JP4201789B2 - Porous material, method for producing the same, and method for producing composite metal material - Google Patents

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Description

本発明は、多孔質材及びその製造方法、複合金属材料の製造方法に関する。 The present invention is a porous material, a method of manufacturing the same, a method of manufacturing a composite metal materials.

近年、カーボンナノファイバーを用いた複合材料が注目されている。このような複合材料は、カーボンナノファイバーを含むことで、機械的強度などの向上が期待されている。   In recent years, composite materials using carbon nanofibers have attracted attention. Such a composite material is expected to improve mechanical strength and the like by including carbon nanofibers.

また、金属の複合材料の鋳造方法として、酸化物系セラミックスからなる多孔質成形体内にマグネシウム蒸気を浸透、分散させ、同時に窒素ガスを導入することで、多孔質成形体内に金属を浸透させるようにした鋳造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In addition, as a method for casting a metal composite material, magnesium vapor is allowed to permeate and disperse in a porous molded body made of oxide ceramics, and at the same time, nitrogen gas is introduced so that the metal can permeate into the porous molded body. A casting method has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、カーボンナノファイバーは相互に強い凝集性を有するため、複合材料の基材にカーボンナノファイバーを均一に分散させることが非常に困難とされている。そこで、高価なカーボンナノファイバーを効率よく利用するため、エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合させた炭素繊維複合材料を用いた炭素繊維複合金属材料の製造方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開平10−183269号公報 特開2005−23419号公報
However, since carbon nanofibers have strong cohesiveness with each other, it is very difficult to uniformly disperse the carbon nanofibers in the base material of the composite material. Therefore, in order to efficiently use expensive carbon nanofibers, a method for producing a carbon fiber composite metal material using a carbon fiber composite material in which an elastomer and carbon nanofiber are mixed has been proposed (for example, Patent Document 2). reference).
JP-A-10-183269 JP-A-2005-23419

そこで、本発明の目的は、カーボンナノファイバーを効率よく利用でき、全体に均質な多孔質材及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、カーボンナノファイバーが均一に分散された複合金属材料の製造方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a porous material that can efficiently use carbon nanofibers and is homogeneous throughout, and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide a method for producing carbon nanofibers uniformly dispersed composite metallic materials.

本発明にかかる多孔質材の製造方法は、エラストマーに、充填材と、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分散させて複合エラストマーを得る工程(a)と、
前記複合エラストマーを熱処理し、該複合エラストマー中に含まれるエラストマーを分解気化させて中間複合材料を得る工程(b)と、
中間複合材料を圧縮して多孔質材を得る工程(c)と、
を含む。
The method for producing a porous material according to the present invention includes the step of (a) obtaining a composite elastomer by mixing a filler and carbon nanofibers in an elastomer and dispersing the mixture by shearing force.
(B) a step of heat-treating the composite elastomer to decompose and vaporize the elastomer contained in the composite elastomer to obtain an intermediate composite material;
A step (c) of compressing the intermediate composite material to obtain a porous material;
including.

本発明の製造方法の工程(a)によれば、剪断力によって充填材とカーボンナノファイバーとをエラストマー中に均一分散させることができる。また、剪断されたエラストマーのフリーラジカルがカーボンナノファイバーの表面を攻撃することで、カーボンナノファイバーの表面は活性化する。そして、本発明の製造方法の工程(b)によれば、熱処理によってエラストマーが分解気化することで、不揃いの気孔を有する多孔質の中間複合材料が形成される。本発明の製造方法の工程(c)によれば、中間複合材料を圧縮することで、例えば100μm以上のボイド(気孔)を押しつぶし、気孔のサイズが一様で全体に均質な多孔質材を得ることができる。また、このようにして得られた多孔質材は、カーボンナノファイバーが工程(a)によってエラストマー中に充填材とともに分散された状態を保持しているので、この多孔質材を他の用途例えば鋳造などの金属加工で取り扱うことで、カーボンナノファイバーを効率よく利用することができる。   According to the step (a) of the production method of the present invention, the filler and the carbon nanofibers can be uniformly dispersed in the elastomer by a shearing force. Further, the surface of the carbon nanofiber is activated by the free radical of the sheared elastomer attacking the surface of the carbon nanofiber. And according to the process (b) of the manufacturing method of this invention, the porous intermediate | middle composite material which has an uneven | corrugated pore is formed because an elastomer decomposes | disassembles and vaporizes by heat processing. According to step (c) of the production method of the present invention, by compressing the intermediate composite material, for example, voids (pores) of 100 μm or more are crushed to obtain a porous material with uniform pore size and uniform throughout. be able to. Further, the porous material thus obtained maintains the state in which the carbon nanofibers are dispersed together with the filler in the elastomer by the step (a), so that the porous material can be used for other purposes such as casting. Carbon nanofibers can be used efficiently by handling them in metal processing.

本発明に用いられるエラストマーは、カーボンナノファイバーに対して親和性を有する不飽和結合または基を有することができる。このようなエラストマーを用いることにより、エラストマーの不飽和結合または基が、カーボンナノファイバーの活性な部分、特にカーボンナノファイバーの末端のラジカルと結合することにより、カーボンナノファイバーの凝集力を弱め、その分散性を高めることができる。その結果、複合エラストマーは、基材であるエラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されたものとなる。   The elastomer used in the present invention can have an unsaturated bond or group having an affinity for carbon nanofibers. By using such an elastomer, the unsaturated bond or group of the elastomer is bonded to the active portion of the carbon nanofiber, particularly the radical at the end of the carbon nanofiber, thereby weakening the cohesive force of the carbon nanofiber. Dispersibility can be increased. As a result, the composite elastomer is obtained by uniformly dispersing carbon nanofibers in an elastomer as a base material.

本発明の充填材は、平均直径が1〜500μmの粒子状の充填材とすることができる。このような充填材を用いることで、工程(a)における混合で、粒子状の充填材の周囲に乱流が発生し、カーボンナノファイバーをエラストマー中により均一に分散させることができる。また、本発明によって製造された多孔質材にマトリクス金属材料を浸透させる際に、毛細管現象によって容易に浸透させることができる。   The filler of the present invention can be a particulate filler having an average diameter of 1 to 500 μm. By using such a filler, turbulent flow is generated around the particulate filler by mixing in the step (a), and the carbon nanofibers can be more uniformly dispersed in the elastomer. In addition, when the matrix metal material is infiltrated into the porous material manufactured according to the present invention, it can be easily infiltrated by capillary action.

本発明の充填材は、多孔質材の用途に応じて、金属粒子または非金属粒子を用いることができる。   The filler of the present invention can use metal particles or non-metal particles depending on the use of the porous material.

本発明の製造方法の工程(c)は、前記中間複合材料を2.5MPa〜500MPaで圧縮することができる。圧縮力が2.5MPa未満であると、多孔質材は、強度不足で脆くなり、多孔質の形状を維持することができないことがある。また、圧縮力が500MPaを超えると、多孔質材の気孔が小さくなりすぎ、多孔質材にマトリクス金属材料が浸透しないなど多孔質の特性を得られないことがある。   In step (c) of the production method of the present invention, the intermediate composite material can be compressed at 2.5 MPa to 500 MPa. If the compressive force is less than 2.5 MPa, the porous material may become brittle due to insufficient strength, and the porous shape may not be maintained. On the other hand, when the compressive force exceeds 500 MPa, the pores of the porous material become too small, and the porous characteristics may not be obtained, for example, the matrix metal material does not penetrate into the porous material.

本発明の製造方法の工程(b)は、前記エラストマーを分解気化させて得られた中間複合材料を、粉砕する工程(b−1)を含み、前記工程(c)は、前記工程(b)で粉砕された中間複合材料を型内で圧縮することができる。このように中間複合材料を粉砕することで、所望の形状の多孔質材を成型することができる。また、中間複合材料内の気孔の大きさにはバラツキがあるが、中間複合材料を粉砕し、型内で圧縮することで、気孔の大きさが一様で全体に均質な多孔質材を得ることができる。   The step (b) of the production method of the present invention includes a step (b-1) of pulverizing the intermediate composite material obtained by decomposing and vaporizing the elastomer, and the step (c) includes the step (b). The intermediate composite material crushed in can be compressed in a mold. By crushing the intermediate composite material in this way, a porous material having a desired shape can be molded. In addition, the pore size in the intermediate composite material varies, but the intermediate composite material is pulverized and compressed in a mold to obtain a porous material with uniform pore size and uniform throughout. be able to.

本発明の複合金属材料の製造方法は、多孔質材に溶融したマトリクス金属材料を浸透させる工程(d)を有する。   The method for producing a composite metal material of the present invention includes a step (d) of infiltrating the molten matrix metal material into the porous material.

工程(c)によって得られた多孔質材は、カーボンナノファイバーの表面が活性化され、他の物質例えば金属との濡れ性が向上しているため、工程(d)によってマトリクス金属材料が浸透し易い。本発明によって製造された複合金属材料は、マトリクス金属材料中にカーボンナノファイバーを良好に分散させることができる。   In the porous material obtained in the step (c), the surface of the carbon nanofiber is activated, and the wettability with other substances such as metals is improved, so that the matrix metal material penetrates in the step (d). easy. The composite metal material produced according to the present invention can favorably disperse carbon nanofibers in a matrix metal material.

本発明におけるエラストマーは、ゴム系エラストマーあるいは熱可塑性エラストマーのいずれであってもよい。また、ゴム系エラストマーの場合、エラストマーは架橋体あるいは未架橋体のいずれであってもよい。原料エラストマーとしては、ゴム系エラストマーの場合、未架橋体が用いられる。   The elastomer in the present invention may be either a rubber-based elastomer or a thermoplastic elastomer. In the case of a rubber-based elastomer, the elastomer may be either a crosslinked body or an uncrosslinked body. As the raw material elastomer, an uncrosslinked product is used in the case of a rubber-based elastomer.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本実施の形態にかかる多孔質材の製造方法は、エラストマーに、充填材と、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分散させて複合エラストマーを得る工程(a)と、前記複合エラストマーを熱処理し、該複合エラストマー中に含まれるエラストマーを分解気化させて中間複合材料を得る工程(b)と、中間複合材料を圧縮して多孔質材を得る工程(c)と、を含む。   The method for producing a porous material according to the present embodiment includes a step (a) of obtaining a composite elastomer by mixing a filler and carbon nanofibers in an elastomer and dispersing the mixture by a shearing force, and the composite elastomer. And a step (b) of obtaining an intermediate composite material by decomposing and vaporizing the elastomer contained in the composite elastomer, and a step (c) of compressing the intermediate composite material to obtain a porous material.

また、本実施の形態にかかる複合金属材料の製造方法は、工程(c)によって得られた多孔質材に溶融したマトリクス金属材料を浸透させる工程(d)を有する。   Moreover, the manufacturing method of the composite metal material concerning this Embodiment has the process (d) which osmose | permeates the molten matrix metal material to the porous material obtained by the process (c).

