JP2007008745A - 複合素材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 凝集性を有する固形材料であっても、他の素材との均一分散性に優れる複合素材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る複合素材の製造方法は、温度変化によって性状（粘性）が変化する物質の水溶液を作成する工程と、該水溶液の粘性が低い段階で、該水溶液に微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料を添加し、分散させる工程と、該固形材料を分散させた水溶液をゲル化させ、さらに凍結させる工程と、凍結物を解凍する工程と、解凍され、水分と分離した固形分を分離する工程と、分離された固形分を乾燥させる工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、凝集性を有する固形材料が均一に分散された複合素材およびその製造方法に関する。

カーボンナノファイバーは優れた導電性、熱伝導性、摺動性等の特性を有するので、多くの用途に使用される。
ところで、このカーボンナノファイバーは極めて微細な繊維状をなし、それ自体凝集性を有するので、扱いにくく、特に他の素材との複合素材とした場合に、該他の素材中への分散性に劣るという課題がある。
例えば、他の素材中に超音波を印加して均一に分散させることができたとしても、しばらく静置すると再凝集し、沈殿してしまうという課題がある。

本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、凝集性を有する固形材料であっても、他の素材との均一分散性に優れる複合素材およびその製造方法を提供することを課題とする。

本発明に係る複合素材の製造方法は、温度変化によって性状（粘性）が変化する物質の水溶液を作成する工程と、該水溶液の粘性が低い段階で、該水溶液に微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料を添加し、分散させる工程と、該固形材料を分散させた水溶液をゲル化させ、さらに凍結させる工程と、凍結物を解凍する工程と、解凍され、水分と分離した固形分を分離する工程と、分離された固形分を乾燥させる工程とを含むことを特徴とする。

前記固形材料が凝集性を有するものであることを特徴とする。
前記固形材料がカーボンナノファイバーであることを特徴とする。
前記温度変化によって性状が変化する物質の水溶液がシルク水溶液、寒天水溶液、またはこれらの混合水溶液であることを特徴とする。

また、本発明に係る複合素材は、微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料がシルクにより被覆された状態で、かつシルク中に分散されていることを特徴とする。
また、微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料が寒天により被覆された状態で、かつ寒天中に分散されていることを特徴とする。
また、微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料がシルクおよび寒天の混合物質により被覆された状態で、かつ該混合物質中に分散されていることを特徴とする。
また、前記固形材料がそれ自体凝集性を有するものであることを特徴とする。
前記固形材料がカーボンナノファイバーであることを特徴とする。

本発明に係る複合素材の製造方法によれば、温度変化によって性状（粘性）が変化する物質の水溶液に、該水溶液の粘性が低い段階で、微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料を添加し、分散させ、次いで該固形材料を分散させた水溶液をゲル化させ、さらに凍結させるようにしたので、該固形材料の分散性を維持することができる。ついで凍結物を解凍する。シルク水溶液等の蛋白質水溶液、あるいは多糖類の水溶液は、温度変化によって、固形状、ゲル状、ゾル状に性状が変化する。特に、凍結後、解凍するとその性状は大きく変化し、水分と分離してくる。上記固形材料が均一に分散されたこの固形分を分離し、乾燥することによって、固形材料が均一に分散された複合素材を得ることができる。
これらの複合素材は、例えば焼成することによって炭素複合素材として多方面に利用が可能となる。

本発明ではまず、シルク水溶液、寒天水溶液、ゼラチン水溶液など、温度変化によって性状（粘性）が変化する物質の水溶液を製造する。
以下ではシルク水溶液を例に説明する。
シルク水溶液は、絹素材を中性塩水溶液に溶解させて作成する。具体的には、絹素材を９０℃程度の高温に加熱した塩化カルシウム水溶液に添加して溶解させ、シルク水溶液を作製する。この場合、エタノール等のアルコールや塩酸等の酸を適宜量添加してもよい。

次にこのシルク水溶液の脱塩処理を行う。脱塩処理は、シルク水溶液をセルロース等の透析膜で形成されたチューブに収容し、このシルク水溶液を収容したセルロースチューブを純水が満たされた容器に浸漬して透析を行うことでなされる。容器内の純水は常に一定量補給され、交換されるようにするとよい。

次に、上記水溶液にカーボンナノファイバーを添加し、超音波を印加して分散させる。カーボンナノファイバーの添加量は特に限定されないが、０．１〜１０ｗｔ％程度が好適である。
次いで、シルク水溶液を６０℃程度にまで加温してゲル状に再結晶化させる。ゲル状のシルク水溶液は粘性が増大しているので、均一に分散されたカーボンナノファイバーは再凝集を起こすことなく、分散性が維持される。
なお、カーボンナノファイバーと同時に、シルク水溶液にセリシン等のシルク水溶液に溶解可能な成分を添加し、該成分を溶解させた後シルク水溶液を再結晶化させるようにしてもよい。

次に、ゲル状に再結晶化させたシルク水溶液を凍結させる。
次いで、この凍結させたシルク水溶液を解凍するのである。解凍は室温で行える。
蛋白質は熱変性する。すなわち、ゾル状のシルク水溶液を加温することによってゲル状に再結晶化する。そして、凍結させた後、解凍することによって、ゾル状には戻らず、水分と熱変性した蛋白成分（固形分）とがシャーベット状に分離してくるのである。この固形分中に、固形分によって被覆された状態でカーボンナノファイバーが均一に分散している。

