiment has a measured value obtained by the Hahn echo method using the pulse method NMR in the following range.

すなわち、150℃で測定した、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は500ないし2000μ秒であり、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)は5000ないし10000μ秒であり、さらに第1のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fn)は0.9以上であることが好ましい。   That is, the first spin-spin relaxation time (T2n) measured at 150 ° C. is 500 to 2000 μsec, the second spin-spin relaxation time (T2nn) is 5000 to 10,000 μsec, and the first The component fraction (fn) of the component having a spin-spin relaxation time is preferably 0.9 or more.

また、250℃で測定した、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は500ないし2000μ秒であり、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)は5000ないし10000μ秒であり、さらに第1のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fn)は0.5以上であることが好ましい。250℃で測定することによって、炭素繊維複合材料が250℃で流動していないかどうかを判定することができる。第1のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fn)が0.5以上あると流動していないと判定できる。   The first spin-spin relaxation time (T2n) measured at 250 ° C. is 500 to 2000 μs, the second spin-spin relaxation time (T2nn) is 5000 to 10,000 μs, and the first The component fraction (fn) of the component having a spin-spin relaxation time is preferably 0.5 or more. By measuring at 250 ° C., it can be determined whether the carbon fiber composite material is not flowing at 250 ° C. If the component fraction (fn) of the component having the first spin-spin relaxation time is 0.5 or more, it can be determined that the component does not flow.

パルス法NMRを用いたハーンエコー法により測定されたスピン−スピン緩和時間(T2)は、物質の分子運動性を表す尺度である。具体的には、エラストマーのスピン−格子緩和時間が短いほど分子運動性が低く、エラストマーは固いといえ、そしてスピン−格子緩和時間が長いほど分子運動性が高く、エラストマーは柔らかいといえる。また、ハーンエコー法は、高温における測定結果が正確に得られることから、150℃もしくは250℃におけるスピン−スピン緩和時間(T2)を得る方法として望ましい。   The spin-spin relaxation time (T2) measured by the Hahn-echo method using pulsed NMR is a measure representing the molecular mobility of a substance. Specifically, the shorter the spin-lattice relaxation time of the elastomer, the lower the molecular mobility and the harder the elastomer, and the longer the spin-lattice relaxation time, the higher the molecular mobility and the softer the elastomer. The Hahn-echo method is desirable as a method for obtaining the spin-spin relaxation time (T2) at 150 ° C. or 250 ° C. because the measurement result at high temperature can be accurately obtained.

本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料は、動的粘弾性の温度依存性測定における流動温度が、原料となる本エラストマー単体の流動温度より高温であることが好ましく、流動温度は300℃以上である。本実施の形態の炭素繊維複合材料は、本エラストマーにカーボンナノファイバーが良好に分散されている。このことは、上述したように、本エラストマーがカーボンナノファイバーによって拘束されている状態であるともいえる。この状態では、本エラストマーは、カーボンナノファイバーを含まない場合に比べて、その分子運動が小さくなり、その結果、流動性が低下する。このような流動温度特性を有することにより、本実施の形態の炭素繊維複合材料は、動的粘弾性の温度依存性が小さくなり、その結果、優れた耐熱性を有する。   In the carbon fiber composite material according to the present embodiment, the flow temperature in the temperature dependence measurement of dynamic viscoelasticity is preferably higher than the flow temperature of the single elastomer as a raw material, and the flow temperature is 300 ° C. or higher. is there. In the carbon fiber composite material of the present embodiment, carbon nanofibers are well dispersed in the elastomer. This can be said to be a state where the present elastomer is restrained by the carbon nanofibers as described above. In this state, the present elastomer has a smaller molecular motion than the case where carbon nanofibers are not contained, and as a result, the fluidity is lowered. By having such a flow temperature characteristic, the carbon fiber composite material of the present embodiment has a low temperature dependency of dynamic viscoelasticity, and as a result, has excellent heat resistance.

