JP2012506475A - ナノチューブ、特にカーボンナノチューブを含む熱可塑性複合材料の製造方法 - Google Patents
ナノチューブ、特にカーボンナノチューブを含む熱可塑性複合材料の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】ポリマーの溶融帯域の上流側または溶融帯域中に可塑剤を導入する。
Description
(a) 少なくとも一種の熱可塑性ポリマーとナノチューブとを含むポリマー組成物を混合装置へ導入し、
(b) 熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 熱可塑性ポリマーとナノチューブとを溶融混合する、
段階を含む、10〜50重量%のナノチューブを含む複合材料の製造方法において、
使用するナノチューブの重量に対して10〜400重量%の重量比で、少なくとも一種の可塑剤を上記混合装置中に加え、ポリマーの溶融帯域域中または溶融帯域域の上流側に少なくとも50重量%の可塑剤を導入する工程をさらに含み、ただし、可塑剤、熱可塑性ポリマーおよびナノチューブを同時に導入するか、混合装置の同じ供給ホッパーに連続して導入する場合にはポリマーが粉末/顆粒比が10:90〜100:0である混合物の形、好ましくは主として粉末形にすることを特徴とする方法にある。
本発明方法は混合装置、好ましくはコンパウンディング装置で実行される。
Flahaut et al.in Chem. Com. (2003), 1442
(1)溶融ポリマーによってナノチューブの湿れ性が改良される、
(2)ナノチューブ間の相互作用が減り、その結果、コンパウンド(混合)時にポリマー中にそれを分散させるのが容易になる。
(1) ホスフェート・アルキルエステルおよびヒドロ安息香酸、ラウリン酸、アゼライン酸およびペラルゴン酸、のアルキルエステル(1〜20の炭素原子を含む好ましくは直鎖アルキル基)、
(2) アリールホスフェート、
(3) フタレート、特にジアルキルまたはアルキルアリールフタレート、特にアルキルベンジルフタレート(アルキル基は直鎖または分岐鎖で、互いに独立して1〜12の炭素原子を含む)、
(4) ニトリル樹脂、
(5) 環式ポリブチレンテレフタレートおよびそれを含む混合物、例えばCyclics Corporation社から市販の樹脂CBT(登録商標)100、
(6) アジペート、特にジアルキル・アジペート、例えばジ(2-エチルヘキシル)、
(7) セバケート、特にジアルキルセバケート、特にジオクチルセバケート、
(8) グリコール・ベンゾエートまたはグリセロール・ベンゾエート、
(9) ジベンジルエーテル、
(10) クロロパラフィン、
(11) 官能化された両親媒性炭化水素、例えばTrillium Specialties社から商標名Trilsperse(登録商標)800で市販のもの、
(12) プロピレンカーボネート、
(13) スルホンアミド、特にアルキルスルホンアミド、アリールスルホンアミド、アリールアルキルスルホンアミド(アリール基は必要に応じて1〜12の炭素原子を有する少なくとも一つのアルキル基で置換されていてもよい)、例えばベンゼンスルホンアミド、トルエンスルホンアミド、スルホンアミドは1〜20の炭素原子を含む好ましくは少なくとも一つの直鎖アルキル基でN-置換またはN,N-置換されていてもよく、アルキル基はアルキルエステル、アルキル・アミドまたは(アルキルエステル)アルキル・アミド基を有していてもよい)、
(14) N-アルキルグアニジンの塩(アルキル基は6〜16の炭素原子を有する好ましくは直鎖アルキル基)、
(15) グリコール(例えばプロピレングリコール)、
(16) 上記の混合物。
本発明の他の対象は、下記(a)〜(c):
(a)ナノチューブと、ホモポリアミドまたはコポリアミドから成る少なくとも一つの熱可塑性ポリマーを含むポリマー組成物とを混合装置へ導入し、
(b) 上記熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 溶融した熱可塑性ポリマーとナノチューブとを混合する、
工程を含む、好ましくは10〜50重量%のナノチューブを含む複合材料の製造方法であって、
上記混合装置に、スルホンアミド、ヒドロキシベンゾエート、フタレート、アジペートおよびホスフェートの中から選択される少なくとも一種の可塑剤を添加する工程をさらに含み、
使用するナノチューブの重量に対して10〜400重量%の重量比で、上記可塑剤の少なくとも50重量%を、ポリマーの溶融帯域の上流側または溶融帯域中に導入し、ただし、可塑剤、熱可塑性ポリマーおよびナノチューブを同時に導入するか、混合装置の同じ供給ホッパーに連続して導入する場合には、ポリマーは粉末/細粒比が10:90から100:0の混合物の形、好ましくは主として粉末の形にすることを特徴とする方法にある。
