JP4222048B2 - Carbon nanotube-containing resin composite, method for producing the same, and highly elastic film - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高弾性率を有するカーボンナノチューブ含有樹脂コンポジットとその製造方法、および該樹脂コンポジットからなる高弾性フィルムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
樹脂へのフィラー添加は、力学的性質、例えば引張強度や弾性率等を改良し、所望の性質をもった樹脂コンポジットを得るための手法として、これまで広く使われてきた。このような強化用のフィラーとしては繊維状または針状のフィラーが強化用充填材として用いられ、例えば繊維状のフィラーとしてはガラス繊維や炭素繊維、アラミド繊維など、針状のものではウオラストナイト、ゾノトライトなどが知られている。
【0003】
樹脂の強化用のフィラーとして要求される性質としては、1.強度および弾性率が高いこと、2.密度が小さいこと、3.大きさのばらつきが少ないこと、4.樹脂との接着性のよいこと等が挙げられる。
【0004】
近年、上記のうち1〜3に関して有望な繊維状フィラーとしてナノチューブが注目を集めている。ナノチューブは化学結合のネットワークにより形成されるチューブ状分子であり、グラファイト型炭素がチューブ状ネットワークを形成しているカーボンナノチューブ(以下、CNTと言う)が代表的であるが、他にも炭素原子の一部又は全部がホウ素(B)や窒素(N)に置き換わったBCNナノチューブやBNナノチューブについても発見が報告されている。また、CNTは酸処理を施すことによりグラファイト構造の欠陥部分やナノチューブの末端部分にカルボキシル基を導入することができることなど、比較的容易に化学的修飾を施すことが可能であることが報告されている。例えば、このカルボキシル基をアンカーとしてエステル化やアミド化などによって様々な官能基を導入した化学修飾CNTやグラファイト構造をフッ素化したフッ素化CNT等が知られている。
【0005】
ナノチューブは1本の長さが数十nm〜数十μm程度であるのに対し、直径が約1〜50nmと非常に微細かつ細長く、アスペクト比の大きい形態をしている。また、チューブ形状をしていることから密度が小さい。とりわけCNTは既存のいかなる材料と比較しても高弾性、高強度であること、また、高温まで構造が変化しないこと等の有用な特性を持つことから、力学特性に優れた構造材料や樹脂コンポジットとして応用開発が進められている。
【0006】
これまでCNTを樹脂の強化用フィラーとして用いた樹脂コンポジットとしてはいくつかの例が報告されている。例えば、非特許文献1ではポリメチルメタクリレート(PMMA)をマトリックス樹脂としてCNTを分散する製造方法が記載されているが、この方法では繰り返し工程を数百回以上も経なければ一様なCNTの分散が得られず、非常に煩雑で非効率的な方法である。また、この文献にはCNTを分散した後延伸したファイバーで弾性率が増大することが記載されているが、CNTを分散することによる効果のみを評価することができると考えられる延伸していないときの弾性率の値を同文献のデータから外挿するとほとんど向上がみられない。
【0007】
【非特許文献1】
「ケミカル・フィジックス・レターズ(Chemical Physics Letters)」、第330巻、2000年、219頁
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来の方法では、CNT含有樹脂コンポジットにおけるマトリックス樹脂とCNTとの間に働く相互作用は一般に小さく、従って樹脂コンポジットにCNTの本来有する優れた力学特性を十分に反映させることが困難であるという問題点があった。
【0009】
そこで本発明は上記問題を解決すべく、マトリックス樹脂単体に比べて力学特性、特に弾性率が向上したCNT含有樹脂コンポジットを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明らは、CNT含有高弾性率樹脂コンポジットを製造すべく鋭意検討した結果、特定の化学構造を有するマトリックス樹脂との相互作用の強い共役系重合体を選択し、その共役系重合体でCNT表面を覆った状態で上記マトリックス樹脂中に均一に分散させてCNT含有樹脂コンポジットを製造することによって、CNTの優れた力学特性を樹脂コンポジットに反映させ、力学特性、特に弾性率を向上させることができることを見出し、本発明に到達した。
【0011】
すなわち本発明は、側鎖構造を有する樹脂中にポリチオフェン系重合体で被覆された単層および/または多層CNTが分散した樹脂コンポジットであって、CNTに官能基が導入されており、CNTの前記樹脂に対する組成分率が0.01重量%以上1重量%以下であるCNT含有樹脂コンポジット、ポリチオフェン系重合体を官能基が導入されたCNTに被覆する工程および前記工程で得られたポリチオフェン系重合体で被覆されたCNTを側鎖構造を有する樹脂または該樹脂溶液に混合分散させる工程を含むCNT含有樹脂コンポジットの製造方法、および上記CNT含有樹脂コンポジットからなる高弾性フィルムである。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明のCNT含有樹脂コンポジットおよびその製造方法を具体的に以下に述べる。
【0013】
本発明のCNT含有樹脂コンポジットを構成するCNTは単層および/または多層のCNTであり、該CNTは共役系重合体で被覆されている必要がある。CNTを覆う共役系重合体は、CNTとの相互作用の強い重合体である共役系重合体で、且つマトリックス樹脂である側鎖構造を有する樹脂との相互作用の強いものであることが好ましい。CNTとの相互作用が強いものとして具体的には直鎖状共役系重合体が好ましい。直鎖状共役系重合体としては、ポリチオフェン系重合体、ポリピロール系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリアセチレン系重合体、ポリフェニレン系重合体、ポリフェニレンビニレン系重合体等が挙げられる。ポリチオフェン系重合体、ポリピロール系重合体はそれぞれチオフェン環、ピロール環の2、5位でモノマーユニットがつながったもの、また、ポリフェニレン系重合体ではフェニレン基がパラ位で連なっているポリ−p−フェニレン系重合体、ポリフェニレンビニレン系重合体ではフェニレン基とビニレン基がパラ位で連なっているポリ−p−フェニレンビニレン系重合体であることが好ましい。
