JP4240948B2 - ポリアミド樹脂組成物の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポリアミド樹脂組成物の製造方法に関する。より詳しくは、ポリアミド中にカーボンナノチューブが凝集することなく分散し、フィルムや繊維に加工することが可能なポリアミド樹脂組成物の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリアミド樹脂は一般的に、それ自身の導電性が低いため、導電性の高い導電性フィラーなどを配合することによって、導電性を付与する検討が行われている。導電性フィラーとしては、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、金属繊維、金属粉末などが用いられている。
【０００３】
しかしながら、上記の導電性フィラーを用いた場合は優れた導電性を発現させるためには添加量を多くする必要があり、本来のポリアミド樹脂が有する機械的強度や成形加工性を損なうという課題があった。
【０００４】
そこで、特開平３−７４４６５号公報には、フィブリルの直径が３．５〜７０ｎｍの極細炭素フィブリルが互いに絡み合った凝集体を樹脂中に含有させた導電性に優れたポリアミド樹脂組成物が検討されており、前記の導電性フィラーを用いた場合より少ない添加量で高い導電性を示すことが開示されている。しかしながら、極細炭素フィブリルを互いに絡み合った凝集体の状態で分散させる必要があるために、導電性を発現させるために必要な炭素フィブリルの量を低減させるには限度があった。また、導電性を発現させるために炭素フィブリルを多く分散させたポリアミド樹脂組成物では溶融粘度や溶液粘度が著しく高くなるため、成形加工性に問題が生じていた。さらに、ポリアミド樹脂組成物中へ炭素フィブリルを均一に分散させることは難しく、生産性の面でも問題になっていた。
特に、フィルムや繊維などに加工が可能なレベルにまでカーボンナノチューブが分散したポリアミド組成物を得ることは困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような事情に鑑みなされたものであり、優れた導電性を有し、かつ機械的強度にも優れ、フィルムや繊維に加工が可能なポリアミド樹脂組成物を容易に達成できる製造方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、カーボンナノチューブをポリアミドモノマーに均一に分散した後重合することによって上記課題を解決できることを見出し本発明に至った。
【０００７】
すなわち本発明は、
【０００８】
（１）プラズマ発生ガスに窒素を使用して２〜５層の多層カーボンナノチューブをプラズマ処理し、外表面の炭素に対する酸含有割合が２％以上とした後、ポリアミドモノマー中に分散させた後に重合を行うことを特徴とするポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【０００９】
（２）前記カーボンナノチューブをポリアミドモノマーに分散させるときに超音波を使用することを特徴とする前記（１）記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【００１０】
（３）前記カーボンナノチューブを分散させたポリアミドモノマー分散液を重合するときにポリアミドモノマー分散液をコロイダル溶液とした後に重合を行うことを特徴とする前記（１）または（２）記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【００１１】
（４）カーボンナノチューブを分散させたポリアミドモノマーを重合する方法が溶融重合であることを特徴とする前記（１）〜（３）いずれか記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【００１２】
（５）前記ポリアミドモノマーがラクタムおよび／またはアミノカルボン酸であることを特徴とする前記（４）記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【００１３】
（６）前記ラクタムがカプロラクタム、ラウロラクタム、エナントラクタム、バレロラクタムの中から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする前記（５）記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
を提供するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
本発明のポリアミド樹脂組成物の製造方法で使用されるポリアミドモノマーは、ラクタムないしはジカルボン酸とジアミンからなるナイロン塩が使用される。
【００１８】
ラクタムとしては、カプロラクタム、ラウロラクタム、エナントラクタム、バレロラクタムなどが挙げられる。なかでもカプロラクタム、ラウロラクタムが好ましく、カプロラクタムがより好ましい。
【００１９】
また、ナイロン塩を構成するジカルボン酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸、ブラシリン酸、テトラデカン二酸、ペンタデカン二酸、オクタデカン二酸のような脂肪族ジカルボン酸、シクロヘキサンジカルボン酸のような脂環式ジカルボン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸のような芳香族ジカルボン酸などが挙げられる。またナイロン塩をを構成するジアミンとしては、１，４−ジアミノブタン、１，５−ジアミノペンタン、１，６−ジアミノヘキサン、１，７−ジアミノヘプタン、１，８−ジアミノオクタン、１，９−ジアミノノナン、１，１０−ジアミノデカン、１，１１−ジアミノウンデカン、１，１２−ジアミノドデカン、１，１３−ジアミノトリデカン、１，１４−ジアミノテトラデカン、１，１５−ジアミノペンタデカン、１，１６−ジアミノヘキサデカン、１，１７−ジアミノヘプタデカン、１，１８−ジアミノオクタデカン、１，１９−ジアミノノナデカン、１，２０−ジアミノエイコサン、ジエチルアミノプロピルアミンなどの脂肪族ジアミン、シクロヘキサンジアミン、ビス−（４−アミノヘキシル）メタンのような脂環式ジアミン、キシリレンジアミンのような芳香族ジアミンなどが挙げられる。
【００２０】
本発明のポリアミド樹脂組成物の製造方法では、ナイロン塩、ラクタムを任意の混合比で混合しても良く、混合比などに特に制限はない。
【００２１】
本発明のカーボンナノチューブを分散させるポリアミドモノマーは液体状であることが好ましく、加温して溶融させるまたは水溶液として用いることが好ましい。通常ポリアミドモノマーは常温下で固体であることが多く、水溶液の形で用いられることが多い。
【００２２】
本発明で用いるカーボンナノチューブは、グラファイトの１枚面を巻いて円筒状にした形状を有しており、そのグラファイト層が２層以上で巻いた多層カーボンナノチューブを使用し、特にグラファイト層が２〜５層の多層カーボンナノチューブを用いる。
【００２３】
カーボンナノチューブの特徴である円筒状のグラファイト構造は高分解能透過型電子顕微鏡で調べることができる。グラファイトの層は、透過型電子顕微鏡でまっすぐにはっきりと見えるほど好ましいが、グラファイト層は乱れていても構わない。グラファイト層が乱れたものは、カーボンナノファイバーと定義することがあるが、このようなカーボンナノファイバーも本発明においてはカーボンナノチューブに含むものとする。
【００２４】
本発明において用いられるカーボンナノチューブは、一般にレーザーアブレーション法、アーク放電法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、燃焼法などで製造できるが、どのような方法で製造したカーボンナノチューブでも構わない。篠原らが報告しているようにゼオライトを触媒の担体としてアセチレンを原料に熱ＣＶＤ法で作る方法は、特に精製することなく、多少の熱分解による不定形炭素被覆はあるものの、純度が高く、良くグラファイト化された多層カーボンナノチューブが得られる点で特に好ましい方法である(Chemical Physics Letters 303(1999) 117-124)。
【００２５】
