JP4512583B2 - Method for producing carbon fiber composite metal material - Google Patents

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Description

本発明は、カーボンナノファイバーが均一に分散された炭素繊維複合金属材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing the carbon nanofibers uniformly dispersed carbon fiber-metal composite materials.

一般に、カーボンナノファイバーはマトリックスに分散させにくいフィラーであった。本発明者等が先に提案した炭素繊維複合材料の製造方法は、これまで困難とされていたカーボンナノファイバーの分散性を改善し、エラストマーにカーボンナノファイバーを均一に分散させることができた(例えば、特許文献1参照)。このような炭素繊維複合材料の製造方法によれば、エラストマーとカーボンナノファイバーを混練し、剪断力によって凝集性の強いカーボンナノファイバーの分散性を向上させている。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、粘性を有する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し、この状態で、分子長が適度に長く、分子運動性の高い(弾性を有する)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、エラストマーの変形に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性によるエラストマーの復元力によって、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していた。   In general, carbon nanofibers are fillers that are difficult to disperse in a matrix. The method for producing a carbon fiber composite material previously proposed by the present inventors has improved the dispersibility of carbon nanofibers, which has been considered difficult until now, and was able to uniformly disperse carbon nanofibers in an elastomer ( For example, see Patent Document 1). According to such a method for producing a carbon fiber composite material, an elastomer and carbon nanofibers are kneaded, and dispersibility of carbon nanofibers having high cohesiveness is improved by shearing force. More specifically, when the elastomer and the carbon nanofiber are mixed, the viscous elastomer penetrates into the carbon nanofiber, and a specific part of the elastomer has high activity of the carbon nanofiber due to chemical interaction. In this state, when a strong shearing force is applied to a mixture of an elastomer having high molecular mobility (elasticity) and carbon nanofibers, the carbon nanofibers are deformed as the elastomer is deformed. The fibers also moved, and the aggregated carbon nanofibers were separated and dispersed in the elastomer by the restoring force of the elastomer due to elasticity after shearing.

さらに、本発明者等は、カーボンナノファイバーが均一に分散した炭素繊維複合材料を用いて他のマトリックス、例えば金属のマトリックスにカーボンナノファイバーを均一に分散させる炭素繊維複合金属材料の製造方法を提案した(例えば、特許文献2参照)。   Furthermore, the present inventors proposed a method for producing a carbon fiber composite metal material in which carbon nanofibers are uniformly dispersed in another matrix, for example, a metal matrix, using a carbon fiber composite material in which carbon nanofibers are uniformly dispersed. (For example, see Patent Document 2).

このように、マトリックスへのカーボンナノファイバーの分散性を向上させることで、高価なカーボンナノファイバーを効率よく複合材料のフィラーとして用いることができるようになった。
特開2005−97525号公報 特開2005−97534号公報
Thus, by improving the dispersibility of the carbon nanofibers in the matrix, expensive carbon nanofibers can be used efficiently as fillers for composite materials.
JP 2005-97525 A JP-A-2005-97534

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炭素繊維複合金属材料の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing carbon nanofibers uniformly dispersed carbon fiber-metal composite materials.

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法の一態様は、
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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料を加熱してエラストマーを分解気化させて炭素系材料を得た後、エラストマーを分解気化させてできた前記炭素系材料の空隙に前記金属材料を浸透させて、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、
を含む。
本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法の一態様は、
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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料と前記金属材料の粒子とを混合した後、粉末成形して、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、
を含む。
本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法の一態様は、
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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
を含み、
前記工程(a)ないし前記工程(d)の間に、エラストマー中に前記金属材料の粒子を分散し、
前記工程(d)で得られた前記金属材料の粒子を含む前記炭素繊維複合材料を粉末成形して、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)をさらに含む。
本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法の一態様は、
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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを、金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、
を含む。
本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法の一態様は、
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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料に、前記金属材料の溶湯を浸透させて、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、
を含む。
One aspect of the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention is:
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
The carbon fiber composite material obtained in the step (d) is heated to decompose and vaporize an elastomer to obtain a carbon-based material, and then the metal material is inserted into voids of the carbon-based material formed by decomposing and vaporizing the elastomer. was allowed to permeate, the step (e) of the elastomer of the carbon fiber composite material to replace the metallic material to obtain a carbon fiber-metal composite material,
including.
One aspect of the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention is:
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
After mixing the carbon fiber composite material obtained in the step (d) and the particles of the metal material, powder molding is performed, and the elastomer in the carbon fiber composite material is replaced with the metal material, thereby carbon fiber composite metal. Obtaining a material (e);
including.
One aspect of the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention is:
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
Including
During the steps (a) to (d), particles of the metal material are dispersed in an elastomer,
The carbon fiber composite material containing particles of the metal material obtained in the step (d) is powder-molded, and the elastomer in the carbon fiber composite material is replaced with a metal material to obtain a carbon fiber composite metal material. (E) is further included.
One aspect of the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention is:
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
Replacing the elastomer in the carbon fiber composite material obtained in the step (d) with a metal material to obtain a carbon fiber composite metal material (e);
including.
One aspect of the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention is:
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
The carbon fiber composite material obtained in the step (d) is infiltrated with a molten metal material, and the elastomer in the carbon fiber composite material is replaced with a metal material to obtain a carbon fiber composite metal material ( e) and
including.

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法によれば、工程(a)によってエラストマーとカーボンナノファイバーとの混合前にエラストマーの粘度を低下させることで、エラストマー中にカーボンナノファイバーが従来よりも均一に分散された炭素繊維複合材料が得られ、この炭素繊維複合材料を用いることでカーボンナノファイバーが均一に分散した炭素繊維複合金属材料が得られる。より詳細には、従来のように分子量が大きいエラストマーにカーボンナノファイバーを混合するよりも、工程(a)によって分子量が低下した液体状のエラストマーは工程(b)において凝集したカーボンナノファイバーの空隙に侵入しやすく、工程(c)においてカーボンナノファイバーをより均一に分散させることができる。また、工程(a)によって分子切断されることで大量に生成されたエラストマーのフリーラジカルが工程(b)においてカーボンナノファイバーの表面とより強固に結合することができるため、工程(c)においてカーボンナノファイバーを従来より均一に分散させることができる。   According to the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention, by reducing the viscosity of the elastomer before mixing the elastomer and the carbon nanofiber in the step (a), the carbon nanofiber is contained in the elastomer more than before. A uniformly dispersed carbon fiber composite material is obtained, and a carbon fiber composite metal material in which carbon nanofibers are uniformly dispersed can be obtained by using this carbon fiber composite material. More specifically, rather than mixing carbon nanofibers with an elastomer having a large molecular weight as in the prior art, the liquid elastomer whose molecular weight has been reduced by the step (a) is formed in the voids of the carbon nanofibers aggregated in the step (b). The carbon nanofibers can be dispersed more uniformly in the step (c). In addition, since the elastomer free radicals produced in a large amount by molecular cleavage in the step (a) can be more firmly bonded to the surface of the carbon nanofibers in the step (b), carbon in the step (c) Nanofibers can be dispersed more uniformly than before.

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法において、
工程(a)で得られた液体状のエラストマーは、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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が3000μ秒を越え、
工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物は、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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が3000μ秒以下であることができる。
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention,
The liquid elastomer obtained in the step (a) has a first spin-spin relaxation time (T2n) of 3000 μsec in an uncrosslinked body measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. Beyond
The mixture of rubber-like elastic bodies obtained in step (c) has a first spin-spin relaxation time (T2n) of 3000 μsec or less as measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. Can do.

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法において、
前記工程(a)で得られた液体状のエラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、前記工程(a)で素練りする前のエラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)の5〜30倍であることができる。
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention,
The first spin-spin relaxation time (T2n) of the liquid elastomer obtained in the step (a) is equal to the first spin-spin relaxation time (T2n) of the elastomer before mastication in the step (a). ) To 5 to 30 times.

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法において、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、前記工程(a)で素練りする前のエラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)の0.5〜10倍であることができる。
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention,
The first spin-spin relaxation time (T2n) of the rubber-like elastic mixture obtained in the step (c) is the first spin-spin relaxation time of the elastomer before mastication in the step (a). It can be 0.5 to 10 times (T2n).

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法において、
前記工程(d)で得られた炭素繊維複合材料の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)より短くすることができる。
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention,
The first spin-spin relaxation time (T2n) of the carbon fiber composite material obtained in the step (d) is equal to the first spin-spin relaxation of the rubber-like elastic material mixture obtained in the step (c). It can be made shorter than time (T2n).

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法において、
前記炭素繊維複合材料は、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって150℃で測定した、未架橋体における、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)を有する成分の成分分率(fnn)は0.2未満であることができる。
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention,
The carbon fiber composite material has a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked body, measured at 150 ° C. by a Hahn echo method using pulsed NMR, The component fraction (fnn) of the component having a spin-spin relaxation time (T2nn) can be less than 0.2.

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法において、
前記工程(c)は、前記工程(b)で得られた前記混合物を加熱処理してエラストマーの分子量を増大させることができる。
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention,
In the step (c), the molecular weight of the elastomer can be increased by heat-treating the mixture obtained in the step (b).

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法において、
前記工程(d)は、ロール間隔が0.5mm以下のオープンロール法を用いて行われることができる。
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention,
The step (d) can be performed using an open roll method with a roll interval of 0.5 mm or less.

本発明にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法において、
前記工程(d)は、ロール温度が0ないし50℃に設定されることができる。
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present invention,
In the step (d), the roll temperature may be set to 0 to 50 ° C.

本発明の工程(a)に用いられるエラストマーは、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、ゴム系エラストマーの場合、カーボンナノファイバーの混合し易さから未架橋体が好ましい。   The elastomer used in the step (a) of the present invention may be a rubber-based elastomer or a thermoplastic elastomer. Moreover, in the case of a rubber-type elastomer, in the case of a rubber-type elastomer, an uncrosslinked body is preferable because of easy mixing of carbon nanofibers.

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.

図1は、本実施の形態で用いたオープンロール法による工程(a)を模式的に示す図である。図2は、工程(b)を模式的に示す図である。図3は、工程(d)を模式的に示す図である。図4及び図5は、工程(e)の浸透法を模式的に示す図である。図6は、炭素繊維複合金属材料の一部を拡大して示す模式図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the step (a) by the open roll method used in the present embodiment. FIG. 2 is a diagram schematically showing the step (b). FIG. 3 is a diagram schematically showing the step (d). FIG.4 and FIG.5 is a figure which shows typically the osmosis | permeation method of a process (e). FIG. 6 is an enlarged schematic view showing a part of the carbon fiber composite metal material.