(a) ナノチューブと、ポリカーボネートから成る少なくとも一種の熱可塑性ポリマーとを含むポリマー組成物を混合装置へ導入し、
(b) 熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 溶融した熱可塑性ポリマーとナノチューブとを混合、
する工程を含む好ましくは10〜50重量%のナノチューブを含む複合材料の製造方法であって、
使用するナノチューブの重量に対して10〜400重量%の比で、アルキルホスフェート、アリールホスフェートおよびフタレートの中から選択される少なくとも一種の可塑剤をポリマーの混合装置へ添加し、可塑剤の少なくとも50重量%を溶融帯域の上流側か、溶融帯域中に導入する工程をさらに含むこと特徴とする方法にある。
(a) ナノチューブと、スチレン−ブタジエン−メタクリル酸メチル・コポリマーから成る少なくとも一種の熱可塑性ポリマーとを含むポリマー組成物を混合装置へ導入し、
(b) 熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 溶融した熱可塑性ポリマーとナノチューブとを混合する、
工程から成る、好ましくは10〜50重量%のナノチューブを含む、複合材料の製造方法において、
使用するナノチューブの重量に対して10〜400重量%の比で、フタレートおよびニトリル樹脂の中から選択される少なくとも一つの可塑剤を混合装置に添加する工程をさらに含み、
ポリマーの溶融帯域の上流側または溶融帯域中に可塑剤の少なくとも50重量%を導入することを特徴とする方法にある。
(a) ナノチューブと、ポリエチレングリコールから成る少なくとも一種の熱可塑性ポリマーを含むポリマー組成物を混合装置へ導入し、
(b) 熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 溶融した熱可塑性ポリマーとナノチューブとを混合する、
工程を含む、好ましくは10〜50重量%のナノチューブを含む複合材料の製造方法であって、
(2) 得られた予備混合物を乾燥する。必要に応じて溶剤を除去(一般に蒸発によって除去)した後に乾燥する。
(1)上記の本発明方法で複合材料を製造し、
(2)得られた複合材料をポリマーマトリックス中へ導入する
本発明のこの実施例では、複合材料は例えば0.5〜5重量%のナノチューブを含むことができる。
以下、添付図面を参照した本発明の実施例を用いて本発明を説明するが、本発明が下記実施例に限定されるものではない。
ポリアミドCNT/ナイロン-12複合材料の製造
[表2]に組成を示す2つの配合物、すなわちlA(比較の配合物)と1B(本発明の配合物)とをBUSS MDK46のコニーダー(L/D=11)で混練した。
CNT/ナイロン−12複合材料から複合材料製品の製造
実施例1の複合材料を共回転する2軸押出機(直径:16mm、L/D=25)中で各種温度でPA−12で希釈して、2重量%のCNTを含む複合材料製品を得た。得られた複合材料製品の固有抵抗を測定した。[図1]はそれをプロットした曲線である。
これと同様な結果は、実施例1、2のPA−12をPA−11(アルケマ(Arkema)社からリルサン(Rilsan、登録商標)BMNO TLDの名称で市販)に代えた場合にも得られた。
CNT/ナイロン-6複合材料の製造
[表3]に組成を示した2つの配合物、すなわち3A(比較例の配合物)と3B(本発明の配合物)をコニーダーBUSS MDK 46(L/D=11)に導入した。
これとは対照的に、配合物3Bは粘性が低く、生産条件を変えずに電力消費量は5.4〜5.6kWである。コニーダーの最終帯域の原料温度は300℃であった。さらに、配合物3Aはコニーダー中に堆積物を発生させたが、配合物3Bには堆積物の発生はなかった。従って、この実施例から、本発明方法はポリマーマトリックスのグレードを下げず、また、容認できない機器の汚染を引き起こさずに、複合材料を連続的に製造することができることは明らかである。
CNT/ナイロン-6複合材料から複合材料製品の製造
実施例3の複合材料を共回転する2軸押出機(直径:16mm、L/D=25)中で各種温度でPA−12で希釈して、3重量%のCNTを含む複合材料製品を得た。得られた複合材料製品の固有抵抗を測定した。[図2]はそれをプロットした曲線である。
実施例5
CNT/ポリカーボネート複合材料の製造
[表4]に組成を示した2つの配合物、すなわち5A(比較例の配合物)と5B(本発明の配合物)をコニーダーBUSS MDK 46(L/D=11)に導入した。
これとは対照的に、CNTを20重量%含んだ配合物5Bを使用した場合には、15kg/時の安定した出力で約40時間生産を維持でき、原料温度は300℃を超えなかった。
本発明の複合材料、例えば配合物5Bは難燃剤である熱伝導性原料製造用(すなわち、UL94発火点試験のVO指数を有し、LOIが32%を超える)ポリカーボネート、ABS樹脂またはABS/スチレン・コポリマーをベースにしたポリマーマトリックス中に2〜3重量%のCNT濃度で希釈できる。