本発明においては、カーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率が２％以上であるカーボンナノチューブを用いることが好ましい。
【００２６】
ここで、酸含有割合は下式で求めたものと定義する。
【００２７】
【数１】
【００２８】
Ａｃ：カーボンナノチューブ１ｇに含まれる酸のモル数
２πＲａ：カーボンナノチューブ平均外周（ｎｍ）
［（Ｒａ−Ｒｂ）／Ｒｋ］＋１：カーボンナノチューブ平均層数
２π（Ｒａ＋Ｒｂ）／２：カーボンナノチューブ平均円周（ｎｍ）
Ｒａ：カーボンナノチューブ平均外半径
Ｒｂ：カーボンナノチューブ平均内半径
Ｒｋ：カーボンナノチューブ平均層間距離。
【００２９】
上式に示す分子のＡｃは、外表面に酸を有するカーボンナノチューブ１ｇに含まれる酸のモル数である。純度１００％のカーボンナノチューブを得ることは困難であり、それを同定することも困難であるため、ここで言うカーボンナノチューブとは５万倍の倍率で走査型電子顕微鏡で見たときに繊維状の物質がその電子顕微鏡の視野の中に８０％以上であるカーボン質材料であればカーボンナノチューブと言って差し支えない。従って、厳密に定義すればカーボンナノチューブ外表面だけに酸性基を有するのではなく、カーボンナノチューブに付着した炭素、カーボンナノチューブに混在する炭素粒子も含んだ状態で酸量を測定し、すべてカーボンナノチューブの表面に酸性基があるとして計算したものである。外表面に酸を有するカーボンナノチューブに含まれる酸のモル数の測定は、カーボンナノチューブを溶媒に分散させ、中和滴定によって求めたものである。外表面に酸を有するカーボンナノチューブとは、カーボンナノチューブ外表面に少なくとも１種類以上の酸性の官能基を有するカーボンナノチューブのことである。酸性の官能基の種類は特に限定されず、例えば、カルボキシル基、水酸基、スルホン基などである。また、それ以外の官能基、例えばカルボニル基、ニトロ基、エーテル基、などを有していても良い。外表面に酸を有するカーボンナノチューブの模式図を図１に示す。
【００３０】
上式に示す分母は、カーボンナノチューブ１ｇに含まれるカーボンナノチューブ外表面の炭素のモル数である。カーボンナノチューブ平均外周を、カーボンナノチューブ平均層数とカーボンナノチューブ平均円周の乗算結果を用いて除算することで、カーボンナノチューブ全体に対するカーボンナノチューブ外表面の炭素率を求める。これに、カーボンナノチューブ１ｇを炭素原子の原子量（１２ｇ／ｍｏｌ）で除算した結果（つまり、カーボンナノチューブ１ｇ中に含まれる炭素原子のモル数）を乗算することで、カーボンナノチューブ１ｇに含まれるカーボンナノチューブ外表面の炭素のモル数を求める。
【００３１】
カーボンナノチューブ平均外半径Ｒａ、カーボンナノチューブ平均内半径Ｒｂは図１に示すように定義され、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察結果から、ひとつのカーボンナノチューブを重複して用いないルール適用して、任意に少なくとも１０点以上、好ましくは２０点以上のカーボンナノチューブの外半径、内半径を計測し、それぞれ平均値を計算することで求める。
【００３２】
カーボンナノチューブ層間距離Ｒｋは、公知の値である０．３４ｎｍを用いる。
【００３３】
前記式で示される、カーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率は２％以上、好ましくは４％以上、さらに好ましくは８％以上であることが好ましい。２％より小さいと、樹脂中への分散性が低下する可能性がある。
【００３４】
また、前記式を満たすカーボンナノチューブの官能基を、エステル化、アミド化、イミド化などの化学反応などの手法を用いてさらに修飾して用いてもかまわない。
【００３５】
上記の如く、前記式で示されるカーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率が２％以上であるカーボンナノチューブを得るための鍵となる技術は、プラズマ処理である。
【００３６】
上記のプラズマ処理とは、特に制限されないが、例えば公知の低温プラズマ処理のことをいい、処理空間内にカーボンナノチューブと処理するガスを供給した状態で高電圧を印可して発生するプラズマにより、カーボンナノチューブを処理する方法である。プラズマ発生ガスとしては、窒素を使用する。処理装置としては、特に限定されるものではなく、公知の内部電極方式または外部電極方式が使用されるが、電極の汚染のない点から外部電極方式が好ましい。処理圧力、電源周波数、処理出力などの処理条件は特に限定されるものではなく目的に応じ好ましく選定すればよい。
【００３９】
２層〜５層のカーボンナノチューブの処理には、窒素プラズマを使用する。酸素プラズマよりもマイルドに処理が出来るため、カーボンナノチューブ自体が燃え尽きて無くなることはない。窒素プラズマ処理でも、処理後空気中にさらすことにより、窒素プラズマにより切断された結合は、空気中の酸素と反応して、カルボキシル基やカルボニル基、ヒドロキシル基等になる。
【００４０】
本発明で得られるポリアミド樹脂組成物中におけるカーボンナノチューブの含有量は、ポリアミド樹脂組成物１００重量％中の０．０１〜５０重量％であることが好ましい。特に０．０５〜２０重量％であることが好ましい。含有量が５０重量％を超えるとポリアミド樹脂組成物の加工性が低下する場合があり、また０．０１重量％未満では導電性付与効果が低下する場合があり、いずれも好ましくない。
【００４１】
本発明のポリアミド樹脂組成物の製造方法では、カーボンナノチューブをポリアミドモノマー中に均一に分散させることを特徴としている。その際、カーボンナノチューブは前述したプラズマ処理を施した後にポリアミドモノマー中に分散させることが好ましい。さらに、プラズマ処理を施した後において、カーボンナノチューブの外表面の炭素に対する酸含有割合は２％以上とした上でポリアミドモノマーに分散させることが好ましい。
【００４２】
本発明において、カーボンナノチューブをポリアミドモノマー中へ均一に分散させるとは、カーボンナノチューブ分散後１０分間静置したのちカーボンナノチューブによる凝集沈殿物がほとんど確認できない状態まで分散させることを意味し、例えばろ紙を用いてろ過した場合にはろ紙に残差がほとんど残らず、また遠心分離を行った場合には沈殿物がほとんど確認できない状態に至らしめた、一般にコロイダル溶液と呼ばれる状態になるまで分散を行ったものであることが好ましい。ここで、ろ過に用いるろ紙は、ＪＩＳ Ｐ ３８０１ ２種における保留粒子径５（μｍ）である、また、遠心分離の際の遠心加速度は１０００（×ｇ）であり、処理時間は１５分である。
【００４３】
本発明において、カーボンナノチューブをポリアミドモノマー中に分散させる方法としては、上記のごとく均一に分散させることができれば、ホモジナイザーを用いた高速撹拌、ボールミル等の機械的衝撃を加える撹拌、超音波処理など公知の方法を適用することができる。一般にポリアミドモノマーの溶液または融解液は、長時間酸化等を防いで安定に保存することが難しいため、超音波処理によりカーボンナノチューブを分散する方法が処理時間を短くすることができるため好ましい。超音波により、分散中のカーボンナノチューブ試料とモノマー界面の気泡等が除かれ密着性が向上するために分散性が良くなるためである。超音波処理の出力について特に制限はないが、有意な効果を得るためには通常１０Ｗ以上であることが好ましい。
【００４４】
本発明のポリアミド樹脂組成物の製造方法において、ポリアミドの重合方法については、水分存在下での溶融重合やアニオン重合などが挙げられるが、特に制限はない。重合の容易さから溶融重合が好ましい。通常の溶融重合は、水分存在下にモノマー融点以上かつポリアミド樹脂の分解温度以下の範囲で行われる。カプロラクタムをモノマーとしたポリアミド樹脂（ナイロン６）の重合の際にはカプロラクタムを水の存在下に加圧下加熱反応した後に放圧し、水分を除去する加圧溶融重合や、約２６０℃に加熱された常圧重合塔に供給し、この重合塔内で約１０時間滞留させる常圧溶融重合法が一般的である。
【００４５】
本発明のポリアミド樹脂組成物には必要に応じて他の公知の添加剤を併用することも可能である。添加剤の具体例としては、酸化防止剤や耐熱安定剤、耐候剤、離型剤及び滑剤、顔料、染料、可塑剤、帯電防止剤、難燃剤、強化材などが挙げられる。
【００４６】