従来の熱可塑性エラストマーは、架橋構造が物理架橋であるため、天然ゴムや合成ゴムなどのゴム材料に比べ、温度上昇による流動及び低温におけるクリープ変形が大きいという課題があった。しかしながら、本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料は、カーボンナノファイバーを均一分散させて含有することにより、上述の高温特性(耐熱性)と低温における耐クリープ性が向上する。したがって、本実施の形態の炭素繊維複合材料は、従来の天然ゴムや合成ゴムなどと同様の分野での活躍が可能となり、リサイクルが可能なゴム材料を提供することができる。   Conventional thermoplastic elastomers have a problem that flow due to temperature rise and creep deformation at low temperatures are large compared to rubber materials such as natural rubber and synthetic rubber because the crosslinked structure is physical crosslinking. However, the carbon fiber composite material according to the present embodiment contains the above-described high-temperature characteristics (heat resistance) and low-temperature creep resistance by containing carbon nanofibers uniformly dispersed. Therefore, the carbon fiber composite material of the present embodiment can be used in the same field as conventional natural rubber and synthetic rubber, and can provide a recyclable rubber material.

本実施の形態の炭素繊維複合材料は、既述したように、エラストマー系材料として用いることができ、あるいは金属や樹脂などの複合材料の原料として用いることができる。カーボンナノファイバーは、通常、相互に絡み合って媒体に分散しにくい性質を有する。しかし、本実施の形態の炭素繊維複合材料を金属あるいは樹脂の複合材料の原料として用いると、カーボンナノファイバーがエラストマーに既に分散した状態で存在するので、この原料と金属や樹脂などの媒体とを混合することでカーボンナノファイバーを媒体に容易に分散することができる。   As described above, the carbon fiber composite material of the present embodiment can be used as an elastomer-based material, or can be used as a raw material for composite materials such as metals and resins. Carbon nanofibers usually have the property of being entangled with each other and difficult to disperse in a medium. However, when the carbon fiber composite material of the present embodiment is used as a raw material for a metal or resin composite material, the carbon nanofibers are already dispersed in the elastomer, so this raw material and a medium such as a metal or resin are used. By mixing, the carbon nanofibers can be easily dispersed in the medium.

以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1〜3、比較例1、2)
(1)サンプルの作製
表1に示すエポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマー(本エラストマー)に所定量のカーボンナノファイバーをオープンロール法によって混練してサンプルを得た。
(Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 and 2)
(1) Preparation of sample A sample was obtained by kneading a predetermined amount of carbon nanofibers with the styrene-based thermoplastic elastomer (present elastomer) having an epoxy group shown in Table 1 by the open roll method.

a)6インチオープンロール(ロール温度10〜20℃)に、表1に示す所定量(100g)の本エラストマー(100重量部(phr))を投入して、ロールに巻き付かせた。   a) A predetermined amount (100 g) of the elastomer (100 parts by weight (phr)) shown in Table 1 was put into a 6-inch open roll (roll temperature: 10 to 20 ° C.) and wound around the roll.

b)本エラストマーに対して表1に示す量(重量部)のカーボンナノファイバー(表1では「CNT」と記載する)を投入した。このとき、ロール間隙を1.5mmとした。   b) An amount (parts by weight) of carbon nanofibers (described as “CNT” in Table 1) shown in Table 1 was added to the elastomer. At this time, the roll gap was set to 1.5 mm.

c)カーボンナノファイバーを投入し終わったら、本エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物をロールから取り出した。   c) When the carbon nanofibers were charged, the mixture of the elastomer and the carbon nanofibers was taken out from the roll.

d)ロール間隙を1.5mmから0.3mmと狭くして、混合物を投入して薄通しをした。このとき、2本のロールの表面速度比を1.1とした。薄通しは繰り返し10回行った。   d) The roll gap was narrowed from 1.5 mm to 0.3 mm, and the mixture was introduced to make it thin. At this time, the surface speed ratio of the two rolls was set to 1.1. Thinning was repeated 10 times.

e)ロールを所定の間隙(1.1mm)にセットして、薄通しした混合物を投入し、分出しした。   e) The roll was set to a predetermined gap (1.1 mm), and the thinned mixture was charged and dispensed.

このようにして、実施例1〜3および比較例1,2の炭素繊維複合材料のサンプルを得た。   In this way, samples of the carbon fiber composite materials of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were obtained.