本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法は、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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料を加熱してエラストマーを分解気化させて炭素系材料を得た後、エラストマーを分解気化させてできた前記炭素系材料の空隙に前記金属材料を浸透させて、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、を含む。
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法は、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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料と前記金属材料の粒子とを混合した後、粉末成形して、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、を含む。
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法は、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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、を含み、前記工程(a)ないし前記工程(d)の間に、エラストマー中に前記金属材料の粒子を分散し、記工程(d)で得られた前記金属材料の粒子を含む前記炭素繊維複合材料を粉末成形して、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)をさらに含む。
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法は、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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを、金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、を含む。
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法は、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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料に、前記金属材料の溶湯を浸透させて、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、を含む。
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present embodiment, the first spin-spin relaxation time (T2n) in an uncrosslinked body, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR, is 100. The step (a) of obtaining a liquid elastomer by masticating an elastomer having a viscosity of 3000 μsec to reduce the molecular weight of the elastomer, and the average diameter of the elastomer obtained in the step (a) is 0.5 to 500 nm. A step (b) of obtaining a mixture by mixing the carbon nanofibers of step (b), and a step of obtaining a mixture of rubbery elastic bodies by increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in the step (b) (c) And the rubber-like elastic material mixture obtained in the step (c) are kneaded, and the carbon nanofibers are separated into the elastomer by a shearing force. And step (d) of obtaining the carbon fiber composite material by, after the step by heating said carbon fiber composite material obtained in (d) is decomposed and vaporized the elastomer to obtain a carbon-based material, decomposing vaporized elastomer and impregnated with the metal material in the voids of the carbonaceous material Deki by, including a step (e) to obtain a carbon fiber-metal composite material of the elastomer of the carbon fiber composite material to replace the metallic material .
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present embodiment, the first spin-spin relaxation time (T2n) in an uncrosslinked body, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR, is 100. The step (a) of obtaining a liquid elastomer by masticating an elastomer having a viscosity of 3000 μsec to reduce the molecular weight of the elastomer, and the average diameter of the elastomer obtained in the step (a) is 0.5 to 500 nm. A step (b) of obtaining a mixture by mixing the carbon nanofibers of step (b), and a step of obtaining a mixture of rubbery elastic bodies by increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in the step (b) (c) And the rubber-like elastic material mixture obtained in the step (c) are kneaded, and the carbon nanofibers are separated into the elastomer by a shearing force. Step (d) to obtain a carbon fiber composite material, and the carbon fiber composite material obtained in the step (d) and the particles of the metal material are mixed and then powder-molded to form the carbon fiber composite material. A step (e) of obtaining a carbon fiber composite metal material by substituting the inside elastomer with a metal material.
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present embodiment, the first spin-spin relaxation time (T2n) in an uncrosslinked body, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR, is 100. The step (a) of obtaining a liquid elastomer by masticating an elastomer having a viscosity of 3000 μsec to reduce the molecular weight of the elastomer, and the average diameter of the elastomer obtained in the step (a) is 0.5 to 500 nm. A step (b) of obtaining a mixture by mixing the carbon nanofibers of step (b), and a step of obtaining a mixture of rubbery elastic bodies by increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in the step (b) (c) And the rubber-like elastic material mixture obtained in the step (c) are kneaded, and the carbon nanofibers are separated into the elastomer by a shearing force. A step (d) of obtaining a carbon fiber composite material, wherein the particles of the metal material are dispersed in the elastomer during the steps (a) to (d), and in the step (d) The method further includes a step (e) of powder-molding the obtained carbon fiber composite material containing particles of the metal material and replacing the elastomer in the carbon fiber composite material with the metal material to obtain a carbon fiber composite metal material. .
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present embodiment, the first spin-spin relaxation time (T2n) in an uncrosslinked body, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR, is 100. The step (a) of obtaining a liquid elastomer by masticating an elastomer having a viscosity of 3000 μsec to reduce the molecular weight of the elastomer, and the average diameter of the elastomer obtained in the step (a) is 0.5 to 500 nm. A step (b) of obtaining a mixture by mixing the carbon nanofibers of step (b), and a step of obtaining a mixture of rubbery elastic bodies by increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in the step (b) (c) And the rubber-like elastic material mixture obtained in the step (c) are kneaded, and the carbon nanofibers are separated into the elastomer by a shearing force. A step (d) for obtaining a carbon fiber composite material, and a step (e) for obtaining a carbon fiber composite metal material by replacing the elastomer in the carbon fiber composite material obtained in the step (d) with a metal material. And including.
In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present embodiment, the first spin-spin relaxation time (T2n) in an uncrosslinked body, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR, is 100. The step (a) of obtaining a liquid elastomer by masticating an elastomer having a viscosity of 3000 μsec to reduce the molecular weight of the elastomer, and the average diameter of the elastomer obtained in the step (a) is 0.5 to 500 nm. A step (b) of obtaining a mixture by mixing the carbon nanofibers of step (b), and a step of obtaining a mixture of rubbery elastic bodies by increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in the step (b) (c) And the rubber-like elastic material mixture obtained in the step (c) are kneaded, and the carbon nanofibers are separated into the elastomer by a shearing force. Step (d) to obtain a carbon fiber composite material, and the carbon fiber composite material obtained in step (d) is infiltrated with a molten metal material to form an elastomer in the carbon fiber composite material. Replacing the material to obtain a carbon fiber composite metal material (e).

(I)工程(a)
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法における工程(a)について説明する。
工程(a)は、原料のエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る。エラストマーは、素練りによって分子量が低下すると、粘度が低下するため、工程(b)において凝集したカーボンナノファイバーの空隙に浸透しやすくなる。原料となるエラストマーは、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第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒である。この原料のエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が3000μ秒を越えるエラストマーを得る。また、工程(a)で得られたエラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、工程(a)で素練りする前の原料のエラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)の5〜30倍であることが好ましい。
(I) Step (a)
The process (a) in the manufacturing method of the carbon fiber composite metal material concerning this Embodiment is demonstrated.
In the step (a), the raw material elastomer is masticated to reduce the molecular weight of the elastomer, thereby obtaining a liquid elastomer. Since the viscosity of the elastomer decreases when the molecular weight decreases due to mastication, the elastomer easily penetrates into the voids of the carbon nanofibers aggregated in the step (b). The raw material elastomer has a first spin-spin relaxation time (T2n) of the network component of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked body, as measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. The raw material elastomer is masticated to lower the molecular weight of the elastomer, and an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) exceeding 3000 μsec is obtained. In addition, the first spin-spin relaxation time (T2n) of the elastomer obtained in the step (a) is the first spin-spin relaxation time (T2n) of the raw material elastomer before mastication in the step (a). It is preferable that it is 5 to 30 times.

工程(a)における素練りは、エラストマーが固体状態のままで行なう一般的な素練りとは異なり、強剪断力を例えばオープンロール法で与えることによってエラストマーの分子を切断し分子量を著しく低下させ、混練に適さない程の流動を示すまで、液体状態になるまで行なわれる。この工程(a)は、例えばオープンロール法を用いた場合、ロール温度20℃(素練り時間最短60分)〜150℃(素練り時間最短10分)で行なわれる。図1は、2本ロールを用いたオープンロール法による工程(a)を模式的に示す図である。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0.1mm〜1.0mmの間隔で配置され、図1において矢印で示す方向に回転速度V1,V2で正転あるいは逆転で回転する。所定温度に設定された第2のロール20にエラストマー30を巻き付け、工程(a)の素練りを行なうことでエラストマー30は液体状態になり第2のロール20から取り出される。なお、工程(a)は、図1のようなオープンロール法に限定されず、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。   The kneading in the step (a) is different from the general kneading performed while the elastomer remains in a solid state, and the molecular weight is significantly reduced by cutting the elastomer molecules by applying a strong shearing force, for example, by an open roll method. The process is carried out until the liquid state is reached until it shows a flow unsuitable for kneading. For example, when the open roll method is used, this step (a) is performed at a roll temperature of 20 ° C. (minimum mastication time 60 minutes) to 150 ° C. (minimum mastication time 10 minutes). FIG. 1 is a diagram schematically showing a step (a) by an open roll method using two rolls. The first roll 10 and the second roll 20 are arranged at a predetermined interval d, for example, 0.1 mm to 1.0 mm, and are rotated forward at rotational speeds V1 and V2 in the directions indicated by arrows in FIG. It rotates in reverse. The elastomer 30 is wound around the second roll 20 set to a predetermined temperature, and the elastomer 30 is taken out of the second roll 20 by performing the mastication in the step (a). The step (a) is not limited to the open roll method as shown in FIG. 1, and a closed kneading method or a multi-screw extrusion kneading method can also be used.

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(T2)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(T2)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(T2n)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(T2n)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。第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が3000μ秒を越えると、エラストマーは流動し、液体状となるため、弾性をほとんど有していない。第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が3000μ秒を越える物質の状態は、例えば常温(30℃)における水のT2nは143m秒、パラフィンオイル(PW180)のT2nは15m秒、液状ゴムのT2nは4000μ秒〜10000μ秒であるように、液体状であることが判っている。   The spin-spin relaxation time (T2) 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 (T2) of the elastomer is measured by the Hahn-echo method using pulsed NMR, the first component having the first spin-spin relaxation time (T2n) having a short relaxation time And a second component having a second spin-spin relaxation time (T2nn) having a longer relaxation time. 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 (T2n), the lower the molecular mobility and the harder the elastomer. Moreover, it can be said that the longer the first spin-spin relaxation time (T2n), the higher the molecular mobility and the softer the elastomer. When the first spin-spin relaxation time (T2n) exceeds 3000 μsec, the elastomer flows and becomes liquid, and therefore has little elasticity. The state of the substance having the first spin-spin relaxation time (T2n) exceeding 3000 μs is, for example, T2n of water at room temperature (30 ° C.) is 143 msec, T2n of paraffin oil (PW180) is 15 msec, and T2n of liquid rubber Has been found to be liquid, such as 4000 μs to 10,000 μs.

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、本発明にかかる炭素繊維複合材料は中程度のスピン−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 carbon fiber composite material according to the present invention has a moderate 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.

工程(a)に用いられる原料のエラストマーは、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300万であることが好ましい。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工程(a)の加工が困難となる。工程(a)によって得られたエラストマーは、素練りされて分子量が著しく低下して例えば分子量が100ないし2万になる。   The raw material elastomer used in the step (a) preferably has a molecular weight of 5,000 to 5,000,000, more preferably 20,000 to 3,000,000. If the molecular weight of the elastomer is greater than 5 million, the elastomer becomes too hard and the processing in step (a) becomes difficult. The elastomer obtained by the step (a) is masticated to significantly reduce the molecular weight, for example, the molecular weight becomes 100 to 20,000.

また、原料のエラストマーは、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、特にそ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ことが好ましい。かかる不飽和結合または基としては、二重結合、三重結合、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好ましい。   In addition, the raw material elastomer has an unsaturated bond or group having affinity for the carbon nanofiber, particularly the radical at its terminal, in at least one of the main chain, the side chain and the terminal chain, or such It preferably has a property of easily generating radicals or groups. Such unsaturated bonds or groups include double bonds, triple bonds, carbonyl groups, carboxyl groups, hydroxyl groups, amino groups, nitrile groups, ketone groups, amide groups, epoxy groups, ester groups, vinyl groups, halogen groups, urethane groups. And at least one selected from functional groups such as a burette group, an allophanate group and a urea group.

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が好ましく、そのようなエラストマーを用いることで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。特に、本実施の形態では、工程(a)によってエラストマーの分子が通常の素練りよりも多く切断されるため、大量のフリーラジカルが生成され、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と結びつきやすい状態となる。   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, it is preferable that 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 carbon nanofiber. By using a simple elastomer, it is possible to bond the elastomer and the carbon nanofiber. In particular, in the present embodiment, since the elastomer molecules are cleaved by the step (a) more than ordinary peptization, a large amount of free radicals are generated, and the elastomer free radicals are easily combined with the carbon nanofibers. Become.

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。   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).

(II)工程(b)
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法における工程(b)について説明する。
工程(b)は、前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る。この工程(b)は、例えば工程(a)と同様にオープンロール法を用いた場合、工程(a)に引き続いて同じ2本ロールを用いて行うことができる。図2は、2本ロールを用いたオープンロール法による工程(b)を模式的に示す図である。ロールの間隔dやロールの回転速度V1,V2は、工程(a)の設定のままでもよい。回転する第2のロール20に巻きつけられたエラストマー30に、所定量のカーボンナノファイバー40を投入し、エラストマー30とカーボンナノファイバー40とを混合する。工程(b)は、図2のようなオープンロール法に限定されず、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。しかしながら、工程(b)においては、エラストマー30は液体状で弾性が著しく低下しているため、エラストマーのフリーラジカルとカーボンナノファイバーが結びついた状態で混練しても凝集したカーボンナノファイバーはあまり分散されない。したがって、工程(b)で得られた混合物は、工程(a)で得られたエラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)とほとんど変わりがない。
(II) Step (b)
The process (b) in the manufacturing method of the carbon fiber composite metal material concerning this Embodiment is demonstrated.
In step (b), the elastomer obtained in step (a) is mixed with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture. This step (b) can be performed using the same two rolls following the step (a), for example, when the open roll method is used as in the step (a). FIG. 2 is a diagram schematically showing the step (b) by the open roll method using two rolls. The roll interval d and the roll rotation speeds V1 and V2 may remain as set in step (a). A predetermined amount of carbon nanofibers 40 is put into the elastomer 30 wound around the rotating second roll 20, and the elastomer 30 and the carbon nanofibers 40 are mixed. The step (b) is not limited to the open roll method as shown in FIG. 2, and a closed kneading method or a multi-screw extrusion kneading method can also be used. However, in the step (b), since the elastomer 30 is in a liquid state and its elasticity is remarkably reduced, the aggregated carbon nanofibers are not so dispersed even when kneaded in a state where the free radicals of the elastomer and the carbon nanofibers are combined. . Therefore, the mixture obtained in step (b) is almost the same as the first spin-spin relaxation time (T2n) of the elastomer obtained in step (a).

工程(b)で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く、平均直径が0.5ないし100nmであることがさらに好ましい。また、カーボンナノファイバーは、平均長さが0.01〜1000μmであることが好ましい。カーボンナノファイバーの配合量は、特に限定されず、用途に応じて設定できる。   The carbon nanofibers used in step (b) preferably have an average diameter of 0.5 to 500 nm, and more preferably have an average diameter of 0.5 to 100 nm. The carbon nanofibers preferably have an average length of 0.01 to 1000 μm. The compounding quantity of carbon nanofiber is not specifically limited, It can set according to a use.