本発明のポリアミド樹脂組成物は公知の方法で成形して成形品として用いることができる。成形方法としては、射出成形、押出成形、プレス成形などが挙げられる。成形品には、射出成形品、シート、未延伸フィルム、延伸フィルム、丸棒や異形押出品などの押出成形品、繊維、フィラメントなどが挙げられる。発泡成形や２色成形、インサート成形、アウトサート成形、インモールド成形など公知の複合成形技術を適用することも可能である。また、本発明のポリアミド樹脂組成物を溶液あるいは懸濁液として接着剤やペースト、塗料、コーティング剤として用いることも可能である。
【００４７】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明はここに掲げる実施例によって限定されるものではない。
【００４８】
参考例１（カーボンナノチューブの合成）
Ｋ．Ｈｅｒｎａｄｉ、Ａ．Ｆｏｎｓｅｃａらによる報告を参照（Ｚｅｏｌｉｔｅｓ １７：４１６−４２３、１９９６）し、酢酸鉄（２ｇ）、酢酸コバルト（２ｇ）、Ｙ型ゼオライト（１０ｇ）を秤量し、メタノール（１００ｍｌ）を加えて、振とう器にて１時間攪拌後、メタノール分を乾燥除去し、触媒を得た。次に、ＣＶＤ反応装置を用いて、反応管内の石英ウール上に触媒１ｇをあらかじめセットし、窒素（３０ｃｃ／分）雰囲気下で６００℃まで昇温後、アセチレン（６ｃｃ／分）、窒素（３０ｃｃ／分）雰囲気下で６００℃×５時間保持しカーボンナノチューブを合成した。その後、窒素（３０ｃｃ／分）雰囲気下で室温まで冷却し、反応混合物を取り出した。
【００４９】
前記の反応混合物を、フッ化水素酸１０％水溶液中で３時間攪拌後、ろ紙（Ｔｏｙｏ Ｒｏｓｈｉ Ｋａｉｓｈａ、Ｆｉｌｔｅｒ Ｐａｐｅｒ ２号 １２５ｍｍ）を用いてろ過し、ろ紙上の固形物を、イオン交換水、アセトン溶液にて洗浄後、乾燥し、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ−１）を得た。ＣＮＴ−１の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察結果、グラファイト層の構造が確認でき、多層カーボンナノチューブを多く含むことがわかった。また、ＳＥＭのＥＤＸを用いて元素分析を行ったところ、Ｙ型ゼオライトの存在率はＥＤＸの測定限界以下（ほぼ０％）である結果を得た。
【００５０】
前記カーボンナノチューブ（ＣＮＴ−１）１０ｍｇに、イオン交換水５０ｍｌを加えて、超音波洗浄機（ＹＡＭＡＴＯ化学製、ＢＲＡＮＳＯＮ３２１０、発信周波数４７ＫＨｚ、出力１３０Ｗ）にて１時間処理後、４８時間静置して得られた試料のｐＨをガラス電極式水素イオン濃度計（東亜電波工業、ＨＭ−３０Ｖ）を用いて測定したところ、ｐＨ＝７．０でり、この結果からＣＮＴ−１の酸のモル数は１０ｍｇあたり、ほぼ０ｍｏｌであり、前記式を用いてカーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率（％）を計算すれば、０％と算出される。
【００５１】
参考例２（プラズマ処理したカーボンナノチューブの合成）
参考例１で得たカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−１）０．５ｇを、ガラス製シャーレー上にうすく広げて、ＹＡＭＡＴＯ化学製ＰＬＡＳＭＡ ＣＨＡＭＢＥＲＭＯＤＥＬ ＰＣ−１０１Ａを用いて、酸素ガス、圧力２０Ｐａ、ＰＯＷＥＲ３００Ｗの条件で、５分間プラズマ処理を行い、一度取り出して、シャーレー上のプラズマ処理カーボンナノチューブを、かき混ぜ（ひっくり返す、転がす等の動作）、シャーレー上にうすく広げ、再び同様のプラズマ処理を行う作業を繰り返し、合計１５分（計３回）のプラズマ処理を行いプラズマ処理したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−２）を得た。前記プラズマ処理カーボンナノチューブ（ＣＮＴ−２）の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察結果から、多層カーボンナノチューブを多く含むことが確認できた。
【００５２】
前記プラズマ処理後のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−２）１０ｍｇに、イオン交換水５０ｍｌを加えて、超音波洗浄機（ＹＡＭＡＴＯ化学製、ＢＲＡＮＳＯＮ３２１０、発信周波数４７ＫＨｚ、出力１３０Ｗ）にて１時間処理後、４８時間静置して得られた分散液のｐＨを、ガラス電極式水素イオン濃度計（東亜電波工業、ＨＭ−３０Ｖ）を用いて測定したところ、ｐＨ＝５．５であった。一般によく知られた中和滴定を、４２．５×１０−６（ｍｏｌ／ｌ）の水酸化ナトリウム水溶液を用いて、ｐＨ＝７．０を終点として行った結果、水酸化ナトリウム水溶液１４５ｍｌを要した。つまり、０．２５ｍｇの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ、４０ｇ／ｍｏｌ）を要した。この結果から、プラズマ処理後のカーボンナノチューブ１０ｍｇ中の酸のモル数は６．３×１０−６（ｍｏｌ）と計算できる。
【００５３】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、ひとつのカーボンナノチューブを重複して用いないルールを適用して、任意に２０点のカーボンナノチューブの外半径、内半径を計測し、それぞれ平均値を計算した結果、Ｒａ：カーボンナノチューブ平均外半径１１．５ｎｍ、Ｒｂ：カーボンナノチューブ平均内半径３．３ｎｍの結果を得た。また、Ｒｋ：カーボンナノチューブ層間距離０．３４ｎｍを用いた。
【００５４】
これらの結果から、前記式を用いてカーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率（％）を計算した結果、１２％の結果を得た。
【００５５】
参考例３（プラズマ処理したカーボンナノチューブの合成）
J.L.Hutchisonらの方法（Carbon 39 (2001) 761-770)に従って、アーク放電法でカーボンナノチューブを生成した。アノードは直径3.2mm長さ140mmの穴に触媒が埋め込まれた直径8.2mmのグラファイトロッド、カソードは直径10mm,長さ25mmのグラファイトロッドとした。触媒は、次のように調製した。粒子径2-5μmのNi,Co,Fe粉末の混合物と硫黄原子を良く粉砕した後、アルゴンガス下で５００℃１時間焼成した。ボールミルでμサイズまで粉砕した後すぐにカーボン粉末と混ぜた。3.2mmの穴をドリルであけたグラファイトロッドにぎっしりつめた。アノードの組成は、カーボンに対して、Ni 2.6at%,Co 0.7at%,Fe 1.45at%,S 0.75at%であった。アルゴン：水素体積比１：１で３５０torrで７５−８０Aのアーク電流でＣＮＴ合成を行った。両電極は2mmの距離で電圧差は２６〜２８Ｖとした。
【００５６】
得られたカーボンナノチューブを含むカーボン０．５ｇを、ガラス製シャーレー上にうすく広げて、ＹＡＭＡＴＯ化学製ＰＬＡＳＭＡ ＣＨＡＭＢＥＲ ＭＯＤＥＬ ＰＣ−１０１Ａを用いて、窒素ガス、圧力２０Ｐａ、ＰＯＷＥＲ３００Ｗの条件で、５分間プラズマ処理を行い、一度取り出して、シャーレー上のプラズマ処理カーボンナノチューブを、かき混ぜ（ひっくり返す、転がす等の動作）、シャーレー上にうすく広げ、再び同様のプラズマ処理を行う作業を繰り返し、合計１０分（計２回）のプラズマ処理を行った。
【００５７】
プラズマ処理後のカーボン材料１０ｍｇに、イオン交換水５０ｍｌを加えて、超音波洗浄機（ＹＡＭＡＴＯ化学製、ＢＲＡＮＳＯＮ３２１０、発信周波数４７ＫＨｚ、出力１３０Ｗ）にて１時間処理後、４８時間静置して得られた試料を観察したところ、カーボンナノチューブ分散液と黒い沈殿物が確認できた。分散液を、遠心分離器（装置：ＫＵＢＯＴＡ ＫＲ−２００００Ｔ、ローター：ＲＡ−３ ５０ｍｌ×８本）を用いて、回転数１２０００ｒｐｍ（約１７０００（×ｇ））×１時間、遠心分離したところ、上澄み液として、透明感のある黒色の溶液を得た。スポイトで溶液部分を回収し、高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、炭素不純物の付着した２〜５層のカーボンナノチューブが多く見られた。５万倍の走査型電子顕微鏡で見たところ、８０％は、繊維状のグラファイト構造を有するカーボンナノチューブで、２０％は粒子状の不定形炭素であった。