【0014】
上記直鎖状共役系重合体の中でも、本発明においては、ポリチオフェン系重合体を用いる。ここでポリチオフェン系重合体とはポリチオフェン構造の骨格を持つ重合体に側鎖が付いた構造を有するものであり、この側鎖の効果により溶媒に可溶となることから、取り扱いが容易であり成形性や加工性に優れている。具体例としては、ポリ−3−メチルチオフェン、ポリ−3−ブチルチオフェン、ポリ−3−ヘキシルチオフェン、ポリ−3−オクチルチオフェン、ポリ−3−ドデシルチオフェン等のポリ−3−アルキルチオフェン(アルキル基の炭素数は特に制限はないが好ましくは1〜12)、ポリ−3−メトキシチオフェン、ポリ−3−エトキシチオフェン、ポリ−3−ドデシルオキシチオフェン等のポリ−3−アルコキシチオフェン(アルコキシ基の炭素数はとくに制限はないが好ましくは1〜12)、ポリ−3−メトキシ−4−メチルチオフェン、ポリ−3−ドデシルオキシ−4−メチルチオフェン等のポリ−3−アルコキシ−4−アルキルチオフェン(アルコキシ基およびアルキル基の炭素数は特に制限はないが好ましくは1〜12)、ポリ−3−チオヘキシルチオフェンやポリ−3−チオドデシルチオフェンなどのポリ−3−チオアルキルチオフェン(アルキル基の炭素数は特に制限はないが好ましくは1〜12)が好ましく挙げられ、1種もしくは2種以上を用いることができる。中でも、ポリ−3−アルキルチオフェン、ポリ−3−アルコキシチオフェンが好ましく、前者としては特にポリ−3−ヘキシルチオフェンが好ましい。好ましい分子量は重量平均分子量で800〜100000である。また、上記重合体は必ずしも高分子量である必要はなく、直鎖状共役系からなるオリゴマーであってもよい。
【0015】
本発明においてCNTは、官能基が導入されたものを用いる。種々の化学修飾が付加されたCNTや、CNTの炭素原子の一部または全部がホウ素(B)や窒素(N)に置き換わったBCNナノチューブやBNナノチューブであってもよい。
【0016】
化学修飾されたCNTに導入された官能基として、具体的にはカルボキシル基、水酸基、アミド基、エステル基、チオエステル基、ハロゲン基等の少なくとも1種が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0017】
上記CNTはアーク放電法、化学気相成長法(CVD法)、レーザー・アブレーション法等によって作製されるが、本発明において使用されるCNTはいずれの方法によって得られたものであってもよい。また、CNTには1枚の炭素膜(グラフェン・シート)が円筒状に巻かれた単層CNTと、2枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた2層CNTと、複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた多層CNTとがあり、本発明においてそれぞれ単体で、もしくは複数を同時に使用できる。
【0018】
本発明のCNT含有樹脂コンポジットにおいて、上記CNTを分散させるマトリックス樹脂は、側鎖構造を有する樹脂である必要がある。側鎖構造を有する樹脂としては、具体的にはポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリ酢酸ビニル等のビニル系樹脂やポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂が好ましく挙げられ、特にポリスチレン、ポリメチルメタクリレートが好ましいが、これらに限定されるものではなく、上記に挙げた以外の樹脂、例えば主鎖の構造がナイロン系、ポリエステル系等の熱可塑性樹脂や、エポキシ系、メラミン系、ポリイミド系等の熱硬化性樹脂等や、あるいはビニル系のモノマーとアクリル系のモノマーとで構成されるような共重合体樹脂等であっても側鎖構造を有するものであれば、弾性率をマトリックス樹脂単体と比較して15%以上向上させた、本発明のCNT含有樹脂コンポジットとすることができる。
【0019】
一般に樹脂コンポジットに含有されるフィラーの添加量を増やすと樹脂コンポジットの弾性率は増加し、通常、数%以上のフィラー濃度で使用される。しかしながら本発明においては、フィラーであるCNTの量は側鎖構造を有する樹脂に対し0.01〜1重量%であり、1重量%以下というわずかな添加量で樹脂の弾性率を高めることができることも本発明の特徴である。この範囲にあることでマトリックス樹脂の特性を生かしつつ、かつCNTによる特性の向上を図ることができる。CNTの量が0.01重量%未満であると弾性率の向上が十分でなく、1重量%を超えると、CNTの均一な分散が困難となる傾向にある。
【0020】
また光学特性を考慮し着色性を配慮しなけらばならない場合は、0.01〜0.5重量%であることが好ましい。この範囲にあることでCNTは目視で確認することは難しく、膜・フィルムなどの透過率をあまり下げることがない。
【0021】
次に本発明のCNT含有樹脂コンポジットの製造方法の一例について説明する。本発明のCNT含有樹脂コンポジットは、例えば、ポリチオフェン系重合体を官能基が導入されたCNTに被覆する工程、および前記工程で得られたポリチオフェン系重合体で被覆されたCNTを側鎖構造を有する樹脂または該樹脂溶液に混合分散させる工程を経て製造することができる。
【0022】
ポリチオフェン系重合体を官能基が導入されたCNTに被覆する工程では、例えば次のような方法を用いることができる。すなわち、(A)溶融したポリチオフェン系重合体の中に官能基が導入されたCNTを添加して混合させる方法、(B)ポリチオフェン系重合体を溶媒中に溶解させこの中に官能基が導入されたCNTを添加して混合させる方法、(C)官能基が導入されたCNTを溶媒中で予め超音波などで予備分散しておいた所にポリチオフェン系重合体を添加し混合させる方法、(D)溶媒中にポリチオフェン系重合体と官能基が導入されたCNTを入れ、この混合系に超音波を照射して混合させる方法等である。本発明では何れかの方法を単独で用いるか、あるいは何れかの方法を組み合わせても良い。中でも(D)の溶媒中にポリチオフェン系重合体と官能基が導入されたCNTを入れ、この混合系に超音波を照射して混合させる方法が好ましい。