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ァイトの1枚面を1層に巻いた単層カーボンナノチューブ(シングルウォールカーボンナノチューブ:SWNT)、2層に巻いた2層カーボンナノチューブ(ダブルウォールカーボンナノチューブ:DWNT)、3層以上に巻いた多層カーボンナノチューブ(MWNT:マルチウォールカーボンナノチューブ)などがあるが、工程(b)に用いられる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。多層カーボンナノチューブ(MWNT:マルチウォールカーボンナノチューブ)としては、特に欠陥の少ない気相成長炭素繊維(VGCF:昭和電工社の登録商標)を用いることもできる。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。また、カーボンナノファイバーは、ホウ素、炭化ホウ素、ベリリウム、アルミニウム、ケイ素等の黒鉛化触媒と共に約2300℃〜3200℃で黒鉛化処理したものを用いてもよい。   Examples of carbon nanofibers include so-called carbon nanotubes. The carbon nanotube is a single-walled carbon nanotube (single wall carbon nanotube: SWNT) in which one surface of graphite having a carbon hexagonal mesh surface is wound in one layer, and a double-walled carbon nanotube (double wall carbon nanotube: DWNT) in two layers. There are multi-walled carbon nanotubes (MWNT: multi-walled carbon nanotubes) wound in three or more layers, but the carbon nanotubes used in step (b) are composed only of a single-layer structure or only a multi-layer structure. A single layer structure and a multilayer structure may be mixed. As the multi-walled carbon nanotube (MWNT: multi-wall carbon nanotube), it is also possible to use a vapor-grown carbon fiber (VGCF: registered trademark of Showa Denko) with particularly few defects. 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”. Carbon nanofibers that have been graphitized at about 2300 ° C. to 3200 ° C. with a graphitization catalyst such as boron, boron carbide, beryllium, aluminum, and silicon may be used.

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.

カーボンナノファイバーは、工程(b)でエラストマーと混練される前に、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。   Before the carbon nanofibers are kneaded with the elastomer in step (b), surface treatment such as ion implantation, sputter etching, plasma treatment, etc. is performed in advance to improve adhesion and wettability with the elastomer. can do.

(III)工程(c)
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法における工程(c)について説明する。
工程(c)は、前記工程(b)で得られた混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る。工程(c)で得られた混合物は、ゴム状弾性体であるため、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、ネットワーク成分の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が3000μ秒以下である。また、工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、前記工程(a)で素練りする前の原料エラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)の0.5〜10倍であることが好ましい。工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物は、工程(a)で切断された分子鎖を再び延長させて、エラストマーの分子量を増大させられることで、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が3000μ秒以下に低下し、弾性が失われて液体状であったエラストマーの弾性が回復してゴム状弾性体の混合物となる。工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物中のエラストマーの分子量は、5000ないし150000であることが好ましい。ゴム状弾性体の混合物の弾性は、エラストマーの分子形態(分子量で観測できる)や分子運動性(T2nで観測できる)によって表すことができる。
(III) Step (c)
The step (c) in the method for producing the carbon fiber composite metal material according to the present embodiment will be described.
In step (c), the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) is increased to obtain a mixture of rubber-like elastic bodies. Since the mixture obtained in the step (c) is a rubber-like elastic body, the first spin-spin relaxation time (T2n) of the network component measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using the pulse method NMR is 3000 μsec or less. The first spin-spin relaxation time (T2n) of the rubber-like elastic mixture obtained in the step (c) is the first spin-spin of the raw material elastomer before mastication in the step (a). The relaxation time (T2n) is preferably 0.5 to 10 times. The mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c) can extend the molecular chain cleaved in the step (a) again to increase the molecular weight of the elastomer, whereby the first spin-spin relaxation time. (T2n) is reduced to 3000 μsec or less, and the elasticity of the elastomer which has been lost due to the loss of elasticity is restored to form a mixture of rubber-like elastic bodies. The molecular weight of the elastomer in the rubber-like elastic mixture obtained in the step (c) is preferably 5000 to 150,000. The elasticity of the rubber-like elastic mixture can be expressed by the molecular form of the elastomer (observable by molecular weight) and the molecular mobility (observable by T2n).

工程(c)は、前記工程(b)で得られた前記混合物を加熱処理してエラストマーの分子量を増大させることができる。この加熱処理は、所定温度、例えば40℃〜100℃に設定された加熱炉内に混合物を配置し、10時間〜100時間行なわれることが好ましい。このような加熱処理によって、工程(b)で得られた混合物中に存在するエラストマーのフリーラジカル同士の結合などによって分子鎖が延長され、分子量が増大する。また、工程(c)を短時間で実施する場合には、工程(b)で架橋剤を少量、例えば架橋剤の適量の1/2以下を混合させておき、工程(c)で混合物を加熱処理(例えば、アニーリング処理)し、架橋反応によって短時間で分子量を増大させることもできる。架橋反応によってエラストマーの分子量を増大させる場合には、工程(d)において混練が困難にならない程度に架橋剤の配合量、加熱時間及び加熱温度を設定することが好ましい。   In the step (c), the molecular weight of the elastomer can be increased by heat-treating the mixture obtained in the step (b). This heat treatment is preferably performed for 10 to 100 hours by placing the mixture in a heating furnace set at a predetermined temperature, for example, 40 ° C. to 100 ° C. By such a heat treatment, the molecular chain is extended due to, for example, bonding between elastomer free radicals present in the mixture obtained in the step (b), and the molecular weight is increased. When step (c) is carried out in a short time, a small amount of a crosslinking agent is mixed in step (b), for example, 1/2 or less of an appropriate amount of the crosslinking agent, and the mixture is heated in step (c). The molecular weight can be increased in a short time by a treatment (for example, an annealing treatment) and a crosslinking reaction. When the molecular weight of the elastomer is increased by a crosslinking reaction, it is preferable to set the blending amount of the crosslinking agent, the heating time, and the heating temperature to such an extent that kneading is not difficult in step (d).

(IV)工程(d)
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法における工程(d)について説明する。
工程(d)は、前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る。工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物は、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n/30℃)が3000μ秒以下であり、エラストマーの分子量が5000ないし150000であるため、好ましい弾性を有しており、このような混合物に剪断力を与えることによってカーボンナノファイバーをエラストマー中に均一に分散させることができる。また、前記工程(d)で得られた炭素繊維複合材料の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、カーボンナノファイバーが均一に分散することによって前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)より短くすることができる。
(IV) Step (d)
The step (d) in the method for producing the carbon fiber composite metal material according to the present embodiment will be described.
In the step (d), the rubber-like elastic mixture obtained in the step (c) is kneaded, and the carbon nanofibers are dispersed in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material. The mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c) has a first spin-spin relaxation time (T2n / 30 ° C.) of 3000 μsec or less, and the elastomer has a molecular weight of 5000 to 150,000. The carbon nanofibers can be uniformly dispersed in the elastomer by applying a shearing force to such a mixture. The first spin-spin relaxation time (T2n) of the carbon fiber composite material obtained in the step (d) is a rubber-like shape obtained in the step (c) by uniformly dispersing the carbon nanofibers. It can be shorter than the first spin-spin relaxation time (T2n) of the elastic mixture.

図3は、2本ロールを用いたオープンロール法による工程(c)を模式的に示す図である。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。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、工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物50を巻き付ける。このゴム状弾性体の混合物50をオープンロールから取り出し、さらに、ロール間隔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、混合物をオープンロールに投入して薄通しを複数回行なう。薄通しの回数は、例えば5回〜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。薄通しされた炭素繊維複合材料は、ロールで圧延されてシート状に分出しされる。   FIG. 3 is a diagram schematically showing the step (c) by the open roll method using two rolls. The first roll 10 and the second roll 20 are arranged at a predetermined interval d, for example, 1.5 mm. First, in a state where the first and second rolls 10 and 20 are rotated, the rubber elastic mixture 50 obtained in the step (c) is wound around the second roll 20. The rubber-like elastic mixture 50 is taken out from the open roll, and the roll interval d is preferably set to 0.5 mm or less, more preferably 0.1 to 0.5 mm, and the mixture is put into the open roll. Then do thinning multiple times. The number of thinning is preferably about 5 to 10 times, for example. 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. The thinned carbon fiber composite material is rolled with a roll and dispensed into a sheet.

また、この工程(d)では、できるだけ高い剪断力を得るために、混合物50の混練は、ロール温度を好ましくは0ないし50℃、より好ましくは5ないし30℃の比較的低い温度に設定して行われ、混合物50の実測温度も0ないし50℃に調整されることが好ましい。このようにして得られた剪断力により、混合物50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、エラストマー中に分散される。特に、混合物50は、工程(a)及び工程(b)によってエラストマーがカーボンナノファイバー凝集体の空隙に侵入すると共にエラストマーとカーボンナノファイバーが結合し、工程(c)によってエラストマーの分子量を増大させることで粘度と共に弾性を回復していることによって、弾性と、粘性と、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用と、を有することになり、カーボンナノファイバーを容易に分散することができる。そして、カーボンナノファイバーの分散性および分散安定性(カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと)に優れた炭素繊維複合材料を得ることができる。   In this step (d), in order to obtain as high a shearing force as possible, the mixture 50 is kneaded by setting the roll temperature to a relatively low temperature of preferably 0 to 50 ° C., more preferably 5 to 30 ° C. It is preferable that the measured temperature of the mixture 50 is adjusted to 0 to 50 ° C. Due to the shearing force thus obtained, a high shearing force acts on the mixture 50, and the aggregated carbon nanofibers are separated from each other so as to be pulled out one by one to the elastomer molecules, and dispersed in the elastomer. . In particular, in the mixture 50, the elastomer penetrates into the voids of the carbon nanofiber aggregates by the steps (a) and (b), and the elastomer and the carbon nanofibers are combined, and the molecular weight of the elastomer is increased by the step (c). By restoring the elasticity together with the viscosity, it has elasticity, viscosity, and chemical interaction with the carbon nanofibers, and the carbon nanofibers can be easily dispersed. And the carbon fiber composite material excellent in the dispersibility and dispersion stability of carbon nanofiber (it is hard to re-aggregate carbon nanofiber) can be obtained.

より具体的には、工程(b)において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、粘度が低下した液体状の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。特に、エラストマーが液体の状態でカーボンナノファイバーと混合することで、従来のゴム状弾性体のエラストマーにカーボンナノファイバーを混合する場合に比べてカーボンナノファイバーの凝集体内部へエラストマー分子が侵入しやすくなる。しかし、このまま混練しても凝集したカーボンナノファイバーを分散させる力をエラストマーに与えることができないため、カーボンナノファイバーをエラストマー中に均一に分散させることはできない。そこで、次に、工程(c)によってエラストマーの分子長を適度に長く延長させ、エラストマーの分子運動性を回復させ(弾性を回復させ)、工程(d)によってゴム状弾性体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、さらに剪断後の弾性によるエラストマーの復元力によって、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。本実施の形態によれば、混合物が狭いロール間から押し出された際に、エラストマーの弾性による復元力で混合物はロール間隔より厚く変形する。その変形は、強い剪断力の作用した混合物をさらに複雑に流動させ、カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させると推測できる。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。   More specifically, when the elastomer and the carbon nanofibers are mixed in the step (b), the liquid elastomer having a reduced viscosity enters 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 particular, by mixing the carbon nanofibers with the elastomer in a liquid state, the elastomer molecules can easily enter the carbon nanofiber aggregates compared to the case where the carbon nanofibers are mixed with the elastomer of the conventional rubbery elastic body. Become. However, even if kneaded as it is, the force for dispersing the aggregated carbon nanofibers cannot be applied to the elastomer, and therefore the carbon nanofibers cannot be uniformly dispersed in the elastomer. Therefore, next, in step (c), the molecular length of the elastomer is extended to an appropriate length to restore the molecular mobility of the elastomer (recovering elasticity), and in step (d), a strong shear is applied to the rubber-like elastic mixture. When the force acts, the carbon nanofibers move with the movement of the elastomer, and the aggregated carbon nanofibers are separated and dispersed in the elastomer by the restoring force of the elastomer due to elasticity after shearing. Become. According to this Embodiment, when a mixture is extruded from between narrow rolls, a mixture deform | transforms thicker than a roll space | interval with the restoring force by the elasticity of an elastomer. It can be inferred that the deformation causes the mixture subjected to a strong shear force to flow more complicatedly and disperse the carbon nanofibers in the elastomer. The carbon nanofibers once dispersed are prevented from reaggregating due to chemical interaction with the elastomer, and can have good dispersion stability.

エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、前記オープンロール法に限定されず、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、この工程では、凝集したカーボンナノファイバーを分離できる剪断力をエラストマーに与えることができればよい。特に、オープンロール法は、ロール温度の管理だけでなく、混合物の実際の温度を測定し管理することができるため、工程(d)に用いることが好ましい。   The step of dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force is not limited to the open roll method, and a closed kneading method or a multiaxial extrusion kneading method can also be used. In short, in this step, it is sufficient that a shearing force capable of separating the aggregated carbon nanofibers can be given to the elastomer. In particular, the open roll method is preferably used in the step (d) because it can measure and manage not only the roll temperature but also the actual temperature of the mixture.

炭素繊維複合金属材料の製造方法は、工程(d)によって得られた炭素繊維複合材料を架橋する工程をさらに含んでもよい。また、炭素繊維複合材料は、架橋させずに成形してもよい。炭素繊維複合材料は、オープンロール法によって得られたシート状のままでもよいし、工程(d)で得られた炭素繊維複合材料を一般に採用されるゴムの成形加工例えば、射出成形法、トランスファー成形法、プレス成形法などで複雑な形状としてもよいし、押出成形法、カレンダー加工法などによってシート状、角棒状、丸棒状などの連続形状品として成形してもよい。   The method for producing a carbon fiber composite metal material may further include a step of crosslinking the carbon fiber composite material obtained in step (d). Further, the carbon fiber composite material may be molded without being crosslinked. The carbon fiber composite material may remain in the form of a sheet obtained by the open roll method, or a rubber molding process generally employed by the carbon fiber composite material obtained in the step (d), for example, injection molding method, transfer molding. A complicated shape may be formed by a method, a press molding method, or the like, or a continuous shape product such as a sheet shape, a square bar shape, or a round bar shape may be formed by an extrusion molding method, a calendar processing method, or the like.

本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法において、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。これらの配合剤は、例えば工程(b)においてエラストマーに投入することができる。   In the method for producing a carbon fiber composite metal material according to the present embodiment, a compounding agent usually used in processing of an 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. These compounding agents can be added to the elastomer in step (b), for example.

(V)炭素繊維複合材料
本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料について説明する。
前記炭素繊維複合金属材料の製造方法の工程(d)によって得られた炭素繊維複合材料は、マトリックス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炭素繊維複合材料の第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り、特にカーボンナノファイバーが均一に分散することでより短くなる。なお、架橋体におけるスピン−格子緩和時間(T1)は、カーボンナノファイバーの混合量に比例して変化する。
(V) Carbon fiber composite material The carbon fiber composite material concerning this Embodiment is demonstrated.
In the carbon fiber composite material obtained by the step (d) of the carbon fiber composite metal material production method, carbon nanofibers are uniformly dispersed in an elastomer as a matrix. 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 carbon fiber composite material according to the present embodiment are the carbon nanofibers. It becomes shorter than the case of an elastomer alone which does not contain, and in particular, it becomes shorter when the carbon nanofibers are uniformly dispersed. In addition, the spin-lattice relaxation time (T1) in the crosslinked body changes in proportion to the mixing amount of the carbon nanofibers.

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(T2nn)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。なお、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)を有する成分の成分分率(fn)は、fn+fnn=1であるので、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大きくなる。   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 (T2nn) is smaller than that of the elastomer alone not including the carbon nanofiber. Since the component fraction (fn) of the component having the first spin-spin relaxation time (T2n) is fn + fnn = 1, the component fraction (fn) is larger than that of the elastomer alone not including the carbon nanofibers.

以上のことから、本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料は、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 carbon fiber composite material according to the present embodiment has a measured value obtained by the Hahn echo method using the pulse method NMR in the following range.

すなわち、炭素繊維複合材料は、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって150℃で測定した、未架橋体における、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)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, the carbon fiber composite material has a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked body, measured at 150 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR, The component fraction (fnn) of the component having the spin-spin relaxation time (T2nn) is preferably less than 0.2.

パルス法NMRを用いた反転回復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 inversion recovery 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炭素繊維複合材料は、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。本実施の形態の炭素繊維複合材料は、エラストマーにカーボンナノファイバー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。このような流動温度特性を有することにより、本実施の形態の炭素繊維複合材料は、動的粘弾性の温度依存性が小さくなり、その結果、優れた耐熱性を有する。   In the carbon fiber composite material 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 carbon fiber composite material of the present embodiment, 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. By having such a flow temperature characteristic, the carbon fiber composite material of the present embodiment has a low temperature dependency of dynamic viscoelasticity, and as a result, has excellent heat resistance.

本実施の形態の炭素繊維複合材料は、天然ゴム、合成ゴムあるいは熱可塑性エラストマーをそのままエラストマー系材料として用いることができ、あるいは金属や樹脂などの複合材料の原料すなわちカーボンナノファイバーの供給源としてのいわゆるマスターバッチとして用いることができる。カーボンナノファイバーは、通常、相互に絡み合って媒体に分散しにくい性質を有する。しかし、本実施の形態の炭素繊維複合材料を金属あるいは樹脂の複合材料の原料として用いると、カーボンナノファイバーがエラストマーに既に分散した状態で存在するので、この原料と金属や樹脂などの媒体とを混合することでカーボンナノファイバーを媒体に容易に分散させることができる。   As the carbon fiber composite material of the present embodiment, natural rubber, synthetic rubber or thermoplastic elastomer can be used as an elastomer material as it is, or as a raw material for composite materials such as metals and resins, that is, as a supply source of carbon nanofibers. It can be used as a so-called master batch. Carbon nanofibers usually have the property of being entangled with each other and difficult to disperse in a medium. However, when the carbon fiber composite material of the present embodiment is used as a raw material for a metal or resin composite material, the carbon nanofibers are already dispersed in the elastomer, so this raw material and a medium such as a metal or resin are used. By mixing, the carbon nanofibers can be easily dispersed in the medium.

(VI)工程(e)
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料の製造方法における工程(e)について説明する。
工程(e)は、前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを、金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る。工程(e)は、前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料を加熱してエラストマーを分解気化させて炭素系材料を得た後、エラストマーを分解気化させてできた前記炭素系材料の空隙に前記金属材料を浸透させることができる。置換する工程は、具体的には、例えば以下の方法を採用することができる。
(1)本実施の形態にかかる工程(e)は、工程(d)で得られた炭素繊維複合材料と金属材料の粒子とを混合した後、粉末成形する方法。
(2)本実施の形態にかかる工程(e)は、前記工程(d)で得られた前記金属材料の粒子を含む前記炭素繊維複合材料を粉末成形することができる。
(3)本実施の形態にかかる工程(e)は、工程(d)で得られた炭素繊維複合材料と流体状態の金属材料とを混合した後、固化する方法。
(4)本実施の形態にかかる工程(e)は、工程(d)で得られた炭素繊維複合材料に、金属材料の溶湯を浸透させる方法。
(VI) Step (e)
The step (e) in the method for producing the carbon fiber composite metal material according to the present embodiment will be described.
In the step (e), the carbon fiber composite metal material is obtained by replacing the elastomer in the carbon fiber composite material obtained in the step (d) with a metal material. In the step (e), the carbon fiber composite material obtained by heating the carbon fiber composite material obtained in the step (d) to decompose and vaporize an elastomer to obtain a carbon material, and then decompose and vaporize the elastomer. The metal material can be infiltrated into the gap. Specifically, for example, the following method can be adopted as the replacing step.
(1) The step (e) according to the present embodiment is a method in which the carbon fiber composite material obtained in the step (d) and the metal material particles are mixed and then powder-molded.
(2) In the step (e) according to the present embodiment, the carbon fiber composite material including particles of the metal material obtained in the step (d) can be powder-molded.
(3) The step (e) according to the present embodiment is a method in which the carbon fiber composite material obtained in the step (d) and the metal material in a fluid state are mixed and then solidified.
(4) The step (e) according to the present embodiment is a method in which a molten metal material is infiltrated into the carbon fiber composite material obtained in the step (d).

(粉末成形法)
まず、前記(1)の粉末成形する方法を用いた工程(e)について、説明する。本工程(e)は、例えば工程(d)で得られた炭素繊維複合材料と、金属材料の粒子と、を混合した後、型内で圧縮し、金属材料の粒子の焼結温度(金属材料の粒子がアルミニウムの場合約550℃)で焼成して炭素繊維複合金属材料を得ることができる。炭素繊維複合材料と金属材料の粒子との混合は、工程(d)のオープンロール法、密閉式混練法、多軸押出し混練法などを採用することができる。この工程(e)において、焼結温度までの昇温工程を緩やかに行うことが好ましく、そのように昇温することで、まず炭素繊維複合材料中に含まれるエラストマーが分解気化して炭素系材料となり、次に、金属材料の粒子と共に混合された例えばマグネシウムのような還元剤が気化して、型内を還元雰囲気とする。さらに、昇温することでマトリクスとなる金属材料の粒子が溶融し、焼成する。このとき、型内に不活性ガス例えば窒素ガスボンベなどから窒素ガスを導入し、型内もしくは焼結雰囲気を不活性雰囲気とすることが好ましい。
(Powder molding method)
First, the step (e) using the powder molding method (1) will be described. In this step (e), for example, the carbon fiber composite material obtained in step (d) and the metal material particles are mixed and then compressed in a mold, and the sintering temperature of the metal material particles (metal material) When the particles are aluminum, the carbon fiber composite metal material can be obtained by firing at about 550 ° C.). For mixing the carbon fiber composite material and the metal material particles, an open roll method, a closed kneading method, a multi-screw extrusion kneading method, or the like in step (d) can be employed. In this step (e), it is preferable that the temperature raising step up to the sintering temperature is performed slowly, and by raising the temperature, the elastomer contained in the carbon fiber composite material is first decomposed and vaporized to form a carbon-based material. Next, a reducing agent such as magnesium mixed with the particles of the metal material is vaporized to make the inside of the mold a reducing atmosphere. Further, by raising the temperature, the metal material particles serving as a matrix are melted and fired. At this time, it is preferable that nitrogen gas is introduced into the mold from an inert gas such as a nitrogen gas cylinder to make the mold or the sintering atmosphere an inert atmosphere.

本実施の形態にかかる粉末成形は、金属の成形加工における粉末成形と同様であり、いわゆる粉末冶金を含み、一般的な焼結法の他、プラズマ焼結装置を用いた放電プラズマ焼結法(SPS)、粉末射出成形、粉末押出成形、熱間等方圧成形(HIP)、スプレーフォーミング、温間成形、メカニカルアロイングなどを採用することができる。   The powder molding according to the present embodiment is the same as the powder molding in the metal molding process, and includes so-called powder metallurgy. In addition to a general sintering method, a discharge plasma sintering method using a plasma sintering apparatus ( SPS), powder injection molding, powder extrusion molding, hot isostatic pressing (HIP), spray forming, warm molding, mechanical alloying and the like can be employed.

また、上述のように炭素繊維複合材料と金属材料の粒子をそのまま型内で焼結する場合のみならず、あらかじめ炭素繊維複合材料を熱処理して、該炭素繊維複合材料中に含まれるエラストマーを分解気化させて炭素系材料を得ておき、炭素系材料と金属材料の粒子とを混合した後、金属材料の粒子と混合された炭素系材料を粉末成形してもよい。また、このような炭素系材料とマトリクスとなる金属材料の粒子及び還元剤との混合は、ドライブレンド、湿式混合などを採用できる。例えば、湿式混合の場合、溶剤中の炭素系材料の粉末に対して、マトリクスの粒子状の金属を混ぜる(湿式混合)ことが望ましい。   In addition to the case where the carbon fiber composite material and the metal material particles are directly sintered in the mold as described above, the carbon fiber composite material is heat-treated in advance to decompose the elastomer contained in the carbon fiber composite material. After vaporizing to obtain a carbon-based material and mixing the carbon-based material and the metal material particles, the carbon-based material mixed with the metal material particles may be powder-molded. Also, dry blending, wet blending, or the like can be employed for mixing the carbon-based material, the metal material particles as a matrix, and the reducing agent. For example, in the case of wet mixing, it is desirable to mix the particulate metal of the matrix with the carbonaceous material powder in the solvent (wet mixing).