【００５８】
乾燥させてプラズマ処理したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−３）を得た。ＣＮＴ−３を再度水に分散させて、参考例２と同様に酸量を量り、酸含有率を求めたところ、８．５％であった。
【００５９】
参考例４
ε−カプロラクタム（東京化成工業株式会社、特級試薬）を溶融しモレキュラーシーブで乾燥し、このカプロラクタム８００ｇに精製水２００ｇを加え参考例２でしめす手順で作成したＣＮＴ−３を８ｇ加えて６０ｒｐｍで３時間撹拌した。この分散液は透明感のある黒色をしていた。得られた分散液を５μメッシュのフィルターで濾過したが、フィルター上に黒色の付着物は見られなかった。スポイトで分散液を回収し、高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、炭素不純物の付着した２〜５層のカーボンナノチューブが多く見られた。
【００６０】
参考例５
カーボンナノチューブをＣＮＴ−３からＣＮＴ−１へ変更した以外は参考例４と同じ方法でカプロラクタム中へナノチューブを分散した。分散液中に黒色の粒子が見られ、１０分静置したところ黒色の粒子は全て沈殿していた。黒色の粒子を濾過により回収し、高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、２〜５層のカーボンナノチューブが絡まり合い凝集したものが見られた。
【００６２】
実施例および比較例中に記載されているポリアミド樹脂組成物の諸特性は以下の（１）〜（２）の方法で測定した。
（１）相対粘度：９８％硫酸中、０．０１ｇ／ｍｌ濃度、２５℃でオストワルド式粘度計を用いて測定を行った。
（２）体積固有抵抗：ポリアミド樹脂組成物を、表に示す成形加工温度でプレス成形を行い、厚さ１ｍｍのシート状に加工した。このシートを用い、ＡＳＴＭ Ｄ２５７に準じて体積固有抵抗を測定した。
【００６９】
実施例１
参考例４に示す手順で作成したεーカプロラクタムのカーボンナノチューブ分散液（固形分８０重量％）を加圧重合缶（オートクレーブ）に仕込み、攪拌下昇温し、水蒸気圧１０ｋｇ／ｃｍ２ で１．５時間反応させた後、約２時間かけて徐々に放圧し、さらに常圧窒素気流下で３０分反応した。この時の最終重合缶内温度は２５０℃であった。反応終了後重合缶下部の吐出口から生成ポリマーをストランド状に吐出し、冷却槽で冷却した後カッターでペレタイズ化した。得られたポリマーをポリマーに対して１０倍量の熱水中で約１５時間抽出した後乾燥した。相対粘度は２．８であった。導電性の測定結果を表１に示した。得られたポリアミド樹脂組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、樹脂中に分散する２〜５層のカーボンナノチューブが多く見られた。
【００７０】
このカーボンナノチューブの分散したポリアミド樹脂組成物を東洋精機製作所製キャピログラフ１ｃを用いて表１に示す加工温度で溶融し、クロスヘッドスピード２ｍｍ／分でピストンを降下させ、直径０．５ｍｍ×５ｍｍ長のキャピラリーから吐出し、引き取り速度２００ｍｍ／分で連続３分間紡糸を行った。糸切れはなく、黒色の繊維が得られた。
【００７１】
また、ポリアミド樹脂組成物を溶融し、プレス装置で１００μｍ厚のフィルム状に表に示す成形加工温度でプレス加工したところ、黒色のフィルムが得られた。このフィルムを短冊状に切削し、５０℃で保温しつつ引張試験機で一軸方向に２倍延伸したところ破れることなく延伸できた。
【００７７】
比較例１
参考例２で得たカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−２）とナイロン６樹脂（東レＣＭ１０１７）を表１に示した配合比率でプレブレンドした後、２５０℃に設定した容量１００ｍｌのミキサー（東洋精機：ラボプラストミル）で溶融混練した。窒素雰囲気下で、回転数１００ｒｐｍで２０分間混練した後、溶融状態で取り出し、直ちに水で冷却してポリアミド樹脂組成物を得た。得られたポリアミド樹脂組成物は黒色の凝集粒子が見られた。ポリアミド樹脂組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、黒色の凝集物は絡まり合い凝集した２〜５層のカーボンナノチューブであった。
【００７８】
このカーボンナノチューブの分散したポリアミド樹脂組成物を実施例１と同じように表２に示す加工温度で紡糸を行おうとしたところ、糸切れがひどく、繊維状のポリアミド樹脂組成物は得られなかった。
【００７９】
また、ポリアミド樹脂組成物を溶融し、プレス装置で１００μｍ厚のフィルム状に表に示す成形加工温度でプレス加工したところ、黒色の凝集物のあるフィルムが得られた。このフィルムを短冊状に切削し、５０℃で保温しつつ引張試験機で一軸方向に２倍延伸したところ、フィルムに穴ができ、途中で切断した。
【００８０】
実施例１と比較例１を比べることにより、ポリアミドモノマー中へ分散させることにより容易にカーボンナノチューブの分散した、繊維や延伸フィルムへの加工可能なポリアミド樹脂組成物が得られることがわかる。
【００８１】
比較例２
参考例５で得られたカーボンナノチューブカプロラクタム分散液を実施例１と同じ方法で重合しポリアミド樹脂組成物を得た。得られたポリアミド樹脂組成物中には、黒色の凝集粒子が多く見られた。導電性の測定結果を表２に示した。得られたポリアミド樹脂組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、２〜５層のカーボンナノチューブの凝集物であった。
【００８２】
このカーボンナノチューブの分散したポリアミド樹脂組成物を実施例１と同じように表２に示す加工温度で紡糸を行おうとしたところ、糸切れがひどく、繊維状のポリアミド樹脂組成物は得られなかった。
【００８３】
また、ポリアミド樹脂組成物を溶融し、プレス装置で１００μｍ厚のフィルム状に表に示す成形加工温度でプレス加工したところ、黒色の凝集物のあるフィルムが得られた。このフィルムを短冊状に切削し、５０℃で保温しつつ引張試験機で力をかけたとたんに破れてしまった。
【００８４】
実施例１と比較すると、ポリアミドモノマー中へ均一に分散させることにより、容易にカーボンナノチューブの分散しかつ繊維や延伸フィルムへの加工可能なポリアミド樹脂組成物が得られることがわかる。
【００８５】
比較例３
カーボンナノチューブを添加しないこと以外は実施例１と同じ方法でポリアミド樹脂組成物を得た。導電性の測定結果を表２に示した。実施例１と比較してカーボンナノチューブを添加することにより体積抵抗は減少することがわかる。
【００８６】
得られたポリアミド樹脂組成物を実施例１と同じように表２に示す加工温度で紡糸を行ったところ、糸切れはなく、繊維状のポリアミド樹脂が得られた。
【００８７】
また、得られたポリアミド樹脂を溶融し、プレス装置で１００μｍ厚のフィルム状に表に示す成形加工温度でプレス加工し、フィルムを得た。このフィルムを短冊状に切削し、５０℃で保温しつつ引張試験機で一軸方向に２倍延伸したところいずれのポリアミド樹脂も破れることなく延伸できた。
【００８９】
【表１】
【００９０】
【表２】
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のポリアミド樹脂の製造方法では、重合前のポリアミドモノマーへ分散することにより容易にカーボンナノチューブを分散したポリアミド樹脂組成物が得られる。また得られたポリアミド樹脂組成物は、高い導電性を示し、繊維やフィルムへの加工が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】多層カーボンナノチューブの模式図である。
【発明の属する技術分野】
本発明はポリアミド樹脂組成物の製造方法に関する。より詳しくは、ポリアミド中にカーボンナノチューブが凝集することなく分散し、フィルムや繊維に加工することが可能なポリアミド樹脂組成物の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリアミド樹脂は一般的に、それ自身の導電性が低いため、導電性の高い導電性フィラーなどを配合することによって、導電性を付与する検討が行われている。導電性フィラーとしては、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、金属繊維、金属粉末などが用いられている。