解凍されてシャーベット状をなす解凍物を吸引ろ過して固形分を分離する。この分離は容易に行える。
次いで分離した固形分を乾燥処理する。これにより、カーボンナノファイバーがシルクにより被覆された状態で、かつシルク中に均一に分散された複合素材を得ることができる。なお、この複合素材を粉砕して、粉体状として用いるようにすることもできる。
これら複合素材を例えば焼成して複合炭素素材として種々の用途に好適に用いることができる。
なお、上記では凝集性固形材料としてカーボンナノファイバーを例に挙げたが、カーボンブラック等の、微細粉体状、微細繊維状をなすものを固形材料とすることができる。

上記ではシルク水溶液を用いたが、他の蛋白水溶液、寒天水溶液等の多糖類水溶液や、ゼラチン水溶液、あるいはこれらの混合水溶液を用いることもできる。
寒天水溶液の場合、９０℃程度の高温でゾル状となるので、この粘性の低い段階で固形材料を添加し、分散させるようにする。
次いで、冷却することによってゲル状となる。さらに冷却して凍結した後、解凍するのである。
寒天の場合も凍結し、解凍することによってその性状は大きく変化し、固形分と水分が分離してくる。この固形分をろ過して分離し、次いで乾燥させることによって、固形材料が粉末寒天で被覆され、かつ粉末寒天中に均一に分散された複合素材をえることができる。この複合素材は必要に応じて粉末状に粉砕して用いるようにしてもよい。

実施例１
６０ｗｔ％塩化カルシウム水溶液１００ｍｌを９０℃まで加熱し、絹１０ｇを投入して溶解させた。
得られたシルク水溶液を、セルロースチューブに入れ、そのまま純水の中に投入して４８時間放置して脱塩処理をした。水は常に一定量が交換されるようにしておく。得られたシルク水溶液に多層のカーボンナノファイバーを混合し超音波をかけて分散させた後、６０℃に加熱して再結晶化させた。さらに−１０℃で３時間かけて凍結させたあと、室温で解凍させた。得られた混合水溶液を、吸引ろ過でろ過した。ろ紙上に残った混合物（固形分）を８０℃下で乾燥させて、カーボンナノファイバーが粉末シルクにより被覆された状態で、かつ粉末シルク中に均一に分散された複合素材を得ることができた。

実施例２
精標水１００ｍｌを９０℃まで加熱し、粉末寒天３ｇを投入して溶解させた。
得られた寒天水溶液に、二層のカーボンナノファイバー混合し超音波をかけて分散させた後分際させた後、冷却し固まらせた。さらに−１０℃で３時間かけて凍結させたあと、室温で解凍させた。得られた寒天水溶液を、吸引ろ過でろ過した。ろ紙上に残った固形分を８０℃下で乾燥させて、カーボンナノファイバーが粉末寒天により被覆された状態で、かつ粉末寒天中に均一に分散された複合素材を得ることができた。

実施例３
１０％シルクアミノ酸水溶液１００ｍｌを９０℃まで加熱し、粉末寒天３ｇを投入して溶解させた。
得られたシルク寒天水溶液に、二層のカーボンナノファイバー混合し超音波をかけて分散させた後、冷却し固まらせた。さらに−１０℃で３時間かけて凍結させたあと、室温で解凍させた。得られたシルク寒天水溶液を、吸引ろ過でろ過した。ろ紙上に残った固形分を８０℃下で乾燥させて、カーボンナノファイバーが粉末シルクおよび粉末寒天により被覆された状態で、かつ粉末シルクおよび粉末寒天中に均一に分散された複合素材を得ることができた。

Claims (9)

1. 温度変化によって性状（粘性）が変化する物質の水溶液を作成する工程と、
   該水溶液の粘性が低い段階で、該水溶液に微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料を添加し、分散させる工程と、
   該固形材料を分散させた水溶液をゲル化させ、さらに凍結させる工程と、
   凍結物を解凍する工程と、
   解凍され、水分と分離した固形分を分離する工程と、
   分離された固形分を乾燥させる工程とを含むことを特徴とする複合素材の製造方法。
2. 前記固形材料が凝集性を有するものであることを特徴とする請求項１記載の複合素材の製造方法。
3. 前記固形材料がカーボンナノファイバーであることを特徴とする請求項２記載の複合素材の製造方法。
4. 前記温度変化によって性状が変化する物質の水溶液がシルク水溶液、寒天水溶液、またはこれらの混合水溶液であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の複合素材の製造方法。
5. 微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料がシルクにより被覆された状態で、かつシルク中に分散されていることを特徴とする複合素材。
6. 微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料が寒天により被覆された状態で、かつ寒天中に分散されていることを特徴とする複合素材。
7. 微細粉状もしくは微細繊維状の固形材料がシルクおよび寒天の混合物質により被覆された状態で、かつ該混合物質中に分散されていることを特徴とする複合素材。
8. 前記固形材料がそれ自体凝集性を有するものであることを特徴とする請求項５〜７いずれか１項記載の複合素材。
9. 前記固形材料がカーボンナノファイバーであることを特徴とする請求項７記載の複合素材。