比較例1としては、カーボンナノファイバーを含まない本エラストマーのサンプルを、上記工程1)から5)においてカーボンナノファイバーを混合しない他は同様にして得た。比較例2としては、本エラストマーの代わりに、エポキシ基を有していないスチレン−ブタジエンブロック共重合体(旭化成社製のSBS、表1では「SBS」と記載する)を用いた。   As Comparative Example 1, a sample of this elastomer containing no carbon nanofibers was obtained in the same manner except that carbon nanofibers were not mixed in the above steps 1) to 5). As Comparative Example 2, a styrene-butadiene block copolymer having no epoxy group (SBS manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., described as “SBS” in Table 1) was used in place of this elastomer.

このようにして、実施例1〜3および比較例1,2のサンプルを得た。なお、実施例1〜3では原料エラストマーとしてダイセル化学工業社製スチレン−ブタジエンブロック共重合体(表1では「E-SBS」と記載する)エポフレンドを用いた。エポフレンドは、その分子構造がスチレン−ブタジエン−スチレン(いわゆるSBS)であって、ブタジエンの二重結合をエポキシ化したものを用いた。また、実施例1、2及び比較例1の原料エラストマーのエポキシ化率は、1.7重量%(商品名:A1005)であり、実施例3の原料エラストマーのエポキシ化率は、0.9重量%(商品名:AT501)であった。実施例1〜3及び比較例1,2の原料エラストマーのスチレン系化合物の構成単位含有量は、60重量%であった。   In this way, samples of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were obtained. In Examples 1 to 3, a styrene-butadiene block copolymer (referred to as “E-SBS” in Table 1) Epofriend manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd. was used as a raw material elastomer. As the Epofriend, a molecular structure of styrene-butadiene-styrene (so-called SBS), which is an epoxidized double bond of butadiene, was used. The epoxidation rate of the raw material elastomers of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 is 1.7% by weight (trade name: A1005), and the epoxidation rate of the raw material elastomer of Example 3 is 0.9% by weight. % (Trade name: AT501). The constituent unit content of the styrene compound of the raw material elastomers of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 was 60% by weight.

(2)パルス法NMRを用いた測定
各サンプルについて、パルス法NMRを用いてハーンエコー法による測定を行った。この測定は、日本電子(株)製「JMN−MU25」を用いて行った。測定は、観測核がH、共鳴周波数が25MHz、90゜パルス幅が2μsecの条件で行い、ハーンエコー法のパルスシーケンス(90゜x−Pi−180゜x)にて、Piをいろいろ変えて減衰曲線を測定した。また、サンプルは、磁場の適正範囲までサンプル管に挿入して測定した。測定温度は150℃、250℃であった。この測定によって、炭素繊維複合材料のサンプルおよび原料エラストマー単体(比較例1)について、第1および第2のスピン−スピン緩和時間(T2n,T2nn)と第1のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fn)とを求めた。測定結果を表1に示す。また、測定温度が30℃の場合における原料エラストマーの第1成分のスピン−スピン緩和時間(T2n)を測定し、この結果も表1に併せて記載した。
(2) Measurement using pulse method NMR Each sample was measured by the Hahn echo method using pulse method NMR. This measurement was performed using “JMN-MU25” manufactured by JEOL Ltd. The measurement was performed under the conditions of the observation nucleus of 1 H, the resonance frequency of 25 MHz and the 90 ° pulse width of 2 μsec. The decay curve was measured. Further, the sample was measured by inserting it into a sample tube up to an appropriate range of the magnetic field. The measurement temperature was 150 ° C. and 250 ° C. By this measurement, for the sample of the carbon fiber composite material and the raw material elastomer alone (Comparative Example 1), the components having the first and second spin-spin relaxation times (T2n, T2nn) and the first spin-spin relaxation time are obtained. The component fraction (fn) was determined. The measurement results are shown in Table 1. Further, the spin-spin relaxation time (T2n) of the first component of the raw material elastomer when the measurement temperature is 30 ° C. was measured, and this result is also shown in Table 1.

(3)E’(動的貯蔵弾性率)およびTB(引張強度)の測定
炭素繊維複合材料のサンプルについて、E’およびTBをJIS K 6521−1993によって測定した。これらの結果を表1に示す。
(3) Measurement of E ′ (dynamic storage elastic modulus) and TB (tensile strength) E ′ and TB were measured according to JIS K 6521-1993 for the carbon fiber composite material samples. These results are shown in Table 1.