(I)まず、エラストマーについて説明する。   (I) First, the elastomer will be described.

エラストマーは、分子量が好ましくは5000ないし500万、さらに好ましくは2万ないし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、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、したがってカーボンナノファイバー同士を分離する効果が大きい。エラストマーの分子量が5000より小さいと、エラストマー分子が相互に充分に絡み合うことができず、後の工程で剪断力をかけてもカーボンナノファイバーを分散させる効果が小さくなる。また、エラストマーの分子量が500万より大きいと、エラストマーが固くなりすぎて加工が困難となる。   The elastomer preferably has a molecular weight of 5,000 to 5,000,000, more preferably 20,000 to 3,000,000. When the molecular weight of the elastomer is within this range, the elastomer molecules are entangled with each other and are connected to each other. Therefore, the elastomer easily invades the aggregated carbon nanofibers, and thus has a great effect of separating the carbon nanofibers. If the molecular weight of the elastomer is less than 5000, the elastomer molecules cannot be sufficiently entangled with each other, and the effect of dispersing the carbon nanofibers is reduced even when a shearing force is applied in a later step. If the molecular weight of the elastomer is greater than 5 million, the elastomer becomes too hard and processing becomes difficult.

エラストマーは、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって、30℃で測定した、未架橋体におけるネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間(T2n/30℃)が好ましくは100ないし3000μ秒、より好ましくは200ないし1000μ秒である。上記範囲のスピン−スピン緩和時間(T2n/30℃)を有することにより、エラストマーは、柔軟で充分に高い分子運動性を有することができる。このことにより、エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合したときに、エラストマーは高い分子運動によりカーボンナノファイバーの相互の隙間に容易に侵入することができる。スピン−スピン緩和時間(T2n/30℃)が100μ秒より短いと、エラストマーが充分な分子運動性を有することができない。また、スピン−スピン緩和時間(T2n/30℃)が3000μ秒より長いと、エラストマーが液体のように流れやすくなり、カーボンナノファイバーを分散させることが困難となる。   The elastomer preferably has a network component spin-spin relaxation time (T2n / 30 ° C.) of 100 to 3000 μsec, more preferably 200, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. Or 1000 μs. By having a spin-spin relaxation time (T2n / 30 ° C.) in the above range, the elastomer can be flexible and have sufficiently high molecular mobility. Thus, when the elastomer and the carbon nanofiber are mixed, the elastomer can easily enter the gap between the carbon nanofibers due to high molecular motion. If the spin-spin relaxation time (T2n / 30 ° C.) is shorter than 100 μsec, the elastomer cannot have sufficient molecular mobility. Also, if the spin-spin relaxation time (T2n / 30 ° C.) is longer than 3000 μsec, the elastomer tends to flow like a liquid, and it becomes difficult to disperse the carbon nanofibers.

また、エラストマーは、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって30℃で測定した、架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし2000μ秒であることが好ましい。その理由は、上述した未架橋体と同様である。すなわち、上記の条件を有する未架橋体を架橋化すると、得られる架橋体のT2nはおおよそ上記範囲に含まれる。   The elastomer preferably has a spin-spin relaxation time (T2n) of the network component of 100 to 2000 μsec in the crosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. The reason is the same as that of the uncrosslinked product described above. That is, when an uncrosslinked body having the above conditions is crosslinked, T2n of the obtained crosslinked body is approximately within the above range.

パルス法NMRを用いたハーンエコー法によって得られるスピン−スピン緩和時間は、物質の分子運動性を表す尺度である。具体的には、パルス法NMRを用いたハーンエコー法によりエラストマーのスピン−スピン緩和時間を測定すると、緩和時間の短い第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)を有する第1の成分と、緩和時間のより長い第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)を有する第2の成分とが検出される。第1の成分は高分子のネットワーク成分(骨格分子)に相当し、第2の成分は高分子の非ネットワーク成分(末端鎖などの枝葉の成分)に相当する。そして、第1のスピン−スピン緩和時間が短いほど分子運動性が低く、エラストマーは固いといえる。また、第1のスピン−スピン緩和時間が長いほど分子運動性が高く、エラストマーは柔らかいといえる。   The spin-spin relaxation time obtained by the Hahn-echo method using pulsed NMR is a measure representing the molecular mobility of a substance. Specifically, when the spin-spin relaxation time of the elastomer is measured by the Hahn-echo method using pulsed NMR, a first component having a first spin-spin relaxation time (T2n) having a short relaxation time, and relaxation A second component having a longer spin-spin relaxation time (T2nn) is detected. The first component corresponds to a polymer network component (skeleton molecule), and the second component corresponds to a polymer non-network component (branch and leaf component such as a terminal chain). The shorter the first spin-spin relaxation time, the lower the molecular mobility and the harder the elastomer. Further, it can be said that the longer the first spin-spin relaxation time, the higher the molecular mobility and the softer the elastomer.

パルス法NMRにおける測定法としては、ハーンエコー法でなくてもソリッドエコー法、CPMG法(カー・パーセル・メイブーム・ギル法)あるいは90゜パルス法でも適用できる。ただし、本発明にかかるエラストマーは中程度のスピン−スピン緩和時間(T2)を有するので、ハーンエコー法が最も適している。一般的に、ソリッドエコー法および90゜パルス法は、短いT2の測定に適し、ハーンエコー法は、中程度のT2の測定に適し、CPMG法は、長いT2の測定に適している。   As a measurement method in the pulsed NMR method, the solid echo method, the CPMG method (Car Purcell, Mayboom, Gill method) or the 90 ° pulse method can be applied instead of the Hahn echo method. However, since the elastomer according to the present invention has a medium spin-spin relaxation time (T2), the Hahn echo method is most suitable. In general, the solid echo method and the 90 ° pulse method are suitable for short T2 measurement, the Hahn echo method is suitable for medium T2 measurement, and the CPMG method is suitable for long T2 measurement.

エラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバーの末端のラジカルに対して親和性を有する不飽和結合または基を有するか、もしくは、このようなラジカルまたは基を生成しやすい性質を有する。かかる不飽和結合または基としては、二重結合、三重結合、α水素、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつであることができる。   The elastomer has an unsaturated bond or group having affinity for the radical at the end of the carbon nanofiber in at least one of the main chain, the side chain and the end chain, or generates such a radical or group. Easy to use. Such unsaturated bonds or groups include double bonds, triple bonds, α hydrogen, carbonyl groups, carboxyl groups, hydroxyl groups, amino groups, nitrile groups, ketone groups, amide groups, epoxy groups, ester groups, vinyl groups, halogen groups. , Urethane groups, burette groups, allophanate groups, and urea groups.

カーボンナノファイバーは、通常、側面は炭素原子の6員環で構成され、先端は5員環が導入されて閉じた構造となっているが、構造的に無理があるため、実際上は欠陥を生じやすく、その部分にラジカルや官能基を生成しやすくなっている。本実施の形態では、エラストマーの主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバーのラジカルと親和性(反応性または極性)が高い不飽和結合や基を有することにより、エラストマーとカーボンナノファイバーとを結合することができる。このことにより、カーボンナノファイバーの凝集力にうち勝ってその分散を容易にすることができる。そして、エラストマーと、カーボンナノファイバーと、を混練する際に、エラストマーの分子鎖が切断されて生成したフリーラジカルは、カーボンナノファイバーの欠陥を攻撃し、カーボンナノファイバーの表面にラジカルを生成すると推測できる。   Carbon nanofibers usually have a six-membered ring of carbon atoms and a closed end with a five-membered ring introduced at the tip. It tends to occur, and it is easy to generate radicals and functional groups in the part. In the present embodiment, at least one of the main chain, side chain, and terminal chain of the elastomer has an unsaturated bond or group having high affinity (reactivity or polarity) with the radical of the carbon nanofiber, so that the elastomer and carbon Nanofibers can be combined. This makes it possible to easily disperse the carbon nanofibers by overcoming the cohesive force. And when the elastomer and carbon nanofibers are kneaded, the free radicals generated by breaking the molecular chains of the elastomer attack the defects of the carbon nanofibers and guess that they generate radicals on the surface of the carbon nanofibers it can.

エラストマーとしては、天然ゴム(NR)、エポキシ化天然ゴム(ENR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、エチレンプロピレンゴム(EPR,EPDM)、ブチルゴム(IIR)、クロロブチルゴム(CIIR)、アクリルゴム(ACM)、シリコーンゴム(Q)、フッ素ゴム(FKM)、ブタジエンゴム(BR)、エポキシ化ブタジエンゴム(EBR)、エピクロルヒドリンゴム(CO,CEO)、ウレタンゴム(U)、ポリスルフィドゴム(T)などのエラストマー類;オレフィン系(TPO)、ポリ塩化ビニル系(TPVC)、ポリエステル系(TPEE)、ポリウレタン系(TPU)、ポリアミド系(TPEA)、スチレン系(SBS)、などの熱可塑性エラストマー;およびこれらの混合物を用いることができる。特に、エラストマーの混練の際にフリーラジカルを生成しやすい極性の高いエラストマー、例えば、天然ゴム(NR)、ニトリルゴム(NBR)などが好ましい。また、極性の低いエラストマー、例えばエチレンプロピレンゴム(EPDM)であっても、混練の温度を比較的高温(例えばEPDMの場合、50℃〜150℃)とすることで、フリーラジカルを生成するので本発明に用いることができる。   Elastomers include natural rubber (NR), epoxidized natural rubber (ENR), styrene-butadiene rubber (SBR), nitrile rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), ethylene propylene rubber (EPR, EPDM), and butyl rubber (IIR). ), Chlorobutyl rubber (CIIR), acrylic rubber (ACM), silicone rubber (Q), fluorine rubber (FKM), butadiene rubber (BR), epoxidized butadiene rubber (EBR), epichlorohydrin rubber (CO, CEO), urethane rubber (U), elastomers such as polysulfide rubber (T); olefin (TPO), polyvinyl chloride (TPVC), polyester (TPEE), polyurethane (TPU), polyamide (TPEA), styrene (SBS) ), Etc., thermoplastic elastomer ; And it can be a mixture thereof. Particularly preferred are highly polar elastomers that easily generate free radicals during elastomer kneading, such as natural rubber (NR) and nitrile rubber (NBR). Even in the case of an elastomer having a low polarity, such as ethylene propylene rubber (EPDM), free radicals are generated by setting the kneading temperature to a relatively high temperature (for example, 50 to 150 ° C. in the case of EPDM). Can be used for invention.

本実施の形態のエラストマーは、ゴム系エラストマーあるいは熱可塑性エラストマーのいずれであってもよい。また、ゴム系エラストマーの場合、エラストマーは未架橋体が好ましい。   The elastomer of the present embodiment may be a rubber elastomer or a thermoplastic elastomer. In the case of a rubber-based elastomer, the elastomer is preferably an uncrosslinked product.

(II)次に、カーボンナノファイバーについて説明する。   (II) Next, the carbon nanofiber will be described.