次に、前記(2)の粉末成形する方法を用いた工程(e)について、説明する。前記(1)の粉末成形法においては工程(d)で得られた炭素繊維複合材料と金属材料の粒子とを混合した後に粉末成形が行なわれたが、前記(2)の粉末成形方法においては、前記工程(a)ないし前記工程(d)の間に、エラストマー中に前記金属材料の粒子を分散しておく。したがって、前記工程(d)で得られた炭素繊維複合材料は金属材料の粒子を予め含有しているので、工程(e)は、金属材料の粒子を含む前記炭素繊維複合材料をそのまま粉末成形することができる。例えば、工程(a)においてオープンロールなどで素練りしているエラストマーに金属材料の粒子を投入し分散させてもよいし、工程(d)においてゴム状弾性体の混合物に金属材料の粒子を投入し分散させてもよいし、工程(a)〜工程(d)における任意のタイミングで金属材料の粒子とエラストマーとを混合してもよい。また、工程(d)で得られた炭素繊維複合材料にさらに所望量の金属材料の粒子を混合させた後、粉末成形してもよい。エラストマー中に金属材料の粒子を分散させる方法は、例えばエラストマーに添加物を混合する公知の混練法を採用することができる。粉末成形法については、前記(1)において詳細に述べた方法を採用することができる。   Next, the step (e) using the powder molding method (2) will be described. In the powder molding method (1), powder molding was performed after mixing the carbon fiber composite material obtained in step (d) and the metal material particles. In the powder molding method (2), The particles of the metal material are dispersed in the elastomer during the steps (a) to (d). Therefore, since the carbon fiber composite material obtained in the step (d) contains the metal material particles in advance, the step (e) powder-forms the carbon fiber composite material containing the metal material particles as it is. be able to. For example, the metal material particles may be charged and dispersed in the elastomer kneaded with an open roll or the like in step (a), or the metal material particles may be charged in the rubber-like elastic mixture in step (d). The metal material particles and the elastomer may be mixed at any timing in the steps (a) to (d). Further, the carbon fiber composite material obtained in the step (d) may be further mixed with a desired amount of metal material particles and then powder-molded. As a method of dispersing the particles of the metal material in the elastomer, for example, a known kneading method in which an additive is mixed with the elastomer can be employed. As the powder molding method, the method described in detail in (1) above can be adopted.

(鋳造法)
次に、前記(3)の鋳型内で鋳造する工程(e)について、説明する。この工程(e)としては、工程(d)で得られた炭素繊維複合材料を流体状の金属材料(以下、金属溶湯という)に混入し、該炭素繊維複合材料中に含まれるエラストマーを分解気化させると共に、所望の形状を有する鋳型内で鋳造して炭素繊維複合金属材料を得ることができる。このような鋳造工程は、まず、炭素繊維複合材料と金属溶湯との混合が行われる。坩堝に金属材料例えばアルミニウムを溶解(650〜800℃)し、さらに溶解したアルミニウム溶湯を攪拌しながら炭素繊維複合材料を坩堝に投入し、混合する。このとき、攪拌は、一方向の回転でもよいが、3方向(3次元)に攪拌することで混合の効果は高くなる。不活性雰囲気例えば窒素ガス雰囲気中で混合されたアルミニウム溶湯は、例えば鋼製の鋳型内に金属溶湯を注湯して行う金型鋳造法、ダイカスト法、低圧鋳造法で鋳造することができる。また、その他特殊鋳造法に分類される、高圧化で凝固させる高圧鋳造法(スクイズカスティング)、溶湯を攪拌するチクソカスティング、遠心力で溶湯を鋳型内へ鋳込む遠心鋳造法などを採用することができる。これらの鋳造法においては、金属溶湯の中に炭素繊維複合材料を混合し、鋳型内で凝固させ、所望の形状を有する炭素繊維複合金属材料を成形する。
(Casting method)
Next, the step (e) of casting in the mold (3) will be described. In this step (e), the carbon fiber composite material obtained in step (d) is mixed into a fluid metal material (hereinafter referred to as a molten metal), and the elastomer contained in the carbon fiber composite material is decomposed and vaporized. In addition, the carbon fiber composite metal material can be obtained by casting in a mold having a desired shape. In such a casting process, first, the carbon fiber composite material and the molten metal are mixed. A metal material such as aluminum is melted (650 to 800 ° C.) in the crucible, and the carbon fiber composite material is put into the crucible while stirring the molten aluminum melt and mixed. At this time, the stirring may be one-way rotation, but the mixing effect is enhanced by stirring in three directions (three dimensions). The molten aluminum mixed in an inert atmosphere such as a nitrogen gas atmosphere can be cast by a die casting method, a die casting method, or a low pressure casting method in which a molten metal is poured into a steel mold, for example. In addition, other high-pressure casting methods (squeeze casting), which are classified into special casting methods, such as high-pressure casting (squeeze casting), stirring the molten metal, centrifugal casting method in which the molten metal is cast into the mold by centrifugal force, etc. are adopted. be able to. In these casting methods, a carbon fiber composite material is mixed in a molten metal and solidified in a mold to form a carbon fiber composite metal material having a desired shape.

例えば、チクソカスティングにおいては、金属材料例えばアルミニウムを700〜800℃で溶解した後、攪拌しながら温度を下げて400〜600℃でチクソトロピー状態を得て、その状態で炭素繊維複合材料を混合することが好ましい。チクソトロピー状態においては、粘度が大きくなるので、均一な分散を可能とする。これらの鋳造工程では、不活性雰囲気例えば窒素雰囲気中、窒素に少量の水素ガスを加えた弱還元雰囲気中、あるいは減圧した真空下で行うと、金属溶湯(例えば、アルミニウム溶湯)の酸化が防止され、よりカーボンナノファイバーとの濡れ性がよくなるので望ましい。なお、この鋳造工程において、炭素繊維複合材料中のエラストマーは、金属溶湯の熱によって分解され、除去される。   For example, in thixocasting, after melting a metal material such as aluminum at 700 to 800 ° C., the temperature is lowered while stirring to obtain a thixotropic state at 400 to 600 ° C., and the carbon fiber composite material is mixed in that state. It is preferable. In the thixotropy state, the viscosity increases, so that uniform dispersion is possible. In these casting processes, oxidation of the molten metal (for example, molten aluminum) is prevented when performed in an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere, a weakly reduced atmosphere obtained by adding a small amount of hydrogen gas to nitrogen, or under reduced pressure. This is desirable because it improves the wettability with carbon nanofibers. In this casting process, the elastomer in the carbon fiber composite material is decomposed and removed by the heat of the molten metal.

ここでは、主に炭素繊維複合材料からエラストマーを分解気化させて除去する工程を鋳造工程で連続して行なうことを説明したが、あらかじめ炭素繊維複合材料からエラストマーを分解気化させてカーボンナノファイバーを主体とする炭素系材料を得た後に、別途浸透法などを用いて金属溶湯と一体化させてもよい。   Here, it has been explained that the process of decomposing and removing the elastomer from the carbon fiber composite material is continuously performed in the casting process. However, the elastomer is decomposed and vaporized from the carbon fiber composite material in advance to mainly contain the carbon nanofibers. After obtaining the carbon-based material, it may be integrated with the molten metal using a separate infiltration method or the like.

(浸透法)
最後に、前記(4)の金属材料を炭素繊維複合材料中に浸透させる工程(e)について、図4及び図5を用いて説明する。金属材料を炭素繊維複合材料中に浸透させる工程(e)は、非加圧浸透法を用いることが好ましいが、浸透法であればこれに限らず例えば不活性ガスなどの雰囲気の圧によって加圧する加圧浸透法を用いることもできる。ここでは、非加圧浸透法を用いた実施の形態について説明する。図4及び図5は、工程(e)を模式的に示し、非加圧浸透法によって炭素繊維複合金属材料を製造する装置の概略構成図である。
(Penetration method)
Finally, the step (e) of allowing the metal material (4) to penetrate into the carbon fiber composite material will be described with reference to FIGS. In the step (e) of infiltrating the metal material into the carbon fiber composite material, it is preferable to use a non-pressurized permeation method. However, the permeation method is not limited to this, and for example, pressurization is performed by an atmospheric pressure such as inert gas. A pressure infiltration method can also be used. Here, an embodiment using a non-pressure infiltration method will be described. 4 and 5 schematically show the step (e) and are schematic configuration diagrams of an apparatus for producing a carbon fiber composite metal material by a non-pressure permeation method.

図4に示す炭素繊維複合材料4は、工程(e)に先立って、粒子状の金属41,42とオープンロールなどの公知の混練機で混合されている。炭素繊維複合材料4が粒子状の金属41,42と混合されることで、工程(e)においてエラストマーが気化しても形状を保ち易く、また溶融した金属材料が粒子状の金属42の隙間に浸透しやすいという利点を有する。粒子状の金属41,42は、例えば平均粒径が500μm以下、好ましくは1〜300μmであって、球形粒状に限らず平板状、りん片状であってもよい。粒子状の金属41は、工程(e)において還元剤となる物質であって、カーボンナノファイバーより融点の低い金属もしくは半金属であることが好ましく、より好ましくは融点が1000℃以下の低融点(高蒸気圧)金属もしくは半金属が好ましい。粒子状の金属41は、マトリクス金属の還元剤としてもマグネシウムが好ましい。粒子状の金属42は、炭素繊維複合金属材料のマトリクスとなる金属材料と同じ金属を含むことが好ましい。また、粒子状の金属42は、カーボンナノファイバーより融点の低い金属であり、かつ粒子状の金属41よりも融点の高い金属であることが好ましい。粒子状の金属41の融点が前記の条件を満たせば、後述する工程(e)における熱処理によってカーボンナノファイバーに損傷を与えることなく粒子状の金属41を気化させることができる。粒子状の金属42がマトリクスの金属と同じ材質である場合、例えば鉄、アルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛などから用途に合わせて単独でもしくは組み合わせて適宜選択することができる。粒子状の金属42は、軽量で加工性のよいアルミニウムが好ましい。なお、ここでいう金属はいわゆる合金を含み、例えばマグネシウムはマグネシウム合金を含み、またアルミニウムはアルミニウム合金を含む。   Prior to the step (e), the carbon fiber composite material 4 shown in FIG. 4 is mixed with the particulate metals 41 and 42 by a known kneader such as an open roll. By mixing the carbon fiber composite material 4 with the particulate metals 41 and 42, it is easy to maintain the shape even when the elastomer is vaporized in the step (e), and the molten metal material is placed in the gaps between the particulate metals 42. It has the advantage of easy penetration. The particulate metals 41 and 42 have, for example, an average particle diameter of 500 μm or less, preferably 1 to 300 μm, and are not limited to a spherical particle shape, and may be a flat plate shape or a flake shape. The particulate metal 41 is a substance that becomes a reducing agent in the step (e), and is preferably a metal or metalloid having a melting point lower than that of the carbon nanofibers, and more preferably a low melting point (melting point of 1000 ° C. or less) High vapor pressure) metals or metalloids are preferred. The particulate metal 41 is preferably magnesium as a matrix metal reducing agent. The particulate metal 42 preferably contains the same metal as the metal material that becomes the matrix of the carbon fiber composite metal material. The particulate metal 42 is preferably a metal having a melting point lower than that of the carbon nanofibers and a metal having a melting point higher than that of the particulate metal 41. If the melting point of the particulate metal 41 satisfies the above conditions, the particulate metal 41 can be vaporized without damaging the carbon nanofibers by the heat treatment in the step (e) described later. When the particulate metal 42 is made of the same material as the matrix metal, it can be appropriately selected from iron, aluminum, magnesium, copper, zinc, etc. alone or in combination depending on the application. The particulate metal 42 is preferably aluminum which is lightweight and has good workability. Here, the metal includes a so-called alloy, for example, magnesium includes a magnesium alloy, and aluminum includes an aluminum alloy.

図4に示すように、炭素繊維複合材料4は、例えば最終製品の形状を有する成形金型内で予備圧縮成形された炭素繊維複合材料4を使用することができる。図4において、密閉された容器1内には、あらかじめ成形された炭素繊維複合材料4が入れられる。その炭素繊維複合材料4の上方にマトリクスとなる金属材料の塊例えばアルミニウム塊5が配置される。また、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。さらに、容器1に接続された注入手段3から窒素ガスを容器1内へ導入する。注入手段としては、例えば窒素ガスボンベを用いることができ、導入される窒素ガスには少量ではあるが酸素も含まれる。   As shown in FIG. 4, the carbon fiber composite material 4 may be a carbon fiber composite material 4 that has been pre-compressed in a molding die having the shape of the final product, for example. In FIG. 4, a carbon fiber composite material 4 molded in advance is placed in a sealed container 1. A lump of metal material, for example, an aluminum lump 5 serving as a matrix is disposed above the carbon fiber composite material 4. Moreover, you may deaerate the inside of the container 1 with the decompression means 2 connected to the container 1, for example, a vacuum pump. Further, nitrogen gas is introduced into the container 1 from the injection means 3 connected to the container 1. As the injection means, for example, a nitrogen gas cylinder can be used, and the introduced nitrogen gas contains a small amount of oxygen.

