JP2009535530A - ナノ補強材を用いた複合材料中に用いられる補強繊維トウの修飾 - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に記載のナノ補強材を用いて、トウおよびヤーンを含む種々の繊維を補強してもよい。ナノ補強を行うことができる繊維トウまたはヤーンの種類は、以下のものを含む。
炭素繊維は、適当な繊維の制御された熱分解によって得られ、少なくとも90%の炭素を含有する繊維と表現することができる。たとえば、炭素繊維は、商用および民間の航空機市場、レクリエーション市場、産業用市場および運輸市場において用いられる。炭素繊維は、典型的には、強度、剛性、比較的小さい質量、疲労抵抗性、高温抵抗性、化学的不活性または高い減衰特性を必要とする用途において用いられる複合材料中に存在することができる。
炭素繊維トウに加えて、本明細書に記載のナノ補強材を用いて、他の繊維のトウを補強することができる。それらの例は、EガラスおよびSガラスのようなガラス繊維、Kevlarのようなアラミド繊維を含む。それらファイバーは、ボロン繊維であることができ、および、熱可塑性物質または他の有機繊維のように、ポリマーから形成することができる。
炭素繊維は脆い傾向がある可能性があり、それらを取り扱う際に何らかの保護または潤滑を必要とする恐れがある。それら繊維を、炭素繊維を保護するために選択される「サイズ材料」(「サイズ剤」または単に「サイズ」としても知られる)を用いて、「サイジング処理」することができる。理想的には、サイズ材料は、安定した取り扱い性を提供し、加工装置上に何らの残渣も積み重ならないように選択される。さらに、サイズ材料は、好ましくは、炭素繊維と、取扱中に接触する任意の点との間の摩擦も増大させず、かつ繊維バンドル中への樹脂の侵入も妨害しない。
本明細書に記載される繊維トウまたはヤーンを修飾するのに用いることができる多くの種類のナノ補強材が存在する。その例は、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバー、グラフェンシート、フラーレン類、ナノ粒子およびナノワイヤーを含む。
経済的観点から、よりコストの高いシングルウォールカーボンナノチューブよりも、カーボンナノファイバー(マルチウォールカーボンナノチューブ)が好ましい。ただし、伝導率は著しく小さい。カーボンナノチューブは、純粋であるか、または官能基化することができ、および金属被覆またはポリシロキサン修飾することもできる。ポリシロキサン被覆が付着される際には、理想的には、全繊維質量あたり少なくとも約1%のポリシロキサンが存在することができる。
銅メッキ浴を用いる電着プロセスを用いて、カーボンナノチューブ−銅複合材料粉末を調製することができる。その浴は、均一に分散されたカーボンナノチューブを含有する。スパイク状(spiky)の球構造を有する複合材料の粒子を、電気メッキの初期段階中にメッキ電極上に集積し、および分離して、カーボンナノチューブ−銅粉末を製造することができる。本発明においては、ナノチューブを銅粒子中に埋め込んでもよい。
当該技術において知られている技術を用いて、銀のような金属でカーボンナノチューブを被覆してもよい。金属導電性10,10アームチェア構造のシングルウォールナノチューブ、あるいは金属被覆されたナノチューブまたは繊維を、たとえばミクロンサイズの繊維トウまたはヤーン中で用いて、EMIシールドまたは落雷保護のための導電性を改善することができる。これらの修飾された繊維トウまたはヤーンは、それらトウまたはヤーンから調製され、得られる複合材料の熱伝導性もまた改善することができる。
10,10構造のカーボンナノチューブは、銅に近い抵抗率を有することができ、かつ銅の1/6の軽さであることができる。好ましくは、これらのカーボンナノチューブを面内に整列させて、電気を伝導することができる。種々の方法によってナノチューブを整列させてもよい。機械的、化学的および磁気的方法を用いて、ナノチューブを整列させることができる。たとえば、ナノチューブを接着剤と混合し、被覆される繊維トウまたはヤーンの上に押し出すことができる。供給スクリューを振動させて、流れ方向への繊維トウまたはヤーンの整列を改善することができる。ナノチューブを官能基化して、それそれのナノチューブの尾部(tail)または頭部(head)を反応させて、(脂質二重層の集合と同様に)自己集合するようにすることができる。これは、ナノチューブの装填量の最適化して、ナノチューブが互いに引きつけあうようにすると同時に、エポキシが実質的にプロセスを妨害しないことをも保証することを必要とする。最後に、ナノチューブの一端にニッケル粒子が付着するように、ナノチューブを調製することができる。第一鉄の合金のナノ粒子と、(ニッケル粒子を伴う)カーボンナノチューブとを接着剤、プライマーまたは塗料に添加し、磁界にさらして、ナノチューブを整列させることができる。