【0023】
CNTはポリチオフェン系重合体に覆われた状態において、CNT同士の間に働くファンデルワールス相互作用が緩和され溶媒中で高度に分散する。
【0024】
次に、ポリチオフェン系重合体で被覆されたCNTを側鎖構造を有する樹脂または該樹脂溶液に混合分散させる工程について説明する。ポリチオフェン系重合体で被覆されたCNTを混合分散させるに際し、(1)ポリチオフェン系重合体の中にCNTを添加し分散したポリチオフェン系重合体とCNTの混合物をそのまま用いる方法と、(2)ポリチオフェン系重合体とCNTの混合物を孔径0.1μm程度のフィルターでCNTをろ別することにより余剰のポリチオフェン系重合体を除去してから用いる方法等がある。後者(2)のろ別する方法を用いた場合においても、ポリチオフェン系重合体はCNTとの相互作用が強いためCNTの表面を被覆している。CNTの表面にポリチオフェン系重合体が被覆していることは種々の元素分析、表面分析装置で確認することができる。
【0025】
混合分散の手順としては、(i)溶媒中にポリチオフェン系重合体で覆われたCNTを再分散させ、そこへ側鎖構造を有する樹脂を溶解させる方法、(ii)側鎖構造を有する樹脂溶液の中にポリチオフェン系重合体で覆われたCNTを添加し分散させる方法、(iii)液状の側鎖構造を有する樹脂に対して直接添加し分散させる方法等がある。また混合分散の手段としては、撹拌、超音波処理、振動分散、混練等が挙げられ、濃度や粘度に応じて手段を選択する必要がある。例えば撹拌による分散方法としては、フラスコや蓋付きの容器を回転させたり、スクリュー型やブラシ型の撹拌羽根が高速に回転する装置を用いることができる。超音波処理による分散方法としては、超音波洗浄機の槽の中に側鎖構造を有する樹脂とポリチオフェン系重合体で覆われたCNTの入った容器を設置したり、あるいは超音波振動子を該容器の中に入れて処理するなどの方法がある。混練による分散方法としては、セラミックスの微粒子を用いたビーズミル装置やボールミル装置、三本ローラー等を用いることができる。本発明のCNT含有樹脂コンポジットの製造方法においては、撹拌混合をした後、超音波処理を施すことが好ましいが、これに限定されるものではない。こうしてポリチオフェン系重合体で覆われたCNTをマトリックス樹脂である側鎖構造を有する樹脂の中に分散させることで、CNTとマトリックス樹脂との間にポリチオフェン系重合体の層を有するCNT含有樹脂コンポジットを得ることができる。
【0026】
なお、上記本発明のCNT含有樹脂コンポジットの製造方法において用いられる溶媒としては、メタノール、エタノール、ブタノール、トルエン、キシレン、o−クロロフェノール、アセトン、酢酸エチル、エチレングリコール、クロロホルム、クロロベンゼン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン、1,1,1,3,3,3−ヘキサフロロ−2−プロパノールなどが挙げられるがこれらに限定されるものではなく、必要に応じて溶媒を選ぶことができる。
【0027】
このようにして得られたCNT含有樹脂コンポジットを加工することで、板に代表される各種構造材料、光学樹脂などの機能性材料、金属材料など他の材料との複合材料へ応用することができる。
【0028】
上記本発明のCNT含有樹脂コンポジットは高弾性を有する特徴があるため、マトリックス樹脂である側鎖構造を有する樹脂に適する成形を行うことによって高弾性フィルム、高弾性繊維等の高弾性プラスチック製品を製造することが可能であり、特に高弾性フィルムとして好ましく使用することができる。
【0029】
フィルム成形の具体的な方法としては、例えば、流動状態にあるCNT含有樹脂コンポジットまたは樹脂コンポジット溶液を型または面に流して固化させる注型成形、押し出し機を使用してCNT含有樹脂コンポジットを加熱軟化して押し出す押し出し成形、環状の穴から溶融樹脂コンポジットを押し出して筒状のフィルムを成形するインフレーション成形、CNT含有樹脂コンポジットを2本の加熱したロールの間で圧延するカレンダー成形などが挙げられる。
【0030】
また、繊維製造のための紡糸方法としては、溶融樹脂コンポジットを冷却室に紡出する溶融紡糸、揮発性の溶媒中にCNT含有樹脂コンポジットを分散した液を乾燥室に紡出する乾式紡糸、溶媒中にCNT含有樹脂コンポジットを分散した液を非溶媒を含む溶液の中に紡出する湿式紡糸などが挙げられるが、本発明のCNT含有樹脂コンポジットの成形法はこれらに限定されるものではなく、用いるマトリックス樹脂の素材、樹脂コンポジットの可溶性、要求される製品の性質などを考慮して成形することによってフィルムや繊維等に加工することが可能である。
【0031】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0032】
参考例1
まず、クロロホルム30mLに単層CNT(以下SWCNTと言う)(CNI社製、純度95%)3mgを加え、共役系重合体としてポリ−3−ヘキシルチオフェン(アルドリッチ社製、分子量:Mw20000)3mgを加えて氷冷しながら超音波ホモジナイザー(SONICS社製VCX−500)を用いて出力250Wで30分間超音波攪拌してSWCNT分散液を得た。
【0033】
得られたSWCNT分散液0.5mLにポリメチルメタクリレート(以下、PMMAと言う)(住友化学工業(株)製“スミペックス”、分子量:Mw500000)50mgをクロロホルム4.5mLに溶解したマトリックス樹脂溶液を加え、超音波洗浄機(井内盛栄堂(株)製US−2、出力120W、2.6L)を用いて30分間超音波攪拌することによりSWCNT含有PMMAペーストを得た。
【0034】
次いで得られたペースト1mLを周縁部に厚み100μmの粘着テープを貼った50mm角のガラス基板に滴下し、ブレードコーター(英RK Print−Coat Instruments社製)を30mm/secの速さで移動させることにより均一な塗膜面を形成したのち、基板ごと50℃のオーブンに5分間入れ、最後に真空乾燥機で2時間溶媒を除去することで厚み20μmの塗膜を作製し、基板から剥がしてSWCNT0.1重量%含有PMMA膜を得た。