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内に配置された炭素繊維複合材料4及びアルミニウム塊5をアルミニウムの融点以上まで徐々に昇温して加熱する。まず、加熱された炭素繊維複合材料4を構成する材料の内、最も融点の低いエラストマーが分解気化して炭素系材料が得られる。さらに容器1内を昇温すると、炭素繊維複合材料4に含まれた粒子状の金属41(例えば、アルミニウムより融点の低いマグネシウム粒子)が気化する。さらに昇温されて粒子状の金属42よりも融点の低いアルミニウム塊5は、溶融してアルミニウム溶湯となり、エラストマーが分解気化してできた空所に浸透する。なお、粒子状の金属41は、気化することで、容器1内を還元雰囲気とすることができ、アルミニウム溶湯は粒子状の金属42間に毛細管現象によって容易に浸透する。そして、容器1の加熱手段による加熱を停止させ、アルミニウムの溶湯を冷却・凝固させ、図5に示すようなカーボンナノファイバーが均一に分散された炭素繊維複合金属材料6を製造することができる。   Next, the carbon fiber composite material 4 and the aluminum lump 5 arranged in the container 1 are gradually heated to a melting point of aluminum or higher by a heating means (not shown) built in the container 1 and heated. First, among the materials constituting the heated carbon fiber composite material 4, the elastomer having the lowest melting point is decomposed and vaporized to obtain a carbon-based material. When the temperature inside the container 1 is further increased, particulate metal 41 (for example, magnesium particles having a melting point lower than that of aluminum) contained in the carbon fiber composite material 4 is vaporized. Further, the aluminum mass 5 having a melting point lower than that of the particulate metal 42 is heated to become a molten aluminum, and penetrates into a void formed by decomposition and vaporization of the elastomer. The particulate metal 41 can be vaporized to make the inside of the container 1 into a reducing atmosphere, and the molten aluminum easily penetrates between the particulate metals 42 by capillary action. And the heating by the heating means of the container 1 is stopped, the molten aluminum is cooled and solidified, and the carbon fiber composite metal material 6 in which the carbon nanofibers are uniformly dispersed as shown in FIG. 5 can be manufactured.

また、本実施の態様のように炭素繊維複合材料4に粒子状の金属41を混合してもよいが、本工程(e)の容器1内に粒子状の金属41と同じ金属塊を配置してもよい。粒子状の金属42は、本工程(e)において毛細管現象によって金属溶湯を浸透させ易くするため、上述のようにあらかじめ例えば工程(a)ないし工程(d)の間にエラストマーや炭素繊維複合材料に混合することが好ましいが、混合しなくてもよい。したがって、工程(e)に先立って粒子状の金属41,42を炭素繊維複合材料に混合させなくても本工程(e)を実施することができる。   Moreover, although the particulate metal 41 may be mixed with the carbon fiber composite material 4 as in the present embodiment, the same metal lump as the particulate metal 41 is disposed in the container 1 of this step (e). May be. In order to facilitate the penetration of the molten metal by capillary action in this step (e), the particulate metal 42 is preliminarily made into an elastomer or carbon fiber composite material during the steps (a) to (d) as described above. Although it is preferable to mix, it is not necessary to mix. Therefore, this step (e) can be carried out without mixing the particulate metals 41 and 42 with the carbon fiber composite material prior to the step (e).

また、本工程(e)において金属溶湯を得るために金属材料の塊を炭素繊維複合材料上に配置したが、本工程(e)においては金属溶湯が炭素繊維複合材料に浸透すればよく、例えば、金属溶湯に炭素繊維複合材料を浸漬させてもよいし、金属溶湯を滴下してもよい。また、エラストマーを分解気化させる工程と金属を浸透させる工程とを上述のように連続してもよいし、エラストマーが気化した後炭素系材料を一旦取り出し、例えば炭素系材料を圧縮して空孔のサイズをととのえた後、別工程で金属材料を浸透させてもよい。   Moreover, in order to obtain the molten metal in this step (e), the lump of the metal material is disposed on the carbon fiber composite material. However, in this step (e), the molten metal may penetrate into the carbon fiber composite material, for example, The carbon fiber composite material may be immersed in the molten metal, or the molten metal may be dropped. Further, the step of decomposing and vaporizing the elastomer and the step of infiltrating the metal may be continued as described above. After the elastomer is vaporized, the carbon-based material is once taken out, for example, the carbon-based material is compressed to form pores. After measuring the size, the metal material may be infiltrated in a separate process.

また、工程(e)で説明した金属材料は、先に述べたとおり金属合金も含み、例えば鉄及びその合金、アルミニウム及びその合金、マグネシウム及びその合金、銅及びその合金、亜鉛及びその合金、チタン及びその合金などから用途に合わせて単独でもしくは組み合わせて適宜選択することができる。さらに、これらの製造方法よって得られた炭素繊維複合金属材料を、例えばインゴットとして用いて、鋳造法、粉末鍛造法、粉末押出成形法、あるいは粉末射出成形法によって所望の形態に成形することもできる。   Further, the metal material described in the step (e) includes a metal alloy as described above, for example, iron and its alloy, aluminum and its alloy, magnesium and its alloy, copper and its alloy, zinc and its alloy, titanium, and the like. And an alloy thereof or the like can be appropriately selected alone or in combination according to the application. Furthermore, the carbon fiber composite metal material obtained by these production methods can be molded into a desired form by using, for example, an ingot by a casting method, a powder forging method, a powder extrusion molding method, or a powder injection molding method. .

(VII)炭素繊維複合金属材料
本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料は、前述した炭素繊維複合金属材料の製造方法によって得られる。図6は、本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料6の一部を拡大して示す模式図である。炭素繊維複合金属材料6は、マトリクス60の金属材料中にカーボンナノファイバー40が分散されている。カーボンナノファイバー40の周囲には、非晶質の周辺相70が形成される。周辺相70は、工程(e)における雰囲気ガスの例えば窒素と少量の酸素とを含み、マトリクス60の金属がアルミニウムである場合、カーボンナノファイバー40の周囲を覆うように、アルミニウム、窒素及び酸素を含む非晶質の周辺相70として形成される。特に、周辺相70は、主な構成元素がマトリクスの金属材料と同じアルミニウムであり、マトリクスの結晶質アルミニウムとの濡れ性が良好である。炭素繊維複合金属材料6に占める周辺相70の割合は、カーボンナノファイバー40の含有量によって容易に増減でき、また、工程(e)の浸透法における熱処理時間によっても調整することができる。なお、周辺相70のアルミニウムと窒素と酸素(Al/N/O)の生成割合は、約10/9/1であるが、工程(e)における窒素雰囲気の酸素濃度や供給する窒素の流量などにより調整することができる。炭素繊維複合金属材料6における周辺相70の組成については、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。また、周辺相70は、例えば窒化アルミニウムからなる結晶質相を含むことができる。例えば、工程(e)で得られた炭素繊維複合金属材料をさらに高温で熱処理することで非晶質のアルミニウムと窒素と酸素(Al/N/O)の周辺相が結晶化して、周辺相の一部もしくは全部を窒化アルミニウムとすることができる。
(VII) Carbon fiber composite metal material The carbon fiber composite metal material according to the present embodiment is obtained by the above-described method for producing a carbon fiber composite metal material. FIG. 6 is an enlarged schematic view showing a part of the carbon fiber composite metal material 6 according to the present embodiment. In the carbon fiber composite metal material 6, carbon nanofibers 40 are dispersed in the metal material of the matrix 60. An amorphous peripheral phase 70 is formed around the carbon nanofiber 40. The peripheral phase 70 includes, for example, nitrogen and a small amount of oxygen, which are atmospheric gases in the step (e). When the metal of the matrix 60 is aluminum, aluminum, nitrogen, and oxygen are added so as to cover the periphery of the carbon nanofibers 40. The amorphous peripheral phase 70 is formed. In particular, the peripheral phase 70 is mainly composed of aluminum, which is the same as the metal material of the matrix, and has good wettability with the crystalline aluminum of the matrix. The ratio of the peripheral phase 70 in the carbon fiber composite metal material 6 can be easily increased or decreased depending on the content of the carbon nanofiber 40, and can also be adjusted by the heat treatment time in the permeation method of the step (e). The generation ratio of aluminum, nitrogen, and oxygen (Al / N / O) in the peripheral phase 70 is about 10/9/1. However, the oxygen concentration in the nitrogen atmosphere and the flow rate of supplied nitrogen in the step (e) Can be adjusted. The composition of the peripheral phase 70 in the carbon fiber composite metal material 6 can be observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and examined by elemental analysis in the vicinity of the irradiation point. The peripheral phase 70 can include a crystalline phase made of, for example, aluminum nitride. For example, when the carbon fiber composite metal material obtained in the step (e) is further heat-treated at a high temperature, the peripheral phase of amorphous aluminum, nitrogen, and oxygen (Al / N / O) is crystallized. Part or all may be aluminum nitride.

炭素繊維複合金属材料6におけるカーボンナノファイバー40の表面は、カーボンナノファイバー40を構成する炭素原子と酸素との化合物層(例えば酸化物層)に覆われ、さらに酸素と粒子状の金属41を構成する元素例えばマグネシウムとの反応物層に覆われた構造を有している。カーボンナノファイバー40と周辺相70とは、これら酸化物層によって濡れ性がよい。このようなカーボンナノファイバーの表面構造については、X線分光分析(XPS)やEDS分析(Energy Dispersive Spectrum)によっても解析することができる。   The surface of the carbon nanofibers 40 in the carbon fiber composite metal material 6 is covered with a compound layer (for example, an oxide layer) of carbon atoms and oxygen constituting the carbon nanofibers 40, and further comprises oxygen and particulate metal 41. It has a structure covered with a reactant layer with an element such as magnesium. The carbon nanofiber 40 and the peripheral phase 70 have good wettability due to these oxide layers. Such a surface structure of the carbon nanofiber can be analyzed also by X-ray spectroscopic analysis (XPS) or EDS analysis (Energy Dispersive Spectrum).

炭素繊維複合金属材料6は、金属材料のマトリクス60中にカーボンナノファイバー40が均一に分散され、さらにカーボンナノファイバー40を覆うような周辺相70が相互に連結して無数の微細なセルを形成している。本実施の形態にかかる炭素繊維複合金属材料6は、カーボンナノファイバー40をより均一に分散させているため、カーボンナノファイバー40の充填量が少なくても周辺相70のセルが全体に均質に形成される。したがって、例えば従来と同じ圧縮耐力を持つの炭素繊維複合金属材料を得る場合にもカーボンナノファイバー40の充填量は少なくてよく、高価なカーボンナノファイバーを効率よく使用することができる。   In the carbon fiber composite metal material 6, the carbon nanofibers 40 are uniformly dispersed in the matrix 60 of the metal material, and the peripheral phases 70 covering the carbon nanofibers 40 are connected to each other to form countless fine cells. is doing. Since the carbon fiber composite metal material 6 according to the present embodiment disperses the carbon nanofibers 40 more uniformly, even if the filling amount of the carbon nanofibers 40 is small, the cells of the peripheral phase 70 are uniformly formed throughout. Is done. Therefore, for example, even when a carbon fiber composite metal material having the same compression strength as that of the conventional one is obtained, the filling amount of the carbon nanofibers 40 may be small, and expensive carbon nanofibers can be used efficiently.

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.