カーボンナノチューブまたは他のナノ粒子を修飾して、それらの抵抗率を減少させてもよい。カーボンナノチューブの端部または側面に金属原子を結合することによって、電子の経路を増大またはより効率的にして、それらの抵抗率を低下させる。これらの修飾ナノチューブを面内に配向させることができ、あるいは二相(two-phase)ポリマー内部で用いることができる。
1つまたは複数層のグラフェン面を有するナノスケールグラフェン板(NGP)は、一般的にグラファイトナノ小板(GNP)と呼ばれる。グラファイトフレークは、通常、超音波エネルギーを用いて薄片状にされ、薄片化のレベルは音波発生(sonification)時間を調整することによって制御することができる。
同様に、金属ナノロッド、ナノワイヤーまたはナノストランド(以後、「ナノワイヤー」と総称する)を、補強材材料として用いてもよい。高い伝導性のために、銅、銀、またはアルムニウムが好ましいであろう。金属ナノワイヤーを、樹脂に直接添加することができる。金属に加えて、ケイ素を含む他の元素を用いることができる。同様に、酸化ケイ素、酸化チタンのような二元化合物、および酸化ケイ素チタン、銀−銅合金などのような複雑化合物のナノ粒子を用いてもよい。また、球形態のナノ粉末を用いてもよい。理想的には、ナノ粒子は繊維トウまたはヤーンバンドル内部に埋め込まれて、トウまたはヤーンを所定の位置に機械的に固定する。
フラーレン類は、炭素の同素体の群の範疇である。フラーレン類は、全てが炭素で構成され、中空の球体、楕円体またはチューブの形態にある分子であると説明することができる。時として、球形のフラーレン類は「バッキーボール」と呼ばれ、および円筒状のフラーレン類は「バッキーチューブ」と呼ばれる。フラーレン類は、結合した6員環のシートで構成されるグラファイトと構造的に類似する。しかしながら、フラーレン類は、シートが平面状になるのを妨げる5員環(または、時として7員環)を含む。
本明細書に記載のナノ補強材材料を、繊維トウまたはヤーンに対して適用してもよい。1つの実施形態において、ナノ補強材材料を熱可塑性材料粉末で被覆し、次いで、繊維トウまたはヤーンに対して静電吹付される。別の実施形態において、ナノ補強材材料は、液体(たとえば、接着剤、サイズ剤またはそれらの組み合わせを含み、溶媒を含む溶液)中へと混合され、次いで、それを繊維トウまたはヤーン上へと吹き付けられる。いずれの実施形態においても、(ポリアクリロニトリル)PAN前駆体から誘導されるミクロンサイズのカーボンファイバー(すなわち、(ポリアクリロニトリル)PANの炭素化の後)に対して、ナノ補強材材料を導入してもよい。
本明細書に記載される1つの実施形態において、カーボンナノチューブまたはナノファイバーに対して、ナノ補強材材料を付着させてもよい。粉末被覆の前に、機械的(たとえば振動プラテン)または電気的手段を用いて、それらカーボンナノチューブまたはナノファイバーをトウまたはヤーン中への堆積のために整列させることができる。あるいはまた、熱可塑性材料でナノチューブまたはナノファイバーを粉末被覆し、次いでナノチューブまたはナノファイバーを整列させることもできる。
同様に、液体媒質を用いてナノ補強材を付着することができる。1つの実施形態において、それら材料を液体溶液中に添加し、そして繊維トウまたはヤーン上へと吹き付けられるか、または注ぎ掛けられる。溶液は、溶媒を含み、および任意選択的にサイズ剤および接着剤を含むこともできる。その液体を、移動するトウまたはヤーンに付着してもよい。任意選択的に、特殊(たとえば、回転、振動など)ノズル、溝付きフィーダー、プラテンまたはそれらの組み合わせを用いて、ナノ補強材液体を付着してもよい。
得られるナノ補強された繊維トウまたはヤーンを成形して、構造用途のための高強度複合材料とすることができる。たとえば、慣用の方法(たとえば、プリプレグのレイアップ(lay-uup)、トウプレグ(towpreg)、フィラメント巻き取り、樹脂トランスファー成形、繊維配置など)を用いて、ナノ補強された繊維トウまたはヤーンを、熱硬化性または熱可塑性ポリマーのいずれかを用いる複合材料へと加工することができる。
ナノ補強された繊維トウまたはヤーンを用いて、それらトウまたはヤーン自身を用いて一般的に形成される複合材料の事実上全てを調製することができる。その例は、航空工業分野および原子核工業分野の製品、一般的工業分野および輸送分野の製品、ベアリング、ギア、カム、ファンブレード、自動車車体のような工業部品、建築および建造産業の製品、ならびに自動車、船舶、ジェネラルアビエーション用内装、一般的娯楽および音楽用機器、アフターマーケット輸送製品における装飾用要素を含む。また、エレクトロニクス技術において、繊維トウまたはヤーンを用いて伝導性を提供することができる。