本実施の形態に用いられ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く、複合材料の強度を向上させるためには0.5ないし30nmであることがさらに好ましい。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い。   The carbon nanofibers used in the present embodiment preferably have an average diameter of 0.5 to 500 nm, and more preferably 0.5 to 30 nm in order to improve the strength of the composite material. Furthermore, the carbon nanofibers may be straight fibers or curved fibers.

カーボンナノファイバーの配合量は、多孔質材の用途に応じて設定できるが、本実施の形態の複合エラストマーは、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好ましい。   Although the compounding quantity of carbon nanofiber can be set according to the use of a porous material, it is preferable that the composite elastomer of this Embodiment contains carbon nanofiber in the ratio of 0.01 to 50 weight%.

カーボンナノファイバーとしては、例えば、いわゆるカーボンナノチューブなどが例示できる。カーボンナノチューブは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造を有する。すなわち、カーボンナノチューブは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有する炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブといった名称で称されることもある。   Examples of carbon nanofibers include so-called carbon nanotubes. Carbon nanotubes have a single-layer structure in which graphene sheets with carbon hexagonal mesh surfaces are closed in a cylindrical shape, or a multilayer structure in which these cylindrical structures are arranged in a nested manner. That is, the carbon nanotube may be composed of only a single-layer structure or a multilayer structure, and the single-layer structure and the multilayer structure may be mixed. A carbon material partially having a carbon nanotube structure can also be used. In addition to the name “carbon nanotube”, it may be called “graphite fibril nanotube”.

単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。   Single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes are manufactured to a desired size by an arc discharge method, a laser ablation method, a vapor phase growth method, or the like.

アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得る方法である。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル/コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。   The arc discharge method is a method of obtaining multi-walled carbon nanotubes deposited on a cathode by performing an arc discharge between electrode materials made of carbon rods in an argon or hydrogen atmosphere at a pressure slightly lower than atmospheric pressure. In addition, the single-walled carbon nanotube is obtained by mixing the carbon rod with a catalyst such as nickel / cobalt to cause arc discharge and adhering to the inner surface of the processing vessel.

レーザーアブレーション法は、希ガス(例えばアルゴン)中で、ターゲットであるニッケル/コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面に、YAGレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面を溶融・蒸発させて、単層カーボンナノチューブを得る方法である。   The laser ablation method melts and evaporates the carbon surface by irradiating a strong YAG laser pulsed laser beam onto a carbon surface mixed with a target catalyst such as nickel / cobalt in a rare gas (eg argon). This is a method for obtaining single-walled carbon nanotubes.

気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、より具体的には、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などが例示できる。   The vapor phase growth method is a method in which hydrocarbons such as benzene and toluene are thermally decomposed in the gas phase to synthesize carbon nanotubes. More specifically, a fluid catalyst method, a zeolite supported catalyst method, and the like can be exemplified.

なお、これらのカーボンナノファイバーは、エラストマーに混練される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。   These carbon nanofibers are improved in adhesion and wettability with the elastomer by performing a surface treatment in advance, for example, ion implantation treatment, sputter etching treatment, plasma treatment, etc. before being kneaded into the elastomer. be able to.

(III)次に、充填材について説明する。   (III) Next, the filler will be described.

本実施の形態に用いられる充填材は、工程(a)においては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り、多孔質材においては構造材でもある。充填材は、平均直径が1〜500μmの粒子状であることが好ましく、1〜300μmの粒子状であることがさらに好ましい。充填材の平均直径が1μm未満であると多孔質材の気孔サイズが小さくなるため気孔率が低くなり、また工程(d)において多孔質材にマトリクス金属材料が浸透しにくくなる。また、充填材の平均直径が500μmを超えると工程(a)における混練が困難となる。なお、充填材の形状は、球形粒状に限らず、工程(a)の混合時にエラストマーが乱流状の流動を発生することができれば平板状、りん片状であってもよいが、全体に均質な多孔質材を得るためには球形粒状が好ましい。   The filler used in the present embodiment disperses the carbon nanofibers more favorably in the step (a), and is also a structural material in the porous material. The filler is preferably in the form of particles having an average diameter of 1 to 500 μm, and more preferably in the form of particles of 1 to 300 μm. When the average diameter of the filler is less than 1 μm, the pore size of the porous material is reduced, so that the porosity is lowered, and the matrix metal material is less likely to penetrate into the porous material in the step (d). If the average diameter of the filler exceeds 500 μm, kneading in step (a) becomes difficult. The shape of the filler is not limited to spherical particles, but may be flat or flake shaped as long as the elastomer can generate a turbulent flow during mixing in step (a). In order to obtain a porous material, spherical particles are preferred.

充填材は、金属粒子または非金属粒子が好ましく、金属粒子と非金属粒子とを組み合わせて用いることもできる。   The filler is preferably metal particles or nonmetal particles, and a combination of metal particles and nonmetal particles can also be used.

金属粒子の充填材としては、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、金、銀、銅、ニッケル、クロム、ゲルマニウム、セレン、スズ、亜鉛及びこれらの合金などを単体でもしくは組み合わせて用いることができる。   As the filler for the metal particles, aluminum, magnesium, titanium, iron, gold, silver, copper, nickel, chromium, germanium, selenium, tin, zinc, and alloys thereof can be used alone or in combination.

金属粒子が例えばアルミニウム粒子である場合、アルミニウム溶湯を浸透させたときに、エラストマーが熱分解されて発生したラジカルなどによってアルミニウム粒子の表面にある酸化物を還元してアルミニウム粒子とアルミニウム溶湯の濡れ性が改善して結合力を強固にすることができる。また、金属粒子がアルミニウム粒子とマグネシウム粒子とを含むことで、工程(d)においてマグネシウム粒子が還元剤となってアルミニウム粒子表面の酸化物を還元することができ、さらにアルミニウム溶湯を浸透させやすくすることができる。したがって、アルミニウム溶湯の浸透による流動が、カーボンナノファイバーを表面が還元されたアルミニウム粒子の内部まで侵入させることになる。このように金属粒子がアルミニウム粒子のような表面に酸化物を有する場合には、上述のような好ましい効果を有する。   When the metal particles are, for example, aluminum particles, the wettability of the aluminum particles and the molten aluminum by reducing oxides on the surface of the aluminum particles by radicals generated by thermal decomposition of the elastomer when the molten aluminum is infiltrated. Can be improved and the binding force can be strengthened. In addition, since the metal particles include aluminum particles and magnesium particles, the magnesium particles can be used as a reducing agent in the step (d) to reduce the oxide on the surface of the aluminum particles, and further facilitate the penetration of the molten aluminum. be able to. Therefore, the flow due to the permeation of the molten aluminum causes the carbon nanofibers to enter the inside of the aluminum particles whose surface is reduced. Thus, when a metal particle has an oxide on the surface like an aluminum particle, it has the above preferable effects.

非金属粒子の充填材としては、カーボンブラック、ケイ酸粒子、鉱物性粒子などを単体でもしくは組み合わせて用いることができる。   As the filler for non-metallic particles, carbon black, silicic acid particles, mineral particles and the like can be used alone or in combination.

非金属粒子に用いられるカーボンブラックとしては、SAF,ISAF,HAF,SRF,T,GPF,FT,MTなどの補強用カーボンブラック、また例えばHCC,HCF,LFF,MFF,RCFなどのカラー用カーボンブラック、また例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどの導電用カーボンブラックなどを用いることができる。   Carbon blacks used for non-metallic particles include reinforcing carbon blacks such as SAF, ISAF, HAF, SRF, T, GPF, FT and MT, and color carbon blacks such as HCC, HCF, LFF, MFF and RCF. Further, for example, conductive carbon black such as acetylene black and ketjen black can be used.

非金属粒子に用いられるケイ酸粒子としては、含水ケイ酸、超微粉シリカ、無水ケイ酸などを用いることができる。   As the silicic acid particles used for the non-metallic particles, hydrous silicic acid, ultrafine silica, anhydrous silicic acid or the like can be used.

非金属粒子に用いられる鉱物性粒子としては、陶土、カオリン、タルク、ベントナイト、ハードクレー、ソフトクレー、炭酸カルシウム、水酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムなどの鉱物粉や酸化物粉などを用いることができる。   As mineral particles used for non-metallic particles, mineral powder such as porcelain, kaolin, talc, bentonite, hard clay, soft clay, calcium carbonate, magnesium hydroxide, aluminum oxide, magnesium oxide, etc. should be used. Can do.

これらカーボンブラック、ケイ酸粒子及び鉱物性粒子などから構成される非金属粒子は、ゴム組成物に増量剤などとして用いられるものであるから、多孔質材及び複合金属材料の用途に応じて適宜選択することができる。   These non-metallic particles composed of carbon black, silicic acid particles, mineral particles, and the like are used as extenders in rubber compositions, and therefore are appropriately selected according to the use of porous materials and composite metal materials. can do.

充填材の量は、エラストマー100重量部に対して、0.1〜1000重量部が好ましい。充填材が0.1重量部よりも少ないと、カーボンナノファイバーの分散性にほとんど影響がない。また、充填材が1000重量部より多いと、加工工程における加工性が困難となり、さらに800重量部以下が加工性において好ましい。   The amount of the filler is preferably 0.1 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the elastomer. If the filler is less than 0.1 parts by weight, the dispersibility of the carbon nanofiber is hardly affected. Moreover, when there are more fillers than 1000 weight part, the workability in a manufacturing process will become difficult, and also 800 weight part or less is preferable in workability.

(IV)次に、工程(a)について説明する。   (IV) Next, step (a) will be described.

本実施の形態にかかる工程(a)は、エラストマーに、充填材と、カーボンナノファイバーと、を混合させ、かつ剪断力によって分散させて複合エラストマーを得る。   In the step (a) according to the present embodiment, a filler is mixed with a filler and carbon nanofibers and dispersed by shearing force to obtain a composite elastomer.

工程(a)は、オープンロール法、密閉式混練法、多軸押出し混練法などを用いて行うことができる。   Step (a) can be performed using an open roll method, a closed kneading method, a multi-screw extrusion kneading method, or the like.

本実施の形態では、エラストマーにカーボンナノファイバーを混合させる工程として、ロール間隔が0.5mm以下の薄通しを行なうオープンロール法を用いた例について述べる。   In the present embodiment, as an example of mixing carbon nanofibers with an elastomer, an example using an open roll method in which thinning with a roll interval of 0.5 mm or less is used will be described.

図1は、2本のロールを用いたオープンロール法を模式的に示す図である。図1において、符号10は第1のロールを示し、符号20は第2のロールを示す。第1のロール10と第2のロール20とは、所定の間隔d、例えば1.5mmの間隔で配置されている。第1および第2のロールは、正転あるいは逆転で回転する。図示の例では、第1のロール10および第2のロール20は、矢印で示す方向に回転している。   FIG. 1 is a diagram schematically showing an open roll method using two rolls. In FIG. 1, the code | symbol 10 shows a 1st roll and the code | symbol 20 shows a 2nd roll. The first roll 10 and the second roll 20 are arranged at a predetermined interval d, for example, 1.5 mm. The first and second rolls rotate in the normal direction or the reverse direction. In the illustrated example, the first roll 10 and the second roll 20 rotate in the direction indicated by the arrow.

