JP2012161965A - ダイヤモンド微粒子を含有するダイヤモンド−樹脂複合材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】樹脂にメジアン径2〜250 nmのダイヤモンド微粒子を分散させてなるダイヤモンド-樹脂複合材料を製造する方法であって、スクリュー長さLとスクリュー直径D0との比L/D0が30以上である二軸押出機を用いて、前記二軸押出機に前記樹脂及び前記ダイヤモンド微粒子を供給してから押出すまでの滞留時間が1〜30分の条件で溶融混練することを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明の方法により得られるダイヤモンド-樹脂複合材料は、樹脂中にダイヤモンド微粒子が均一に分散した複合材料であり、ダイヤモンド微粒子を溶融混練により樹脂中に分散させることによって得られる。
本発明の方法で用いる樹脂は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴム、エラストマー等の加熱溶融により溶融混練が可能な樹脂であれば特に限定されるものではない。
熱可塑性樹脂としては、例えばポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン系樹脂(ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等)、シクロオレフィン樹脂、ノルボルネン系樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ乳酸樹脂、ポリスルホン樹脂、四フッ化ポリエチレン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリチオエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリスチレン樹脂やABS樹脂等のスチレン系樹脂、SBR等のゴム質重合体、ポリアルキレンオキサイド樹脂等が挙げられる。
熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、エピスルフィド樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、チオウレタン樹脂、芳香族炭化水素ポリマー(ポリ-p-フェニレン、ポリ-p-キシレン)、芳香族複素環状ポリマー(ポリヒダントイン、ポリパラバン酸、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリオキサジアゾール、ポリキノキサリン)、熱硬化型耐熱性ポリマー(スチリルピリジン系樹脂、シナート系樹脂)を挙げることができる。これらの熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂と同様に加熱することにより均一の溶融物を得ることができる。上記樹脂はいずれも汎用の公知物質であり、使用するに際しては市販品を購入して使用することができる。
本発明の方法において、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の樹脂以外にも、エラストマー及びゴムを使用することができる。エラストマー及びゴムとしては、ジエン系ゴム及びその水素添加物(NR、IR、エポキシ化天然ゴム、SBR、BR(高シスBR及び低シスBR)、NBR、水素化NBR、水素化SBR等)、オレフィン系ゴム(エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、EPM等のエチレンプロピレンゴム)、マレイン酸変性エチレンプロピレンゴム(M-EPM)、IIR、イソブチレンと芳香族ビニル又はジエン系モノマー共重合体、アクリルゴム(ACM)、アイオノマー等)、含ハロゲンゴム(Br-IIR、CI-IIR、イソブチレンパラメチルスチレン共重合体の臭素化物(Br-IPMS)、CR、ヒドリンゴム(CHR)、クロロスルホン化ポリエチレン(CSM)、塩素化ポリエチレン(CM)、マレイン酸変性塩素化ポリエチレン(M-CM)等)、シリコンゴム(メチルビニルシリコンゴム、ジメチルシリコンゴム、メチルフェニルビニルシリコンゴム等)、含イオウゴム(ポリスルフィドゴム等)、フッ素ゴム(ビニリデンフルオライド系ゴム、含フッ素ビニルエーテル系ゴム、テトラフルオロエチレン-プロピレン系ゴム、含フッ素シリコン系ゴム、含フッ素ホスファゼン系ゴム等)、ウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム、エラストマー (スチレン系エラストマー 、オレフィン系エラストマー 、エステル系エラストマー 、ウレタン系エラストマー 、ポリアミド系エラストマー)等を挙げることができる。