【0035】
次に該SWCNT0.1重量%含有PMMA膜とSWCNTを含まないこと以外は上記方法と同様にして得られたPMMA膜の引張弾性率を広域動的粘弾性測定装置(レオロジ(株)製DVE−V4 FTレオスペクトラー)を用いて−20〜100℃の温度範囲で測定した(図1)。前者の20℃での引張弾性率(E’)は4.21GPaであり、SWCNTの含有量が極めてわずかであるにも関わらず、後者のマトリックス樹脂であるPMMA膜の弾性率2.25GPaに比べて87%増加した
【0036】
参考例2
参考例1と同様のSWCNT分散液0.5mLにポリスチレン(和光純薬(株)製、重合度:約3000)50mgをクロロホルム4.5mLに溶解したマトリックス樹脂溶液を加え、参考例1と同様の超音波洗浄機を用いて30分間超音波攪拌することによりSWCNT含有ポリスチレンペーストを得た。該ペーストを用いて上記と同様の方法により厚み10μmの塗膜を作製した。
【0037】
このSWCNT0.1重量%含有ポリスチレン膜およびSWCNTを含まないこと以外は上記方法と同様にして得られたポリスチレン膜の20℃での引張弾性率を参考例1と同様に測定したところ、前者の引張弾性率は3.16GPaであり、SWCNTの含有量が極めてわずかであるにも関わらず、後者のマトリックス樹脂であるポリスチレン膜の20℃での引張弾性率(E’)2.39GPaに比べて32%増加した。
【0038】
実施例
まず、SWCNT50mgを硫酸(和光純薬工業(株)製、純度95%以上)と硝酸(和光純薬工業(株)製、密度1.38)の体積比率が3:1の混酸200mLに入れ、超音波洗浄機を用いて10時間超音波攪拌した後、この混酸とSWCNTの混合物をポリ4フッ化エチレン(PTFE)メンブレンフィルター(ミリポアコーポレーション製、フィルタータイプ:JH)でろ過することによりカルボキシル基を導入したSWCNT(以下c−SWCNTと言う)をろ別した。
【0039】
得られたc−SWCNT3mgと、参考例1と同様に共役系重合体としてポリ−3−ヘキシルチオフェン3mgを用いてクロロホルム30mLを溶媒とした分散液を得た。この分散液0.5mLにPMMA50mgをクロロホルム4.5mLに溶解したマトリックス樹脂溶液を加え、参考例1と同様の超音波洗浄機を用いて30分間超音波攪拌することによりc−SWCNT含有PMMAペーストを得、参考例1と同様の方法にてc−SWCNT0.1重量%含有PMMA膜を得た。
【0040】
このc−SWCNT0.1重量%含有PMMA膜の20℃での引張弾性率を参考例1と同様に測定したところ3.65GPaであり、マトリックス樹脂であるPMMA膜の20℃での引張弾性率(E’)2.25GPaに比べて62%増加した。
【0041】
比較例1
共役系重合体を用いないこと以外は上記参考例1と同様の操作を行ってSWCNT0.1重量%含有PMMA膜を得た。この膜の引張弾性率を参考例1と同様に広域動的粘弾性測定装置で測定したところ、20℃での引張弾性率は2.44GPaで、マトリックス樹脂であるPMMA膜の弾性率と同程度であった。
【0042】
比較例2
マトリックス樹脂として、側鎖構造をもたない樹脂である6−ナイロンを用いた以外は上記参考例1と同様の操作を行ってSWCNT0.1重量%含有6−ナイロン膜を得た。この膜の引張弾性率を参考例1と同様に広域動的粘弾性測定装置で測定したところ、20℃での引張弾性率は2.40GPaで、SWCNTを含まないこと以外は上記方法と同様にして得られた6−ナイロン膜の弾性率2.27GPaよりも5.7%程度しか増加しなかった。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、共役系重合体で被覆したCNTを特定のマトリックス樹脂に分散させることで、煩雑な工程を経ることなく、CNTとマトリックス樹脂の両方を共役系重合体を介して強く結びつけると共に、CNTをマトリックス樹脂中に均一分散させることができるため、わずかなCNT添加量であっても、CNTの特性が有効に発揮され、樹脂コンポジットの弾性率を飛躍的に向上させることができる。また、該樹脂コンポジットから高弾性のフィルムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1で得られた各PMMA膜の引張弾性率の温度特性を示す図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon nanotube-containing resin composite having a high elastic modulus, a method for producing the same, and a high elastic film made of the resin composite.
[0002]
[Prior art]
Addition of fillers to resins has been widely used as a technique for improving mechanical properties such as tensile strength and elastic modulus and obtaining resin composites having desired properties. As such a reinforcing filler, a fibrous or acicular filler is used as a reinforcing filler. For example, a fibrous filler such as glass fiber, carbon fiber, or aramid fiber is wollastonite. Zonotolite etc. are known.
[0003]
The properties required as a filler for reinforcing the resin include: 1. high strength and elastic modulus; 2. The density is small. 3. Small variation in size; Examples thereof include good adhesiveness with a resin.