まず、第1,第2のロール10,20が回転した状態で、第2のロール20に、エラストマー30を巻き付けると、ロール10,20間にエラストマーがたまった、いわゆるバンク32が形成される。このバンク32内に充填材50を加えて、さらに第1,第2のロール10,20を回転させることにより、エラストマー30に、充填材50、を混合する工程が行われる。ついで、このエラストマー30と充填材50とが混合されたバンク32内にカーボンナノファイバー40を加えて、第1、第2のロール10,20を回転させると、エラストマーと充填材とカーボンナノファイバーとの混合物が得られる。この混合物をオープンロールから取り出す。さらに、第1のロール10と第2のロール20の間隔dを、好ましくは0.5mm以下、より好ましくは0.1ないし0.5mmの間隔に設定し、得られたエラストマーとカーボンナノファイバーの混合物をオープンロールに投入して薄通しを行なう。薄通しの回数は、例えば10回程度行なうことが好ましい。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、薄通しにおける両者の表面速度比(V1/V2)は、1.05ないし3.00であることが好ましく、さらに1.05ないし1.2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、所望の剪断力を得ることができる。   First, when the elastomer 30 is wound around the second roll 20 while the first and second rolls 10 and 20 are rotated, a so-called bank 32 in which the elastomer is accumulated between the rolls 10 and 20 is formed. A step of mixing the filler 50 with the elastomer 30 is performed by adding the filler 50 into the bank 32 and further rotating the first and second rolls 10 and 20. Next, when the carbon nanofibers 40 are added to the bank 32 in which the elastomer 30 and the filler 50 are mixed and the first and second rolls 10 and 20 are rotated, the elastomer, the filler, and the carbon nanofibers are rotated. Is obtained. Remove this mixture from the open roll. Further, the distance d between the first roll 10 and the second roll 20 is preferably set to 0.5 mm or less, more preferably 0.1 to 0.5 mm, and the obtained elastomer and carbon nanofibers are separated. The mixture is put into an open roll and thinned. The number of thinning is preferably about 10 times. When the surface speed of the first roll 10 is V1, and the surface speed of the second roll 20 is V2, the ratio of the surface speeds (V1 / V2) in thinness is 1.05 to 3.00. It is preferably 1.05 to 1.2. By using such a surface velocity ratio, a desired shear force can be obtained.

このようにして得られた剪断力により、エラストマー30に高い剪断力が作用し、凝集していたカーボンナノファイバー40がエラストマー分子に1本づつ引き抜かれるように相互に分離し、エラストマー30に分散される。また、カーボンナノファイバー40の投入に先立って、充填材50をバンク32に投入したので、ロールによる剪断力は充填材50のまわりに乱流状の流動を発生させ、カーボンナノファイバー40をエラストマー30にさらに分散させることができる。   Due to the shearing force thus obtained, a high shearing force acts on the elastomer 30, and the aggregated carbon nanofibers 40 are separated from each other so as to be pulled out one by one to the elastomer molecules, and dispersed in the elastomer 30. The Further, since the filler 50 is introduced into the bank 32 prior to the introduction of the carbon nanofiber 40, the shearing force generated by the roll generates a turbulent flow around the filler 50, and the carbon nanofiber 40 is transformed into the elastomer 30. Can be further dispersed.

また、この工程(a)では、できるだけ高い剪断力を得るために、エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合は、好ましくは0ないし50℃、より好ましくは5ないし30℃の比較的低い温度で行われる。なお、エラストマーとしてEPDMを用いた場合には、2段階の混練工程を行なうことが望ましく、第1の混練工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、EPDMとカーボンナノファイバーとの混合は、第2の混練工程より50〜100℃低い第1の温度で行なわれる。第1の温度は、好ましくは0ないし50℃、より好ましくは5ないし30℃の第1の温度である。ロールの第2の温度は、50〜150℃の比較的高い温度に設定することでカーボンナノファイバーの分散性を向上させることができる。   In this step (a), in order to obtain as high a shearing force as possible, the elastomer and the carbon nanofiber are mixed at a relatively low temperature of preferably 0 to 50 ° C., more preferably 5 to 30 ° C. . When EPDM is used as the elastomer, it is desirable to perform a two-stage kneading step. In the first kneading step, in order to obtain as high a shearing force as possible, mixing of EPDM and carbon nanofibers is performed in the first step. The first temperature is 50 to 100 ° C. lower than the kneading step 2. The first temperature is preferably a first temperature of 0 to 50 ° C., more preferably 5 to 30 ° C. The dispersibility of the carbon nanofibers can be improved by setting the second temperature of the roll to a relatively high temperature of 50 to 150 ° C.

また、この工程(a)では、剪断力によって剪断されたエラストマーにフリーラジカルが生成され、そのフリーラジカルがカーボンナノファイバーの表面を攻撃することで、カーボンナノファイバーの表面は活性化される。例えば、エラストマーに天然ゴム(NR)を用いた場合には、各天然ゴム(NR)分子はロールによって混練される間に切断され、オープンロールへ投入する前よりも小さな分子量になる。このように切断された天然ゴム(NR)分子にはラジカルが生成しており、混練の間にラジカルがカーボンナノファイバーの表面を攻撃するので、カーボンナノファイバーの表面が活性化する。   Further, in this step (a), free radicals are generated in the elastomer sheared by the shearing force, and the free radicals attack the surface of the carbon nanofibers, thereby activating the surface of the carbon nanofibers. For example, when natural rubber (NR) is used as an elastomer, each natural rubber (NR) molecule is cut while being kneaded by a roll, and has a smaller molecular weight than before being put into an open roll. Radicals are generated in the natural rubber (NR) molecules thus cut, and the radicals attack the surface of the carbon nanofibers during kneading, so that the surface of the carbon nanofibers is activated.

このとき、本実施の形態のエラストマーは、上述した特徴、すなわち、エラストマーの分子形態(分子長)、分子運動、特にカーボンナノファイバーとの化学的相互作用などの特徴を有することによってカーボンナノファイバーの分散を容易にするので、カーボンナノファイバーの分散性および分散安定性(一端分散したカーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと)に優れた複合エラストマーを得ることができる。より具体的には、エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、分子長が適度に長く、分子運動性の高いエラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、エラストマーの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合する。この状態で、エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物に強い剪断力が作用すると、エラストマーの移動に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、エラストマー中に分散されることになる。そして、一旦分散したカーボンナノファイバーは、エラストマーとの化学的相互作用によって再凝集することが防止され、良好な分散安定性を有することができる。   At this time, the elastomer of the present embodiment has the characteristics described above, that is, the molecular morphology (molecular length) of the elastomer, the molecular motion, particularly the chemical interaction with the carbon nanofiber, and the like. Since the dispersion is facilitated, a composite elastomer excellent in the dispersibility and dispersion stability of the carbon nanofibers (the carbon nanofibers once dispersed are difficult to reaggregate) can be obtained. More specifically, when an elastomer and carbon nanofibers are mixed, an elastomer having a reasonably long molecular length and high molecular mobility penetrates into the carbon nanofibers, and a specific portion of the elastomer is chemically interlinked. It binds to the highly active part of the carbon nanofiber by action. In this state, if a strong shearing force acts on the mixture of the elastomer and carbon nanofibers, the carbon nanofibers move as the elastomer moves, and the aggregated carbon nanofibers are separated and dispersed in the elastomer. Will be. The carbon nanofibers once dispersed are prevented from reaggregating due to chemical interaction with the elastomer, and can have good dispersion stability.

工程(a)は、上記オープンロール法に限定されず、既に述べた密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。要するに、この工程(a)では、凝集したカーボンナノファイバーを分離でき、かつエラストマー分子を切断してラジカルを生成する剪断力をエラストマーに与えることができればよい。   The step (a) is not limited to the open roll method, and the above-described closed kneading method or multi-screw extrusion kneading method can also be used. In short, in this step (a), it is only necessary to be able to separate the aggregated carbon nanofibers and to give the elastomer a shearing force that cuts the elastomer molecules to generate radicals.

エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合・分散工程において、あるいは続いて、通常、ゴムなどのエラストマーの加工で用いられる配合剤を加えることができる。配合剤としては公知のものを用いることができる。配合剤としては、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤などを挙げることができる。   In the step of mixing / dispersing the elastomer and the carbon nanofiber, or subsequently, a compounding agent usually used in processing of the elastomer such as rubber can be added. A well-known thing can be used as a compounding agent. Examples of the compounding agent include a crosslinking agent, a vulcanizing agent, a vulcanization accelerator, a vulcanization retarder, a softening agent, a plasticizer, a curing agent, a reinforcing agent, a filler, an antiaging agent, and a coloring agent. it can.

工程(a)によって得られた複合エラストマーは、基材であるエラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されている。このことは、エラストマーがカーボンナノファイバーによって拘束されている状態であるともいえる。この状態では、カーボンナノファイバーによって拘束を受けたエラストマー分子の運動性は、カーボンナノファイバーの拘束を受けない場合に比べて小さくなる。そのため、本実施の形態にかかる複合エラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)及びスピン−格子緩和時間(T1)は、カーボンナノファイバーを含まないエラストマー単体の場合より短くなる。   In the composite elastomer obtained by the step (a), carbon nanofibers are uniformly dispersed in the elastomer as a base material. This can be said to be a state where the elastomer is restrained by the carbon nanofibers. In this state, the mobility of the elastomer molecules constrained by the carbon nanofibers is smaller than that when not constrained by the carbon nanofibers. Therefore, the first spin-spin relaxation time (T2n), the second spin-spin relaxation time (T2nn), and the spin-lattice relaxation time (T1) of the composite elastomer according to the present embodiment include carbon nanofibers. It is shorter than the case of no elastomer alone.

また、エラストマー分子がカーボンナノファイバーによって拘束された状態では、以下の理由によって、非ネットワーク成分(非網目鎖成分)は減少すると考えられる。すなわち、カーボンナノファイバーによってエラストマーの分子運動性が全体的に低下すると、非ネットワーク成分は容易に運動できなくなる部分が増えて、ネットワーク成分と同等の挙動をしやすくなること、また、非ネットワーク成分(末端鎖)は動きやすいため、カーボンナノファイバーの活性点に吸着されやすくなること、などの理由によって、非ネットワーク成分は減少すると考えられる。そのため、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、カーボンナノファイバーを含まないエラストマー単体の場合より小さくなる。   In addition, in the state where the elastomer molecules are constrained by the carbon nanofibers, it is considered that the non-network component (non-network chain component) decreases for the following reason. In other words, when the molecular mobility of the elastomer decreases as a whole due to carbon nanofibers, the non-network component becomes more difficult to move, making it easier to behave like the network component, and the non-network component ( It is considered that the non-network component is reduced due to the fact that the terminal chain is easy to move and is easily adsorbed to the active site of the carbon nanofiber. Therefore, the component fraction (fnn) of the component having the second spin-spin relaxation time is smaller than that in the case of an elastomer alone that does not include carbon nanofibers.