ダイヤモンド微粒子は、2〜250 nmのメジアン径を有するものであれば一次粒子であっても二次粒子であってもよく、特に爆射法で得られたナノダイヤモンドが好ましい。爆射法で得られた未精製のナノダイヤモンドは、ナノサイズのダイヤモンド粒子の表面をグラファイト系炭素が覆ったコア/シェル構造を有しており、黒く着色している。このまま用いても良いが、より着色の少ないダイヤモンド-樹脂複合材料を得る場合は、未精製のナノダイヤモンドを含む微粒子を酸化処理し、前記グラファイト相の一部又はほぼ全部を除去して用いるのが好ましい。ナノダイヤモンド中に含まれる鉄等の不純物は、ダイヤモンドの酸化を促進するので、できるだけ除去するのが好ましい。
(1)ダイヤモンド微粒子の製造
(a) 爆射法
爆射法によるダイヤモンド微粒子の合成は、水及び/又は氷の存在下で爆薬を爆発させて行うウエット法、水及び/又は氷を使用しないで空冷するドライ法等があるが、本発明では爆射法であればどの方法を採用しても良い。ウエット法としては、例えば、氷でできた容器中に充填した爆薬[例えば、TNT(トリニトロトルエン)/HMX(シクロテトラメチレンテトラニトラミン)=50/50]を、耐圧容器のほぼ中央部に配置し、前記耐圧容器の壁面に水を流しながら爆裂させる方法を挙げることができる。この方法において、反応生成物としての未精製のダイヤモンドは容器中の水中から回収する。
未精製のダイヤモンドの酸化処理方法としては、(a) 硝酸等の共存下で高温高圧処理する方法(酸化処理A)、(b)水及び/又はアルコールからなる超臨界流体中で処理する方法(酸化処理B)、(c)水及び/又はアルコールからなる溶媒に酸素を共存させて、前記溶媒の標準沸点以上の温度及び0.1 MPa(ゲージ圧)以上の圧力で処理する方法(酸化処理C)、又は(d)380〜450℃で酸素を含む気体により処理する方法(酸化処理D)が挙げられる。これらの酸化処理は、単独で行ってもよいし、組合せて行っても良い。酸化処理を組合せる場合は、爆射法で得られた未精製のダイヤモンドにまず酸化処理Aを施し、さらに酸化処理B〜Cのいずれかを施すのが好ましい。
爆射法により得られた未精製のダイヤモンド、及び前記酸化処理を施したナノダイヤモンドの動的光散乱法で求めたメジアン径は150〜250 nmである。これらの粒子は、前述したように、メジアン径2〜10 nm程度のダイヤモンド一次粒子が強固に凝集した凝集体である。ダイヤモンド微粒子の凝集がより少ないダイヤモンド-樹脂複合材料を得るために、二軸押出機による溶融混練の前に、未精製又は前記酸化処理を施したダイヤモンド微粒子をビーズミル等の公知のメディア分散法により粉砕するのが好ましい。ビーズミルによる分散は、ジルコニアビーズを使用するのが好ましい。未精製又は前記酸化処理を施したダイヤモンド微粒子をメディア分散することにより、メジアン径を100 nm以下にするのが好ましく、50 nm以下にするのがより好ましく、30 nm以下にするのが最も好ましい。
前記爆射法で得られた未精製のナノダイヤモンド、又は前記酸化処理して得られたナノダイヤモンドに、シリル化剤、アルコキシシラン、シランカップリング剤等を反応させることによりナノダイヤモンドの表面にある水酸基等の親水性基を、ケイ素を含む有機基に置換することができる。ケイ素化処理は、シリル化剤を用いるのが好ましい。
前記爆射法で得られた未精製のナノダイヤモンド、又は前記酸化処理により得られたナノダイヤモンドは、(i)フルオロアルキル基含有オリゴマーを使用した方法、(ii)フルオロアルキルアゾ化合物を用いた方法、(iii)フッ素ガスと直接反応させる方法、(iv)ClF、ClF3、ClF5等のハロゲンフッ化物を反応させる方法、(v)フッ素プラズマによる方法等により、その表面をフッ素又はフッ素を有する基で修飾することができる。本発明の目的には、前記フルオロアルキル基含有オリゴマーを使用した方法を用いるのが好ましい。
高分子主鎖の両末端にフルオロアルキル基が直接炭素−炭素結合により導入された高分子界面活性剤(含フッ素オリゴマー)は、水溶液中又は有機溶媒中において自己組織化したナノレベルの分子集合体を形成することが知られている。このフルオロアルキル基が末端に導入された含フッ素オリゴマーを用いることにより、フルオロアルキル基で修飾したナノダイヤモンドを形成することができる。
