JP2009144158A - カーボンナノチューブ複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、カーボンナノチューブ複合材料の製造方法に関する。
【解決手段】本発明のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法は、カーボンナノチューブ構造体を提供する第一ステップと、液体の熱硬化性材料を提供する第二ステップと、前記液体の熱硬化性材料で前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬する第三ステップと、前記液体の熱硬化性材料に浸漬された前記カーボンナノチューブ構造体を固化し、カーボンナノチューブ複合材料を形成する第四ステップと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合材料の製造方法に関し、特にカーボンナノチューブ複合材料の製造方法に関するものである。

カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ, ＣＮＴ）は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員の飯島澄男よって１９９１年に発見された（非特許文献１を参照）。カーボンナノチューブは、大きなアスペクト比を有し、例えば、抗張強度が１．０×１０^５ＭＰａであり、ヤング率（ｙｏｕｎｇ'ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）が１．８×１０^５ＭＰａであることなどの独特の力学性能を有し、強酸、強アルカリに耐性を有し、６００℃以下の温度で酸化されない。また、カーボンナノチューブが優れた導熱の性能を有する。従って、該カーボンナノチューブを添加物として他の材料に複合することがカーボンナノチューブ応用の重要な方向になる。

従来の技術では、粒子を高分子材料に添加する方法でカーボンナノチューブ複合材料を製造する。カーボンナノチューブが凝集しやすいので、該カーボンナノチューブに表面改質し、機能化処理してから、溶液又は熔融方法を利用して、高分子材料に複合する。

カーボンナノチューブ複合材料を製造する方法は、下記のステップを含む。

ステップ（ａ）では、０．３重量％の多層カーボンナノチューブ粉末を１０重量％の濃硝酸に置き、１００℃の温度で２０時間も攪拌し、蒸留水で濃硝酸を洗ってから、９０℃の温度で真空の雰囲気で１０時間も乾燥する。

ステップ（ｂ）では、前記処理されたカーボンナノチューブを１０重量％のオキサリルクロリド（ｏｘａｌｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）に置き、９０℃の温度で１０時間も攪拌し、反応しないオキサリルクロリドを蒸発する。

ステップ（ｃ）では、前記処理されたカーボンナノチューブを氷浴に置き、攪拌し、１０重量％の乾燥するエチレンジアミン（ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ）を加入し、１００℃の温度で真空の雰囲気で１０時間も乾燥する。

ステップ（ｄ）では、前記処理されたカーボンナノチューブを２０重量％のアルコール溶剤に加入し、１５分間も超音波で処理してから、２重量％のエポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ）を加入し、高速で２０分間も攪拌し、前記溶剤を蒸発し、６０℃に加熱する。エポキシ樹脂のエポキシ基と固化剤のアミン基水素原子のモル比が１:１であるように、固化剤のフェニレンジアミン（ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ）を加入し、カーボンナノチューブを均一的に分散させる。

ステップ（e）では、前記複合物を金型に置き、８０℃に加熱し、２時間も固化してから、１５０℃の温度で２時間も固化し、カーボンナノチューブとエポキシ樹脂の複合材料を形成する。
Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、"Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ"、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、ｐ．５６ Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、カーボンナノチューブとエポキシ樹脂の複合材料の製造する過程において、カーボンナノチューブを前記高分子材料に良く分散させるために、カーボンナノチューブ粉末と高分子材料を混合し、カーボンナノチューブに表面修飾する必要がある。この表面修飾がカーボンナノチューブの構造をひどく破壊するので、カーボンナノチューブ複合材料の性能に影響を及ぼす。

カーボンナノチューブ複合材料の製造する過程において、溶剤を添加する必要があるが、該溶剤が除去されにくいので、製造されたカーボンナノチューブ複合材料の成分が不純になる。

前記カーボンナノチューブ複合材料におけて、該カーボンナノチューブが同一方向に沿って、配列しないので、該カーボンナノチューブの軸方向の性能を十分に発揮しなく、前記カーボンナノチューブ複合材料の性能に影響を及ぼす。