【０００３】
しかしながら、上記の導電性フィラーを用いた場合は優れた導電性を発現させるためには添加量を多くする必要があり、本来のポリアミド樹脂が有する機械的強度や成形加工性を損なうという課題があった。
【０００４】
そこで、特開平３−７４４６５号公報には、フィブリルの直径が３．５〜７０ｎｍの極細炭素フィブリルが互いに絡み合った凝集体を樹脂中に含有させた導電性に優れたポリアミド樹脂組成物が検討されており、前記の導電性フィラーを用いた場合より少ない添加量で高い導電性を示すことが開示されている。しかしながら、極細炭素フィブリルを互いに絡み合った凝集体の状態で分散させる必要があるために、導電性を発現させるために必要な炭素フィブリルの量を低減させるには限度があった。また、導電性を発現させるために炭素フィブリルを多く分散させたポリアミド樹脂組成物では溶融粘度や溶液粘度が著しく高くなるため、成形加工性に問題が生じていた。さらに、ポリアミド樹脂組成物中へ炭素フィブリルを均一に分散させることは難しく、生産性の面でも問題になっていた。
特に、フィルムや繊維などに加工が可能なレベルにまでカーボンナノチューブが分散したポリアミド組成物を得ることは困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような事情に鑑みなされたものであり、優れた導電性を有し、かつ機械的強度にも優れ、フィルムや繊維に加工が可能なポリアミド樹脂組成物を容易に達成できる製造方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、カーボンナノチューブをポリアミドモノマーに均一に分散した後重合することによって上記課題を解決できることを見出し本発明に至った。
【０００７】
すなわち本発明は、
【０００８】
（１）プラズマ発生ガスに窒素を使用して２〜５層の多層カーボンナノチューブをプラズマ処理し、外表面の炭素に対する酸含有割合が２％以上とした後、ポリアミドモノマー中に分散させた後に重合を行うことを特徴とするポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【０００９】
（２）前記カーボンナノチューブをポリアミドモノマーに分散させるときに超音波を使用することを特徴とする前記（１）記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【００１０】
（３）前記カーボンナノチューブを分散させたポリアミドモノマー分散液を重合するときにポリアミドモノマー分散液をコロイダル溶液とした後に重合を行うことを特徴とする前記（１）または（２）記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【００１１】
（４）カーボンナノチューブを分散させたポリアミドモノマーを重合する方法が溶融重合であることを特徴とする前記（１）〜（３）いずれか記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【００１２】
（５）前記ポリアミドモノマーがラクタムおよび／またはアミノカルボン酸であることを特徴とする前記（４）記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
【００１３】
（６）前記ラクタムがカプロラクタム、ラウロラクタム、エナントラクタム、バレロラクタムの中から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする前記（５）記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
を提供するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
本発明のポリアミド樹脂組成物の製造方法で使用されるポリアミドモノマーは、ラクタムないしはジカルボン酸とジアミンからなるナイロン塩が使用される。
【００１８】
ラクタムとしては、カプロラクタム、ラウロラクタム、エナントラクタム、バレロラクタムなどが挙げられる。なかでもカプロラクタム、ラウロラクタムが好ましく、カプロラクタムがより好ましい。
【００１９】
また、ナイロン塩を構成するジカルボン酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸、ブラシリン酸、テトラデカン二酸、ペンタデカン二酸、オクタデカン二酸のような脂肪族ジカルボン酸、シクロヘキサンジカルボン酸のような脂環式ジカルボン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸のような芳香族ジカルボン酸などが挙げられる。またナイロン塩をを構成するジアミンとしては、１，４−ジアミノブタン、１，５−ジアミノペンタン、１，６−ジアミノヘキサン、１，７−ジアミノヘプタン、１，８−ジアミノオクタン、１，９−ジアミノノナン、１，１０−ジアミノデカン、１，１１−ジアミノウンデカン、１，１２−ジアミノドデカン、１，１３−ジアミノトリデカン、１，１４−ジアミノテトラデカン、１，１５−ジアミノペンタデカン、１，１６−ジアミノヘキサデカン、１，１７−ジアミノヘプタデカン、１，１８−ジアミノオクタデカン、１，１９−ジアミノノナデカン、１，２０−ジアミノエイコサン、ジエチルアミノプロピルアミンなどの脂肪族ジアミン、シクロヘキサンジアミン、ビス−（４−アミノヘキシル）メタンのような脂環式ジアミン、キシリレンジアミンのような芳香族ジアミンなどが挙げられる。
【００２０】
本発明のポリアミド樹脂組成物の製造方法では、ナイロン塩、ラクタムを任意の混合比で混合しても良く、混合比などに特に制限はない。
【００２１】
本発明のカーボンナノチューブを分散させるポリアミドモノマーは液体状であることが好ましく、加温して溶融させるまたは水溶液として用いることが好ましい。通常ポリアミドモノマーは常温下で固体であることが多く、水溶液の形で用いられることが多い。
【００２２】
本発明で用いるカーボンナノチューブは、グラファイトの１枚面を巻いて円筒状にした形状を有しており、そのグラファイト層が２層以上で巻いた多層カーボンナノチューブを使用し、特にグラファイト層が２〜５層の多層カーボンナノチューブを用いる。
【００２３】
カーボンナノチューブの特徴である円筒状のグラファイト構造は高分解能透過型電子顕微鏡で調べることができる。グラファイトの層は、透過型電子顕微鏡でまっすぐにはっきりと見えるほど好ましいが、グラファイト層は乱れていても構わない。グラファイト層が乱れたものは、カーボンナノファイバーと定義することがあるが、このようなカーボンナノファイバーも本発明においてはカーボンナノチューブに含むものとする。
【００２４】
本発明において用いられるカーボンナノチューブは、一般にレーザーアブレーション法、アーク放電法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、燃焼法などで製造できるが、どのような方法で製造したカーボンナノチューブでも構わない。篠原らが報告しているようにゼオライトを触媒の担体としてアセチレンを原料に熱ＣＶＤ法で作る方法は、特に精製することなく、多少の熱分解による不定形炭素被覆はあるものの、純度が高く、良くグラファイト化された多層カーボンナノチューブが得られる点で特に好ましい方法である(Chemical Physics Letters 303(1999) 117-124)。
【００２５】
本発明においては、カーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率が２％以上であるカーボンナノチューブを用いることが好ましい。
【００２６】
ここで、酸含有割合は下式で求めたものと定義する。
【００２７】
【数１】
Ａｃ：カーボンナノチューブ１ｇに含まれる酸のモル数
２πＲａ：カーボンナノチューブ平均外周（ｎｍ）
［（Ｒａ−Ｒｂ）／Ｒｋ］＋１：カーボンナノチューブ平均層数
２π（Ｒａ＋Ｒｂ）／２：カーボンナノチューブ平均円周（ｎｍ）
Ｒａ：カーボンナノチューブ平均外半径
Ｒｂ：カーボンナノチューブ平均内半径
Ｒｋ：カーボンナノチューブ平均層間距離。
【００２９】