下記反応式に記載したように、ナノダイヤモンドの存在下で、パーフルオロヘキサンに溶解したアゾビスパーフルオロオクチル1に、Xeエキシマランプにより波長172 nmの光を室温で照射することによりナノダイヤモンドにパーフルオロオクチルを付加させることができる。この反応はアルゴン気流下で行い、前記照射時間は10分〜2時間程度である。なお、この方法に用いるナノダイヤモンドは、パーフルオロヘキサンに分散しやすいようにあらかじめ疎水化処理を行うのが好ましい。
(iii-a)フッ素ガスを用いる第一の方法
フッ素ガスと直接反応させる方法は、ナノダイヤモンドをフッ素ガスと接触させ加熱することにより行う。フッ素ガスは、アルゴン等の不活性ガスと混合して用いるのが好ましい。このときフッ素ガスの濃度は0.01〜100 vol%、好ましくは0.1〜80 vol%、より好ましくは1〜50 vol%である。前記不活性ガスとしてはアルゴンの他に、窒素、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン等を用いることができる。反応させるガスには、ナノダイヤモンドの酸化が進まないように酸素を含まないのが好ましい。
フッ素ガスと反応させる他の方法として、ナノダイヤを入れた反応炉に、150℃、で3〜4時間不活性ガス中で加熱し、その後反応炉にフッ素ガス及びフッ化水素(例えば、3:1)を入れ、150℃のまま48時間加熱することによりフッ素化を行う方法がある。不活性ガスとしては、ヘリウム、窒素、アルゴンが使用でき、又は真空で処理しても良い。
本発明のダイヤモンド-樹脂複合材料を製造する方法は、二軸押出機による溶融混練によりダイヤモンド微粒子を樹脂に均一に分散させる方法である。前記二軸押出機は、スクリュー長さLを、スクリュー直径D0で割った値:L/D0が30以上であり、好ましくは50〜200、より好ましくは80〜100である。前記スクリュー長さLとは、原料が供給されるスクリュー根元の位置(フィード口)にあるスクリューセグメントの上流側の端部から、スクリュー先端部までの長さである。ここで、二軸押出機のスクリューは、フルフライト、ニーディングディスク等の長さや形状が異なるスクリューセグメントが組み合わされて構成されていてもよい。なお、押出機において、原材料が供給される側を上流、溶融樹脂が吐出される側を下流という。
本発明の方法により得られるダイヤモンド-樹脂複合材料は、フィルム、シート、繊維等に成形が可能であり、これらの成型品は、ダイヤモンドの有する高屈折率、高熱伝導性等の性質が十分に発揮されたものである。
(1)ナノダイヤモンドの作製
図1に示すように、TNT(トリニトロトルエン)とRDX(シクロトリメチレントリニトラミン)を40/60の比で含む0.65 kgの爆薬1を、脱気した水を凍らせて形成した氷の容器2aに充填し(図1(a))、同じく脱気した水を凍らせて形成した氷の容器2bで蓋をした(図1(b))。前記爆薬1には、起爆用爆薬及び電気雷管を取り付けた。氷の重さは容器2a,2b合わせて15 kgであった。
二軸押出機は、同方向回転完全噛み合い型二軸押出機(東芝機械社製TEM-37BS-26/2V、スクリュー径37mm、L/D0=100、スクリュー断面は2条ネジ)を使用し、スクリュー構成は、L/D0=22、32、45、55、69、79、95の位置から始まる6箇所にニーディングゾーンを設け、各ニーディングゾーンの長さLk/D0は、順番にLk/D0=1.8、1.8、2.2、2.2、2.5、2.5、2.5とした。L/D0=20及び30の位置にサンプリングバルブを設置し、このサンプリングバルブからも樹脂組成物を吐出させることができるようにした。スクリュー全長に対する前記ニーディングゾーンの合計長さの割合は15%であり、L/D0=20及び30のサンプリングバルブから吐出させた場合のニーディングゾーンの割合はそれぞれ4%及び6%であった。
ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂のペレットを160℃で3時間加熱しPET樹脂を結晶化させた水分量0.003%のPETチップ100重量部と、得られた未精製のナノダイヤモンド粉末6質量部とを320℃に加熱しながら、前述の二軸押出機を用いて20分の滞留時間で溶融混練し、ダイヤモンド-樹脂複合材料を得た。
(1) 酸化処理ナノダイヤモンド粉末の作製