(4)流動温度の測定
炭素繊維複合材料のサンプルおよび原料エラストマー単体(比較例1)について、流動温度を測定した。具体的には、流動温度は、上記(3)で測定したE’が1MPa以下になる温度とした。その結果を表1に示す。なお、表1において、300℃までE’が1MPa以下にならない場合を「無し」と記載した。
(4) Measurement of flow temperature The flow temperature was measured about the sample of carbon fiber composite material, and raw material elastomer simple substance (comparative example 1). Specifically, the flow temperature was a temperature at which E ′ measured in (3) above was 1 MPa or less. The results are shown in Table 1. In Table 1, the case where E ′ did not become 1 MPa or less up to 300 ° C. was described as “none”.

(5)リサイクル性試験
炭素繊維複合材料を金型内で成形し、その成形された炭素繊維複合材料のサンプルを再度上記(1)で用いたオープンロールに投入して練り返し、金型内で再成形し直すことができるかどうかで、リサイクル性を判断した。
(5) Recyclability test The carbon fiber composite material is molded in a mold, and the sample of the molded carbon fiber composite material is again put into the open roll used in (1) above and kneaded back, and then in the mold. Recyclability was judged based on whether or not re-molding was possible.

(6)耐クリープ特性の測定
炭素繊維複合材料の1mm(厚さ)×3mm(幅)×10mm(長さ)サンプルを、熱機械分析装置(TMA/SS6100、SII製)100℃、5MPaの負荷でクリープさせ、1時間後の長さ寸法の変化率(%)を表1に示した。変化率(%)が小さいほど耐クリープ性がよいと判断した。
(6) Measurement of creep resistance property A 1 mm (thickness) x 3 mm (width) x 10 mm (length) sample of a carbon fiber composite material was subjected to a thermomechanical analyzer (TMA / SS6100, manufactured by SII) at 100 ° C and a load of 5 MPa. Table 1 shows the change rate (%) of the length dimension after 1 hour. The smaller the rate of change (%), the better the creep resistance.

(7)カーボンナノファイバーの分散状態の観察
炭素繊維複合材料のサンプルについてSEM(Scanning Electron Microscopy)による観察を行い、カーボンナノファイバーが分散されているか判断し、その結果を表1に示した。なお、表1においては、カーボンナノファイバーが均一に分散されている場合、「非常に良好」と記載し、カーボンナノファイバーがほぼ均一に分散されている場合、「良好」と記載した。
(7) Observation of carbon nanofiber dispersion state A sample of the carbon fiber composite material was observed by SEM (Scanning Electron Microscopy) to determine whether the carbon nanofibers were dispersed, and the results are shown in Table 1. In Table 1, “very good” is described when the carbon nanofibers are uniformly dispersed, and “good” is described when the carbon nanofibers are dispersed almost uniformly.

Figure 2006028410
Figure 2006028410

表1から、本発明の実施例1〜3によれば、以下のことが確認された。すなわち、カーボンナノファイバーを含む炭素繊維複合材料における150℃、250℃でのスピン−スピン緩和時間(T2nおよびT2nn/150℃、250℃)は、カーボンナノファイバーを含まない原料エラストマー単体の場合に比べて短い。また、カーボンナノファイバーを含む炭素繊維複合材料のサンプルにおける成分分率(fn/150℃、250℃)は、カーボンナノファイバーを含まないエラストマー単体(比較例1)の場合に比べて大きい。   From Table 1, according to Examples 1 to 3 of the present invention, the following was confirmed. That is, the spin-spin relaxation time (T2n and T2nn / 150 ° C., 250 ° C.) at 150 ° C. and 250 ° C. in the carbon fiber composite material containing carbon nanofibers is compared with that of the raw material elastomer alone not containing carbon nanofibers. Short. Moreover, the component fraction (fn / 150 degreeC, 250 degreeC) in the sample of the carbon fiber composite material containing carbon nanofiber is large compared with the case of the elastomer simple substance which does not contain carbon nanofiber (Comparative Example 1).