前記カーボンナノチューブ複合材料の製造方法は、該カーボンナノチューブに表面修飾し、添加剤で該カーボンナノチューブを分散させる必要があるので、工程が複雑で、コストが高い。

従って、本発明は、優れた性能を有するカーボンナノチューブ複合材料の製造方法を提供する。該製造方法は簡単で、コストが低い。

カーボンナノチューブ複合材料の製造方法は、カーボンナノチューブ構造体を提供する第一ステップと、液体の熱硬化性材料を提供する第二ステップと、前記液体の熱硬化性材料で前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬する第三ステップと、前記液体の熱硬化性材料に浸漬された前記カーボンナノチューブ構造体を固化し、カーボンナノチューブ複合材料を形成する第四ステップと、を含む。

前記第一ステップは、超配列カーボンナノチューブアレイを提供する第一サブステップと、前記超配列カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす第二サブステップと、前記カーボンナノチューブフィルムを利用して前記カーボンナノチューブ構造体を製造する第三サブステップと、を含む。

前記熱硬化性材料は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂及びポリメタクリル酸メチル樹脂の一種又は幾種の混合物である。

前記第三ステップにおいて、前記液体の熱硬化性材料で前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬する方法が、注入浸漬方法又は直接浸漬方法を含む。

前記第三ステップは、前記カーボンナノチューブ構造体を金型に配置する第一サブステップと、前記液体の熱硬化性材料を容器に置き、該容器を真空の雰囲気にしてから、該液体の熱硬化性材料に圧力を印加する第二サブステップと、前記液体の熱硬化性材料を前記金型に注入し、前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬させる第三サブステップと、含む。

前記真空の雰囲気の真空度は、‐０．０９Ｍｐａ以下であり、前記圧力が０．００１Ｍｐａ〜１０Ｍｐａである。

前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬する時間は、１０分間以上である

前記第四ステップにおいて、前記液体の熱硬化性材料に浸漬された前記カーボンナノチューブ構造体を、１００時間以内で、４００℃以下の温度に徐々に加熱する第一サブステップと、加熱された前記カーボンナノチューブ構造体を室温に下げて、カーボンナノチューブ複合材料を形成する第二サブステップと、を含む。

従来のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法と比べると、本発明のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法において、カーボンナノチューブ構造体が液体の熱硬化性材料と複合するので、カーボンナノチューブに表面修飾する必要はなく、該カーボンナノチューブの構造が破壊されることがなく、カーボンナノチューブ複合材料の性能を高める。前記カーボンナノチューブ構造体を製造する過程において、添加剤を使用する必要がないので、製造されたカーボンナノチューブ複合材料が不純物を含まなく、性能が良い。前記製造方法は簡単で、コストが低くなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（実施形態１）
図１及び図２を参照すると、本実施形態は、カーボンナノチューブ複合材料の製造方法を提供する。該製造方法は下記のステップを含む。

第一ステップでは、自立構造を有するカーボンナノチューブ構造体１２を提供する。ここで、自立構造というものは、別の支持部材が利用されず、前記構造体が独立な構造を保持するものである。

まず、カーボンナノチューブアレイを提供し、該カーボンナノチューブアレイが超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２を参照）であることが好ましい。

本実施形態において、前記超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積（ＣＶＤ）法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材を提供し、該基材はＰ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材及び酸化フィルムが形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施形態において、４インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、前記基材の表面に、均一的に触媒フィルムを形成する。該触媒フィルムの材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその両種以上の合金のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒フィルムが形成された基材を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイを成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは１００マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材に垂直するように生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いので、部分のカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残りの触媒となる金属粒子などの不純物を含まなくなる。