[0004]
In recent years, nanotubes have been attracting attention as promising fibrous fillers among the above 1 to 3. Nanotubes are tube-like molecules formed by a network of chemical bonds, and carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNTs) in which graphite-type carbon forms a tube-like network are typical. Discovery has also been reported for BCN nanotubes and BN nanotubes, some or all of which have been replaced with boron (B) or nitrogen (N). In addition, it has been reported that CNT can be subjected to chemical modification relatively easily, such as the ability to introduce a carboxyl group into the defective part of the graphite structure or the end part of the nanotube by performing acid treatment. Yes. For example, chemically modified CNTs in which various functional groups are introduced by esterification or amidation using this carboxyl group as an anchor, and fluorinated CNTs in which a graphite structure is fluorinated are known.
[0005]
A nanotube has a length of about several tens of nanometers to several tens of micrometers, whereas a diameter of about 1 to 50 nm is very fine and elongated, and has a form with a large aspect ratio. Further, the density is small because of the tube shape. In particular, CNT has a high elasticity and high strength compared to any existing material, and has useful properties such as the structure does not change up to high temperatures, so structural materials and resin composites with excellent mechanical properties. Application development is underway.
[0006]
Some examples of resin composites using CNTs as a reinforcing filler for resin have been reported so far. For example, Non-Patent Document 1 describes a manufacturing method in which CNTs are dispersed using polymethyl methacrylate (PMMA) as a matrix resin. In this method, uniform dispersion of CNTs is required unless the process is repeated several hundred times or more. This is a very complicated and inefficient method. In addition, this document describes that the elastic modulus is increased by a fiber that has been stretched after dispersing CNT, but it is considered that only the effect of dispersing CNT can be evaluated. Extrapolation of the elastic modulus value from the data of the same document shows little improvement.
[0007]
[Non-Patent Document 1]
“Chemical Physics Letters”, Vol. 330, 2000, p. 219.
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional method, the interaction between the matrix resin and the CNT in the CNT-containing resin composite is generally small. Therefore, it is difficult to sufficiently reflect the excellent mechanical properties inherent in the CNT in the resin composite. There was a problem that there was.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide a CNT-containing resin composite having improved mechanical properties, particularly an elastic modulus , as compared with a matrix resin alone, in order to solve the above-mentioned problems.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to produce a CNT-containing high modulus resin composite, the present inventors have selected a conjugated polymer having a strong interaction with a matrix resin having a specific chemical structure, and the conjugated polymer is used as a CNT polymer. By producing a CNT-containing resin composite by uniformly dispersing in the matrix resin with the surface covered, it is possible to reflect the excellent mechanical properties of CNT in the resin composite and improve the mechanical properties, particularly the elastic modulus. We have found out that we can do it and have reached the present invention.
[0011]
That is, the present invention is a resin composite in which a single-layer and / or multi-layer CNT coated with a polythiophene polymer is dispersed in a resin having a side chain structure, and a functional group is introduced into the CNT. CNT-containing resin composite composition fraction in the resin is 1 wt% or less than 0.01 wt%, resulting polythiophene polymers in the process and the process for coating a polythiophene-based polymer to the CNT which functional groups are introduced A method for producing a CNT-containing resin composite comprising a step of mixing and dispersing CNTs coated with a resin in a side chain structure or the resin solution, and a highly elastic film comprising the CNT-containing resin composite.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The CNT-containing resin composite of the present invention and the production method thereof will be specifically described below.
[0013]
The CNT constituting the CNT-containing resin composite of the present invention is a single-layer and / or multilayer CNT, and the CNT needs to be coated with a conjugated polymer. The conjugated polymer covering the CNT is preferably a conjugated polymer that is a polymer having a strong interaction with the CNT, and that having a strong interaction with the resin having a side chain structure that is a matrix resin. Specifically, a linear conjugated polymer is preferred as one having a strong interaction with CNT. Examples of the linear conjugated polymer include a polythiophene polymer, a polypyrrole polymer, a polyaniline polymer, a polyacetylene polymer, a polyphenylene polymer, and a polyphenylene vinylene polymer. Polythiophene polymer and polypyrrole polymer are those in which monomer units are connected at the 2nd and 5th positions of the thiophene ring and pyrrole ring, respectively, and in the case of polyphenylene polymer, poly-p-phenylene in which the phenylene group is connected at the para position. In the case of a polymer or polyphenylene vinylene polymer, a poly-p-phenylene vinylene polymer in which a phenylene group and a vinylene group are linked at the para position is preferable.
[0014]
Among the linear conjugated polymers, a polythiophene polymer is used in the present invention . Here, the polythiophene polymer is a polymer having a structure with a side chain attached to a polymer having a polythiophene structure skeleton, and because it becomes soluble in a solvent due to the effect of this side chain, it is easy to handle and molded. Excellent in workability and workability. Specific examples include poly-3-alkylthiophene (alkyl group) such as poly-3-methylthiophene, poly-3-butylthiophene, poly-3-hexylthiophene, poly-3-octylthiophene, and poly-3-dodecylthiophene. The number of carbons in the group is not particularly limited, but preferably 1-12), poly-3-alkoxythiophene such as poly-3-methoxythiophene, poly-3-ethoxythiophene, poly-3-dodecyloxythiophene (carbon of alkoxy group) The number is not particularly limited, but preferably 1 to 12), poly-3-alkoxy-4-alkylthiophene (alkoxy) such as poly-3-methoxy-4-methylthiophene, poly-3-dodecyloxy-4-methylthiophene, etc. The carbon number of the group and the alkyl group is not particularly limited, but preferably 1 to 12), poly-3 Preferable examples include poly-3-thioalkylthiophene such as thiohexylthiophene and poly-3-thiododecylthiophene (the number of carbon atoms of the alkyl group is not particularly limited, but preferably 1 to 12). Can be used. Among these, poly-3-alkylthiophene and poly-3-alkoxythiophene are preferable, and poly-3-hexylthiophene is particularly preferable as the former. A preferred molecular weight is 800 to 100,000 in terms of weight average molecular weight. Further, the polymer need not necessarily have a high molecular weight, and may be an oligomer composed of a linear conjugated system.