このことは、実施例1,2と比較例1とを比較することによりよくわかる。すなわち、本発明の実施例1,2では、炭素繊維複合材料のサンプルのスピン−スピン緩和時間(T2nおよびT2nn/150℃、250℃)は、比較例1の原料エラストマー単体の場合に比べてかなり短くなっている。そして、カーボンナノファイバーの含有割合が大きい実施例2では、実施例1の炭素繊維複合材料のサンプルのスピン−スピン緩和時間(T2nn/150℃、250℃)よりも短かった。このようなことから、炭素繊維複合材料のサンプルにおいて、実施例1〜3は、T2n、T2nnおよびfnの点で比較例1とは異なることが確認された。また、実施例1〜3の成分分率(fn/250℃)は、0.5以上であり、流動していないと判定された。   This can be clearly understood by comparing Examples 1 and 2 with Comparative Example 1. That is, in Examples 1 and 2 of the present invention, the spin-spin relaxation time (T2n and T2nn / 150 ° C., 250 ° C.) of the sample of the carbon fiber composite material is considerably higher than that of the raw material elastomer alone of Comparative Example 1. It is getting shorter. And in Example 2 with a large content ratio of carbon nanofibers, it was shorter than the spin-spin relaxation time (T2nn / 150 ° C., 250 ° C.) of the sample of the carbon fiber composite material of Example 1. Therefore, in the carbon fiber composite material sample, it was confirmed that Examples 1 to 3 differed from Comparative Example 1 in terms of T2n, T2nn, and fn. Moreover, the component fraction (fn / 250 degreeC) of Examples 1-3 was 0.5 or more, and it was determined that it was not flowing.

また、炭素繊維複合材料のサンプルを用いたE’およびTBの結果から、カーボンナノファイバーを含むことにより、本発明の実施例によれば、動的貯蔵弾性率および引張強度が向上し、カーボンナノファイバーにより著しい補強効果が得られることが確認された。このことは、実施例1,2とカーボンナノファイバーを含まない比較例1とを比較することによりよくわかる。特に、カーボンナノファイバーの割合が大きい実施例2では、動的貯蔵弾性率が向上していることがわかる。   In addition, from the results of E ′ and TB using a sample of carbon fiber composite material, by including carbon nanofibers, the dynamic storage elastic modulus and tensile strength are improved according to the example of the present invention. It was confirmed that a significant reinforcing effect was obtained with the fiber. This can be clearly seen by comparing Examples 1 and 2 with Comparative Example 1 that does not contain carbon nanofibers. In particular, it can be seen that in Example 2 where the proportion of carbon nanofibers is large, the dynamic storage elastic modulus is improved.

さらに、カーボンナノファイバーを含む炭素繊維複合材料のサンプルにおける流動温度は、カーボンナノファイバーを含まない原料エラストマー単体の場合に比べて高く、流動温度が300℃以上であることから、動的粘弾性の温度依存性が小さく、優れた耐熱性を有することがわかる。   Furthermore, the flow temperature in the sample of the carbon fiber composite material containing carbon nanofibers is higher than that of the raw material elastomer alone not containing carbon nanofibers, and the flow temperature is 300 ° C. or higher. It can be seen that the temperature dependency is small and the heat resistance is excellent.

また、比較例1では、カーボンナノファイバーを含まないので補強効果は認められなかった。   Moreover, in the comparative example 1, since the carbon nanofiber was not included, the reinforcement effect was not recognized.

実施例1〜3は、比較例1及び2に比べて、高温(100℃)における耐クリープ性が優れていることがわかった。比較例2はカーボンナノファイバーが比較的良好に分散しているが、実施例1〜3はエポキシ基によるカーボンナノファイバーとの相互作用によってより均一に分散するため、高温における耐クリープ性が向上することが確認された。なお、リサイクル性については、全てのサンプルで良好であった。   It turned out that Examples 1-3 are excellent in creep resistance in high temperature (100 degreeC) compared with Comparative Examples 1 and 2. In Comparative Example 2, the carbon nanofibers are relatively well dispersed, but in Examples 1-3, the creep resistance at high temperatures is improved because the carbon nanofibers are more uniformly dispersed by the interaction with the carbon nanofibers due to the epoxy groups. It was confirmed. Recyclability was good for all samples.

また、SEM(Scanning Electron Microscopy)観察によって、実施例1〜3の炭素繊維複合材料のサンプルは、比較例2のサンプルよりも、本エラストマー基材中にカーボンナノファイバーが互いに分離した状態でより均一に分散されていることが確認された。   In addition, as a result of SEM (Scanning Electron Microscopy) observation, the samples of the carbon fiber composite materials of Examples 1 to 3 are more uniform in the state where the carbon nanofibers are separated from each other than the sample of Comparative Example 2. It was confirmed that they were dispersed.