実施例1で作製した未精製のナノダイヤモンドを60質量%硝酸水溶液と混合し、160℃、14気圧、20分の条件で酸化性分解処理を行った後、130℃、13気圧、1時間で酸化性エッチング処理を行った。酸化性エッチング処理により、未精製のナノダイヤモンドからグラファイトが一部除去された粒子が得られた。この粒子を、アンモニアを用いて、210℃、20気圧、20分還流し中和処理した後、自然沈降させデカンテーションにより35質量%硝酸での洗浄を行い、さらにデカンテーションにより3回水洗し、遠心分離により脱水し、120℃で加熱乾燥し、酸化処理したナノダイヤモンドの粉末を得た。この酸化処理したナノダイヤモンドの粉末の比重は3.38 g/cm3であり、メジアン径は130 nm(動的光散乱法)であった。比重から計算して、90体積%のダイヤモンドと10体積%のグラファイト系炭素からなっていると推定された。
未精製のナノダイヤモンド粉末の代わりに、酸化処理したナノダイヤモンドの粉末を使用し、二軸押出機の後にスタティックミキサー(エレメント数24)を設置した以外実施例1と同様にして、溶融混練によりダイヤモンド-樹脂複合材料を得た。
L/D0=30のサンプリングバルブから吐出させて混練を行った以外実施例2と同様にして、溶融混練によりダイヤモンド-樹脂複合材料を得た。このときの混練物の滞留時間は、6分であった。
樹脂、予備加熱条件、及び混練温度を表1に示すように変更した以外実施例2と同様にして、溶融混練によりダイヤモンド-樹脂複合材料を得た。
L/D0=20のサンプリングバルブから吐出させて混練を行った以外実施例2と同様にして、溶融混練によりダイヤモンド-樹脂複合材料を得た。このときの混練物の滞留時間は、4分であった。
(1) 精製ナノダイヤモンドの作製
実施例2で作製した酸化処理ナノダイヤモンドの粉末をビーズミルにより分散処理した。ビーズミルによる分散は、アシザワファインテック株式会社製スターミルLMZを用いて行った。243 gの前記ナノダイヤモンドの粉末を水/トリエチレングリコール(50:50の容量比)に分散して5質量%の水分散液を調製し、ディゾルバーで予備分散した。0.1 mm径のジルコニアビーズを0.15 Lのベッセルに充填し、10 m/sの周速で回転子を回転させながら、前記ナノダイヤモンドの粉末の分散液を0.12 L/minで供給し、連続的に分散処理を行った。約2時間分散処理した後のナノダイヤモンド粒子はメジアン径40 nmであった。
酸化処理したナノダイヤモンドの粉末の代わりに、精製ナノダイヤモンド粉末を用いた以外実施例2と同様にして、溶融混練によりダイヤモンド-樹脂複合材料を得た。
(1)フッ素化ダイヤモンド微粒子の作製
実施例2で得られた酸化処理ナノダイヤモンドの粉末を3質量%の濃度でメタノールに分散させ、下記式:
酸化処理したナノダイヤモンドの粉末の代わりに、フルオロアルキル基修飾ナノダイヤモンド粉末を用いた以外実施例2と同様にして、溶融混練によりダイヤモンド-樹脂複合材料を得た。
(1) ケイ素化ダイヤモンド微粒子の作製
実施例2で得られた酸化処理ナノダイヤモンドの粉末をメチルイソブチルケトンに3質量%の濃度で分散させ、トリメチルクロロシランのメチルイソブチルケトン溶液(濃度7.5質量%)を1:1の容量で加え、48時間撹拌してナノダイヤモンドをトリメチルシランで修飾した。得られた分散物をメチルイソブチルケトンで洗浄後、乾燥し、トリメチルシラン修飾ナノダイヤモンド粉末を得た。
酸化処理したナノダイヤモンドの粉末の代わりに、トリメチルシラン修飾ナノダイヤモンド粉末を用いた以外実施例2と同様にして、溶融混練によりダイヤモンド-樹脂複合材料を得た。
2a,2b・・・容器
Claims (20)
- 樹脂にメジアン径2〜250 nmのダイヤモンド微粒子を分散させてなるダイヤモンド-樹脂複合材料を製造する方法であって、スクリュー長さLとスクリュー直径D0との比L/D0が30以上である二軸押出機を用いて、前記二軸押出機に前記樹脂及び前記ダイヤモンド微粒子を供給してから押出すまでの滞留時間が1〜30分の条件で溶融混練することを特徴とするダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法。
- 請求項1に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記L/D0が100以下であることを特徴とする方法。
- 請求項1又は2に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、スクリュー回転1 rpm当たりの押出量が0.01 kg/h以上の条件で溶融混練することを特徴とする方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記二軸押出機のスクリューが、同方向回転完全噛み合い型であることを特徴とする方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記二軸押出機のスクリューが、長手方向に複数箇所のニーディングゾーンを有し、これらニーディングゾーンの合計長さが、前記スクリュー長さの5〜50%であることを特徴とする方法。