本実施形態において、前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。

本実施形態から提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもいい。

次に、前記カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす。

ステップ（ａ）では、前記カーボンナノチューブアレイには、所定の幅を有する複数のカーボンナノチューブセグメントを選択する。本実施形態において、所定の幅を有するテープで前記カーボンナノチューブアレイに接着し、所定の幅を有する複数のカーボンナノチューブセグメントを選択するようになる。ステップ（ｂ）では、所定の速度でカーボンナノチューブアレイが生長された方向に垂直する方向に沿って、前記複数のカーボンナノチューブセグメントを引き伸ばし、連続するカーボンナノチューブフィルムを形成する。

前記引き伸ばす過程において、複数のカーボンナノチューブセグメントが引っ張り力で引き伸ばされた方向に沿って、前記基材から離れ、同時に分子間力で選択された複数のカーボンナノチューブセグメント及び他のカーボンナノチューブセグメントは、端と端が接続され、連続のカーボンナノチューブフィルムを形成する。該カーボンナノチューブフィルムは、選択的な方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブが端と端が接続され、所定の幅を有するカーボンナノチューブフィルムである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは相互に平行し、配列された方向がカーボンナノチューブフィルムの引き伸ばされた方向に平行する。

前記カーボンナノチューブフィルムの幅は、カーボンナノチューブアレイが成長された基板に非常に関係する。本実施形態において、ＣＶＤ法で４インチのシリコン基材に超配列カーボンナノチューブアレイを成長し、該カーボンナノチューブアレイを引き伸ばし、カーボンナノチューブフィルムを形成するから、該カーボンナノチューブフィルムの幅が０．０１センチメートル〜１０センチメートルでとなる。該カーボンナノチューブフィルムの長さに制限はなく、実際の応用に応じて製造することができる。該カーボンナノチューブフィルムの厚さは、０．０１マイクロメートル〜１００マイクロメートルである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、該単層カーボンナノチューブの直径は、０．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、該二層カーボンナノチューブの直径は、１.０ナノメートル〜５０ナノメートルである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、該多層カーボンナノチューブの直径は、１．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。

最後に、前記カーボンナノチューブフィルムでカーボンナノチューブ構造体１２を製造する。

前記カーボンナノチューブ構造体１２は、一枚のカーボンナノチューブフィルムだけを含む。この場合、一枚の該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが同一の方向に沿って配列されている。或いは、前記カーボンナノチューブ構造体１２は、少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムを含む。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°〜９０°の角度で交叉している。

図２を参照すると、本実施形態におけるカーボンナノチューブ構造体１２は、第一カーボンナノチューブフィルム１２１、第二カーボンナノチューブフィルム１２２、第三カーボンナノチューブフィルム１２３、第四カーボンナノチューブフィルム１２４が積層されてなる。各カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが同一の方向に沿って配列される。隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°〜９０°の角度（０°を含まず）で交叉し、複数の微孔構造に形成されている。単一の前記微孔構造の直径は１ナノメートル〜５００ナノメートルである。

前記カーボンナノチューブ構造体１２の製造方法について説明する。

まず、第一カーボンナノチューブフィルム１２１、第二カーボンナノチューブフィルム１２２、第三カーボンナノチューブフィルム１２３及び第四カーボンナノチューブフィルム１２４を製造する。次に、該第一カーボンナノチューブフィルム１２１、該第二カーボンナノチューブフィルム１２２、該第三カーボンナノチューブフィルム１２３及び該第四カーボンナノチューブフィルム１２４を積層する。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、０°〜９０°の角度（０°を含まず）を成す。本実施形態において、前記第二カーボンナノチューブフィルム１２２におけるカーボンナノチューブの配列する方向を、それぞれ、前記第三カーボンナノチューブフィルム１２３及び前記第四カーボンナノチューブフィルム１２４におけるカーボンナノチューブの配列する方向と９０°の角度を成させる。前記第三カーボンナノチューブフィルム１２３おけるカーボンナノチューブの配列する方向を、それぞれ、前記第二カーボンナノチューブフィルム１２２及び前記第四カーボンナノチューブフィルム１２４におけるカーボンナノチューブの配列する方向と９０°の角度を成させる。