以上のことから、本発明によれば、一般に基材への分散が非常に難しいカーボンナノファイバーがエラストマーに均一に分散されることが明かとなり、高温における流動がなく、かつ高温における耐クリープ性の良好な熱可塑性エラストマー(炭素繊維複合材料)を得ることができることがわかった。したがって、リサイクル性に優れ、高温においても利用可能な熱可塑性エラストマーが得られることがわかった。   From the above, according to the present invention, it is clear that carbon nanofibers that are generally very difficult to disperse in the base material are uniformly dispersed in the elastomer, there is no flow at high temperature, and creep resistance at high temperature It has been found that a good thermoplastic elastomer (carbon fiber composite material) can be obtained. Therefore, it was found that a thermoplastic elastomer that is excellent in recyclability and can be used even at high temperatures can be obtained.

本実施の形態で用いたオープンロール法によるエラストマーとカーボンナノファイバーとの混練法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the kneading | mixing method of the elastomer and carbon nanofiber by the open roll method used in this Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 第1のロール
20 第2のロール
30 エラストマー
40 カーボンナノファイバー
10 first roll 20 second roll 30 elastomer 40 carbon nanofiber

Claims (19)

エラストマーと、該エラストマーに分散されたカーボンナノファイバーと、を含み、
前記エラストマーは、前記カーボンナノファイバーに対して親和性を有するエポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーである、炭素繊維複合材料。
An elastomer, and carbon nanofibers dispersed in the elastomer,
The carbon fiber composite material, wherein the elastomer is a styrene-based thermoplastic elastomer having an epoxy group having affinity for the carbon nanofibers.
請求項1において、
前記エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーは、分子量が5000ないし50万である、炭素繊維複合材料。
In claim 1,
The styrene thermoplastic elastomer having an epoxy group is a carbon fiber composite material having a molecular weight of 5000 to 500,000.
請求項1または2において、
前記エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーは、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって30℃で測定した、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒である、炭素繊維複合材料。
In claim 1 or 2,
The styrene-based thermoplastic elastomer having an epoxy group is a carbon fiber composite having a spin-spin relaxation time (T2n) of a network component of 100 to 3000 μsec, measured at 30 ° C. by a Hahn echo method using pulsed NMR. material.
請求項1ないし3のいずれかにおいて、
前記炭素繊維複合材料は、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって150℃で測定した、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は500ないし2000μ秒であり、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)は存在しないかあるいは5000ないし10000μ秒であり、前記第1のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fn)は0.9以上である、炭素繊維複合材料。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The carbon fiber composite material has a first spin-spin relaxation time (T2n) of 500 to 2000 μs measured by a Hahn echo method using pulsed NMR at 150 ° C., and a second spin-spin relaxation time. A carbon fiber composite material in which (T2nn) does not exist or is 5000 to 10,000 μsec, and the component fraction (fn) of the component having the first spin-spin relaxation time is 0.9 or more.
請求項1ないし4のいずれかにおいて、
前記炭素繊維複合材料の流動温度は、300℃以上である、炭素繊維複合材料。
In any of claims 1 to 4,
The carbon fiber composite material has a flow temperature of 300 ° C. or higher.
請求項1ないし5のいずれかにおいて、
前記スチレン系熱可塑性エラストマーは、スチレン−ブタジエンブロック共重合体であって、
前記エポキシ基は、前記スチレン−ブタジエンブロック共重合体の内、ブタジエンの二重結合をエポキシ化した、炭素繊維複合材料。
In any of claims 1 to 5,
The styrenic thermoplastic elastomer is a styrene-butadiene block copolymer,
The epoxy group is a carbon fiber composite material obtained by epoxidizing a double bond of butadiene in the styrene-butadiene block copolymer.
請求項1ないし6のいずれかにおいて、
前記スチレン系熱可塑性エラストマーは、エポキシ化率が0.001ないし10重量%である、炭素繊維複合材料。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
The styrene thermoplastic elastomer is a carbon fiber composite material having an epoxidation rate of 0.001 to 10% by weight.
請求項1ないし7のいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が0.5ないし500nmである、炭素繊維複合材料。
In any one of Claims 1 thru | or 7,
The carbon nanofiber is a carbon fiber composite material having an average diameter of 0.5 to 500 nm.
エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程を含み、
前記エラストマーは、前記カーボンナノファイバーに対して親和性を有するエポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーである、炭素繊維複合材料の製造方法。
Including dispersing carbon nanofibers in an elastomer by shearing force,
The method for producing a carbon fiber composite material, wherein the elastomer is a styrenic thermoplastic elastomer having an epoxy group having affinity for the carbon nanofibers.
請求項9において、
前記エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーは、分子量が5000ないし50万である、炭素繊維複合材料の製造方法。
In claim 9,
The method for producing a carbon fiber composite material, wherein the styrene-based thermoplastic elastomer having an epoxy group has a molecular weight of 5000 to 500,000.
請求項9または10のいずれかにおいて、
前記エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーは、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって30℃で測定した、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒である、炭素繊維複合材料の製造方法。
In any of claims 9 or 10,
The styrenic thermoplastic elastomer having an epoxy group is a carbon fiber composite having a spin-spin relaxation time (T2n) of a network component of 100 to 3000 μsec, measured at 30 ° C. by a Hahn echo method using pulse NMR. Material manufacturing method.
請求項9ないし11のいずれかにおいて、
前記スチレン系熱可塑性エラストマーは、スチレン−ブタジエンブロック共重合体であって、
前記エポキシ基は、前記スチレン−ブタジエンブロック共重合体の内、ブタジエンの二重結合をエポキシ化した、炭素繊維複合材料の製造方法。
In any of claims 9 to 11,
The styrenic thermoplastic elastomer is a styrene-butadiene block copolymer,
The said epoxy group is a manufacturing method of the carbon fiber composite material which epoxidized the double bond of butadiene among the said styrene-butadiene block copolymers.
請求項9ないし12のいずれかにおいて、
前記スチレン系熱可塑性エラストマーは、エポキシ化率が0.001ないし10重量%である、炭素繊維複合材料の製造方法。
In any one of claims 9 to 12,
The method for producing a carbon fiber composite material, wherein the styrenic thermoplastic elastomer has an epoxidation rate of 0.001 to 10% by weight.
請求項9ないし13のいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が0.5ないし500nmである、炭素繊維複合材料の製造方法。
In any of claims 9 to 13,
The carbon nanofiber is a method for producing a carbon fiber composite material having an average diameter of 0.5 to 500 nm.
請求項9ないし14のいずれかにおいて、
前記エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、ロール間隔が0.5mm以下のオープンロール法を用いて行われる、炭素繊維複合材料の製造方法。
In any of claims 9 to 14,
The step of dispersing carbon nanofibers in the styrenic thermoplastic elastomer having an epoxy group by a shearing force is performed using an open roll method having a roll interval of 0.5 mm or less, and a method for producing a carbon fiber composite material.
請求項15において、
前記オープンロール法は、2本のロールの表面速度比が1.05ないし3.00である、炭素繊維複合材料の製造方法。
In claim 15,
The open roll method is a method for producing a carbon fiber composite material in which the surface speed ratio of two rolls is 1.05 to 3.00.
請求項9ないし14のいずれかにおいて、
前記エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、密閉式混練法によって行われる、炭素繊維複合材料の製造方法。
In any of claims 9 to 14,
The method for producing a carbon fiber composite material, wherein the step of dispersing the carbon nanofibers in the styrenic thermoplastic elastomer having an epoxy group by a shearing force is performed by a closed kneading method.
請求項9ないし14のいずれかにおいて、
前記エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、多軸押出し混練法によって行われる、炭素繊維複合材料の製造方法。
In any of claims 9 to 14,
The method for producing a carbon fiber composite material, wherein the step of dispersing the carbon nanofibers in the styrenic thermoplastic elastomer having an epoxy group by a shearing force is performed by a multiaxial extrusion kneading method.
請求項9ないし18のいずれかにおいて、
前記エポキシ基を有するスチレン系熱可塑性エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、0ないし50℃で行われる、炭素繊維複合材料の製造方法。
In any of claims 9 to 18,
The method for producing a carbon fiber composite material, wherein the step of dispersing carbon nanofibers in the styrenic thermoplastic elastomer having an epoxy group by shearing force is performed at 0 to 50 ° C.
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