以上のことから、本実施の形態にかかる複合エラストマーは、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって得られる測定値が以下の範囲にあることが望ましい。   From the above, it is desirable that the composite elastomer according to the present embodiment has a measurement value obtained by the Hahn echo method using the pulse method NMR in the following range.

すなわち、未架橋体において、150℃で測定した、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、さらに第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未満であることが好ましい。   That is, in the uncrosslinked product, the first spin-spin relaxation time (T2n) measured at 150 ° C. is 100 to 3000 μsec, and the second spin-spin relaxation time (T2nn) does not exist or 1000 The component fraction (fnn) of the component having the second spin-spin relaxation time is preferably less than 0.2.

また、架橋体において、150℃で測定した、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は100ないし2000μ秒であり、第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)は1000ないし4000μ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0.08未満であることが好ましい。   In the crosslinked product, the first spin-spin relaxation time (T2n) measured at 150 ° C. is 100 to 2000 μs, and the second spin-spin relaxation time (T2nn) is 1000 to 4000 μs. The component fraction (fnn) of the component having the second spin-spin relaxation time is preferably less than 0.08.

また、本実施の形態にかかる複合エラストマーは、パルス法NMRを用いたハーンエコー法によって得られる測定値が以下の範囲にあることが望ましい。すなわち、カーボンナノファイバー1重量部あたりの架橋体の150℃で測定したスピン−格子緩和時間(T1)変化量(ΔT1)が、エラストマー単体の場合より1msec以上低下することが好ましく、さらに好ましくは2〜15msec低下することが好ましい。   In addition, it is desirable that the composite elastomer according to the present embodiment has a measurement value obtained by the Hahn echo method using the pulse method NMR within the following range. That is, the amount of change (ΔT1) in the spin-lattice relaxation time (T1) measured at 150 ° C. of the crosslinked product per part by weight of the carbon nanofibers is preferably decreased by 1 msec or more, more preferably 2 It is preferable to decrease by ~ 15 msec.

パルス法NMRを用いたハーンエコー法により測定されたスピン−格子緩和時間(T1)は、スピン−スピン緩和時間(T2)とともに物質の分子運動性を表す尺度である。具体的には、エラストマーのスピン−格子緩和時間が短いほど分子運動性が低く、エラストマーは固いといえ、そしてスピン−格子緩和時間が長いほど分子運動性が高く、エラストマーは柔らかいといえる。   The spin-lattice relaxation time (T1) measured by the Hahn-echo method using pulsed NMR is a measure representing the molecular mobility of a substance together with the spin-spin relaxation time (T2). Specifically, the shorter the spin-lattice relaxation time of the elastomer, the lower the molecular mobility and the harder the elastomer, and the longer the spin-lattice relaxation time, the higher the molecular mobility and the softer the elastomer.

本実施の形態にかかる複合エラストマーは、動的粘弾性の温度依存性測定における流動温度が、原料エラストマー単体の流動温度より20℃以上高温であることが好ましい。本実施の形態の複合エラストマーは、エラストマーに、充填材と、カーボンナノファイバーと、が良好に分散されている。このことは、上述したように、エラストマーがカーボンナノファイバーによって拘束されている状態であるともいえる。この状態では、エラストマーは、カーボンナノファイバーを含まない場合に比べて、その分子運動が小さくなり、その結果、流動性が低下する。   In the composite elastomer according to the present embodiment, the flow temperature in the temperature dependence measurement of dynamic viscoelasticity is preferably 20 ° C. or more higher than the flow temperature of the raw material elastomer alone. In the composite elastomer of the present embodiment, the filler and the carbon nanofibers are well dispersed in the elastomer. This can be said to be a state where the elastomer is restrained by the carbon nanofibers as described above. In this state, the elastomer has a smaller molecular motion than the case where it does not contain carbon nanofibers, resulting in a decrease in fluidity.

(V)次に、工程(b)について説明する。   (V) Next, step (b) will be described.

本実施の形態にかかる工程(b)は、複合エラストマーを熱処理し、該複合エラストマー中に含まれるエラストマーを分解気化させて中間複合材料を得る。   In the step (b) according to the present embodiment, the composite elastomer is heat-treated, and the elastomer contained in the composite elastomer is decomposed and vaporized to obtain an intermediate composite material.

工程(b)は、例えば炉内で工程(a)で得られた複合エラストマーを熱処理することで、該複合エラストマー中に含まれるエラストマーが分解気化することで除去されて、表面が活性化された多孔質の中間複合材料を製造することができる。複合エラストマーからエラストマーを分解気化して得られた中間複合材料は、エラストマー中に均一に分散され状態をほとんど維持したままカーボンナノファイバーと充填材だけが残された多孔質の材料である。このような中間複合材料は、脆く、多孔質の状態を維持したまま取り扱うことが難しい。   In the step (b), for example, the composite elastomer obtained in the step (a) is heat-treated in a furnace, whereby the elastomer contained in the composite elastomer is removed by decomposition and vaporization, and the surface is activated. Porous intermediate composite materials can be produced. The intermediate composite material obtained by decomposing and vaporizing the elastomer from the composite elastomer is a porous material in which only the carbon nanofibers and the filler remain while being uniformly dispersed in the elastomer and maintaining almost the state. Such an intermediate composite material is fragile and difficult to handle while maintaining a porous state.

図2は、工程(a)で得られた複合エラストマー100を模式的に示す断面図である。図3は、工程(b)で得られた中間複合材料200を模式的に示す断面図である。図2に示すように、複合エラストマー100は、エラストマー30のマトリクス中に充填材50とカーボンナノファイバー40が分散している。工程(b)は、熱処理炉にこの複合エラストマー100を配置し、熱処理炉内をエラストマー30の分解気化する温度、例えば420℃に加熱する。この加熱によって、エラストマー30は、その分解され、そのほとんどが分解気化することで除去され、図3に示すような中間複合材料200が得られる。中間複合材料200は、エラストマーが除去された部分が気孔60となり、充填材50やカーボンナノファイバー40が結合して複合エラストマー100より多少大きめの形態を維持する。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the composite elastomer 100 obtained in the step (a). FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the intermediate composite material 200 obtained in the step (b). As shown in FIG. 2, the composite elastomer 100 has a filler 50 and carbon nanofibers 40 dispersed in a matrix of the elastomer 30. In the step (b), the composite elastomer 100 is disposed in a heat treatment furnace, and the inside of the heat treatment furnace is heated to a temperature at which the elastomer 30 is decomposed and vaporized, for example, 420 ° C. The elastomer 30 is decomposed by this heating, and most of the elastomer 30 is removed by decomposition and vaporization, so that an intermediate composite material 200 as shown in FIG. 3 is obtained. In the intermediate composite material 200, the portions from which the elastomer is removed become pores 60, and the filler 50 and the carbon nanofibers 40 are combined to maintain a slightly larger form than the composite elastomer 100.

中間複合材料200は、充填材50やカーボンナノファイバー40の結合力が小さく、脆い。また、エラストマー30が分解気化する際に気孔60を押し広げるため、気孔60のサイズにはバラツキがあり、不均一である。   The intermediate composite material 200 is brittle because the bonding force between the filler 50 and the carbon nanofiber 40 is small. Moreover, since the pores 60 are expanded when the elastomer 30 is decomposed and vaporized, the sizes of the pores 60 vary and are not uniform.

工程(b)の熱処理は、使用されるエラストマーの種類によって種々の条件を選択することができるが、少なくとも熱処理温度は、エラストマーの分解気化する温度以上であって、かつ充填材とカーボンナノファイバーが溶融する温度よりも低い温度に設定される。また、工程(b)の熱処理温度は、熱処理炉内に配置された複合エラストマーの温度を測定し、制御することが望ましい。例えば、複合エラストマーに熱電対を埋め込み、複合エラストマー内部の温度を正確に測定する。   Various conditions can be selected for the heat treatment in step (b) depending on the type of elastomer used, but at least the heat treatment temperature is equal to or higher than the temperature at which the elastomer decomposes and vaporizes, and the filler and carbon nanofibers are The temperature is set lower than the melting temperature. The heat treatment temperature in step (b) is desirably controlled by measuring the temperature of the composite elastomer placed in the heat treatment furnace. For example, a thermocouple is embedded in the composite elastomer, and the temperature inside the composite elastomer is accurately measured.

工程(b)の熱処理は、熱処理炉内に配置された複合エラストマーを比較的ゆるかな昇温速度(単位時間当たりの温度上昇)であることが好ましい。例えば、エラストマーが天然ゴム(NR)の場合、複合エラストマーを室温から天然ゴムが効率よく分解気化する温度である420℃まで4時間で昇温することによって、天然ゴムを分解気化して除去する。特に、天然ゴムは300℃辺りで分解し始めるので、例えば300℃から420℃まで3時間かけてゆっくり昇温させることが好ましい。このように複合エラストマーをゆるやかに昇温させることで、エラストマーをゆっくりと分解気化し、中間複合材料の膨張変形を抑えることができる。   The heat treatment in the step (b) is preferably performed at a relatively slow heating rate (temperature increase per unit time) of the composite elastomer disposed in the heat treatment furnace. For example, when the elastomer is natural rubber (NR), the natural rubber is decomposed and removed by raising the temperature of the composite elastomer from room temperature to 420 ° C., which is a temperature at which the natural rubber is efficiently decomposed and vaporized, in 4 hours. In particular, since natural rubber begins to decompose around 300 ° C., it is preferable to slowly raise the temperature from 300 ° C. to 420 ° C. over 3 hours, for example. By gradually raising the temperature of the composite elastomer in this manner, the elastomer can be slowly decomposed and vaporized, and expansion deformation of the intermediate composite material can be suppressed.

工程(b)の熱処理において、カーボンナノファイバーの表面の炭素と、炉内の雰囲気に含まれる酸素もしくはエラストマーに含まれる酸素と、を結合させて、酸化させることができる。カーボンナノファイバーの表面は、工程(a)によってせん断されたエラストマー分子のフリーラジカルによって活性化されており、例えば炉内雰囲気中に酸素が存在すると容易に結びつくことができる。このようにして得られた中間複合材料の表面は、他の物質例えば金属との濡れ性が向上する。   In the heat treatment of the step (b), carbon on the surface of the carbon nanofibers and oxygen contained in the atmosphere in the furnace or oxygen contained in the elastomer can be combined and oxidized. The surface of the carbon nanofiber is activated by the free radicals of the elastomer molecules sheared by the step (a), and can be easily combined when, for example, oxygen is present in the furnace atmosphere. The surface of the intermediate composite material thus obtained improves wettability with other substances such as metals.