さらに、前記カーボンナノチューブ構造体１２を有機溶剤で処理することができる。有機溶剤で前記カーボンナノチューブ構造体１２を処理する方法を、下記に説明する。

試験管で有機溶剤を前記カーボンナノチューブ構造体１２の表面に滴下させ、該カーボンナノチューブ構造体１２を浸漬する。或いは、前記カーボンナノチューブ構造体１２を有機溶剤を詰めた容器に浸漬する。該有機溶剤は、揮発性有機溶剤であり、アルコール、メチルアルコール、アセトン、ジクロロエタン、クロロホルムの一種又は幾種の混合物である。本実施形態において、アルコールを利用して前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬することにより、該アルコールの表面張力作用で、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが収縮する。従って、該カーボンナノチューブ構造体１２は、比表面積が小さくなり、接着性がなくなり、優れた機械強度と強靱性を有する。

第二ステップでは、液体の熱硬化性材料１４を提供する。

前記液体の熱硬化性材料１４の製造方法は、下記のような工程を含む。

まず、高分子材料を容器に置き、３００℃以下の温度で該高分子材料を加熱し、攪拌し、該高分子材料を均一的に混合させる。攪拌する時間は高分子材料の種類及び質量により、決められる。

次に、添加物を前記高分子材料に添加し、化学反応を行わせる。

最後に、３００℃以下の温度で、前記添加物が混合された高分子材料を加熱し、攪拌し、該高分子材料と前記添加物とを均一的に混合させ、液体の熱硬化性材料１４を形成する。攪拌する時間は高分子材料と添加物との種類及び質量により、決められる。

前記液体の熱硬化性材料１４の粘度が５パスカル秒(Ｐａ・ｓ)より低く、室温で該粘度を３０分時間以上も保持することができる。該液体の熱硬化性材料１４を加熱することにより、固体の熱硬化性高分子の材料を形成することができる。

前記熱硬化性高分子の材料１４は、７０〜９５重量％の高分子材料と５〜３０重量％の添加物とを含む。該添加物は固化剤、改質剤、添加剤及び稀釈剤などの一種又は幾種の混合物である。

前記高分子材料は、フェノール樹脂（ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｒｅｓｉｎ）、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂（ｂｉｓｍａｌｅｉｄｅ ｒｅｓｉｎ）、トリアジン樹脂（ｔｒｉａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ）、ポリイミド樹脂（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ ｒｅｓｉｎ）及びポリメタクリル酸メチル樹脂（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）などの一種又は幾種の混合物である。

前記固化剤は、前記液体の熱硬化性材料１４の固化を促進することに用いられる。該固化剤は、脂肪酸アミン（ａｌｉｐｈａｔｉｃ ａｍｉｎｅ）、芳香族アミン（ ａｒｏｍａｔｉｃ ａｍｉｎｅ）、環式脂肪族アミン（ｃｙｃｌｉｃ ａｌｉｐｈａｔｉｃ ａｍｉｎｅｓ）、ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、無水酸（ａｃｉｄ ａｎｈｙｄｒｉｄｅ）及び第三級アミン(ｔｅｒｔｉａｒｙ ａｍｉｎｅｓ)などの一種又は幾種の混合物である。

前記改質剤は、熱硬化性高分子の材料１４の柔軟性及び絶縁性などの性能を改善することに用いられる。該改質剤は、多硫化ゴム（ｐｏｌｙｓｕｌｆｉｄｅ ｒｕｂｂｅｒ）、ポリアミド樹脂（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ ｒｅｓｉｎ）及びアクリロニトリルゴム（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ ｒｕｂｂｅｒ）などの一種又は幾種の混合物である。