本明細書に記載されるトウおよびヤーンを含むナノ補強された繊維を用いて、落雷防護用の複合材料を形成することができる。本明細書で用いられる際に、落雷防護用の複合材料は、航空機産業および航空宇宙産業において用いられるものを含む種々の構造物の落雷からの保護を提供する。種々の耐空証明機関が、航空機製造が満たさなければならない標準を宣言または実践している。落雷の確率および落雷によって発生する雷電流の予想強度に基づいて、種々の機関が、各々の航空機のための別個の可能性がある落雷領域、およびこれら領域内の構造物およびシステムが抵抗力を持たなければならない予想電流波形を指定している。これらは、一般的に、航空機産業において知られているように、領域(Zones)1Aおよび1B、領域2Aおよび2B、および領域3として識別される。
カーボンファイバーを、金属的伝導率を有するシングルウォールカーボンナノチューブ(10,10アームチェア構造)約5〜約20質量%で補強する。次に、この繊維を製織して、航空機構造物用の落雷防護のための複合材料構造物の頂部層としての使用のための織布を得る。また、この層は、複合材料構造物の増大した強度、剛性および熱伝導率を提供する。
約2〜約8質量%のカーボンナノファイバーを用いて、カーボンファイバーを補強する。カーボンナノファイバーは、シランまたは有機シラン仕上げ剤で被覆されるか、またはポリシロキサンを含有する。次いで、その繊維を製織して織布にするか、一方向編成(uniweave)かプリプレグ化してテープとし、増大された強度、剛性および耐火性を有する航空機構造物用の複合材料構造物を提供する。
カーボンファイバーを、金属的伝導率を有するシングルウォールカーボンナノチューブ約5〜約20質量%、または金属ナノワイヤーまたはナノ粉末約10〜約60質量%で補強する。これらの繊維を製織して、航空機構造物の湿式レイアップ(lay-up)補修としての使用のための織布とする。この層は頂部表面上で用いられて、航空機構造物用のワイヤースクリーンの追加層を用いることなしに、落雷材料の補修を提供する。
Claims (67)
- 約0.1〜約20質量%の1つまたは複数のナノ補強材材料を含むことを特徴とするカーボンファイバー。
- 約2〜約8質量%の1つまたは複数のナノ補強材材料を含むことを特徴とする請求項1に記載のファイバー。
- 前記ナノ補強材材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェンシート、ナノワイヤー、元素のナノ粒子、二元化合物のナノ粒子、および複雑化合物のナノ粒子から選択されることを特徴とする請求項1または2に記載のファイバー。
- 前記ナノ補強材材料は、分散、付着または多機能性を補助するために、サイジング処理、または金属被覆、または熱可塑性材料被覆されていることを特徴とする請求項1に記載のファイバー。
- 前記カーボンナノチューブは、10,10構造であることを特徴とする請求項3に記載のファイバー。
- 前記ファイバーが炭素、ガラス、アラミドまたはポリマー繊維を単独または組み合わせで含むことを特徴とする請求項1に記載のファイバー。
- 多数のファイバーがバンドルされてトウまたはヤーンを形成していることを特徴とする請求項1から6にいずれかに記載のファイバー。
- 前記ファイバーがサイジング処理されていることを特徴とする請求項7に記載のファイバー。
- 前記ファイバーがサイジング処理されていないことを特徴とする請求項7に記載のファイバー。
- 前記ナノ補強材材料が、前記トウまたはヤーン中で整列されていることを特徴とする請求項7に記載のファイバー。
- 前記繊維トウは、1つまたは複数の炭素、ガラス、アラミドおよびポリマー繊維を単独または組み合わせて含むことを特徴とする請求項10に記載のファイバー。
- ナノ補強材材料に対して粉末被覆を適用する工程と、
被覆されたナノ補強材材料を1つまたは複数のファイバーに導入する工程と
を含むことを特徴とするナノ補強されたカーボンファイバーを作製するための方法。 - 前記ファイバーは、1つまたは複数の炭素、ガラス、アラミドおよびポリマー繊維を単独または組み合わせて含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記ナノ補強材材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェンシート、フラーレン類、ナノ粒子、またはナノワイヤーの1つまたは複数を含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記粉末被覆が熱可塑性材料であることを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記粉末被覆が接着剤であることを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 多数のファイバーがバンドルされてトウまたはヤーンを形成することを特徴とする請求項12から16にいずれかに記載の方法。