こうして得られた中間複合材料の表面構造については、先に出願した特願2004−212854号に詳細に説明されているが、X線分光分析(XPS)によって解析することができ、また、EDS分析(Energy Dispersive Spectrum)によっても解析することができる。   The surface structure of the intermediate composite material thus obtained is described in detail in the previously filed Japanese Patent Application No. 2004-212854, but can be analyzed by X-ray spectroscopic analysis (XPS), and also can be analyzed by EDS analysis. It can also be analyzed by (Energy Dispersive Spectrum).

なお、酸素の代わりに窒素をカーボンナノファイバーの表面に結合させたい場合には、熱処理炉をアンモニウムガス雰囲気とすることで実施できる。   In addition, when it is desired to bind nitrogen to the surface of the carbon nanofiber instead of oxygen, the heat treatment furnace can be performed in an ammonium gas atmosphere.

また、上述したように、中間複合材料200に形成された気孔60のサイズは不均一で、例えば100μm以上の気孔60が存在する場合もある。このような中間複合材料200に後述する工程(d)によってマトリクス金属を浸透させた場合、100μm以上の気孔60は、そのままマトリクス金属相として形成される。このような大きなマトリクス金属相は、カーボンナノファイバーによって補強されないため、複合金属材料の全体の強度を低下させ、構造上好ましくない。そこで、このような不均一な気孔を均一化するため、工程(b)で得られた中間複合材料を、粉砕する工程(b−1)を含んでもよい。中間複合材料を粉砕することによって、不均一な気孔を除去することができるためである。   Further, as described above, the size of the pores 60 formed in the intermediate composite material 200 is not uniform, and for example, there may be pores 60 of 100 μm or more. When the matrix metal is infiltrated into the intermediate composite material 200 by the step (d) described later, the pores 60 of 100 μm or more are formed as they are as the matrix metal phase. Since such a large matrix metal phase is not reinforced by the carbon nanofibers, the overall strength of the composite metal material is lowered, which is not preferable in terms of structure. Therefore, in order to make such non-uniform pores uniform, a step (b-1) of pulverizing the intermediate composite material obtained in step (b) may be included. This is because non-uniform pores can be removed by grinding the intermediate composite material.

工程(b−1)は、工程(b)の熱処理後、中間複合材料200をカーボンナノファイバー40が再凝集しない程度に粉砕する。中間複合材料200の粉砕は、実験的にはすり鉢内に中間複合材料200を配置して、すりこ木で適度に押しくだくことで実施することができる。工業的には、プロシェアーミキサー、アイリッヒミキサー、レディゲミキサーなどのドライミキサーで粉砕する。   In the step (b-1), after the heat treatment in the step (b), the intermediate composite material 200 is pulverized to such an extent that the carbon nanofibers 40 do not re-aggregate. The intermediate composite material 200 can be pulverized experimentally by placing the intermediate composite material 200 in a mortar and pushing it moderately with a mortar. Industrially, it is pulverized with a dry mixer such as a Proshear mixer, Eirich mixer, or Redige mixer.

工程(b−1)によって粉砕された中間複合材200は、例えば100μm以上の気孔が除去される。   In the intermediate composite material 200 pulverized in the step (b-1), for example, pores of 100 μm or more are removed.

(VI)次に、工程(c)について説明する。   (VI) Next, step (c) will be described.

本実施の形態にかかる工程(c)は、工程(b−1)で粉砕された中間複合材料を型内で圧縮して多孔質材を得る。また、工程(c)は、工程(b)で得られた中間複合材料をそのまま圧縮することもできる。   In step (c) according to the present embodiment, the intermediate composite material pulverized in step (b-1) is compressed in a mold to obtain a porous material. In the step (c), the intermediate composite material obtained in the step (b) can be compressed as it is.

図4は、工程(c)の概略説明図である。工程(b−1)で粉砕された中間複合材料250は、金型80内に配置され、上方から押しコマ90によって圧力Pで圧縮される。圧縮されて成型された中間複合材料250は、金型80からノックアウトして取り出され、全体に均一な多孔質材300(図5に示す。多孔質材については後述する)に成型される。   FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of the step (c). The intermediate composite material 250 pulverized in the step (b-1) is disposed in the mold 80 and is compressed with the pressure P by the push piece 90 from above. The compressed and molded intermediate composite material 250 is knocked out from the mold 80 and taken out, and is molded into a uniform porous material 300 (shown in FIG. 5, which will be described later).

多孔質材300における気孔のサイズは、工程(b−1)及び工程(c)によって全体に均一な大きさに形成される。   The size of the pores in the porous material 300 is formed to a uniform size as a whole by the steps (b-1) and (c).

工程(c)は、中間複合材料を後工程で取り扱う際に少なくとも形状を維持できる程度に押し固められることが好ましく、工程(d)において少なくともマトリクス金属材料の浸透が困難にならない程度に気孔を残すことが好ましい。そのため、工程(c)においては、中間複合材料を2.5MPa〜500MPaで圧縮することが好ましい。圧縮力が2.5MPa未満であると、成型された多孔質材が形状を維持することができないことがある。また、充填材の材質にもよるが、圧縮力が500MPaを超えると、成型された多孔質材の気孔が小さくなりすぎ、工程(d)において多孔質材にマトリクス金属材料が浸透しないことがある。   In the step (c), it is preferable that the intermediate composite material is compacted so that at least the shape can be maintained when the intermediate composite material is handled in the subsequent step. It is preferable. Therefore, in the step (c), it is preferable to compress the intermediate composite material at 2.5 MPa to 500 MPa. If the compressive force is less than 2.5 MPa, the molded porous material may not be able to maintain its shape. Although depending on the material of the filler, when the compressive force exceeds 500 MPa, the pores of the molded porous material become too small, and the matrix metal material may not penetrate into the porous material in the step (d). .

また、工程(c)は、充填材同士が結合し易いように、熱処理雰囲気中で行なうことが好ましい。熱処理雰囲気の温度は、用いられる充填材の種類によって適宜選択することができるが、例えばアルミニウム粒子を用いた場合には、400℃程度の雰囲気中で工程(c)を行なうことが好ましい。   Moreover, it is preferable to perform a process (c) in heat processing atmosphere so that fillers may couple | bond together easily. The temperature of the heat treatment atmosphere can be appropriately selected depending on the type of filler used. For example, when aluminum particles are used, the step (c) is preferably performed in an atmosphere of about 400 ° C.

工程(c)で得られた多孔質材は、カーボンナノファイバーが充填材の間に分散した状態のままの形態を維持することができ、さらに、微細な多孔質構造を維持したまま保管、搬送などで容易にハンドリングすることができる。   The porous material obtained in the step (c) can maintain the form in which the carbon nanofibers are dispersed between the fillers, and can be stored and transported while maintaining a fine porous structure. It can be handled easily.

(VII)次に、工程(d)について説明する。   (VII) Next, step (d) will be described.

図5及び図6は、工程(d)を説明する装置の概略構成図である。図7は、工程(d)で得られた複合金属材料を模式的に示す断面図である。   FIG.5 and FIG.6 is a schematic block diagram of the apparatus explaining a process (d). FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the composite metal material obtained in the step (d).

本実施の形態にかかる工程(d)は、前記工程(c)によって得られた多孔質材300に溶融したマトリクス金属材料を浸透させて複合金属材料400を得る。より詳細には、図5に示すように、密閉された容器1内には、あらかじめ工程(c)で成型された多孔質材300が入れられる。その多孔質材300の上方に複合金属材料のマトリクスとなるマトリクス金属材料の塊5が配置される。次に、容器1に内蔵された図示せぬ加熱手段によって、容器1内に配置された多孔質材300及びマトリクス金属材料の塊5をマトリクス金属材料の融点以上に加熱する。加熱されたマトリクス金属材料の塊5は、溶融して金属溶湯となる。   In the step (d) according to this embodiment, the molten matrix metal material is infiltrated into the porous material 300 obtained in the step (c) to obtain the composite metal material 400. More specifically, as shown in FIG. 5, the porous material 300 previously molded in the step (c) is placed in the sealed container 1. Above the porous material 300, a mass 5 of a matrix metal material serving as a matrix of a composite metal material is disposed. Next, the porous material 300 and the matrix metal material lump 5 disposed in the container 1 are heated to a melting point or higher of the matrix metal material by a heating means (not shown) incorporated in the container 1. The heated mass 5 of the matrix metal material is melted to form a molten metal.

多孔質材300は、工程(c)によって適度に圧縮されることで、全体に均質な多孔質の構造体に形成され、毛細管現象によってマトリクス金属材料の溶湯をより早く全体に浸透させることができる。マトリクス金属材料の溶湯は、粒子状の充填材50間に毛細管現象によって浸透し、多孔質材300の内部まで完全にマトリクス金属材料の溶湯が満たされる。そして、容器1の加熱手段による加熱を停止させ、多孔質材300中に浸透したマトリクス金属材料の溶湯を冷却・凝固させ、図7に示すようなカーボンナノファイバー40及び充填材50がマトリクス金属材料70中に均一に分散された複合金属材料400を製造することができる。工程(d)に用いられる多孔質材300は、あらかじめマトリクス金属材料と濡れ性のよい充填材例えば同じ金属の金属粒子を用いて成形されていることが好ましい。このようにすることで、マトリクス金属材料の溶湯が多孔質材300中に浸透しやすく、全体に均質な複合金属材料を得ることができる。   The porous material 300 is appropriately compressed in the step (c), so that the porous material 300 is formed into a homogeneous porous structure as a whole, and the molten metal of the matrix metal material can permeate the entire material faster by capillary action. . The molten metal of the matrix metal material penetrates between the particulate fillers 50 by capillary action, and the molten metal of the matrix metal material is completely filled up to the inside of the porous material 300. Then, heating by the heating means of the container 1 is stopped, the molten metal of the matrix metal material that has penetrated into the porous material 300 is cooled and solidified, and the carbon nanofibers 40 and the filler 50 as shown in FIG. A composite metal material 400 uniformly dispersed in 70 can be produced. The porous material 300 used in the step (d) is preferably formed in advance using a filler having good wettability with the matrix metal material, for example, metal particles of the same metal. By doing in this way, the molten metal of a matrix metal material is easy to osmose | permeate in the porous material 300, and a homogeneous composite metal material can be obtained as a whole.

例えば、充填材にアルミニウム粒子(もしくはアルミナ粒子)を用いて、マトリクス金属材料としてアルミニウム(もしくはアルミニウム合金)を用いた場合、充填材には少量のマグネシウム粒子を含むことが好ましい。アルミニウム粒子の表面の酸化物を加熱され気化したマグネシウムが還元し、アルミニウムの溶湯が濡れ性の改善されたアルミニウム粒子間に毛細管現象によって浸透することができる。   For example, when aluminum particles (or alumina particles) are used as the filler and aluminum (or aluminum alloy) is used as the matrix metal material, the filler preferably contains a small amount of magnesium particles. Magnesium that is heated and vaporized on the surface of the aluminum particles is reduced, and the molten aluminum can permeate between the aluminum particles with improved wettability by capillary action.

