JP2009161709A - 炭素繊維複合材料の製造方法及び炭素繊維複合金属材料の製造方法並びに多孔質体の炭素繊維複合金属材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の炭素繊維複合材料の製造方法は、工程(a)と工程(b)とを含む。工程(a)は、エラストマーと、金属の粒子と、カーボンナノファイバーと、を混合し、かつ剪断力によってカーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて第1の複合材料を得る。工程(b)は、第1の複合材料を混練し、金属の粒子を剪断力によってエラストマー中で溶融状態としてカーボンナノファイバーの少なくとも一部を金属中に入り込ませて炭素繊維複合材料を得る。
【選択図】図6
Description
前記第1の複合材料を混練し、金属の粒子を剪断力によってエラストマー中で溶融状態としてカーボンナノファイバーの少なくとも一部を金属中に入り込ませて炭素繊維複合材料を得る工程(b)と、
を含むことを特徴とする。
まず、炭素繊維複合材料に用いられるエラストマーについて説明する。
エラストマーは、室温でゴム弾性を有する、天然ゴム、合成ゴム、熱可塑性エラストマーから選択することができ、工程(c)において分解気化するためには未架橋のまま用いることが好ましい。エラストマーは、重量分子量が好ましくは5000〜500万、さらに好ましくは2万〜300万である。エラストマーの分子量がこの範囲であると、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、エラストマーは、カーボンナノファイバーを分散させるために良好な弾性を有している。エラストマーは、粘性を有しているので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、さらに弾性を有することによってカーボンナノファイバー同士を分離することができるため好ましい。
次に、金属の粒子について説明する。
金属の粒子は、カーボンナノファイバーの少なくとも一部が金属中に入り込むことでカーボンナノファイバーの移動を制限するためのものである。また、工程(a)においてエラストマー中に混合し、分散させておいて、カーボンナノファイバーを混合させるときにカーボンナノファイバーをさらに良好に分散させるものであると共に、工程(c)において炭素繊維複合金属材料を製造する際の原料となるものである。金属の粒子としては、第1の複合材料を混練した際の剪断力によって溶融する金属であって、例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄及びそれらの合金などの粒子を単体でもしくは組み合わせて用いることができるが、製造時の扱い易さからアルミニウムもしくはアルミニウム合金が好ましい。金属の粒子は、使用するカーボンナノファイバーの平均直径よりも大きい平均粒径であることが好ましい。また、金属の粒子の平均粒径は1μm〜500μm、好ましくは10μm〜300μmであることができる。なお、金属の粒子の平均粒径は、市販の場合はメーカの公表する粒径であってもよいし、電子顕微鏡による粒径の実測値を平均して求めてもよい。また、金属の粒子の形状は、球形粒状に限らず、混合時に金属の粒子のまわりに乱流状の流動が発生する形状であれば平板状、りん片状であってもよい。
次に、カーボンナノファイバーについて説明する。
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い。さらに、カーボンナノファイバーは、ストレート繊維状であっても、湾曲繊維状であってもよく、平均直径は電子顕微鏡による繊維径の実測値を平均して求めることが好ましい。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、例えば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。
次に、炭素繊維複合材料の製造方法について図1〜図3を用いて詳細に説明する。
図1及び図2は、オープンロール法による工程(a)を模式的に示す図である。
まず、エラストマーと、金属の粒子と、カーボンナノファイバーと、を混合し、かつ剪断力によって該カーボンナノファイバーを該エラストマー中に分散させて第1の複合材料を得る工程(a)について説明する。
図3は、オープンロール法による工程(b)を模式的に示す図である。第1のロール10と第2のロール20とのロール間隔dを、好ましくは0.5mm以下、より好ましくは0.1〜0.3mmの間隔に設定し、工程(b)で得られた第1の複合材料60をオープンロールに投入して第1のロール10に巻きつけ、工程(a)の薄通しよりも強い剪断力で混練を5分〜60分が好ましく、さらに好ましくは10分〜40分行なう。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、1.5〜10であることが好ましく、さらに2〜6であることが好ましい。したがって、例えば第1のロール10の回転数が30rpmであるとき、第2のロール20の回転数が3rpm〜20rpm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、所望の強剪断力を得ることができる。