上式に示す分子のＡｃは、外表面に酸を有するカーボンナノチューブ１ｇに含まれる酸のモル数である。純度１００％のカーボンナノチューブを得ることは困難であり、それを同定することも困難であるため、ここで言うカーボンナノチューブとは５万倍の倍率で走査型電子顕微鏡で見たときに繊維状の物質がその電子顕微鏡の視野の中に８０％以上であるカーボン質材料であればカーボンナノチューブと言って差し支えない。従って、厳密に定義すればカーボンナノチューブ外表面だけに酸性基を有するのではなく、カーボンナノチューブに付着した炭素、カーボンナノチューブに混在する炭素粒子も含んだ状態で酸量を測定し、すべてカーボンナノチューブの表面に酸性基があるとして計算したものである。外表面に酸を有するカーボンナノチューブに含まれる酸のモル数の測定は、カーボンナノチューブを溶媒に分散させ、中和滴定によって求めたものである。外表面に酸を有するカーボンナノチューブとは、カーボンナノチューブ外表面に少なくとも１種類以上の酸性の官能基を有するカーボンナノチューブのことである。酸性の官能基の種類は特に限定されず、例えば、カルボキシル基、水酸基、スルホン基などである。また、それ以外の官能基、例えばカルボニル基、ニトロ基、エーテル基、などを有していても良い。外表面に酸を有するカーボンナノチューブの模式図を図１に示す。
【００３０】
上式に示す分母は、カーボンナノチューブ１ｇに含まれるカーボンナノチューブ外表面の炭素のモル数である。カーボンナノチューブ平均外周を、カーボンナノチューブ平均層数とカーボンナノチューブ平均円周の乗算結果を用いて除算することで、カーボンナノチューブ全体に対するカーボンナノチューブ外表面の炭素率を求める。これに、カーボンナノチューブ１ｇを炭素原子の原子量（１２ｇ／ｍｏｌ）で除算した結果（つまり、カーボンナノチューブ１ｇ中に含まれる炭素原子のモル数）を乗算することで、カーボンナノチューブ１ｇに含まれるカーボンナノチューブ外表面の炭素のモル数を求める。
【００３１】
カーボンナノチューブ平均外半径Ｒａ、カーボンナノチューブ平均内半径Ｒｂは図１に示すように定義され、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察結果から、ひとつのカーボンナノチューブを重複して用いないルール適用して、任意に少なくとも１０点以上、好ましくは２０点以上のカーボンナノチューブの外半径、内半径を計測し、それぞれ平均値を計算することで求める。
【００３２】
カーボンナノチューブ層間距離Ｒｋは、公知の値である０．３４ｎｍを用いる。
【００３３】
前記式で示される、カーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率は２％以上、好ましくは４％以上、さらに好ましくは８％以上であることが好ましい。２％より小さいと、樹脂中への分散性が低下する可能性がある。
【００３４】
また、前記式を満たすカーボンナノチューブの官能基を、エステル化、アミド化、イミド化などの化学反応などの手法を用いてさらに修飾して用いてもかまわない。
【００３５】
上記の如く、前記式で示されるカーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率が２％以上であるカーボンナノチューブを得るための鍵となる技術は、プラズマ処理である。
【００３６】
上記のプラズマ処理とは、特に制限されないが、例えば公知の低温プラズマ処理のことをいい、処理空間内にカーボンナノチューブと処理するガスを供給した状態で高電圧を印可して発生するプラズマにより、カーボンナノチューブを処理する方法である。プラズマ発生ガスとしては、窒素を使用する。処理装置としては、特に限定されるものではなく、公知の内部電極方式または外部電極方式が使用されるが、電極の汚染のない点から外部電極方式が好ましい。処理圧力、電源周波数、処理出力などの処理条件は特に限定されるものではなく目的に応じ好ましく選定すればよい。
【００３９】
２層〜５層のカーボンナノチューブの処理には、窒素プラズマを使用する。酸素プラズマよりもマイルドに処理が出来るため、カーボンナノチューブ自体が燃え尽きて無くなることはない。窒素プラズマ処理でも、処理後空気中にさらすことにより、窒素プラズマにより切断された結合は、空気中の酸素と反応して、カルボキシル基やカルボニル基、ヒドロキシル基等になる。
【００４０】
本発明で得られるポリアミド樹脂組成物中におけるカーボンナノチューブの含有量は、ポリアミド樹脂組成物１００重量％中の０．０１〜５０重量％であることが好ましい。特に０．０５〜２０重量％であることが好ましい。含有量が５０重量％を超えるとポリアミド樹脂組成物の加工性が低下する場合があり、また０．０１重量％未満では導電性付与効果が低下する場合があり、いずれも好ましくない。
【００４１】
本発明のポリアミド樹脂組成物の製造方法では、カーボンナノチューブをポリアミドモノマー中に均一に分散させることを特徴としている。その際、カーボンナノチューブは前述したプラズマ処理を施した後にポリアミドモノマー中に分散させることが好ましい。さらに、プラズマ処理を施した後において、カーボンナノチューブの外表面の炭素に対する酸含有割合は２％以上とした上でポリアミドモノマーに分散させることが好ましい。
【００４２】
本発明において、カーボンナノチューブをポリアミドモノマー中へ均一に分散させるとは、カーボンナノチューブ分散後１０分間静置したのちカーボンナノチューブによる凝集沈殿物がほとんど確認できない状態まで分散させることを意味し、例えばろ紙を用いてろ過した場合にはろ紙に残差がほとんど残らず、また遠心分離を行った場合には沈殿物がほとんど確認できない状態に至らしめた、一般にコロイダル溶液と呼ばれる状態になるまで分散を行ったものであることが好ましい。ここで、ろ過に用いるろ紙は、ＪＩＳ Ｐ ３８０１ ２種における保留粒子径５（μｍ）である、また、遠心分離の際の遠心加速度は１０００（×ｇ）であり、処理時間は１５分である。
【００４３】
本発明において、カーボンナノチューブをポリアミドモノマー中に分散させる方法としては、上記のごとく均一に分散させることができれば、ホモジナイザーを用いた高速撹拌、ボールミル等の機械的衝撃を加える撹拌、超音波処理など公知の方法を適用することができる。一般にポリアミドモノマーの溶液または融解液は、長時間酸化等を防いで安定に保存することが難しいため、超音波処理によりカーボンナノチューブを分散する方法が処理時間を短くすることができるため好ましい。超音波により、分散中のカーボンナノチューブ試料とモノマー界面の気泡等が除かれ密着性が向上するために分散性が良くなるためである。超音波処理の出力について特に制限はないが、有意な効果を得るためには通常１０Ｗ以上であることが好ましい。
【００４４】
本発明のポリアミド樹脂組成物の製造方法において、ポリアミドの重合方法については、水分存在下での溶融重合やアニオン重合などが挙げられるが、特に制限はない。重合の容易さから溶融重合が好ましい。通常の溶融重合は、水分存在下にモノマー融点以上かつポリアミド樹脂の分解温度以下の範囲で行われる。カプロラクタムをモノマーとしたポリアミド樹脂（ナイロン６）の重合の際にはカプロラクタムを水の存在下に加圧下加熱反応した後に放圧し、水分を除去する加圧溶融重合や、約２６０℃に加熱された常圧重合塔に供給し、この重合塔内で約１０時間滞留させる常圧溶融重合法が一般的である。
【００４５】
本発明のポリアミド樹脂組成物には必要に応じて他の公知の添加剤を併用することも可能である。添加剤の具体例としては、酸化防止剤や耐熱安定剤、耐候剤、離型剤及び滑剤、顔料、染料、可塑剤、帯電防止剤、難燃剤、強化材などが挙げられる。
【００４６】
本発明のポリアミド樹脂組成物は公知の方法で成形して成形品として用いることができる。成形方法としては、射出成形、押出成形、プレス成形などが挙げられる。成形品には、射出成形品、シート、未延伸フィルム、延伸フィルム、丸棒や異形押出品などの押出成形品、繊維、フィラメントなどが挙げられる。発泡成形や２色成形、インサート成形、アウトサート成形、インモールド成形など公知の複合成形技術を適用することも可能である。また、本発明のポリアミド樹脂組成物を溶液あるいは懸濁液として接着剤やペースト、塗料、コーティング剤として用いることも可能である。
【００４７】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明はここに掲げる実施例によって限定されるものではない。
【００４８】
参考例１（カーボンナノチューブの合成）