[0015]
In the present invention, CNT having a functional group introduced is used. CNTs with various chemical modifications, or BCN nanotubes or BN nanotubes in which some or all of the carbon atoms of CNTs are replaced with boron (B) or nitrogen (N) may be used.
[0016]
Specific examples of the functional group introduced into the chemically modified CNT include at least one of a carboxyl group, a hydroxyl group, an amide group, an ester group, a thioester group, a halogen group, and the like. Absent.
[0017]
The CNT is produced by an arc discharge method, a chemical vapor deposition method (CVD method), a laser ablation method, or the like. The CNT used in the present invention may be obtained by any method. In addition, a single-walled CNT in which a single carbon film (graphene sheet) is wound in a cylindrical shape, a double-walled CNT in which two graphene sheets are wound in a concentric shape, and a plurality of graphene sheets Are multi-layered CNTs wound concentrically, and each of them can be used alone or in the present invention.
[0018]
In the CNT-containing resin composite of the present invention, the matrix resin in which the CNTs are dispersed needs to be a resin having a side chain structure. Specific examples of the resin having a side chain structure include vinyl resins such as polystyrene, polyacrylonitrile, and polyvinyl acetate, and acrylic resins such as polymethyl methacrylate, and polystyrene and polymethyl methacrylate are particularly preferable. It is not limited to these, Resins other than those listed above, for example, thermoplastic resins such as nylon-based and polyester-based main chain structures, thermosetting resins such as epoxy-based, melamine-based, polyimide-based, etc. Or a copolymer resin composed of a vinyl monomer and an acrylic monomer even if it has a side chain structure, the elastic modulus is 15% compared to the matrix resin alone. It can be set as the CNT containing resin composite of this invention improved above.
[0019]
In general, when the amount of filler added to the resin composite is increased, the elastic modulus of the resin composite increases and is usually used at a filler concentration of several percent or more. However, in the present invention, the amount of filler CNT is 0.01 to 1% by weight with respect to the resin having a side chain structure, and the elastic modulus of the resin can be increased with a slight addition amount of 1% by weight or less. Is also a feature of the present invention. By being in this range, it is possible to improve the characteristics of the CNT while taking advantage of the characteristics of the matrix resin. If the amount of CNT is less than 0.01% by weight, the elastic modulus is not sufficiently improved, and if it exceeds 1% by weight, uniform dispersion of CNT tends to be difficult.
[0020]
Moreover, when it is necessary to consider coloring property in consideration of optical characteristics, it is preferably 0.01 to 0.5% by weight. By being in this range, it is difficult to visually confirm the CNT, and the transmittance of the film / film is not lowered so much.
[0021]
Next, an example of a method for producing the CNT-containing resin composite of the present invention will be described. The CNT-containing resin composite of the present invention has, for example, a step of coating a polythiophene polymer on a CNT introduced with a functional group , and a CNT coated with the polythiophene polymer obtained in the above step has a side chain structure. It can be manufactured through a step of mixing and dispersing in a resin or resin solution.
[0022]
In the step of coating the polythiophene polymer on the CNTs introduced with functional groups , for example, the following method can be used. That is, (A) a method of adding and mixing CNTs having functional groups introduced into a molten polythiophene polymer, and (B) dissolving a polythiophene polymer in a solvent and introducing functional groups therein. the method of mixing by adding CNT was a method of mixing by adding polythiophene-based polymer at which had been preliminarily dispersed in such previously ultrasonically CNT that has been introduced (C) functional group in a solvent, (D ) A method in which a polythiophene polymer and a CNT having a functional group introduced therein are put in a solvent, and this mixed system is irradiated with ultrasonic waves and mixed. In the present invention, any method may be used alone, or any method may be combined. Among them, a method of putting a polythiophene polymer and a CNT having a functional group introduced into the solvent (D) and irradiating the mixed system with ultrasonic waves is preferable.
[0023]
When the CNTs are covered with a polythiophene polymer, the van der Waals interaction acting between the CNTs is relaxed and highly dispersed in the solvent.
[0024]
Next, a process of mixing and dispersing CNTs coated with a polythiophene polymer in a resin having a side chain structure or the resin solution will be described. When mixing and dispersing CNTs coated with a polythiophene polymer, (1) a method of adding a CNT to a polythiophene polymer and using the mixture of the dispersed polythiophene polymer and CNT as it is, (2) a polythiophene polymer For example, there is a method of using a polymer and CNT mixture after removing excess polythiophene polymer by filtering the CNTs with a filter having a pore size of about 0.1 μm. Even in the case of using the latter (2) filtration method, the polythiophene polymer has a strong interaction with CNT, and thus covers the surface of CNT. It can be confirmed by various elemental analysis and surface analysis devices that the surface of CNT is covered with a polythiophene polymer.
[0025]
The procedure for mixing and dispersing includes (i) a method of redispersing CNT covered with a polythiophene polymer in a solvent and dissolving a resin having a side chain structure therein, and (ii) a resin solution having a side chain structure. There are a method of adding and dispersing CNT covered with a polythiophene polymer, and (iii) a method of adding and dispersing directly to a resin having a liquid side chain structure. Examples of the mixing / dispersing means include stirring, ultrasonic treatment, vibration dispersion, kneading and the like, and it is necessary to select the means according to the concentration and viscosity. For example, as a dispersion method by stirring, a flask or a container with a lid can be rotated, or a device in which a screw type or brush type stirring blade rotates at high speed can be used. As a dispersion method by ultrasonic treatment, a container containing a CNT covered with a resin having a side chain structure and a polythiophene polymer is placed in a tank of an ultrasonic cleaner, or an ultrasonic vibrator is attached to the ultrasonic vibrator. There are methods such as placing them in containers. As a dispersion method by kneading, a bead mill device, a ball mill device, a three-roller, or the like using ceramic fine particles can be used. In the method for producing a CNT-containing resin composite of the present invention, it is preferable to perform ultrasonic treatment after stirring and mixing, but is not limited thereto. Thus, by dispersing the CNT covered with the polythiophene polymer in the resin having a side chain structure which is a matrix resin, a CNT-containing resin composite having a polythiophene polymer layer between the CNT and the matrix resin is obtained. Obtainable.