CNT/ポリカーボネート複合材料からの複合材料製品の製造
実施例5の複合材料を共回転する2軸押出機(直径:16mm、L/D=25)中で各種温度でPA−12で希釈して、2重量%のCNTを含む複合材料製品を得た。得られた複合材料製品の固有抵抗を測定した。[図3]はそれをプロットした曲線である。
この図から明らかなように、本発明に従って製造した複合材料は複合材料製品の製造温度を20℃下げることができ、その静電気放散特性は同じである。
CNT/PA−6複合材料の製造
実施例3の製造方法を繰り返したが、可塑剤は全てPA−6の溶融帯域の下流でコニーダーに導入した。
この帯域で300℃を超える原料温度の増加が観測され、さらに、約10時間の運転後に機械の動力が5.5kWから6kWまでになった。12時間後には生産を停止しなければならなかった。
従って、この比較例は、ポリマー溶融帯域の下流に可塑剤を導入した同様な方法と比較して本発明方法(実施例3)で得られる利点を示す。
コニーダーでのCNT/PEGマスターバッチの製造
25重量%のカーボンナノチューブ(アルケマ(ARKEMA)社からグラフィストレングス(Graphistrength、登録商標)C100)と、20重量%のポリエチレングリコール粉末(CLARIANT社のPEG 1500)と、20重量%のCLARIANT社のCM‐セルロースと、10重量%のナトリウムドデシルベンゼンスルホネートとを含む予備複合材料を、テークアップ押出機を付けたBUSS MDK46コニーダー(L/D=11)の最初の供給ホッパーに導入した。また、可塑剤として25重量%のプロピレングリコールを第1混練帯域へ注入した。コニーダー内部の設定温度は以下の通り:80℃/100℃(帯域1/帯域2)、80℃(テークアップ押出機)。上記含有量は100重量%のマスターバッチを得るための百分比率である。マスターバッチはダイフェース造粒のない固体状態でコンディショニングした。これは水性塩基ペイント配合物に希釈可能である。
押出機でのCNT/PEGマスターバッチの製造
50重量%のカーボンナノチューブ(アルケマ(ARKEMA)社からグラフィストレングス(Graphistrength、登録商標)C100)と、50重量%のプロピレングリコールとを含む予備複合材料をprecompositeは、CLEXTRAL BC21共回転2軸押出機の最初の計量部に導入した。40重量%のポリエチレングリコール(CLARIANT社のPEG 1500)と、40重量%のカルボキシメチルセルロース(CLARIANT社)と、20重量%のナトリウムドデシルベンゼンスルホナートとから成る粉末混合物を押出機の第2計量部に導入した。
コンパウンディングは600回転/分のスクリュー回転速度と10kg/時の流量とで、100℃の設定温度で実行した。得られたマスターバッチはCNTの重量%(挿入数)を含み、ダイフェース造粒のない固体状態でコンディショニングした。
これは室温で数時間、上記配合物中に存在する溶剤混合物で含浸された後に、溶剤配合物中に導入できる。
CNT/SBM複合材料の製造
組成を[表5]に示す2つの配合物:すなわち本発明の10Aおよび10B、をBUSSコニーダーMDK46(L/D=11)に導入した。
CNT(30%)の量が高いもかかわらず、原料温度は可塑剤のおかげで240℃を超えなかった。この実施例から本発明方法を用いることで、ポリマーマトリックスのグレードを下げずに、CNTが高濃度に充填された複合材料を連続的に製造することができる。
Claims (20)
- 下記(a)〜(c):
(a) 少なくとも一種の熱可塑性ポリマーとナノチューブとを含むポリマー組成物を混合装置へ導入し、
(b) 熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 熱可塑性ポリマーとナノチューブとを溶融混合する、
段階を含む、10〜50重量%のナノチューブを含む複合材料の製造方法において、
使用するナノチューブの重量に対して10〜400重量%の重量比で、少なくとも一種の可塑剤を上記混合装置中に加え、ポリマーの溶融帯域域中または溶融帯域域の上流側に少なくとも50重量%の可塑剤を導入する工程をさらに含み、ただし、可塑剤、熱可塑性ポリマーおよびナノチューブを同時に導入するか、混合装置の同じ供給ホッパーに連続して導入する場合にはポリマーが粉末/顆粒比が10:90〜100:0である混合物の形、好ましくは主として粉末形であることを特徴とする方法。 - 熱可塑性ポリマーをオレフィンのホモポリマーおよびコポリマー、例えばアクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレンコポリマー、スチレン−ブタジエン−アルキルメタクリレート・コポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエンおよびポリブチレン、アクリルのホモポリマーおよびコポリマーおよびポリアルキル(メタ)アクリレート、例えばポリメチルメタクリレート、ホモポリアミドおよびコポリアミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートおよびポリブチレンテレフタレートを含むポリエステル、ポリエーテル、例えばポリフェニレン・エーテル、ポリオキシメチレンおよびポリプロピレングリコール、ポリオキシプロピレン、ポリスチレン、スチレン/無水マレインコポリマー、ポリ塩化ビニール、フルオロポリマ、例えばポリ弗化ビニリデン、テトラフルオロエチレンおよびポリクロロ‐トリフルオロ‐エチレン、天然または合成のゴム、熱可塑性ポリウレタン、ポリアリールエーテルケトン(PAEK)、例えばポリエーテルエーテルケトン(PEEK)およびポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、酢酸セルロース、ポリ酢酸ビニールおよびこれらの混合物の中から選択する請求項1に記載の方法。
- 可塑剤を下記の中から選択する請求項1または2に記載の方法:
(1)ヒドロ安息香酸、ラウリン酸、アゼライン酸およびペラルゴン酸のホスフェートアルキルエステルおよびアルキルエステル(アルキル基は好ましくは1〜20の炭素原子を含む直鎖アルキル基)、
(2)アリールホスフェート、
(3)フタレート、特にジアルキルまたはアルキルアリール・フタレート、特にアルキルベンジルフタレート(アルキル基は互いに独立して1〜12の炭素原子を有する直鎖または分岐したアルキル基)、
(3)ニトリル樹脂、
(4)環式ポリブチレンテレフタレートおよびそれを含む混合物、
(5)アジペート、特にジアルキルアジペート、例えばジ(2-エチルヘキシル)アジペート、
(6)セバケート、特にジアルキルセバケート、特にジオクチルセバケート、
(7)グリコールベンゾエートまたはグリセロールベンゾエート、
(8)ジベンジルエーテル、
(9)クロロパラフィン、
(10)官能化された両親媒性炭化水素、
(11)プロピレンカーボネート、
(12)スルホンアミド、特にアルキルスルホンアミド、アリールスルホンアミドおよびアリールアルキルスルホンアミド(アリール基は1〜12の炭素原子を有する少なくとも一つのアルキル基で置換されていてもよく、例えばベンゼンスルホンアミドおよびトルエンスルホンアミドであり)、このスルホンアミドは少なくとも1〜20の炭素原子を有する少なくとも一つの好ましくは直鎖アルキル基によってN-置換またはN,N-置換されていてもよく、上記アルキル基はアルキルエステル、アルキルアミドまたは(アルキルエステル)アルキルアミド基を有していてもよい)、
(13)N-アルキル・グアニジンの塩(アルキル基は6〜16の炭素原子を有する好ましくは直鎖アルキル基)、
(14)グリコール、例えばプロピレングリコール、
(15)上記の混合物。 - 下記(a)〜(c):
(a) 混合装置へナノチューブと、ホモポリアミドまたはコポリアミドから成る少なくとも一つの熱可塑性ポリマーを含むポリマー組成物とを導入し、
(b) 上記熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 溶融した熱可塑性ポリマーとナノチューブとを混合する、
工程を含む、好ましくは10〜50重量%のナノチューブを含む複合材料の製造方法であって、
上記混合装置に、スルホンアミド、ヒドロキシベンゾエート、フタレート、アジペートおよびホスフェートの中から選択される少なくとも一種の可塑剤を添加する工程をさらに含み、
使用するナノチューブの重量に対して10〜400重量%の重量比で、可塑剤の少なくとも50重量%を、ポリマーの溶融帯域の上流側または溶融帯域中に導入し、ただし、可塑剤、熱可塑性ポリマーおよびナノチューブを同時に導入するか、混合装置の同じ供給ホッパーに連続して導入する場合には、ポリマーは粉末/細粒比が10:90から100:0の混合物の形、好ましくは主として粉末の形をしていることを特徴とする方法。 - 下記(a)〜(c):
(a) ナノチューブと、ポリカーボネートから成る少なくとも一種の熱可塑性ポリマーとを含むポリマー組成物を混合装置へ導入し、
(b) 熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 溶融した熱可塑性ポリマーとナノチューブとを混合、
する工程を含む好ましくは10〜50重量%のナノチューブを含む複合材料の製造方法であって、
使用するナノチューブの重量に対して10〜400重量%の比で、ホスフェートアルキルエステル、アリールホスフェートおよびフタレートの中から選択される少なくとも一種の可塑剤をポリマーの混合装置へ添加し、可塑剤の少なくとも50重量%を溶融帯域の上流側か、溶融帯域中に導入する工程をさらに含むこと特徴とする方法。 - 下記(a)〜(c):