Ｋ．Ｈｅｒｎａｄｉ、Ａ．Ｆｏｎｓｅｃａらによる報告を参照（Ｚｅｏｌｉｔｅｓ １７：４１６−４２３、１９９６）し、酢酸鉄（２ｇ）、酢酸コバルト（２ｇ）、Ｙ型ゼオライト（１０ｇ）を秤量し、メタノール（１００ｍｌ）を加えて、振とう器にて１時間攪拌後、メタノール分を乾燥除去し、触媒を得た。次に、ＣＶＤ反応装置を用いて、反応管内の石英ウール上に触媒１ｇをあらかじめセットし、窒素（３０ｃｃ／分）雰囲気下で６００℃まで昇温後、アセチレン（６ｃｃ／分）、窒素（３０ｃｃ／分）雰囲気下で６００℃×５時間保持しカーボンナノチューブを合成した。その後、窒素（３０ｃｃ／分）雰囲気下で室温まで冷却し、反応混合物を取り出した。
【００４９】
前記の反応混合物を、フッ化水素酸１０％水溶液中で３時間攪拌後、ろ紙（Ｔｏｙｏ Ｒｏｓｈｉ Ｋａｉｓｈａ、Ｆｉｌｔｅｒ Ｐａｐｅｒ ２号 １２５ｍｍ）を用いてろ過し、ろ紙上の固形物を、イオン交換水、アセトン溶液にて洗浄後、乾燥し、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ−１）を得た。ＣＮＴ−１の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察結果、グラファイト層の構造が確認でき、多層カーボンナノチューブを多く含むことがわかった。また、ＳＥＭのＥＤＸを用いて元素分析を行ったところ、Ｙ型ゼオライトの存在率はＥＤＸの測定限界以下（ほぼ０％）である結果を得た。
【００５０】
前記カーボンナノチューブ（ＣＮＴ−１）１０ｍｇに、イオン交換水５０ｍｌを加えて、超音波洗浄機（ＹＡＭＡＴＯ化学製、ＢＲＡＮＳＯＮ３２１０、発信周波数４７ＫＨｚ、出力１３０Ｗ）にて１時間処理後、４８時間静置して得られた試料のｐＨをガラス電極式水素イオン濃度計（東亜電波工業、ＨＭ−３０Ｖ）を用いて測定したところ、ｐＨ＝７．０でり、この結果からＣＮＴ−１の酸のモル数は１０ｍｇあたり、ほぼ０ｍｏｌであり、前記式を用いてカーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率（％）を計算すれば、０％と算出される。
【００５１】
参考例２（プラズマ処理したカーボンナノチューブの合成）
参考例１で得たカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−１）０．５ｇを、ガラス製シャーレー上にうすく広げて、ＹＡＭＡＴＯ化学製ＰＬＡＳＭＡ ＣＨＡＭＢＥＲＭＯＤＥＬ ＰＣ−１０１Ａを用いて、酸素ガス、圧力２０Ｐａ、ＰＯＷＥＲ３００Ｗの条件で、５分間プラズマ処理を行い、一度取り出して、シャーレー上のプラズマ処理カーボンナノチューブを、かき混ぜ（ひっくり返す、転がす等の動作）、シャーレー上にうすく広げ、再び同様のプラズマ処理を行う作業を繰り返し、合計１５分（計３回）のプラズマ処理を行いプラズマ処理したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−２）を得た。前記プラズマ処理カーボンナノチューブ（ＣＮＴ−２）の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察結果から、多層カーボンナノチューブを多く含むことが確認できた。
【００５２】
前記プラズマ処理後のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−２）１０ｍｇに、イオン交換水５０ｍｌを加えて、超音波洗浄機（ＹＡＭＡＴＯ化学製、ＢＲＡＮＳＯＮ３２１０、発信周波数４７ＫＨｚ、出力１３０Ｗ）にて１時間処理後、４８時間静置して得られた分散液のｐＨを、ガラス電極式水素イオン濃度計（東亜電波工業、ＨＭ−３０Ｖ）を用いて測定したところ、ｐＨ＝５．５であった。一般によく知られた中和滴定を、４２．５×１０−６（ｍｏｌ／ｌ）の水酸化ナトリウム水溶液を用いて、ｐＨ＝７．０を終点として行った結果、水酸化ナトリウム水溶液１４５ｍｌを要した。つまり、０．２５ｍｇの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ、４０ｇ／ｍｏｌ）を要した。この結果から、プラズマ処理後のカーボンナノチューブ１０ｍｇ中の酸のモル数は６．３×１０−６（ｍｏｌ）と計算できる。
【００５３】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、ひとつのカーボンナノチューブを重複して用いないルールを適用して、任意に２０点のカーボンナノチューブの外半径、内半径を計測し、それぞれ平均値を計算した結果、Ｒａ：カーボンナノチューブ平均外半径１１．５ｎｍ、Ｒｂ：カーボンナノチューブ平均内半径３．３ｎｍの結果を得た。また、Ｒｋ：カーボンナノチューブ層間距離０．３４ｎｍを用いた。
【００５４】
これらの結果から、前記式を用いてカーボンナノチューブ外表面の炭素に対する酸含有率（％）を計算した結果、１２％の結果を得た。
【００５５】
参考例３（プラズマ処理したカーボンナノチューブの合成）
J.L.Hutchisonらの方法（Carbon 39 (2001) 761-770)に従って、アーク放電法でカーボンナノチューブを生成した。アノードは直径3.2mm長さ140mmの穴に触媒が埋め込まれた直径8.2mmのグラファイトロッド、カソードは直径10mm,長さ25mmのグラファイトロッドとした。触媒は、次のように調製した。粒子径2-5μmのNi,Co,Fe粉末の混合物と硫黄原子を良く粉砕した後、アルゴンガス下で５００℃１時間焼成した。ボールミルでμサイズまで粉砕した後すぐにカーボン粉末と混ぜた。3.2mmの穴をドリルであけたグラファイトロッドにぎっしりつめた。アノードの組成は、カーボンに対して、Ni 2.6at%,Co 0.7at%,Fe 1.45at%,S 0.75at%であった。アルゴン：水素体積比１：１で３５０torrで７５−８０Aのアーク電流でＣＮＴ合成を行った。両電極は2mmの距離で電圧差は２６〜２８Ｖとした。
【００５６】
得られたカーボンナノチューブを含むカーボン０．５ｇを、ガラス製シャーレー上にうすく広げて、ＹＡＭＡＴＯ化学製ＰＬＡＳＭＡ ＣＨＡＭＢＥＲ ＭＯＤＥＬ ＰＣ−１０１Ａを用いて、窒素ガス、圧力２０Ｐａ、ＰＯＷＥＲ３００Ｗの条件で、５分間プラズマ処理を行い、一度取り出して、シャーレー上のプラズマ処理カーボンナノチューブを、かき混ぜ（ひっくり返す、転がす等の動作）、シャーレー上にうすく広げ、再び同様のプラズマ処理を行う作業を繰り返し、合計１０分（計２回）のプラズマ処理を行った。
【００５７】
プラズマ処理後のカーボン材料１０ｍｇに、イオン交換水５０ｍｌを加えて、超音波洗浄機（ＹＡＭＡＴＯ化学製、ＢＲＡＮＳＯＮ３２１０、発信周波数４７ＫＨｚ、出力１３０Ｗ）にて１時間処理後、４８時間静置して得られた試料を観察したところ、カーボンナノチューブ分散液と黒い沈殿物が確認できた。分散液を、遠心分離器（装置：ＫＵＢＯＴＡ ＫＲ−２００００Ｔ、ローター：ＲＡ−３ ５０ｍｌ×８本）を用いて、回転数１２０００ｒｐｍ（約１７０００（×ｇ））×１時間、遠心分離したところ、上澄み液として、透明感のある黒色の溶液を得た。スポイトで溶液部分を回収し、高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、炭素不純物の付着した２〜５層のカーボンナノチューブが多く見られた。５万倍の走査型電子顕微鏡で見たところ、８０％は、繊維状のグラファイト構造を有するカーボンナノチューブで、２０％は粒子状の不定形炭素であった。
【００５８】
乾燥させてプラズマ処理したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−３）を得た。ＣＮＴ−３を再度水に分散させて、参考例２と同様に酸量を量り、酸含有率を求めたところ、８．５％であった。
【００５９】
参考例４
ε−カプロラクタム（東京化成工業株式会社、特級試薬）を溶融しモレキュラーシーブで乾燥し、このカプロラクタム８００ｇに精製水２００ｇを加え参考例２でしめす手順で作成したＣＮＴ−３を８ｇ加えて６０ｒｐｍで３時間撹拌した。この分散液は透明感のある黒色をしていた。得られた分散液を５μメッシュのフィルターで濾過したが、フィルター上に黒色の付着物は見られなかった。スポイトで分散液を回収し、高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、炭素不純物の付着した２〜５層のカーボンナノチューブが多く見られた。