[0026]
In addition, as a solvent used in the manufacturing method of the CNT-containing resin composite of the present invention, methanol, ethanol, butanol, toluene, xylene, o-chlorophenol, acetone, ethyl acetate, ethylene glycol, chloroform, chlorobenzene, dimethylformamide, Examples include, but are not limited to, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, γ-butyrolactone, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol, and a solvent is selected as necessary. be able to.
[0027]
By processing the CNT-containing resin composite thus obtained, it can be applied to various structural materials represented by plates, functional materials such as optical resins, and composite materials with other materials such as metal materials. .
[0028]
Since the CNT-containing resin composite of the present invention has a characteristic of having high elasticity, high-elasticity plastic products such as high-elasticity films and high-elasticity fibers are manufactured by molding suitable for the resin having a side chain structure which is a matrix resin. In particular, it can be preferably used as a highly elastic film.
[0029]
Specific methods of film forming include, for example, casting molding in which a CNT-containing resin composite or resin composite solution in a fluidized state is poured into a mold or surface to solidify, and heat-softening the CNT-containing resin composite using an extruder. Extrusion molding extruding, inflation molding in which a molten resin composite is extruded from an annular hole to form a cylindrical film, calendar molding in which a CNT-containing resin composite is rolled between two heated rolls, and the like.
[0030]
In addition, spinning methods for fiber production include melt spinning for spinning a molten resin composite into a cooling chamber, dry spinning for spinning a liquid in which a CNT-containing resin composite is dispersed in a volatile solvent into a drying chamber, solvent Examples include wet spinning in which a liquid in which a CNT-containing resin composite is dispersed is spun into a solution containing a non-solvent, but the molding method of the CNT-containing resin composite of the present invention is not limited to these, It can be processed into a film or fiber by molding in consideration of the matrix resin material used, the solubility of the resin composite, and the required properties of the product.
[0031]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[0032]
Reference example 1
First, 3 mg of single-walled CNT (hereinafter referred to as SWCNT) (manufactured by CNI, purity 95%) is added to 30 mL of chloroform, and 3 mg of poly-3-hexylthiophene (manufactured by Aldrich, molecular weight: Mw 20000) is added as a conjugated polymer. The mixture was ultrasonically stirred for 30 minutes at an output of 250 W using an ultrasonic homogenizer (VCX-500 manufactured by SONICS) while cooling with ice to obtain a SWCNT dispersion.
[0033]
To 0.5 mL of the obtained SWCNT dispersion, a matrix resin solution in which 50 mg of polymethyl methacrylate (hereinafter referred to as PMMA) (“SUMIPEX” manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., molecular weight: Mw 500,000) was dissolved in 4.5 mL of chloroform was added. The SWCNT-containing PMMA paste was obtained by ultrasonically stirring for 30 minutes using an ultrasonic cleaner (US-2 manufactured by Inoue Seieido Co., Ltd., output 120 W, 2.6 L).
[0034]
Next, 1 mL of the obtained paste is dropped onto a 50 mm square glass substrate with an adhesive tape having a thickness of 100 μm on the periphery, and a blade coater (manufactured by RK Print-Coat Instruments) is moved at a speed of 30 mm / sec. After forming a uniform coating surface by the above method, the entire substrate is placed in an oven at 50 ° C. for 5 minutes, and finally the solvent is removed with a vacuum dryer for 2 hours to prepare a coating film having a thickness of 20 μm. A PMMA film containing 1 wt% was obtained.
[0035]
Next, the tensile elastic modulus of the PMMA film obtained in the same manner as described above, except that the SWCNT containing 0.1 wt% of SWCNT and SWCNT are not contained, is measured using a wide area dynamic viscoelasticity measuring device (DVE- manufactured by Rheology Co., Ltd.). It measured in the temperature range of -20-100 degreeC using V4 FT rheospectr (FIG. 1). The former has a tensile modulus (E ′) at 20 ° C. of 4.21 GPa, which is very small compared to the elastic modulus of 2.25 GPa of the PMMA film, which is the latter matrix resin, even though the SWCNT content is extremely small. Increased by 87% .
[0036]
Reference example 2
A matrix resin solution prepared by dissolving 50 mg of polystyrene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., degree of polymerization: about 3000) in 4.5 mL of chloroform was added to 0.5 mL of the SWCNT dispersion liquid similar to Reference Example 1, and the same as in Reference Example 1 SWCNT-containing polystyrene paste was obtained by ultrasonically stirring for 30 minutes using an ultrasonic cleaner. Using the paste, a coating film having a thickness of 10 μm was prepared by the same method as described above.
[0037]
This SWCNT0.1 except that it does not contain a% by weight content of polystyrene film and the SWCNT was measured in the same manner the tensile modulus as in Reference Example 1 at 20 ° C. of polystyrene film obtained in the same manner as the above-described method, tensile former Although the elastic modulus is 3.16 GPa and the content of SWCNT is extremely small, the tensile modulus (E ′) at 20 ° C. of the polystyrene film as the latter matrix resin is 32 as compared with 2.39 GPa. % Increase.
[0038]
Example 1
First, 50 mg of SWCNT was put into 200 mL of a mixed acid having a volume ratio of 3: 1 sulfuric acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity 95% or more) and nitric acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., density 1.38), After ultrasonically stirring for 10 hours using an ultrasonic cleaner, the mixture of this mixed acid and SWCNT is filtered through a polytetrafluoroethylene (PTFE) membrane filter (Millipore Corporation, filter type: JH) to remove carboxyl groups. The introduced SWCNT (hereinafter referred to as c-SWCNT) was filtered off.