前記添加剤は、前記液体の熱硬化性材料１４を固化する熱を伝導することに用いられ、熱硬化性高分子の材料の用量を減少することができる。前記添加剤は、石綿繊維（ａｓｂｅｓｔｏｓ ｆｉｂｅｒ）、ガラス繊維（ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ）、石英粉末（ｑｕａｒｔｚ ｐｏｗｄｅｒ）及び酸化アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ）などの一種又は幾種の混合物である。

前記稀釈剤は、樹脂の粘度を低くして、樹脂の浸透性を改善することに用いられる。前記稀釈剤は、ジグリシジルエーテル（ｄｉｇｌｙｃｉｄｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ポリグリシジルエーテル（ｐｏｌｙｇｌｙｃｉｄｙｌ ｅｔｈｅｒ）及びアリルフェノール（ａｌｌｙｌｐｈｅｎｏｌ）などの一種又は幾種の混合物である。

本実施形態において、エポキシ樹脂で前記液体の熱硬化性材料１４を製造する。まず、グリシジルエーテル基エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ ｏｆ ｇｌｙｃｉｄｙｌ ｅｔｈｅｒ）と酢酸グリシジルエポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ ｏｆ ｇｌｙｃｉｄｙｌ ｅｓｔｅｒｓ）の混合物を容器に置き、３０℃〜６０℃に加熱し、攪拌し、該混合物を均一にする。次に、脂肪酸アミンとジグリシジルエーテルとを前記均一的な混合物に添加し、化学反応させる。最後に、化学反応した前記混合物を３０℃〜６０℃に加熱し、エポキシ樹脂を含む液体の熱硬化性材料１４を形成する。該液体の熱硬化性材料１４は、透明で、均一的な黄色の液体である。

第三ステップでは、前記液体の熱硬化性材料１４で前記カーボンナノチューブ構造体１２を浸漬する。

まず、図３のように示す製造装置１００を提供する。該製造装置１００は、原料供給装置２０と、原料投入装置３０と、金型４０と、原料排出装置５０とを含む。

前記原料供給装置２０は、原料を収納する容器２０１を含み、該容器２０１が排気口２０２と加圧口２０３とを含む。前記排気口２０２は、前記容器２０１のガスを排気し、該容器２０１を真空にすることに用いられる。前記加圧口２０３は、前記容器２０１に収納された原料に圧力を印加することに用いられる。

前記原料投入装置３０は、バルブ３０１と注入口３０２とを含み、該バルブ３０１が原料の投入を制御することに用いられ、該注入口３０２が原料を前記金型４０に注入することに用いられる。

前記金型４０は、第一金型４０１と第二金型４０２とを含む。複合材料を形成してから、前記金型から離型することを容易にするために、前記第一金型４０１と前記第二金型４０２との表面に離型剤が塗布される。該離型剤は、高温の離型剤、有機硅の離型剤又は蝋の離型剤であり、前記熱硬化性高分子の材料１４によって異なる。

前記原料排出装置５０は、バルブ５０１と排出口５０２とを含む。前記バルブ５０１は、原料の排出を制御することに用いられ、前記排出口５０２は、前記製造装置から原料を排出することに用いられる。

次に、前記カーボンナノチューブ構造体１２を前記金型４０に配置する。

前記金型４０の第一金型４０１と第二金型４０２との表面に離型剤を均一的に塗布する。前記カーボンナノチューブ構造体１２を前記第二金型４０２に置く。前記第一金型４０１を前記第二金型４０２に配置し、該第一金型４０１と該第二金型４０２とを当たらせる。密封素子又は密封剤で前記金型４０を密封する。

前記液体の熱硬化性材料１４を前記容器２０１に置く。該容器２０１のガスを排気し、該容器２０１を真空にしてから、該液体の熱硬化性材料１４に圧力を印加する。

前記原料投入装置３０のバルブ３０１と前記原料排出装置５０のバルブ５０１とを閉じる。前記液体の熱硬化性材料１４を前記容器２０１に置く。前記原料供給装置２０の排気口２０２を通じて、該容器２０１のガスを排気し、真空度を‐０．０９Ｍｐａ以下にならせて、該真空度で少なくとも、１０分間も保持し、前記液体の熱硬化性材料１４に混合された空気を十分に排気する。前記原料供給装置２０の加圧口２０３を通じて、前記容器２０１に収納された液体の熱硬化性材料１４に圧力を印加する。施与される圧力は０．００１Ｍｐａ〜１０Ｍｐａである。