【００６０】
参考例５
カーボンナノチューブをＣＮＴ−３からＣＮＴ−１へ変更した以外は参考例４と同じ方法でカプロラクタム中へナノチューブを分散した。分散液中に黒色の粒子が見られ、１０分静置したところ黒色の粒子は全て沈殿していた。黒色の粒子を濾過により回収し、高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、２〜５層のカーボンナノチューブが絡まり合い凝集したものが見られた。
【００６２】
実施例および比較例中に記載されているポリアミド樹脂組成物の諸特性は以下の（１）〜（２）の方法で測定した。
（１）相対粘度：９８％硫酸中、０．０１ｇ／ｍｌ濃度、２５℃でオストワルド式粘度計を用いて測定を行った。
（２）体積固有抵抗：ポリアミド樹脂組成物を、表に示す成形加工温度でプレス成形を行い、厚さ１ｍｍのシート状に加工した。このシートを用い、ＡＳＴＭ Ｄ２５７に準じて体積固有抵抗を測定した。
【００６９】
実施例１
参考例４に示す手順で作成したεーカプロラクタムのカーボンナノチューブ分散液（固形分８０重量％）を加圧重合缶（オートクレーブ）に仕込み、攪拌下昇温し、水蒸気圧１０ｋｇ／ｃｍ２ で１．５時間反応させた後、約２時間かけて徐々に放圧し、さらに常圧窒素気流下で３０分反応した。この時の最終重合缶内温度は２５０℃であった。反応終了後重合缶下部の吐出口から生成ポリマーをストランド状に吐出し、冷却槽で冷却した後カッターでペレタイズ化した。得られたポリマーをポリマーに対して１０倍量の熱水中で約１５時間抽出した後乾燥した。相対粘度は２．８であった。導電性の測定結果を表１に示した。得られたポリアミド樹脂組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、樹脂中に分散する２〜５層のカーボンナノチューブが多く見られた。
【００７０】
このカーボンナノチューブの分散したポリアミド樹脂組成物を東洋精機製作所製キャピログラフ１ｃを用いて表１に示す加工温度で溶融し、クロスヘッドスピード２ｍｍ／分でピストンを降下させ、直径０．５ｍｍ×５ｍｍ長のキャピラリーから吐出し、引き取り速度２００ｍｍ／分で連続３分間紡糸を行った。糸切れはなく、黒色の繊維が得られた。
【００７１】
また、ポリアミド樹脂組成物を溶融し、プレス装置で１００μｍ厚のフィルム状に表に示す成形加工温度でプレス加工したところ、黒色のフィルムが得られた。このフィルムを短冊状に切削し、５０℃で保温しつつ引張試験機で一軸方向に２倍延伸したところ破れることなく延伸できた。
【００７７】
比較例１
参考例２で得たカーボンナノチューブ（ＣＮＴ−２）とナイロン６樹脂（東レＣＭ１０１７）を表１に示した配合比率でプレブレンドした後、２５０℃に設定した容量１００ｍｌのミキサー（東洋精機：ラボプラストミル）で溶融混練した。窒素雰囲気下で、回転数１００ｒｐｍで２０分間混練した後、溶融状態で取り出し、直ちに水で冷却してポリアミド樹脂組成物を得た。得られたポリアミド樹脂組成物は黒色の凝集粒子が見られた。ポリアミド樹脂組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、黒色の凝集物は絡まり合い凝集した２〜５層のカーボンナノチューブであった。
【００７８】
このカーボンナノチューブの分散したポリアミド樹脂組成物を実施例１と同じように表２に示す加工温度で紡糸を行おうとしたところ、糸切れがひどく、繊維状のポリアミド樹脂組成物は得られなかった。
【００７９】
また、ポリアミド樹脂組成物を溶融し、プレス装置で１００μｍ厚のフィルム状に表に示す成形加工温度でプレス加工したところ、黒色の凝集物のあるフィルムが得られた。このフィルムを短冊状に切削し、５０℃で保温しつつ引張試験機で一軸方向に２倍延伸したところ、フィルムに穴ができ、途中で切断した。
【００８０】
実施例１と比較例１を比べることにより、ポリアミドモノマー中へ分散させることにより容易にカーボンナノチューブの分散した、繊維や延伸フィルムへの加工可能なポリアミド樹脂組成物が得られることがわかる。
【００８１】
比較例２
参考例５で得られたカーボンナノチューブカプロラクタム分散液を実施例１と同じ方法で重合しポリアミド樹脂組成物を得た。得られたポリアミド樹脂組成物中には、黒色の凝集粒子が多く見られた。導電性の測定結果を表２に示した。得られたポリアミド樹脂組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察した結果、２〜５層のカーボンナノチューブの凝集物であった。
【００８２】
このカーボンナノチューブの分散したポリアミド樹脂組成物を実施例１と同じように表２に示す加工温度で紡糸を行おうとしたところ、糸切れがひどく、繊維状のポリアミド樹脂組成物は得られなかった。
【００８３】
また、ポリアミド樹脂組成物を溶融し、プレス装置で１００μｍ厚のフィルム状に表に示す成形加工温度でプレス加工したところ、黒色の凝集物のあるフィルムが得られた。このフィルムを短冊状に切削し、５０℃で保温しつつ引張試験機で力をかけたとたんに破れてしまった。
【００８４】
実施例１と比較すると、ポリアミドモノマー中へ均一に分散させることにより、容易にカーボンナノチューブの分散しかつ繊維や延伸フィルムへの加工可能なポリアミド樹脂組成物が得られることがわかる。
【００８５】
比較例３
カーボンナノチューブを添加しないこと以外は実施例１と同じ方法でポリアミド樹脂組成物を得た。導電性の測定結果を表２に示した。実施例１と比較してカーボンナノチューブを添加することにより体積抵抗は減少することがわかる。
【００８６】
得られたポリアミド樹脂組成物を実施例１と同じように表２に示す加工温度で紡糸を行ったところ、糸切れはなく、繊維状のポリアミド樹脂が得られた。
【００８７】
また、得られたポリアミド樹脂を溶融し、プレス装置で１００μｍ厚のフィルム状に表に示す成形加工温度でプレス加工し、フィルムを得た。このフィルムを短冊状に切削し、５０℃で保温しつつ引張試験機で一軸方向に２倍延伸したところいずれのポリアミド樹脂も破れることなく延伸できた。
【００８９】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のポリアミド樹脂の製造方法では、重合前のポリアミドモノマーへ分散することにより容易にカーボンナノチューブを分散したポリアミド樹脂組成物が得られる。また得られたポリアミド樹脂組成物は、高い導電性を示し、繊維やフィルムへの加工が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】多層カーボンナノチューブの模式図である。
Claims (6)
- プラズマ発生ガスに窒素を使用して２〜５層の多層カーボンナノチューブをプラズマ処理し、外表面の炭素に対する酸含有割合が２％以上とした後、ポリアミドモノマー中に分散させた後に重合を行うことを特徴とするポリアミド樹脂組成物の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブをポリアミドモノマーに分散させるときに超音波を使用することを特徴とする請求項１記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブを分散させたポリアミドモノマー分散液を重合するときにポリアミドモノマー分散液をコロイダル溶液とした後に重合を行うことを特徴とする請求項１または２記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
- カーボンナノチューブを分散させたポリアミドモノマーを重合する方法が溶融重合であることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
- 前記ポリアミドモノマーがラクタムおよび／またはアミノカルボン酸であることを特徴とする請求項４記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
- 前記ラクタムがカプロラクタム、ラウロラクタム、エナントラクタム、バレロラクタムの中から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項５記載のポリアミド樹脂組成物の製造方法。
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