工程(b)では、エラストマー中で金属の粒子が狭いロール間を通るときに高い剪断力を受けることによって自身の剪断発熱で例えば部分的に溶融状態になると推測できる。金属の粒子が溶融するために、ロールの温度制御を行なわないことが好ましく、剪断発熱によってロール温度が上昇する場合にも、ロールの温度制御を行なう場合にも、混練されている第1の複合材料60の実測温度が例えば100℃〜200℃になることが好ましい。このように工程(b)の混練の間に、自身の剪断発熱によって溶融した金属の粒子にカーボンナノファイバーの少なくとも一部が入り込むと推測できる。そして、オープンロールから取り出されたときにはカーボンナノファイバーがエラストマー中に均一に分散した状態でありながら、カーボンナノファイバーの少なくとも一部が固化した金属相中に入り込んだ状態となる。炭素繊維複合材料における金属相は、ロール間を通る際に剪断によって変形し溶融した金属の粒子が固化したものである。
次に、第1の複合材料と炭素繊維複合材料について説明する。
第1の複合材料は、エラストマー中に金属の粒子とカーボンナノファイバーとが均一に分散している。炭素繊維複合材料は、エラストマー中にカーボンナノファイバーが均一に分散し、かつカーボンナノファイバーの少なくとも一部が金属相中に入り込んでいる。炭素繊維複合材料中の金属相は、第1の複合材料中の金属の粒子が工程(b)において例えば小さく分離したり、他の金属の粒子と圧着や溶融によって連結したり、単純に変形したりすることによって形成されると推測される。
次に、工程(b)で得られた炭素繊維複合材料を熱処理し、炭素繊維複合材料中に含まれるエラストマーを分解気化させて炭素繊維複合金属材料を得る工程(c)について説明する。
工程(c)で得られた多孔質体の炭素繊維複合金属材料は、カーボンナノファイバーの少なくとも一部が金属相中に延在すると共に、金属相を覆うようにカーボンナノファイバーが配置している。金属相は、工程(b)において変形した金属粒子であり、例えば多数の金属相がカーボンナノファイバーによって連結したり、金属相同士が連結したり、エラストマーの炭化物によって連結した多孔質体である。すなわち、カーボンナノファイバーと金属相は、カーボンナノファイバーの一部が金属相中に入り込んでいる箇所だけでなく、金属相同士が例えば圧着などによって連結したり、工程(c)で分解気化しなかったエラストマーの炭化物によって連結している。炭素繊維複合金属材料におけるカーボンナノファイバーは、例えば工程(a)によって凝集塊の無い状態に均一に分散したままであり、金属相の表面を3次元に広がる網目状に覆うことができる。
(実施例1〜5、比較例1)
(1)多孔質体の炭素繊維複合金属材料の作製
工程(a):ロール径が6インチのオープンロールに、表1に示す所定量(100g)のエラストマー(100重量部(phr))を投入して、ロールに巻き付かせた。エラストマーに、表1に示す量(重量部)の金属の粒子を投入した。次に、金属の粒子を含むエラストマーに、表1に示す量(重量部)のカーボンナノファイバーを投入し混練した後、混合物をロールから取り出した。このとき、ロール温度は20℃に冷却制御し、ロール間隙は1.5mm、ロールの表面速度比は1.1(ロール回転数は22rpm:20rpm)、混練時間は30分であった。このときの混練圧力(ロール回転数比÷ロール間隔)は0.7であり、混練強度(ロール回転数比×混練時間(分)÷ロール間隔)は22であった。なお、投入したエラストマー、金属の粒子及びカーボンナノファイバーの詳細については後述する。
ロール間隙を1.5mmから0.1mmと狭くして、混合物を再びオープンロールに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1.2(ロール回転数は24rpm:20rpm)とした。薄通しは繰り返し3回行い、薄通しによる混練時間は0.25分であった。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、分出して無架橋体の第1の複合材料を得た。
なお、実施例1〜5及び比較例1において、エラストマーとして天然ゴム(表1では「NR」と記載した)、金属の粒子として平均粒径50μmの純アルミニウム粒子(99.7%がアルミニウム)、炭素繊維複合金属成形品を成形する際の還元剤として平均粒径50μmのマグネシウム粒子、カーボンナノファイバーとして直径(繊維径)がILJIN社製の平均直径が13nmのマルチウォールカーボンナノチューブ(表1には「CNT13」と記載した)と、実測平均直径87nmで平均長さ約10μmの気相成長法で製造したマルチウォールカーボンナノチューブ(表1では「気相炭素87nm」と記載した)と、実測平均直径156nmの昭和電工社製の気相成長炭素繊維「VGCF(昭和電工社の登録商標)」(表1では「気相炭素156nm」と記載した)と、を用いた。