最後に、前記液体の熱硬化性材料１４を前記金型４０の中に注入し、前記カーボンナノチューブ構造体１２を浸漬するようになる。

前記原料投入装置３０のバルブ３０１と前記原料排出装置５０のバルブ５０１とを開ける。前記液体の熱硬化性材料１４は、圧力の作用で前記容器２０１から前記原料投入装置３０を通じて、前記金型４０に注入され、前記カーボンナノチューブ構造体１２を浸漬する。

前記液体の熱硬化性材料１４の粘度が低く、前記カーボンナノチューブ構造体１２におけるカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列され、隣接するカーボンナノチューブの間に所定の隙間があるから、前記液体の熱硬化性材料１４が、隣接するカーボンナノチューブの間に形成された隙間に良く浸漬することができる。従って、製造されたカーボンナノチューブ複合材料１０が優れた性能を有する。前記カーボンナノチューブ構造体１２を前記液体の熱硬化性材料１４に十分に浸漬させるために、１０分間以上の浸漬時間が必要である。残された液体の熱硬化性材料１４を、前記原料排出装置５０の排出口５０２を通じて、流し出す。液体の熱硬化性材料１４を流すことにより、前記カーボンナノチューブ構造体１２における隣接するカーボンナノチューブの間の隙間に残された空気を十分に排除できる。従って、該カーボンナノチューブ複合材料１０の構造の欠点を防止することができる。

前記液体の熱硬化性材料１４で前記カーボンナノチューブ構造体１２を浸漬する方法は、上述の注入方法に制限されず、該カーボンナノチューブ構造体１２を前記液体の熱硬化性材料１４に浸漬することができる。

第四ステップでは、前記液体の熱硬化性材料１４に浸漬された前記カーボンナノチューブ構造体１２を固化し、カーボンナノチューブ複合材料１０を形成する。

まず、前記カーボンナノチューブ構造体１２を加熱する。

前記原料投入装置３０のバルブ３０１と前記原料排出装置５０のバルブ５０１とを閉じる。加熱装置を利用して、前記金型４０を加熱し、徐々に温度を上昇させて、前記液体の熱硬化性材料１４を固化させる。前記液体の熱硬化性材料１４を固化する過程において、温度を速く高める場合、前記液体の熱硬化性材料１４が速く凝集し、材料の性能が悪くなる恐れがある。従って、前記液体の熱硬化性材料１４を固化するには、徐々に温度を上昇させる必要がある。前記液体の熱硬化性材料１４の固化温度と固化時間は、前記高分子材料及び添加物の種類と質量により、決められる。前記液体の熱硬化性材料１４の固化温度が４００℃以下であり、固化時間が１００時間以下である。前記加熱装置は、加熱板、熱プレス機及び平板硫化機の一種である。

次に、徐々に加熱された前記カーボンナノチューブ構造体１２の温度を室温に下げて、カーボンナノチューブ複合材料１０を形成する。

前記液体の熱硬化性材料１４が固化され、成型されてから、前記金型４０の温度を室温に下げて、離型し、カーボンナノチューブ複合材料１０を形成する。

本実施形態において、エポキシ樹脂を含む熱硬化性高分子の材料１４の固化方法は、下記の工程を含む。

第一工程では、加熱装置を利用して、前記金型４０を５０℃〜７０℃に加熱するが、該温度においては前記熱硬化性高分子の材料１４は液体である。該熱硬化性高分子の材料１４に熱を吸収させ続け、固化度を増やすために、該熱硬化性高分子の材料１４を該温度で１時間〜３時間も保持する。