(1)実施例1〜6のサンプルの作製
工程(a):6インチオープンロール(ロール温度20℃、ロール間隔0.5mm)に、表1に示す所定量のエラストマー(100重量部(phr))を投入して、ロールに巻き付かせ、30分間素練りして、液体状になったエラストマーをオープンロールから取り出した。
工程(b):工程(a)で得られたエラストマーを再びオープンロール(ロール温度20℃、ロール間隔1.0mm)に巻きつけ、そのエラストマーに対して表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「MWNT」と記載する)を投入し、エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合して混合物を取り出した。
工程(c):工程(b)で得られた混合物を100℃に加熱された熱処理炉内に入れ、10時間加熱して、混合物中のエラストマーの分子量を増大させさせてゴム状弾性体の混合物を得た。
工程(d):工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物をオープンロール(ロール温度10〜20℃、ロール間隔0.3mm)に投入して薄通しを繰り返し5回行なって炭素繊維複合材料を得た。このとき、2本のロールの表面速度比を1.1とした。ロール間隔1.1mmにセットして、薄通しして得られた炭素繊維複合材料を投入し、圧延して分出しした。分出ししたシートを90℃、5分間圧縮成形して厚さ1mmの実施例1〜6のアルミニウム粒子を含まない未架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを得た。
また、薄通しして得られた炭素繊維複合材料を再度オープンロールに投入し、さらに粒子状の金属として平均粒径30μmの純アルミニウム粒子(99.7%がアルミニウム)を表1に示す量(重量部(phr))投入して混合し、純アルミニウム粒子と混合された炭素繊維複合材料をシート状に圧延して分出しした。分出ししたシートを90℃、5分間圧縮成形して厚さ1mmの実施例1〜6の純アルミニウム粒子を含む未架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを得た。
工程(e):
(浸透法)このシート状の純アルミニウム粒子を含む炭素繊維複合材料を熱処理し、非加圧浸透法によって炭素繊維複合金属材料を得た。より詳細には、上記(d)で得られた純アルミニウム粒子を含む炭素繊維複合材料を容器(炉)内に配置させ、不活性ガス(窒素)雰囲気の炉内でエラストマーの分解気化温度以上(500℃)で2時間熱処理して、エラストマーを分解気化させて炭素系材料を得て、さらにマトリクス材料であるアルミニウム塊(純アルミニウムインゴット)を炭素系材料の上に置き、アルミニウムの融点以上の温度(800℃)まで加熱した。アルミニウム塊は溶融し、アルミニウム溶湯となり、炭素系材料の空孔を満たすように溶湯が浸透した。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、実施例1〜4の炭素繊維複合金属材料を得た。表1には炭素繊維複合金属材料の製造方法の欄に「浸透法」と示した。
(粉末押出法)このシート状の純アルミニウム粒子を含む炭素繊維複合材料を窒素雰囲気下で熱処理(500℃)し、エラストマーを除去して、純アルミニウム粒子と炭素系材料からなる複合粉末を作成した。この複合粉末を外径90mm、内径80mmの純アルミニウム製の缶体に充填(キャンニング)し、アルゴンガス雰囲気中で450℃に加熱して粉末押出成形によって実施例5の炭素繊維複合金属材料を得た。表1には炭素繊維複合金属材料の製造方法の欄に「粉末押出法」と示した。
(熱間等方圧成形法)このシート状の純アルミニウム粒子を含む炭素繊維複合材料を窒素雰囲気下で熱処理(500℃)し、エラストマーを除去して、純アルミニウム粒子と炭素系材料からなる複合粉末を作成した。この複合粉末を外径90mm、内径80mmの純アルミニウム製の缶体に充填(キャンニング)し、アルゴンガス雰囲気中で500℃、500気圧で熱間等方圧(HIP)成形によって実施例6の炭素繊維複合金属材料を得た。表1には炭素繊維複合金属材料の製造方法の欄に「HIP成形法」と示した。
(1) Sample production steps (a) of Examples 1 to 6: A 6-inch open roll (roll temperature 20 ° C., roll interval 0.5 mm) and a predetermined amount of elastomer shown in Table 1 (100 parts by weight (phr)) ) Was wound around the roll and masticated for 30 minutes, and the liquid elastomer was taken out from the open roll.
Step (b): The elastomer obtained in step (a) is again wound on an open roll (roll temperature 20 ° C., roll interval 1.0 mm), and the amount shown in Table 1 with respect to the elastomer (parts by weight (phr)) ) (Referred to as “MWNT” in Table 1), and the elastomer and carbon nanofibers were mixed to take out the mixture.
Step (c): The mixture obtained in step (b) is placed in a heat treatment furnace heated to 100 ° C. and heated for 10 hours to increase the molecular weight of the elastomer in the mixture, thereby mixing the rubber-like elastic body. Got.
Step (d): Carbon rubber obtained by repeatedly inserting the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in Step (c) into an open roll (roll temperature 10 to 20 ° C., roll interval 0.3 mm) and repeating thinning five times. A composite material was obtained. At this time, the surface speed ratio of the two rolls was set to 1.1. The carbon fiber composite material obtained by setting the roll interval to 1.1 mm and passing through was inserted, rolled, and dispensed. The separated sheet was compression-molded at 90 ° C. for 5 minutes to obtain an uncrosslinked carbon fiber composite material sample of Examples 1 to 6 having a thickness of 1 mm and not containing aluminum particles.
Further, the carbon fiber composite material obtained through thinning is again put into an open roll, and further, pure aluminum particles having an average particle diameter of 30 μm (99.7% is aluminum) as the particulate metal are shown in Table 1 (in amounts). Part by weight (phr)) was added and mixed, and the carbon fiber composite material mixed with pure aluminum particles was rolled into a sheet and dispensed. The separated sheet was compression molded at 90 ° C. for 5 minutes to obtain an uncrosslinked carbon fiber composite material sample containing pure aluminum particles of Examples 1 to 6 having a thickness of 1 mm.
Step (e):
(Penetration method) A carbon fiber composite material containing the sheet-like pure aluminum particles was heat-treated, and a carbon fiber composite metal material was obtained by a non-pressure permeation method. More specifically, the carbon fiber composite material containing the pure aluminum particles obtained in (d) above is placed in a container (furnace), and the temperature is equal to or higher than the decomposition vaporization temperature of the elastomer in a furnace in an inert gas (nitrogen) atmosphere ( Heat treatment at 500 ° C. for 2 hours to decompose and vaporize the elastomer to obtain a carbon-based material. Further, an aluminum lump (pure aluminum ingot) as a matrix material is placed on the carbon-based material, and the temperature is higher than the melting point of aluminum. (800 ° C). The aluminum lump melted to form a molten aluminum, and the molten metal penetrated to fill the pores of the carbon-based material. After impregnating the molten aluminum, this was naturally allowed to cool and solidify to obtain carbon fiber composite metal materials of Examples 1 to 4. Table 1 shows “penetration method” in the column of the method for producing the carbon fiber composite metal material.
(Powder Extrusion Method) The carbon fiber composite material containing the sheet-like pure aluminum particles was heat-treated (500 ° C.) under a nitrogen atmosphere, the elastomer was removed, and a composite powder composed of pure aluminum particles and a carbon-based material was prepared. . This composite powder is filled (canned) into a pure aluminum can body having an outer diameter of 90 mm and an inner diameter of 80 mm, heated to 450 ° C. in an argon gas atmosphere, and the carbon fiber composite metal material of Example 5 is obtained by powder extrusion molding. Obtained. Table 1 shows “powder extrusion method” in the column of the method for producing the carbon fiber composite metal material.
(Hot isostatic pressing method) This carbon fiber composite material containing pure aluminum particles in sheet form is heat-treated (500 ° C.) in a nitrogen atmosphere to remove the elastomer, and a composite consisting of pure aluminum particles and a carbon-based material. A powder was made. The composite powder was filled into a can made of pure aluminum having an outer diameter of 90 mm and an inner diameter of 80 mm (canning), and hot isostatic (HIP) molding was performed at 500 ° C. and 500 atm in an argon gas atmosphere. A carbon fiber composite metal material was obtained. Table 1 shows “HIP molding method” in the column of the method for producing the carbon fiber composite metal material.

(2)比較例1のサンプルの作製
6インチオープンロール(ロール温度10〜20℃、ロール間隔1.5mm)に、表1に示す所定量のエラストマー(100重量部(phr))を投入して、ロールに巻き付かせ、5分間素練りした後、平均粒径30μmの純アルミニウム粒子(99.7%がアルミニウム)を表1に示す量(重量部(phr))投入して混合し、さらにカーボンナノファイバーを投入し、混合物をオープンロールから取り出した。そして、ロール間隔を1.5mmから0.3mmへと狭くして、混合物を再びオープンロールに投入して薄通しを繰り返し5回行なって炭素繊維複合材料を得た。このとき、2本のロールの表面速度比を1.1とした。さらに、ロール間隙を1.1mmにセットして、薄通しして得られた炭素繊維複合材料を投入し、シート状に圧延して分出しした。分出ししたシートを90℃、5分間圧縮成形して厚さ1mmの比較例1のアルミニウム粒子を含まない未架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを得た。
また、薄通しして得られた炭素繊維複合材料を再度オープンロールに投入し、さらに粒子状の金属として平均粒径30μmの純アルミニウム粒子(99.7%がアルミニウム)を表1に示す量(重量部(phr))投入して混合し、純アルミニウム粒子と混合された炭素繊維複合材料をシート状に圧延して分出しした。分出ししたシートを90℃、5分間圧縮成形して厚さ1mmの比較例1の純アルミニウム粒子を含む未架橋体の炭素繊維複合材料サンプルを得た。
このシート状の純アルミニウム粒子を含む炭素繊維複合材料を、実施例1〜4の工程(e)と同様に、熱処理し、非加圧浸透法によって比較例1の炭素繊維複合金属材料を得た。
(2) Preparation of Sample of Comparative Example 1 A predetermined amount of elastomer (100 parts by weight (phr)) shown in Table 1 was put into a 6-inch open roll (roll temperature: 10 to 20 ° C., roll interval: 1.5 mm). , Wound around a roll, masticated for 5 minutes, charged pure aluminum particles having an average particle size of 30 μm (99.7% is aluminum) in the amount shown in Table 1 (parts by weight (phr)), and mixed. Carbon nanofibers were charged and the mixture was removed from the open roll. And the roll space | interval was narrowed from 1.5 mm to 0.3 mm, the mixture was again thrown into the open roll, and thinning was repeated 5 times to obtain a carbon fiber composite material. At this time, the surface speed ratio of the two rolls was set to 1.1. Furthermore, the carbon fiber composite material obtained by setting the roll gap to 1.1 mm and passing through was put, rolled into a sheet, and dispensed. The dispensed sheet was compression molded at 90 ° C. for 5 minutes to obtain an uncrosslinked carbon fiber composite material sample of Comparative Example 1 containing no aluminum particles having a thickness of 1 mm.
Further, the carbon fiber composite material obtained through thinning is again put into an open roll, and further, pure aluminum particles having an average particle diameter of 30 μm (99.7% is aluminum) as the particulate metal are shown in Table 1 (in amounts). Part by weight (phr)) was added and mixed, and the carbon fiber composite material mixed with pure aluminum particles was rolled into a sheet and dispensed. The dispensed sheet was compression molded at 90 ° C. for 5 minutes to obtain an uncrosslinked carbon fiber composite material sample containing pure aluminum particles of Comparative Example 1 having a thickness of 1 mm.
The carbon fiber composite material containing the sheet-like pure aluminum particles was heat-treated in the same manner as in Step (e) of Examples 1 to 4, and the carbon fiber composite metal material of Comparative Example 1 was obtained by the non-pressure permeation method. .

表1において、原料エラストマーは、「NR」が天然ゴム、「EPDM」がエチレンプロピレンゴムであり、「MWNT」は平均直径が約13nmのILJIN社製マルチウォールカーボンナノチューブである。なお、実施例1〜6及び比較例1の炭素繊維複合材料は、架橋剤による架橋は行っていない。   In Table 1, “NR” is natural rubber, “EPDM” is ethylene propylene rubber, and “MWNT” is multi-wall carbon nanotubes manufactured by ILJIN having an average diameter of about 13 nm. In addition, the carbon fiber composite materials of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 are not crosslinked with a crosslinking agent.

(3)パルス法NMRを用いた測定
実施例1〜6においては、原料エラストマー、工程(a)の素練り前でロールに巻き付かせた時のエラストマー、素練り後のエラストマー、工程(b)で得られた混合物、工程(c)で得られた混合物及び工程(d)で得られた炭素繊維複合材料サンプルについて、パルス法NMRを用いてハーンエコー法による測定を行なった。また、比較例1においては、原料エラストマー、ロールに巻き付かせた時のエラストマー、カーボンナノファイバーが投入された混合物及び薄通し後の炭素繊維複合材料サンプルについて、パルス法NMRを用いてハーンエコー法による測定を行なった。なお、工程(d)の炭素繊維複合材料サンプルは、純アルミニウム粒子を含まない未架橋体の炭素繊維複合材料サンプルと、純アルミニウム粒子を含む未架橋体の炭素繊維複合材料サンプルと、を用いて測定した。
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30℃及び150℃であり、表1及び表2のカッコ内に測定温度を記入した。この測定によって、各サンプルについて、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)と第2のスピン−スピン緩和時間(T2nn)を有する成分の成分分率(fnn)とを求めた。測定結果を表1に示した。
(3) Measurement Examples 1 to 6 using pulse method NMR In raw material elastomer, elastomer when wound around a roll before mastication in step (a), elastomer after mastication, step (b) The mixture obtained in step 1, the mixture obtained in step (c) and the carbon fiber composite material sample obtained in step (d) were measured by the Hahn echo method using pulsed NMR. In Comparative Example 1, the raw material elastomer, the elastomer when wound on a roll, the mixture containing carbon nanofibers, and the carbon fiber composite material sample after thinning were subjected to the Hahn echo method using pulsed NMR. Measurement was carried out. The carbon fiber composite material sample in the step (d) is an uncrosslinked carbon fiber composite material sample containing no pure aluminum particles and an uncrosslinked carbon fiber composite material sample containing pure aluminum particles. It was measured.
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 temperatures were 30 ° C. and 150 ° C., and the measurement temperatures were entered in parentheses in Tables 1 and 2. By this measurement, the component fraction (fnn) of the component having the first spin-spin relaxation time (T2n) and the second spin-spin relaxation time (T2nn) was determined for each sample. The measurement results are shown in Table 1.