- 前記ファイバーがサイジング処理されていることを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 前記ファイバーがサイジング処理されていないことを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 前記トウ内で前記ナノ補強材材料を整列させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。
- 前記繊維トウは、1つまたは複数の炭素、ガラス、アラミドおよびポリマー繊維を単独または組み合わせて含むことを特徴とする請求項20に記載の方法。
- 1つまたは複数のファイバー中に前記ナノ補強材材料を導入した後に、前記ファイバーを加熱または加圧する工程、あるいはその組み合わせをさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブは、10,10構造であることを特徴とする請求項14に記載の方法。
- 液体溶液中にナノ補強材材料を懸濁させる工程と、
1つまたは複数のファイバーに対して前記溶液を吹き付けて、前記1つまたは複数のファイバーに前記材料を接着する工程と
を含むことを特徴とするナノ補強されたカーボンファイバーを作製するための方法。 - 前記ファイバーは、1つまたは複数の炭素、ガラス、アラミドおよびボロン繊維を単独または組み合わせて含むことを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 前記ナノ補強材材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェンシート、フラーレン類、ナノ粒子、またはナノワイヤーの1つまたは複数を含むことを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 吹付の後に、前記ファイバーを加熱または加圧する工程、またはそれらの組み合わせをさらに含むことを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 液体溶媒は、溶媒、接着剤、または繊維サイジング剤、またはそれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項24に記載の方法。
- エポキシ樹脂が炭素繊維のためのサイズ剤として機能することを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 前記吹付が静電的であることを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 多数のファイバーがバンドルされてトウまたはヤーンを形成することを特徴とする請求項24から30にいずれかに記載の方法。
- 前記ファイバーがサイジング処理されていることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記ファイバーがサイジング処理されていないことを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記トウ内で前記ナノ補強材材料を整列させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブは、10,10構造であることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記繊維トウは、1つまたは複数の炭素、ガラス、アラミドおよびポリマー繊維を単独または組み合わせて含むことを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 少なくとも1つのカーボンファイバーを提供する工程であって、前記カーボンファイバーは、約0.1〜約20質量%の1つまたは複数のナノ補強材材料を含む工程と、
前記ファイバーを樹脂で含浸する工程と、
樹脂を含浸されたファイバーを成形する工程と、
前記樹脂を硬化させる工程と
を含むことを特徴とする複合材料を形成するための方法。 - 前記ナノ補強材材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェンシート、フラーレン類、ナノ粒子、またはナノワイヤーの1つまたは複数を含むことを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 前記ファイバーは、1つまたは複数の炭素、ガラス、アラミドおよびポリマー繊維を単独または組み合わせて含むことを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 樹脂を含浸させる前に、前記ファイバーは製織、編成、または縫製されることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 樹脂を含浸させる前に、カーボンファイバーまたはカーボンナノチューブが整列されることを特徴とする請求項38に記載の方法。