[0039]
Using 3 mg of the obtained c-SWCNT and 3 mg of poly-3-hexylthiophene as a conjugated polymer in the same manner as in Reference Example 1, a dispersion using 30 mL of chloroform as a solvent was obtained. A matrix resin solution in which 50 mg of PMMA is dissolved in 4.5 mL of chloroform is added to 0.5 mL of this dispersion, and the PMMA paste containing c-SWCNT is stirred by ultrasonically using the same ultrasonic cleaner as in Reference Example 1 for 30 minutes. In the same manner as in Reference Example 1, a 0.1% by weight c-SWCNT-containing PMMA film was obtained.
[0040]
The tensile elastic modulus at 20 ° C. of the PMMA film containing 0.1% by weight of c-SWCNT was measured in the same manner as in Reference Example 1, and found to be 3.65 GPa. The tensile elastic modulus at 20 ° C. of the PMMA film as the matrix resin ( E ′) 62% increase compared to 2.25 GPa.
[0041]
Comparative Example 1
Except not using a conjugated polymer, operation similar to the said reference example 1 was performed, and SWCNT0.1 weight% containing PMMA film | membrane was obtained. When the tensile elastic modulus of this film was measured with a wide-range dynamic viscoelasticity measuring apparatus in the same manner as in Reference Example 1, the tensile elastic modulus at 20 ° C. was 2.44 GPa, similar to the elastic modulus of the PMMA film as the matrix resin. Met.
[0042]
Comparative Example 2
The same operation as in Reference Example 1 was performed except that 6-nylon, which is a resin having no side chain structure, was used as a matrix resin to obtain a 6-nylon membrane containing 0.1% by weight of SWCNT. The tensile elastic modulus of this film was measured with a wide-range dynamic viscoelasticity measuring apparatus in the same manner as in Reference Example 1. The tensile elastic modulus at 20 ° C. was 2.40 GPa, and it was the same as the above method except that it did not contain SWCNT. The elastic modulus of the 6-nylon film obtained in this way increased only by about 5.7% from 2.27 GPa.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, by dispersing CNT coated with a conjugated polymer in a specific matrix resin, both the CNT and the matrix resin are strongly bonded via the conjugated polymer without going through complicated steps. Since the CNT can be uniformly dispersed in the matrix resin, the characteristics of the CNT can be effectively exhibited even with a small CNT addition amount, and the elastic modulus of the resin composite can be dramatically improved. Further, a highly elastic film can be obtained from the resin composite.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing temperature characteristics of tensile elastic modulus of each PMMA film obtained in Example 1. FIG.

Claims (8)

側鎖構造を有する樹脂中にポリチオフェン系重合体で被覆された単層および/または多層カーボンナノチューブが分散した樹脂コンポジットであって、カーボンナノチューブに官能基が導入されており、カーボンナノチューブの前記樹脂に対する組成分率が0.01重量%以上、1重量%以下であるカーボンナノチューブ含有樹脂コンポジット。A resin composite in which single-walled and / or multi-walled carbon nanotubes coated with a polythiophene polymer are dispersed in a resin having a side chain structure, wherein a functional group is introduced into the carbon nanotube, A carbon nanotube-containing resin composite having a composition fraction of 0.01% by weight or more and 1% by weight or less. ポリチオフェン系重合体がポリ−3−アルキルチオフェン、ポリ−3−アルコキシチオフェン、ポリ−3−チオアルキルチオフェンの少なくとも1種である請求項記載のカーボンナノチューブ含有樹脂コンポジット。Polythiophene-based polymer is a poly-3-alkylthiophene, poly-3-alkoxy thiophene, poly-3-at least one kind of claim 1 carbon nanotube-containing resin composite according thio alkylthiophene. 側鎖構造を有する樹脂がビニル系樹脂、アクリル系樹脂の少なくとも1種である請求項1記載のカーボンナノチューブ含有樹脂コンポジット。The carbon nanotube-containing resin composite according to claim 1, wherein the resin having a side chain structure is at least one of a vinyl resin and an acrylic resin. ビニル系樹脂がポリスチレンである請求項記載のカーボンナノチューブ含有樹脂コンポジット。The carbon nanotube-containing resin composite according to claim 3 , wherein the vinyl resin is polystyrene. アクリル系樹脂がポリメチルメタクリレートである請求項記載のカーボンナノチューブ含有樹脂コンポジット。The carbon nanotube-containing resin composite according to claim 3 , wherein the acrylic resin is polymethyl methacrylate. 官能基がカルボキシル基、水酸基、アミド基、エステル基、チオエステル基、ハロゲン基の少なくとも1種である請求項記載のカーボンナノチューブ含有樹脂コンポジット。Functional group is a carboxyl group, a hydroxyl group, an amide group, an ester group, thioester group, at least one carbon nanotube-containing resin composite according to claim 1, wherein the halogen groups. ポリチオフェン系重合体を官能基が導入されたカーボンナノチューブに被覆する工程、前記工程で得られたポリチオフェン系重合体で被覆されたカーボンナノチューブを側鎖構造を有する樹脂または該樹脂溶液に混合分散させる工程を含む請求項1記載のカーボンナノチューブ含有樹脂コンポジットの製造方法。Coating a polythiophene-based polymer to the carbon nanotubes which functional groups are introduced step, the step of mixing and dispersing the carbon nanotubes obtained were coated with polythiophene-based polymer in the step resin or the resin solution having a side chain structure The manufacturing method of the carbon nanotube containing resin composite of Claim 1 containing this. 請求項1〜のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ含有樹脂コンポジットからなる高弾性フィルム。A highly elastic film comprising the carbon nanotube-containing resin composite according to any one of claims 1 to 6 .
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