(4)比重の測定
実施例1〜6及び比較例1の炭素繊維複合金属材料サンプルの比重を求めた。
(4) Measurement of specific gravity Specific gravity of the carbon fiber composite metal material samples of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 was determined.

(5)圧縮耐力の測定
実施例1〜6及び比較例1の炭素繊維複合金属材料サンプルについて、圧縮耐力(MPa)の最大値、最小値及び平均値を測定した。圧縮耐力の測定は、10×10×5(厚さ)mmのサンプルを0.01mm/minで圧縮したときの0.2%耐力(σ0.2)とした。その結果を表1に示す。
(5) Measurement of compression strength About the carbon fiber composite metal material sample of Examples 1-6 and Comparative Example 1, the maximum value, the minimum value, and the average value of compression strength (MPa) were measured. The measurement of the compressive yield strength was 0.2% yield strength (σ0.2) when a 10 × 10 × 5 (thickness) mm sample was compressed at 0.01 mm / min. The results are shown in Table 1.

表1から、本発明の実施例1〜6によれば、以下のことが確認された。すなわち、本発明の実施例1〜6の炭素繊維複合金属材料サンプルは、比較例1の炭素繊維複合金属材料サンプルよりも比重が大きく、2.65以上の緻密で欠陥が少ない複合材料であった。また、本発明の実施例1〜6の炭素繊維複合金属材料サンプル圧縮耐力の最大値、最小値及び平均値が、比較例1の炭素繊維複合金属材料サンプルよりも、同じか大きくなっていることから、実施例1〜6の炭素繊維複合金属材料は機械的性質のばらつきが低減されて全体に均質であることがわかった。特に、実施例1の圧縮耐力の最大値が比較例1の値と同じであり、本発明を用いることでカーボンナノファイバーの配合量が従来の1/4であっても同等の圧縮耐力を得られ、経済性が向上することがわかった。   From Table 1, according to Examples 1 to 6 of the present invention, the following was confirmed. That is, the carbon fiber composite metal material samples of Examples 1 to 6 of the present invention were denser than the carbon fiber composite metal material sample of Comparative Example 1 and were dense and less defective than 2.65. . Moreover, the maximum value, the minimum value, and the average value of the carbon fiber composite metal material samples of Examples 1 to 6 of the present invention are the same or larger than those of the carbon fiber composite metal material sample of Comparative Example 1. From the results, it was found that the carbon fiber composite metal materials of Examples 1 to 6 were homogeneous throughout with reduced variations in mechanical properties. In particular, the maximum value of the compression strength of Example 1 is the same as the value of Comparative Example 1, and even if the compounding amount of the carbon nanofiber is ¼ of the conventional, the same compression strength is obtained by using the present invention. It was found that the economy was improved.

なお、実施例1〜6及び比較例1では、本発明によるカーボンナノファイバーの分散性の向上による効果を明確にするため、非加圧浸透して得られた炭素繊維複合金属材料サンプルを用いているが、実際に使用する場合には、さらに機械的性質のばらつきを低減するために熱間等方圧成形(HIP)などを用いることができる。   In Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, in order to clarify the effect of improving the dispersibility of the carbon nanofiber according to the present invention, a carbon fiber composite metal material sample obtained by non-pressure infiltration was used. However, in actual use, hot isostatic pressing (HIP) or the like can be used to further reduce the variation in mechanical properties.

工程(a)を模式的に示す図である。It is a figure which shows a process (a) typically. 工程(b)を模式的に示す図である。It is a figure which shows a process (b) typically. 工程(d)を模式的に示す図である。It is a figure which shows a process (d) typically. 工程(e)の浸透法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the osmosis | permeation method of a process (e). 工程(e)の浸透法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the osmosis | permeation method of a process (e). 炭素繊維複合金属材料の一部を拡大して示す模式図である。It is a schematic diagram which expands and shows a part of carbon fiber composite metal material.

符号の説明Explanation of symbols

1 容器
2 減圧手段
3 注入手段
4 炭素繊維複合材料
5 アルミニウム塊
6 炭素繊維複合金属材料
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
41 粒子状の金属
42 粒子状の金属
50 混合物
60 マトリクス
70 周辺相
d ロール間隔
V1 第1のロールの表面速度
V2 第2のロールの表面速度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 2 Depressurization means 3 Injection | pouring means 4 Carbon fiber composite material 5 Aluminum lump 6 Carbon fiber composite metal material 10 1st roll 20 2nd roll 30 Elastomer 40 Carbon nanofiber 41 Particulate metal 42 Particulate metal 50 Mixture 60 Matrix 70 Peripheral phase d Roll interval V1 Surface speed V1 of first roll V2 Surface speed of second roll

Claims (13)

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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料を加熱してエラストマーを分解気化させて炭素系材料を得た後、エラストマーを分解気化させてできた前記炭素系材料の空隙に前記金属材料を浸透させて、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、
を含む、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
The carbon fiber composite material obtained in the step (d) is heated to decompose and vaporize an elastomer to obtain a carbon-based material, and then the metal material is inserted into voids of the carbon-based material formed by decomposing and vaporizing the elastomer. was allowed to permeate, the step (e) of the elastomer of the carbon fiber composite material to replace the metallic material to obtain a carbon fiber-metal composite material,
A method for producing a carbon fiber composite metal material, comprising:
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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料と前記金属材料の粒子とを混合した後、粉末成形して、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、
を含む、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
After mixing the particles of step (d) obtained in the carbon fiber composite material and the metal material, and powder forming the carbon fiber composite elastomer of the carbon fiber composite material to replace the metallic material Obtaining a metal material (e);
A method for producing a carbon fiber composite metal material, comprising:
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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
を含み、
前記工程(a)ないし前記工程(d)の間に、エラストマー中に前記金属材料の粒子を分散し、
前記工程(d)で得られた前記金属材料の粒子を含む前記炭素繊維複合材料を粉末成形して、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)をさらに含む、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
Including
During the steps (a) to (d), particles of the metal material are dispersed in an elastomer,
Said carbon fiber composite material powder molding comprising particles of the metal material obtained in the step (d), to obtain a carbon fiber-metal composite material of the elastomer of the carbon fiber composite material to replace the metallic material A method for producing a carbon fiber composite metal material, further comprising a step (e).
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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを、金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、
を含み、
前記工程(e)は、前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料と流体状態の前記金属材料とを混合した後、固化する、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
Replacing the elastomer in the carbon fiber composite material obtained in the step (d) with a metal material to obtain a carbon fiber composite metal material (e);
Only including,
The method (e) is a method for producing a carbon fiber composite metal material, wherein the carbon fiber composite material obtained in the step (d) and the metal material in a fluid state are mixed and then solidified .
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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が100ないし3000μ秒であるエラストマーを素練りしてエラストマーの分子量を低下させ、液体状のエラストマーを得る工程(a)と、
前記工程(a)で得られたエラストマーと、平均直径が0.5ないし500nmのカーボンナノファイバーと、を混合して混合物を得る工程(b)と、
前記工程(b)で得られた前記混合物中におけるエラストマーの分子量を増大させ、ゴム状弾性体の混合物を得る工程(c)と、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物を混練し、剪断力によって前記カーボンナノファイバーをエラストマー中に分散させて炭素繊維複合材料を得る工程(d)と、
前記工程(d)で得られた前記炭素繊維複合材料に、前記金属材料の溶湯を浸透させて、前記炭素繊維複合材料中のエラストマーを金属材料と置換して炭素繊維複合金属材料を得る工程(e)と、
を含む、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
The molecular weight of the elastomer is reduced by masticating an elastomer having a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked product, measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. And (a) obtaining a liquid elastomer,
Mixing the elastomer obtained in the step (a) with carbon nanofibers having an average diameter of 0.5 to 500 nm to obtain a mixture (b);
Increasing the molecular weight of the elastomer in the mixture obtained in step (b) to obtain a rubbery elastic mixture (c);
Kneading the mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c), and dispersing the carbon nanofibers in the elastomer by a shearing force to obtain a carbon fiber composite material; and
The carbon fiber composite material obtained in the step (d), said infiltrated molten metallic material, to obtain an elastomer carbon fiber-metal composite material is replaced with the metallic material of the carbon fiber composite material (E) and
A method for producing a carbon fiber composite metal material, comprising:
請求項1ないし5のいずれかにおいて、
工程(a)で得られた液体状のエラストマーは、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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が3000μ秒を越え、
工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物は、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、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)が3000μ秒以下である、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
In any of claims 1 to 5 ,
The liquid elastomer obtained in the step (a) has a first spin-spin relaxation time (T2n) of 3000 μsec in an uncrosslinked body measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. Beyond
The mixture of rubber-like elastic bodies obtained in the step (c) has a first spin-spin relaxation time (T2n) of 3000 μsec or less as measured at 30 ° C. by the Hahn echo method using pulsed NMR. A method for producing a carbon fiber composite metal material.
請求項1ないし6のいずれかにおいて、
前記工程(a)で得られた液体状のエラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、前記工程(a)で素練りする前のエラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)の5〜30倍である、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 6 .
The first spin-spin relaxation time (T2n) of the liquid elastomer obtained in the step (a) is equal to the first spin-spin relaxation time (T2n) of the elastomer before mastication in the step (a). ) 5 to 30 times the production method of the carbon fiber composite metal material.
請求項1ないしのいずれかにおいて、
前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、前記工程(a)で素練りする前のエラストマーの第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)の0.5〜10倍である、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 7 ,
The first spin-spin relaxation time (T2n) of the rubber-like elastic mixture obtained in the step (c) is the first spin-spin relaxation time of the elastomer before mastication in the step (a). The manufacturing method of a carbon fiber composite metal material which is 0.5 to 10 times (T2n).
請求項1ないしのいずれかにおいて、
前記工程(d)で得られた炭素繊維複合材料の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は、前記工程(c)で得られたゴム状弾性体の混合物の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)より短い、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
In any of claims 1 to 8 ,
The first spin-spin relaxation time (T2n) of the carbon fiber composite material obtained in the step (d) is equal to the first spin-spin relaxation of the rubber-like elastic material mixture obtained in the step (c). The manufacturing method of a carbon fiber composite metal material shorter than time (T2n).
請求項1ないしのいずれかにおいて、
前記炭素繊維複合材料は、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって150℃で測定した、未架橋体における、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)を有する成分の成分分率(fnn)は0.2未満である、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
In any one of Claim 1 thru | or 9 ,
The carbon fiber composite material has a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 to 3000 μsec in an uncrosslinked body, measured at 150 ° C. by a Hahn echo method using pulsed NMR, A method for producing a carbon fiber composite metal material, wherein a component fraction (fnn) of a component having a spin-spin relaxation time (T2nn) is less than 0.2.
請求項1ないし10のいずれかにおいて、
前記工程(c)は、前記工程(b)で得られた前記混合物を加熱処理してエラストマーの分子量を増大させる、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 10 ,
In the step (c), the mixture obtained in the step (b) is heat-treated to increase the molecular weight of the elastomer.
請求項1ないし11のいずれかにおいて、
前記工程(d)は、ロール間隔が0.5mm以下のオープンロール法を用いて行われる、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 11 ,
The said process (d) is a manufacturing method of a carbon fiber composite metal material performed using the open roll method whose roll space | interval is 0.5 mm or less.
請求項1ないし12のいずれかにおいて、
前記工程(d)は、ロール温度が0ないし50℃に設定される、炭素繊維複合金属材料の製造方法。
In any of claims 1 to 12 ,
The step (d) is a method for producing a carbon fiber composite metal material, wherein the roll temperature is set to 0 to 50 ° C.
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