(a) ナノチューブと、スチレン−ブタジエン−メタクリル酸メチル・コポリマーから成る少なくとも一種の熱可塑性ポリマーとを含むポリマー組成物を混合装置へ導入し、
(b) 熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 溶融した熱可塑性ポリマーとナノチューブとを混合する、
工程から成る、好ましくは10〜50重量%のナノチューブを含む、複合材料の製造方法において、
使用するナノチューブの重量に対して10〜400重量%の比で、フタレートおよびニトリル樹脂の中から選択される少なくとも一つの可塑剤を混合装置に添加する工程をさらに含み、
ポリマーの溶融帯域の上流側または溶融帯域中に可塑剤の少なくとも50重量%を導入することを特徴とする方法。 - 下記(a)〜(c):
(a) ナノチューブと、ポリエチレングリコールから成る少なくとも一種の熱可塑性ポリマーを含むポリマー組成物を混合装置へ導入し、
(b) 熱可塑性ポリマーを溶融し、
(c) 溶融した熱可塑性ポリマーとナノチューブとを混合する、
工程を含む、好ましくは10〜50重量%のナノチューブを含む複合材料の製造方法であって、
グリコール類の中から選択される少なくとも一種の可塑剤を混合装置に添加する工程をさらに含み、使用するナノチューブの重量に対して10〜400重量%の比で上記可塑剤の少なくとも50重量%をポリマーの溶融帯域の上流側または溶融帯域中に導入することを特徴とする方法。 - 混合装置がコンパウンディング装置、例えばコニーダー(共混練機)または共回転二軸押出機)である請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 可塑剤、熱可塑性ポリマーおよびナノチューブを混合装置の同じ供給ホッパーに同時または連続して導入する請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 可塑剤をポリマーの溶融帯域の開始位置で混合装置に導入する1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- ナノチューブがカーボンナノチューブである請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 使用するナノチューブが複合材料の総重量に対して15〜40重量%、好ましくは20〜35重量%である請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 可塑剤を下記の中から選択する請求項1〜3および8〜12のいずれか一項に記載の方法:N-ブチルベンゼンスルホンアミド(BBSA)、N-エチルベンゼンスルホンアミド(EBSA)、N-プロピルベンゼンスルホンアミド(PBSA)、N-ブチル−N-ドデシルベンゼンスルホンアミド(BDBSA)、N,N-ジメチルベンゼンスルホンアミド(DMBSA)、パラ−メチルベンゼンスルホンアミド、オルト−トルエンスルホンアミド、パラ−トルエンスルホンアミド、レソルシノールビス(ジフェニル・ホスフェート)、ビスフェノールAビス(ジフェニル・ホスフェート)、ネオペンチルグリコールビス(ジフェニル・ホスフェート)、ジオクチルフタレート、グリコール、官能化された両親媒性炭化水素、環状ポリブチレンテレフタレートおよびこれらの混合物。
- 可塑剤が複合材料の総重量の5〜80重量%、好ましくは10〜30重量%である請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法で得られる複合材料。
- 請求項15に記載の複合材料の、多層複合製品の製造、および/または、ポリマーマトリックスに電気的、機械的および/または温的特性の少なくとも一つの特性を付与するための使用。
- 請求項15に記載の複合材料の、液状調整物、特にインキ、ニス、ペイント、マスチック、ビチューメン製品または少なくとも一種の熱可塑性ポリマーの溶剤を含むコンクリート組成物を固くしおよび/または濃縮するための使用。
- 請求項15に記載の複合材料の、導電性繊維または導電性の単層または多層フィルムの製造での使用。
- 可塑剤が環式オリゴブチルテレフタレート、官能化された両親媒性炭化水素、アルキル・スルファミドおよびこれらの混合物の中から選択される請求項18に記載の使用。
- (1)請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法で複合材料を製造し、(2)この複合材料をポリマーマトリックス中へ導入することから成る複合材料の製造方法。
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