JP4091551B2

JP4091551B2 - カーボンナノファイバ−金属系材料の製造方法

Info

Publication number: JP4091551B2
Application number: JP2004009538A
Authority: JP
Inventors: 雅資菅沼
Original assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: JP2005200723A

Description

本発明は、カーボンナノファイバ−金属系材料の製造技術に関するものである。

近年、カーボンナノファイバと称する特殊な炭素繊維を、溶融金属に混入することで繊維強化金属にする技術が注目を浴びている。

図４はカーボンナノファイバのモデル図であり、カーボンナノファイバ１１０は、六角網目状に配列した炭素原子のシートを筒状に巻いた形態のものであり、直径Ｄが１．０ｎｍ（ナノメートル）〜１５０ｎｍであり、ナノレベルであるため、カーボンナノファイバ、カーボンナノ材料又はカーボンナノチューブと呼ばれる。なお、長さＬは数μｍ〜１００μｍである。

炭素原子が立方格子状に並んだものがダイヤモンドであって、ダイヤモンドは極めて硬い物質である。カーボンナノファイバ１１０は、ダイヤモンドと同様に規則的な結晶構造を有するために機械的強度は大きい。

このような特性を有するカーボンナノファイバを金属粉末に混合する技術が、従来、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−１６８５０２号公報（請求項１、請求項４、請求項１２）特許文献１の請求項１には「金属粉末と結晶性カーボン材とを混合し、加圧微細化・複合化させることにより得られる複合材粒子。」と記載され、同請求項４には「結晶性カーボン材料が、・・・又はカーボンナノチューブ・・・」と記載され、同請求項１２には「金属粉末と結晶性カーボン材との加圧微細化・複合化をボールミルで行う・・・」と記載されている。

本発明者らが、実験したところ特許文献１の技術には次の問題があることが分かった。
すなわち、金属粉末としてのアルミニウム粉末に、カーボンナノファイバを混ぜ、ボールミルで混合したところ、カーボンナノファイバ同士が凝集してカーボンナノファイバの玉ができ、アルミニウム粉末中に所望の通り分散させることができなかった。この要因を解析するに当たり、次に述べる実験を追加的に実施した。

図５はカーボンナノファイバの凝集性を調べる実験の説明図である。この実験では、金属粉末を媒体に置き換えることで、カーボンナノファイバの凝集性を際だたせることにした。
すなわち、（ａ）にて、容器１１１に媒体１１２を満たし、この媒体１１２にカーボンナノファイバ１１３を入れる。

（ｂ）にて、攪拌機１１４で十分に撹拌する。この撹拌は振動式攪拌機で行ってもよい。
（ｃ）は、一定時間放置した後の状態を示し、カーボンナノファイバ１１３が容器１１１の底に沈殿していることが分かる。
なお、媒体１１２の比重が大きければ、カーボンナノファイバ１１３は上に溜まる。

以上の実験から、カーボンナノファイバ同士が凝集し、結果として媒体１１２に全く分散しないことが確認できた。
媒体１１２を、溶融金属や金属粉末に置き換えても同様にカーボンナノファイバは凝集すると考えられる。
したがって、ナノレベルの超微細なカーボンナノファイバを、単純に金属粉末に混合しても分散化が得られないことが明らかになった。

本発明は、金属粉末にカーボンナノファイバに良好に分散させる分散技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、ポリビニルアルコール水溶液にホウ砂を加えてゲル状の分散液を調製する工程と、この分散液にカーボンナノファイバを加える工程と、このカーボンナノファイバを含む分散液に金属粉末を加えて混練する工程とからなり、
ゲル状の分散液中に金属粉末及びカーボンナノファイバを分散させることで、カーボンナノファイバの凝集を防止するようにしたことを特徴とする。

請求項２に係る発明では、ゲル状の分散液は、ポリビニルアルコールが４〜８質量％で、ホウ砂が０．４〜１．０質量％で、残部が水であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、水飴状の分散液中にカーボンナノファイバを分散させることで、カーボンナノファイバを分散液で被覆する。この結果、カーボンナノファイバ同士の凝集を防止することができ、金属粉末に良好に分散させることができる。

請求項２に係る発明では、ゲル状の分散液は、ポリビニルアルコールが４〜８質量％で、ホウ砂が０．４〜１．０質量％で、残部が水とした。
ポリビニルアルコールが４質量％未満であると、水に近い液体となり、また、ポリビニルアルコールが８質量％を超えると流動性の乏しい固形状になる。

すなわち、粉末を加えた場合、ポリビニルアルコールが４質量％未満では流動性過多となって粉末が沈殿する虞があって好ましくない。また、８質量％を超える流動性が乏しいため、粉末を均等に分散することができなくなる。

また、ホウ砂が０．４質量％未満ではゲル状にならず、ホウ砂が１．０質量％を超えると分散液が塊になる。
ポリビニルアルコールが４〜８質量％で、ホウ砂が０．４〜１．０質量％で、残部が水であれば、水飴状の分散液を得ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る分散液の製造フロー図である。ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：ポリビニルアルコール、ホウ砂、水、容器及び攪拌機を準備する。水は蒸留水、水道水の何れであっても良い。
ＳＴ０２：容器にポリビニルアルコールを入れ、水を加えて希釈し、撹拌する。
ＳＴ０３：ポリビニルアルコールにホウ砂を加える。
ＳＴ０４：攪拌機で数分〜数十分間撹拌する。
ＳＴ０５：これでゲル状の分散液を得ることができる。