また、容器1を加熱する前に、容器1の室内を容器1に接続された減圧手段2例えば真空ポンプによって脱気してもよい。容器1の室内を真空に近づけることで、例えばマグネシウム粒子などの還元剤を気化させやすくすることができ、また、マトリクス金属材料を効率よく浸透させることができる。さらに、容器1に接続された不活性ガス注入手段3例えば窒素ガスボンベから窒素ガスを容器1内に導入してもよい。   Further, before the container 1 is heated, the inside of the container 1 may be degassed by the decompression means 2 connected to the container 1, for example, a vacuum pump. By bringing the inside of the container 1 close to a vacuum, a reducing agent such as magnesium particles can be easily vaporized, and the matrix metal material can be efficiently permeated. Furthermore, nitrogen gas may be introduced into the container 1 from an inert gas injection means 3 connected to the container 1, for example, a nitrogen gas cylinder.

工程(d)によって得られた複合金属材料は、マトリクス金属材料の中にカーボンナノファイバーを含む複合金属材料であって、カーボンナノファイバーの周囲に非晶質の周辺相が形成される。この周辺相は、例えば窒素と酸素を含み、マトリクス金属材料がアルミニウムである場合、アルミニウム、窒素及び酸素を含む非晶質の周辺相として形成される。したがって、本実施の形態にかかる多孔質材は全体に均質な気孔が形成されるため、この多孔質材にマトリクス金属材料を浸透させて得られた複合金属材料は全体にカーボンナノファイバーが分散されるとともに、その周辺相によって全体が均質に形成される。   The composite metal material obtained by the step (d) is a composite metal material including carbon nanofibers in a matrix metal material, and an amorphous peripheral phase is formed around the carbon nanofibers. This peripheral phase includes, for example, nitrogen and oxygen. When the matrix metal material is aluminum, the peripheral phase is formed as an amorphous peripheral phase including aluminum, nitrogen, and oxygen. Therefore, since the porous material according to the present embodiment forms homogeneous pores throughout, the composite metal material obtained by infiltrating the matrix metal material into the porous material has carbon nanofibers dispersed throughout. In addition, the whole is uniformly formed by the peripheral phase.

また、カーボンナノファイバーの周りに非晶質の周辺相が形成されることで、マトリクスである金属材料とカーボンナノファイバーとの濡れ性が改善された複合金属材料となる。   In addition, by forming an amorphous peripheral phase around the carbon nanofibers, a composite metal material with improved wettability between the matrix metal material and the carbon nanofibers is obtained.

複合金属材料の周辺相については、電界放射走査型電子顕微鏡(FE−SEM)で観察し、照射点近傍の元素分析によって調べることができる。   The peripheral phase of the composite metal material can be observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and examined by elemental analysis in the vicinity of the irradiation point.

以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1〜3、比較例1、2)
(1)サンプルの作製
(a)複合エラストマーの作製
第1の工程:ロール径が6インチのオープンロール(ロール温度10〜20℃)に、表1に示す所定量(100g)の天然ゴム(NR:100重量部(phr))を投入して、ロールに巻き付かせた。
第2の工程:天然ゴムに対して500重量部(500g)のアルミニウム粒子及び2重量部(2g)のマグネシウム粒子を投入し、その後、表1に示す量(重量部(phr))のカーボンナノファイバー(表1では、カーボンナノファイバーを「CNT」と記載する)を天然ゴムに投入した。このとき、ロール間隙を1.5mmとした。
第4の工程:カーボンナノファイバーを投入し終わったら、天然ゴムとカーボンナノファイバーとの混合物をロールから取り出した。
第5の工程:ロール間隙を1.5mmから0.3mmと狭くして、混合物を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1.1とした。薄通しは繰り返し10回行った。
第6の工程: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、分出しした。
このようにして、実施例1及び比較例1の複合エラストマーを得た。なお、実施例1及び比較例1において、平均粒径50μmのマグネシウム粒子と、平均粒径50μmの純アルミニウム粒子(99.7%がアルミニウム)と、直径(繊維径)が約10〜20nmのカーボンナノファイバーを用いた。
(Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 and 2)
(1) Preparation of sample (a) Preparation of composite elastomer First step: A predetermined amount (100 g) of natural rubber (NR) shown in Table 1 on an open roll having a roll diameter of 6 inches (roll temperature: 10 to 20 ° C.) : 100 parts by weight (phr)) was charged and wound around a roll.
Second step: 500 parts by weight (500 g) of aluminum particles and 2 parts by weight (2 g) of magnesium particles are added to natural rubber, and then the amount of carbon nano-particles shown in Table 1 (parts by weight (phr)) is added. Fiber (in Table 1, carbon nanofiber is described as “CNT”) was added to natural rubber. At this time, the roll gap was set to 1.5 mm.
Fourth step: When the carbon nanofibers were charged, a mixture of natural rubber and carbon nanofibers was taken out from the roll.
Fifth step: The roll gap was narrowed from 1.5 mm to 0.3 mm, and the mixture was introduced to make it thin. At this time, the surface speed ratio of the two rolls was set to 1.1. Thinning was repeated 10 times.
Sixth step: The roll was set to a predetermined gap (1.1 mm), and the thinned mixture was charged and dispensed.
In this way, composite elastomers of Example 1 and Comparative Example 1 were obtained. In Example 1 and Comparative Example 1, magnesium particles having an average particle diameter of 50 μm, pure aluminum particles having an average particle diameter of 50 μm (99.7% is aluminum), and carbon having a diameter (fiber diameter) of about 10 to 20 nm. Nanofibers were used.

(b)中間複合材料の作製
上記(a)の実施例1〜3及び比較例1、2で得られた複合エラストマー(無架橋)を、酸素を含む窒素雰囲気の炉内で天然ゴムの分解気化温度以上である400℃で1時間熱処理して、エラストマーを分解気化させると同時にカーボンナノファイバーを酸化させ、室温まで降温させて中間複合材料を得た。この酸化反応は、窒素雰囲気中に含まれる微量の酸素及び水蒸気や、エラストマー中に含まれる微量の酸素及び水分などから得られた酸素分子が用いられた。
このようにして得られた中間複合材料を、すり鉢に配置させ、すりこ木で粉体状になるまで粉砕し、実施例1〜3及び比較例2の粉砕された中間複合材料を得た。なお、比較例1はこの粉砕工程を行なっていない。
(B) Production of intermediate composite material The composite elastomer (non-crosslinked) obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 of (a) above was decomposed and vaporized in natural rubber in a furnace containing nitrogen atmosphere containing oxygen. Heat treatment was performed at 400 ° C., which is higher than the temperature, for 1 hour to decompose and vaporize the elastomer, simultaneously oxidize the carbon nanofibers, and lower the temperature to room temperature to obtain an intermediate composite material. In this oxidation reaction, oxygen molecules obtained from a trace amount of oxygen and water vapor contained in a nitrogen atmosphere, a trace amount of oxygen and moisture contained in the elastomer, and the like were used.
The intermediate composite material obtained in this manner was placed in a mortar and pulverized with pestle until it became powdery, and the pulverized intermediate composite materials of Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 were obtained. In Comparative Example 1, this pulverization step is not performed.

(c)多孔質材の作製
上記(b)の実施例1〜3及び比較例2で得られた粉砕された中間複合材料を金型内に配置し、400℃の雰囲気中で5MPaで圧縮成型し、50×50×10mmの大きさの多孔質材を得た。なお、比較例1はこの圧縮工程を行なっていない。
(C) Production of porous material The pulverized intermediate composite material obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 in (b) above was placed in a mold and compression molded at 5 MPa in an atmosphere of 400 ° C. As a result, a porous material having a size of 50 × 50 × 10 mm was obtained. In Comparative Example 1, this compression step is not performed.

(d)複合金属材料の作製
上記(c)の実施例1〜3及び比較例1、2で得られた多孔質材を、容器(炉)内に配置させ、アルミニウム塊(純アルミニウムインゴット)をその上に置き、不活性ガス(微量の酸素を含む窒素)雰囲気中で580℃まで2時間かけて昇温し、580℃で2時間維持し、マグネシウム粒子を気化させてアルミニウム粒子及びアルミニウム塊の表面を還元した。その後、アルミニウムの融点よりも高い温度(800℃)までゆっくりと昇温した。マグネシウムによって還元されたアルミニウム塊は溶融し、アルミニウムの溶湯となって多孔質材に浸透した。アルミニウムの溶湯を浸透させた後、これを自然放冷して凝固させ、アルミニウムをマトリクスとする複合金属材料を得た。
(D) Production of composite metal material The porous materials obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 of (c) above were placed in a container (furnace), and an aluminum lump (pure aluminum ingot) was obtained. Then, the temperature was raised to 580 ° C. over 2 hours in an inert gas (nitrogen containing a small amount of oxygen), and maintained at 580 ° C. for 2 hours to evaporate the magnesium particles and The surface was reduced. Thereafter, the temperature was slowly raised to a temperature higher than the melting point of aluminum (800 ° C.). The aluminum block reduced by magnesium melted and became a molten aluminum and penetrated into the porous material. After infiltrating the molten aluminum, it was allowed to cool naturally and solidified to obtain a composite metal material using aluminum as a matrix.

(2)パルス法NMRを用いた測定
各複合エラストマーについて、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H、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、原料エラストマー単体、複合エラストマーの第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、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)についても求めた。測定結果を表1に示す。実施例1〜3及び比較例1、2における第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)は、検出されなかった。従って、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(ゼロ)であった。
(2) Measurement Using Pulse Method NMR Each composite elastomer was measured by the Hahn echo method using pulse method NMR. This measurement was performed using “JMN-MU25” manufactured by JEOL Ltd. The measurement was performed under the conditions of the observation nucleus of 1 H, the resonance frequency of 25 MHz, and the 90 ° pulse width of 2 μsec. The Pi was changed in various ways using the pulse sequence of the Hahn echo method (90 ° x-Pi-180 ° x). The decay curve was measured. Further, the sample was measured by inserting it into a sample tube up to an appropriate range of the magnetic field. The measurement temperature was 150 ° C. By this measurement, the component content of the component having the first spin-spin relaxation time (T2n), the second spin-spin relaxation time (T2nn), and the second spin-spin relaxation time of the raw material elastomer alone and the composite elastomer. The rate (fnn) was determined. In addition, about the raw material elastomer simple substance, it calculated | required also about the 1st spin-spin relaxation time (T2n) of the raw material elastomer simple substance in case measurement temperature is 30 degreeC. The measurement results are shown in Table 1. The second spin-spin relaxation time (T2nn) in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 was not detected. Therefore, the component fraction (fnn) of the component having the second spin-spin relaxation time was 0 (zero).