実施例及び比較例の各無架橋体サンプルについて、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1H、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℃であった。この測定によって、第1の複合材料及び炭素繊維複合材料の無架橋体サンプルの第1スピン−スピン緩和時間(T2n)と、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)と、第2のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fnn)と、を求めた。なお、原料エラストマー単体については、観測核が1H、測定温度が30℃の場合における原料エラストマー単体の第1スピン−スピン緩和時間(T2n)は700μ秒であった。実施例1〜3における第1の複合材料の無架橋体サンプルの第1スピン−スピン緩和時間(T2n/150℃)は1070μ秒、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn/150℃)は1630μ秒、第2のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fnn/150℃)は0.139であった。実施例4における第1の複合材料の無架橋体サンプルの第1スピン−スピン緩和時間(T2n/150℃)は1200μ秒、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn/150℃)は1880μ秒、第2のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fnn/150℃)は0.166であった。実施例5における第1の複合材料の無架橋体サンプルの第1スピン−スピン緩和時間(T2n/150℃)は1240μ秒、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn/150℃)は1950μ秒、第2のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fnn/150℃)は0.178であった。
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
42 金属の粒子
50 混合物
60 第1の複合材料
d ロール間隔
V1 第1のロールの表面速度
V2 第2のロールの表面速度
Claims (9)
- エラストマーと、金属の粒子と、カーボンナノファイバーと、を混合し、かつ剪断力によって該カーボンナノファイバーを該エラストマー中に分散させて第1の複合材料を得る工程(a)と、
前記第1の複合材料を混練し、金属の粒子を剪断力によってエラストマー中で溶融状態としてカーボンナノファイバーの少なくとも一部を金属中に入り込ませて炭素繊維複合材料を得る工程(b)と、
を含む、炭素繊維複合材料の製造方法。 - 請求項1において、
前記工程(b)は、ロール間隔が0.5mm以下のオープンロール法を用いて5分〜30分行われる、炭素繊維複合材料の製造方法。 - 請求項2において、
前記工程(b)は、前記ロール間隔が0.1mm〜0.3mmであって、ロール表面速度比が2〜10である、炭素繊維複合材料の製造方法。 - 請求項2または3において、
前記工程(b)における炭素繊維複合材料の最高温度が100℃〜200℃になる、炭素繊維複合材料の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれかにおいて、
前記金属は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金である、炭素繊維複合材料の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれかにおいて、
前記第1の複合材料は、パルス法NMRを用いてソリッドエコー法によって観測核が1H、150℃で測定した、無架橋体における、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は100ないし3000μ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1000ないし10000μ秒であり、前記第2のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fnn)は0.2未満である、炭素繊維複合材料の製造方法。 - 請求項6において、
前記工程(b)で得られた炭素繊維複合材料のパルス法NMRを用いてソリッドエコー法によって観測核1H、150℃で測定した、無架橋体における、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、前記第1の複合材料の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)よりも長い、炭素繊維複合材料の製造方法。 - 請求項1〜7のいずれかにおいて得られた前記炭素繊維複合材料を熱処理し、前記炭素繊維複合材料中に含まれるエラストマーを分解気化させて炭素繊維複合金属材料を得る工程(c)をさらに含む、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
- カーボンナノファイバーの少なくとも一部が金属相中に延在すると共に、前記金属相を覆うようにカーボンナノファイバーが配置された多孔質体の炭素繊維複合金属材料。
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