次の表１及び表２はポリビニルアルコール、ホウ砂及び水の混合割合と、ゲル化との関係を示す。

試料番号１は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡという）が１質量％でホウ砂が１質量％で残部を水とした。試料はゲル化しなかったので、×とした。
試料番号２は、ＰＶＡが１．６質量％でホウ砂が１質量％で残部を水とした。試料はゲル化しなかったので、×とした。
試料番号３は、ＰＶＡが２質量％でホウ砂が１質量％で残部を水とした。試料はゲル化しなかったので、×とした。

試料番号４は、ＰＶＡが４質量％でホウ砂が１質量％で残部を水とした。試料はゲル化したので、○とした。
試料番号５は、ＰＶＡが５質量％でホウ砂が１質量％で残部を水とした。試料はゲル化が特に良好であったので、◎とした。
試料番号６は、ＰＶＡが６質量％でホウ砂が１質量％で残部を水とした。試料はゲル化が特に良好であったので、◎とした。

試料番号７は、ＰＶＡが８質量％でホウ砂が１質量％で残部を水とした。試料はゲル化したので、○とした。
この表から、ＰＶＡは４〜８質量％とすることが適当であり、５〜６質量％が好適であることが判明した。

試料番号８は、ＰＶＡが５質量％でホウ砂が０．１質量％で残部を水とした。試料はゲル化しなかったので、×とした。
試料番号９は、ＰＶＡが５質量％でホウ砂が０．２質量％で残部を水とした。試料はゲル化しなかったので、×とした。

試料番号１０は、ＰＶＡが５質量％でホウ砂が０．３質量％で残部を水とした。試料はゲル化したが不十分であるため、△とした。
試料番号１１は、ＰＶＡが５質量％でホウ砂が０．４質量％で残部を水とした。試料はゲル化が特に良好であったので、◎とした。

試料番号１２は、ＰＶＡが５質量％でホウ砂が０．５質量％で残部を水とした。試料はゲル化したので、○とした。
試料番号１３は、ＰＶＡが５質量％でホウ砂が１質量％で残部を水とした。試料はゲル化したので、○とした。
この表から、ホウ砂は０．４〜１質量％とすることが適当であり、０．４質量％が好適であることが判明した。

図２は本発明に係るカーボンナノファイバ−金属系粉末の製造フロー図である。
ＳＴ１１：カーボンナノファイバと、ゲル状分散液（図１により製造した物）と、容器と、攪拌機と、金属粉末と、ミルを準備する。金属粉末は、アルミニウム粉末、マグネシウム粉末、亜鉛粉末、銅粉末、その他の合金粉末が採用できる。

ＳＴ１２：ゲル状分散液に少量のカーボンナノファイバを添加する。
ＳＴ１３：１０分間程度撹拌する。
ＳＴ１４：カーボンナノファイバの添加が未了の時にはＳＴ１２に戻して、工程を繰り返す。全量の添加が終了したら、ＳＴ１５に進む。

ＳＴ１５：カーボンナノファイバを含む分散液に金属粉末を添加する。
ＳＴ１６：そして、分散液と金属粉末とを十分に混練する。
ＳＴ１７：混練物を乾燥させて、液体を蒸発・除去する。乾燥は自然乾燥であれば、２４時間程度、２００℃での強制乾燥であれば、１０分間程度で十分である。
ＳＴ１８：乾燥物をミルで破砕し、粉化する。
ＳＴ１９：得られた粉末は、カーボンナノファイバ−金属系粉末である。

このカーボンナノファイバ−金属系粉末で圧粉成形体を製造し、加熱して焼結品を得ることができる。また、カーボンナノファイバ−金属系粉末を溶融金属に添加することもできる。

図３は本発明による処理物の模式図であり、ＳＴ１４における処理物は、カーボンナノファイバ１０の周囲を水飴状の分散液１１で覆っていると推定できる。この分散液１１の存在により、カーボンナノファイバ１０同士の凝集を阻止することができるとともに、金属粉末に混合した場合、分散液１１が分散性を発揮することで、カーボンナノファイバの凝集を防止することができると考えられる。

尚、カーボンナノファイバ−金属系材料は、実施例で説明した粉末の他、ペレット（塊）、又は未乾燥の混練物であってもよく、形状及び状態は任意である。

本発明は、カーボンナノファイバ−金属系材料の製造方法に好適である。

本発明に係る分散液の製造フロー図である。本発明に係るカーボンナノファイバ−金属系粉末の製造フロー図である。本発明による処理物の模式図カーボンナノファイバのモデル図である。カーボンナノファイバの凝集性を調べる実験の説明図

符号の説明

１０…カーボンナノファイバ、１１…分散液。

Claims

ポリビニルアルコール水溶液にホウ砂を加えてゲル状の分散液を調製する工程と、この分散液にカーボンナノファイバを加える工程と、このカーボンナノファイバを含む分散液に金属粉末を加えて混練する工程とからなり、
ゲル状の分散液中に金属粉末及びカーボンナノファイバを分散させることで、カーボンナノファイバの凝集を防止するようにしたことを特徴とするカーボンナノファイバ−金属系材料の製造方法。
前記ゲル状の分散液は、ポリビニルアルコールが４〜８質量％で、ホウ砂が０．４〜１．０質量％で、残部が水であることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノファイバ−金属系材料の製造方法。