- 請求項5に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記ニーディングゾーンのそれぞれの長さLkが、Lk/D0=0.2〜10を満たすことを特徴とする方法。
- 請求項1〜6のいずれかに記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記二軸押出機による混練の後、スタティックミキサーによる混合を行うことを特徴とする方法。
- 請求項1〜7のいずれかに記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記ダイヤモンド微粒子が爆射法によって得られたナノダイヤモンドであることを特徴とする方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記ダイヤモンド微粒子が2.55〜3.48 g/cm3の比重を有することを特徴とする方法。
- 請求項1〜9のいずれかに記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記溶融混練を行う前に、前記ダイヤモンド微粒子をメディア分散法により粉砕する工程を有することを特徴とする方法。
- 請求項1〜10のいずれかに記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記ダイヤモンド微粒子がケイ素を有するダイヤモンド微粒子、フッ素を有するダイヤモンド微粒子、並びにケイ素及びフッ素を有するダイヤモンド微粒子からなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする方法。
- 請求項11に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記ケイ素を有するダイヤモンド微粒子がケイ素化処理されたダイヤモンド微粒子であり、前記フッ素を有するダイヤモンド微粒子がフッ素化処理されたダイヤモンド微粒子であり、前記ケイ素及びフッ素を有するダイヤモンド微粒子がケイ素化処理及びフッ素化処理されたダイヤモンド微粒子であることを特徴とする方法。
- 請求項12に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記ケイ素化処理がシリル化処理であることを特徴とする方法。
- 請求項12又は13に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記フッ素化処理がフッ素ガスと直接反応させる処理であることを特徴とする方法。
- 請求項1〜14のいずれかに記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記樹脂が熱可塑性樹脂であり、前記熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度で溶融混練することを特徴とする方法。
- 請求項15に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法において、前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、シクロオレフィン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアセタール樹脂、スチレン系樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリカーボネート樹脂からなる群から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする方法。
- 請求項1〜16のいずれかに記載のダイヤモンド-樹脂複合材料の製造方法により得られたダイヤモンド-樹脂複合材料。
- 請求項17に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料からなる成形品。
- 請求項17に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料からなるフィルム又はシート。
- 請求項17に記載のダイヤモンド-樹脂複合材料からなる繊維。
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