- 少なくとも1つのカーボンファイバーを提供する工程であって、前記カーボンファイバーは、約0.1〜約20質量%の1つまたは複数のナノ補強材材料を含む工程と、
ファイバートウの状態にある前記ファイバーを熱可塑性材料で含浸する工程と、
熱可塑性材料を含浸させたファイバーを成形する工程と、
前記樹脂を固化する工程と
を含むことを特徴とする複合材料を形成するための方法。 - 前記ナノ補強材材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェンシート、フラーレン類、ナノ粒子、またはナノワイヤーの1つまたは複数を含むことを特徴とする請求項42に記載の方法。
- 前記ファイバーは、1つまたは複数の炭素、ガラス、アラミドおよびポリマー繊維を単独または組み合わせて含むことを特徴とする請求項42に記載の方法。
- 熱可塑性材料を含浸させる前に、前記ファイバーは製織、編成、または縫製されることを特徴とする請求項42に記載の方法。
- 熱可塑性材料を含浸させる前に、カーボンファイバーまたはカーボンナノチューブが整列されることを特徴とする請求項42に記載の方法。
- 請求項1に記載のファイバーを含むことを特徴とする複合材料。
- 前記ファイバーは、1つまたは複数の炭素、ガラス、アラミドおよびポリマー繊維を単独または組み合わせて含むことを特徴とする請求項47に記載の複合材料。
- 請求項47に記載の複合材料を含むことを特徴とする製品。
- 該製品は、航空機および航空機部品、自動車部品、建築材料、スポーツ用品、航空宇宙用アンテナおよび支持構造物、望遠鏡、光学台、導波路、工具、ケーシング、電子装置用の基材、EMIおよびRFシールド、ブラシ、人工器官、手術およびX線器具、インプラント、繊維用機械、バルブ、シール、ポンプ部品、発電機用の止め輪、放射線機器、濾過材料、電極、高性能衣類用帯電防止繊維、および補強材料からなる群から選択されることを特徴とする請求項49に記載の製品。
- 該製品は、航空機エンジンにおける使用のためのナセルおよびその部品から選択されることを特徴とする請求項49に記載の製品。
- 少なくとも1つのカーボンファイバーを含み、該ファイバーが約5〜約20質量%のナノ補強材材料を含むことを特徴とする、複合材料構造物用の落雷防護材料。
- ナノチューブ補強材が、金属的伝導率を示すことを特徴とする請求項52に記載の材料。
- 約10〜60質量%の金属ナノワイヤーまたはナノ粉末を含むことを特徴とする請求項52に記載の材料。
- 前記ナノ補強材材料は、少なくとも1つの、金属的伝導率を有するシングルウォールカーボンナノチューブを含むことを特徴とする請求項52に記載の材料。
- 前記カーボンナノチューブは、10,10構造であることを特徴とする請求項55に記載の材料。
- 前記ファイバーを製織して、航空機構造物の湿式積層(lay-up)補修としての使用のための織布とされていることを特徴とする請求項52に記載の材料。
- 少なくとも1つの補強されたカーボンファイバーを含み、該ファイバーは、落雷のエネルギーを消散させるための表面抵抗率を有するナノ補強材材料を含むことを特徴とする航空機または航空機部品用の複合材料。
- 前記ナノ補強材材料は、少なくともカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、グラフェン小板、金属ナノロッド、金属ナノワイヤー、または金属ナノストランドを含むことを特徴とする請求項58に記載の材料。
- 前記カーボンファイバーはカーボンナノファイバーで補強され、該カーボンナノファイバーは、約2〜約8質量%含まれることを特徴とする請求項59に記載の材料。
- 前記カーボンファイバーは、シラン、または有機シラン仕上げ剤、またはポリシロキサンで被覆されていることを特徴とする請求項58に記載の材料。
- 前記カーボンファイバーは製織されて織布、一方向編物またはテープを形成していることを特徴とする請求項58に記載の材料。
- キャリアをさらに含むことを特徴とする請求項58に記載の材料。
- 前記キャリアは、熱硬化物、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマーまたはそれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項63に記載の材料。
- 少なくとも1つの絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項58に記載の材料。
- 前記絶縁層はガラスファイバーを含むことを特徴とする請求項65に記載の材料。
- 複数の補強されたファイバーがバンドルされてトウまたはヤーンを形成していることを特徴とする請求項58から66のいずれかに記載の材料。
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