(3)金属顕微鏡による複合金属材料の観察
上記(d)で得られた実施例2及び比較例1の複合金属材料を金属顕微鏡で観察した。実施例2の複合金属材料400の実物写真を図8に示し、金属顕微鏡写真を図9に示す。比較例1の複合金属材料410の実物写真を図10に示し、金属顕微鏡写真を図11に示す。
(3) Observation of composite metal material with metal microscope The composite metal material of Example 2 and Comparative Example 1 obtained in the above (d) was observed with a metal microscope. A real photograph of the composite metal material 400 of Example 2 is shown in FIG. 8, and a metal micrograph is shown in FIG. An actual photograph of the composite metal material 410 of Comparative Example 1 is shown in FIG. 10, and a metal micrograph is shown in FIG.

(4)圧縮強度の測定
上記(d)で得られた実施例1〜3及び比較例1、2の多孔質材及び複合金属材料について、厚さ5mmの10×10mmの試験片を、0.01mm/minで圧縮したときの圧縮強度を測定した。圧縮強度は、最大値、平均値及び最小値(MPa)を測定した。その結果を表1に示す。
(4) Measurement of compressive strength For the porous materials and composite metal materials of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 obtained in (d) above, a 10 × 10 mm test piece having a thickness of 5 mm The compressive strength when compressed at 01 mm / min was measured. For the compressive strength, the maximum value, the average value, and the minimum value (MPa) were measured. The results are shown in Table 1.

表1から、本発明の実施例1〜3によれば、以下のことが確認された。すなわち、複合エラストマーにおける150℃でのスピン−スピン緩和時間(T2n/150℃)は、原料エラストマーの場合に比べて短い。また、複合エラストマーにおける成分分率(fnn/150℃)は、原料エラストマーの場合に比べて小さい。これらのことから、実施例にかかる複合エラストマーでは、カーボンナノファイバーが良く分散されていることがわかる。   From Table 1, according to Examples 1 to 3 of the present invention, the following was confirmed. That is, the spin-spin relaxation time (T2n / 150 ° C.) at 150 ° C. in the composite elastomer is shorter than that of the raw material elastomer. Further, the component fraction (fnn / 150 ° C.) in the composite elastomer is smaller than that in the case of the raw material elastomer. From these, it can be seen that the carbon nanofibers are well dispersed in the composite elastomer according to the example.

実施例1〜3の多孔質材の圧縮強度は、比較例1、2よりも大きく、ハンドリング性に優れ、後工程で容易に持ち運ぶことができた。   The compressive strengths of the porous materials of Examples 1 to 3 were larger than those of Comparative Examples 1 and 2, were excellent in handling properties, and could be easily carried in the subsequent process.

また、実施例2の複合金属材料400の金属顕微鏡における観察では、100μmを超えるアルミニウム相は観察されなかった。比較例1の複合金属材料410の金属顕微鏡における観察では、100μmを超えるアルミニウム相75が多数観察された。   Further, in the observation of the composite metal material 400 of Example 2 with a metallographic microscope, an aluminum phase exceeding 100 μm was not observed. In the observation of the composite metal material 410 of Comparative Example 1 with a metallographic microscope, many aluminum phases 75 exceeding 100 μm were observed.

さらに、実施例1〜3の複合金属材料は、比較例1、2の複合金属材料よりも圧縮強度の最大値、平均値及び最小値のいずれも高い値であった。また、実施例1〜3の複合金属材料は、比較例1の複合金属材料よりも圧縮強度のばらつきが小さく、全体に均質であることがわかった。   Furthermore, the composite metal materials of Examples 1 to 3 were higher in all of the maximum value, the average value, and the minimum value of the compressive strength than the composite metal materials of Comparative Examples 1 and 2. Further, it was found that the composite metal materials of Examples 1 to 3 had a smaller variation in compressive strength than the composite metal material of Comparative Example 1, and were homogeneous throughout.

(5)X線回折による結晶構造の分析
上記(d)で得られた実施例1〜3の複合金属材料を、X線回折(XRD)によって結晶構造の分析を行なった。結晶成分として検出された成分は、ほとんどがアルミニウムであり、複合金属材料のカーボンナノファイバーの周りに形成された周辺相が結晶構造を有していない非晶質(アモルファス)相であることがわかった。
(5) Analysis of crystal structure by X-ray diffraction The composite metal materials of Examples 1 to 3 obtained in (d) above were analyzed by X-ray diffraction (XRD). Most of the components detected as crystalline components are aluminum, and it is found that the peripheral phase formed around the carbon nanofibers of the composite metal material is an amorphous phase with no crystal structure. It was.

(6)電界放射走査型電子顕微鏡による元素分析
さらに、上記(d)で得られた実施例1〜3の複合金属材料を、電界放射走査型電子顕微鏡(FE−SEM)で観察し、照射点近傍の元素分析を行なった。カーボンナノファイバーの周りに形成された非晶質の周辺相は、アルミニウム、窒素及び酸素の各元素を有することがわかった。
(6) Elemental analysis by field emission scanning electron microscope Further, the composite metal materials of Examples 1 to 3 obtained in (d) above were observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), and the irradiation point Nearby elemental analysis was performed. The amorphous peripheral phase formed around the carbon nanofibers was found to have aluminum, nitrogen, and oxygen elements.

以上のことから、本発明によれば、一般に基材への分散が難しいカーボンナノファイバーを多孔質材及び複合金属材料中に分散できることがわかった。また、本発明によれば、複合金属材料における100μmを超えるアルミニウム相をなくすことができることがわかった。さらに、本発明によれば、多孔質材及び複合金属材料は、全体に均質であることがわかった。   From the above, according to the present invention, it was found that carbon nanofibers that are generally difficult to disperse in the base material can be dispersed in the porous material and the composite metal material. Moreover, according to this invention, it turned out that the aluminum phase exceeding 100 micrometers in a composite metal material can be eliminated. Furthermore, according to the present invention, it has been found that the porous material and the composite metal material are homogeneous throughout.

本実施の形態で用いたオープンロール法によるエラストマーとカーボンナノファイバーとの混練法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the kneading | mixing method of the elastomer and carbon nanofiber by the open roll method used in this Embodiment. 工程(a)で得られた複合エラストマーを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the composite elastomer obtained at the process (a). 工程(b)で得られた中間複合材料を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the intermediate composite material obtained at the process (b). 工程(c)を説明する装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the apparatus explaining a process (c). 工程(d)を説明する装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the apparatus explaining a process (d). 工程(d)を説明する装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the apparatus explaining a process (d). 工程(d)で得られた複合金属材料を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the composite metal material obtained at the process (d). 実施例1の複合金属材料の実物写真である。2 is an actual photograph of the composite metal material of Example 1. 実施例1の複合金属材料の金属顕微鏡写真である。2 is a metal micrograph of the composite metal material of Example 1. FIG. 比較例1の複合金属材料の実物写真である。2 is an actual photograph of a composite metal material of Comparative Example 1. 比較例1の複合金属材料の金属顕微鏡写真である。3 is a metal micrograph of a composite metal material of Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 容器
2 減圧手段
3 注入手段
5 アルミニウム塊
10 第1のロール
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
50 充填材
60 気孔
70 マトリクス金属材料
75 アルミニウム相
80 金型
90 押しコマ
100 複合エラストマー
200 中間複合材料
250 粉砕された中間複合材料
300 多孔質材
400 複合金属材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 2 Pressure-reducing means 3 Injection | pouring means 5 Aluminum lump 10 1st roll 20 2nd roll 30 Elastomer 40 Carbon nanofiber 50 Filler 60 Pore 70 Matrix metal material 75 Aluminum phase 80 Mold 90 Pushing piece 100 Composite elastomer 200 Intermediate Composite material 250 Ground intermediate composite material 300 Porous material 400 Composite metal material

Claims (12)

エラストマーに、充填材と、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分散させて複合エラストマーを得る工程(a)と、
前記複合エラストマーを熱処理し、該複合エラストマー中に含まれるエラストマーを分解気化させて中間複合材料を得る工程(b)と、
中間複合材料を圧縮して多孔質材を得る工程(c)と、
を含む、多孔質材の製造方法。
A step of mixing the elastomer with a filler and carbon nanofibers and dispersing the mixture by a shearing force to obtain a composite elastomer; and
(B) a step of heat-treating the composite elastomer to decompose and vaporize the elastomer contained in the composite elastomer to obtain an intermediate composite material;
A step (c) of compressing the intermediate composite material to obtain a porous material;
A method for producing a porous material, comprising:
請求項1において、
前記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、多孔質材の製造方法。
In claim 1,
The method for producing a porous material, wherein the carbon nanofiber has an average diameter of 0.5 to 500 nm.
請求項1または2において、
前記エラストマーは、分子量が5000ないし500万である、多孔質材の製造方法。
In claim 1 or 2,
The method for producing a porous material, wherein the elastomer has a molecular weight of 5,000 to 5,000,000.
請求項1ないし3のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、カーボンナノファイバーに対して親和性を有する不飽和結合または基を少なくともひとつ有する、多孔質材の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The method for producing a porous material, wherein the elastomer has at least one unsaturated bond or group having affinity for carbon nanofibers.
請求項1ないし4のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって30℃で測定した、未架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒である、多孔質材の製造方法。
In any of claims 1 to 4,
The method for producing a porous material, wherein the elastomer has a network component spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked body, measured at 30 ° C. by a Hahn echo method using pulsed NMR. .
請求項1ないし5のいずれかにおいて、
前記充填材は、平均直径が1〜500μmの粒子状の充填材である、多孔質材の製造方法。
In any of claims 1 to 5,
The said filler is a manufacturing method of the porous material which is a particulate filler with an average diameter of 1-500 micrometers.
請求項1ないし6のいずれかにおいて、
前記充填材は、金属粒子である、多孔質材の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
The said filler is a manufacturing method of the porous material which is a metal particle.
請求項1ないし6のいずれかにおいて、
前記充填材は、非金属粒子である、多孔質材の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
The method for producing a porous material, wherein the filler is non-metallic particles.
請求項1ないし8のいずれかにおいて、
前記工程(c)は、前記中間複合材料を2.5MPa〜500MPaで圧縮する、多孔質材の製造方法。
In any of claims 1 to 8,
In the step (c), the intermediate composite material is compressed at 2.5 MPa to 500 MPa.
請求項1ないし9のいずれかにおいて、
前記工程(b)で得られた前記中間複合材料を、粉砕する工程(b−1)を含み、
前記工程(c)は、前記工程(b−1)で粉砕された中間複合材料を型内で圧縮する、多孔質材の製造方法。
In any one of Claim 1 thru | or 9,
Including the step (b-1) of pulverizing the intermediate composite material obtained in the step (b),
In the step (c), the intermediate composite material pulverized in the step (b-1) is compressed in a mold.
請求項1ないし10のいずれかに記載の製造方法によって得られた多孔質材に溶融したマトリクス金属材料を浸透させる工程(d)を有する、複合金属材料の製造方法。   The manufacturing method of a composite metal material which has the process (d) of making the melt | dissolved matrix metal material osmose | permeate the porous material obtained by the manufacturing method in any one of Claim 1 thru | or 10. 請求項1ないし10のいずれかに記載の製造方法によって得られた、多孔質材。   A porous material obtained by the production method according to claim 1.
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