第二工程では、前記金型４０を８０℃〜１００℃に加熱し、該熱硬化性高分子の材料１４に熱を吸収させ続け、固化度を増やすために、該熱硬化性高分子の材料１４を該温度で１時間〜３時間も保持する。

第三工程では、前記金型４０を１１０℃〜１５０℃に加熱し、該熱硬化性高分子の材料１４に熱を吸収させ続け、固化度を増やすために、該熱硬化性高分子の材料１４を該温度で２時間〜２０時間も保持する。

第四工程では、前記金型４０の温度を室温に下げて、離型し、カーボンナノチューブ複合材料１０を形成する。

図４を参照すると、本実施形態は、カーボンナノチューブ複合材料１０を提供する。該カーボンナノチューブ複合材料１０は、熱硬化性高分子の材料１４及びカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブがカーボンナノチューブ構造体１２の形式で均一的に前記熱硬化性高分子の材料１４に配置される。

本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブ複合材料の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブ構造体の構造を示す図である。 本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブ複合材料の製造装置の構造を示す図である。 本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブ複合材料の構造を示す図である。

符号の説明

１０ カーボンナノチューブ複合材料
１２ カーボンナノチューブ構造体
１４ 熱硬化性高分子の材料
２０ 原料供給装置
３０ 原料投入装置
４０ 金型
５０ 原料排出装置
１００ 製造装置
１２１ 第一カーボンナノチューブフィルム
１２２ 第二カーボンナノチューブフィルム
１２３ 第三カーボンナノチューブフィルム
１２４ 第四カーボンナノチューブフィルム
２０１ 容器
２０２ 排気口
２０３ 加圧口
３０１ 原料投入装置のバルブ
３０２ 注入口
４０１ 第一金型
４０２ 第二金型
５０１ 原料排出装置のバルブ
５０２ 排出口

Claims (8)

1. カーボンナノチューブ構造体を提供する第一ステップと、
   液体の熱硬化性材料を提供する第二ステップと、
   前記液体の熱硬化性材料で前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬する第三ステップと、
   前記液体の熱硬化性材料に浸漬された前記カーボンナノチューブ構造体を固化し、カーボンナノチューブ複合材料を形成する第四ステップと、
   を含むことを特徴とするカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
2. 前記第一ステップが、
   超配列カーボンナノチューブアレイを提供する第一サブステップと、
   前記超配列カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす第二サブステップと、
   前記カーボンナノチューブフィルムを利用して前記カーボンナノチューブ構造体を製造する第三サブステップと、を含むことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
3. 前記熱硬化性材料は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂及びポリメタクリル酸メチル樹脂の一種又は幾種の混合物であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
4. 前記第三ステップにおいて、
   前記液体の熱硬化性材料で前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬する方法が、注入浸漬方法又は直接浸漬方法を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
5. 前記第三ステップが、
   前記カーボンナノチューブ構造体を金型に配置する第一サブステップと、
   前記液体の熱硬化性材料を容器に置き、該容器を真空の雰囲気にしてから、該液体の熱硬化性材料に圧力を印加する第二サブステップと、
   前記液体の熱硬化性材料を前記金型に注入し、前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬させる第三サブステップと、
   を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
6. 前記真空の雰囲気の真空度は、‐０．０９Ｍｐａ以下であり、前記圧力が０．００１Ｍｐａ〜１０Ｍｐａであることを特徴とする、請求項５に記載のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
7. 前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬する時間は、１０分間以上であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。
8. 前記第四ステップにおいて、
   前記液体の熱硬化性材料に浸漬された前記カーボンナノチューブ構造体を、１００時間以内で、４００℃以下の温度に徐々に加熱する第一サブステップと、
   加熱された前記カーボンナノチューブ構造体を室温に下げて、カーボンナノチューブ複合材料を形成する第二サブステップと、
   を含むことを特徴とする、請求項1から７のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ複合材料の製造方法。

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