JP5055000B2 - 繊維強化複合樹脂組成物及びその製造方法 - Google Patents
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Description
なお、本発明では、繊維の貫通方向とは、コンポジットの一部を切り出したときに繊維が繊維軸方向で貫通している方向をいう。また、繊維の非貫通方向とは、前記貫通方向以外の方向であり、例えば繊維の太さ方向が並んだような方向をいう。
(1) マトリクスとなる樹脂と、下記の珪素または金属化合物からなる(i)または(ii)の被覆層で少なくともその一部が被覆され被覆層の厚みを含まない繊維径が1μm以下であるポリマー繊維とを含み、珪素または金属化合物からなる被覆層とポリマー繊維の合計の充填率が50〜90体積%であり、ポリマー繊維の貫通方向の熱伝導率がマトリクス樹脂の熱伝導率よりも高く、ポリマー繊維の被覆層同士の接触構造を有しており、被覆層を有する繊維の非貫通方向の熱伝導率が被覆層を持たない場合の繊維の非貫通方向の熱伝導率よりも高い、繊維強化複合樹脂組成物。
(i)珪素または金属化合物が珪素、アルミニウム、亜鉛、チタン、錫、カルシウム、マグネシウム、コバルト、鉄、マンガン、ニオブ、ニッケル、インジウムの中から選ばれる少なくとも1種である珪素または金属の酸化物乃至水酸化物乃至オキシ水酸化物、または、(ii)前記珪素または金属化合物が珪素、アルミニウム、亜鉛、チタン、錫、カルシウム、マグネシウム、コバルト、鉄、マンガン、ニオブ、ニッケル、インジウムの中から選ばれる少なくとも1種の珪素または金属の硫酸、硝酸、炭酸、りん酸の中から選ばれる酸塩乃至その水和物。
(2) 1μm以上の繊維径のポリマー繊維を除くポリマー繊維の数平均繊維径が300nm以下である前記(1)記載の繊維強化複合樹脂組成物。
(3) 1μm以上の繊維径のポリマー繊維を除くポリマー繊維の数平均繊維径が200nm以下である前記(1)記載の繊維強化複合樹脂組成物。
(4) 1μm以上の繊維径のポリマー繊維を除くポリマー繊維の数平均繊維径が100nm以下である前記(1)記載の繊維強化複合樹脂組成物。
(5) 1μm以上の繊維径のポリマー繊維を除くポリマー繊維の数平均繊維径が50nm以下である前記(1)記載の繊維強化複合樹脂組成物。
(7) ポリマー繊維の被覆層が10nm以上の厚さを有し、繊維の貫通方向乃至非貫通方向について電気伝導性を示す前記(1)から(6)のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物。
(8) ポリマー繊維の被覆層がゾルゲル法乃至表面ゾルゲル法で形成された前記(1)から(7)のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物。
(9) ポリマー繊維の被覆層が液相析出法乃至化学溶液析出法で形成された前記(1)から(7)のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物。
(11) 前記(1)から(7)のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物を製造する方法であって、ポリマー繊維の被覆層を液相析出法乃至化学溶液析出法で形成する工程を含む繊維強化複合樹脂組成物の製造方法。
図1に、表面を被覆したポリマー繊維を充填した、コンポジットの一例の模式図を示す。マトリクス樹脂1と、ポリマー繊維2と、前記ポリマー繊維の表面を被覆している金属化合物被覆層3とからなる。
図2に、金属化合物の表面被覆層による非貫通方向熱伝導率の向上機構を模式図で示す。
ポリマー繊維の繊維軸方向の熱伝導率はマトリクス樹脂の熱伝導率よりも高いことが好ましくこのためには、例えばポリマー繊維の結晶性を高めることが挙げられる。
また、前記の少なくとも1種の金属の、硫酸、硝酸、炭酸、りん酸の中から選ばれる酸塩乃至その水和物が挙げられる。
これらの金属化合物で、ポリマー繊維の表面の少なくとも一部、好ましくは全部を被覆する被覆層を形成する。繊維表面の被覆率は、20〜100%が好ましい。また、被覆厚さは2nm以上が好ましく、より好ましくは10nm以上である。
被覆層は一層であっても、同種または異種の二層以上であってもよい。
被覆層の形成方法としてはゾルゲル法、表面ゾルゲル法、液相析出法、化学溶液析出法などが挙げられ、母材となるファイバが耐えられる範囲で一度形成した被膜を加熱、水蒸気、高圧又は化学的な処理等により結晶化度を上げたり、結晶相を変化させたり、脱水・置換などするとなお良い。
まず、ポリマー繊維が分散液で得られる場合、分散液のまま処理を行い、ろ過などの抄く過程により溶媒を分離し、2次元にランダム配向したシートを得るか、凍結乾燥などにより低密度な乾燥品を得ても良い。また、分散液の溶媒が処理液と異なる場合は、溶媒置換して処理しても、一度ポリマー繊維乾燥品を得て、処理溶媒に再分散させて処理しても、処理基材として処理液に浸漬させてもよい。
セルロースナノファイバが0.25質量%となるようにセルロースナノファイバ分散液(ダイセル化学製。繊維径20〜200nm、平均50nm程度。)と超純水、ゾルゲル溶液を混合し、100質量部とし、100℃で1時間還流し、(水)酸化アルミニウム被覆セルロースナノファイバ分散液を得た。ゾルゲル溶液はアルミニウムトリイソプロポキシド1質量部と超純水15質量部の溶融混合液に1規定塩酸6質量部を加え混合の後に静置して、常温まで冷ましたものの上澄みを使用した。
Nano. Lett.,Vol.3, No.2,143, 2003.に示される方法に倣い、エレクトロスピニング法を用いて作製したポリアクリロニトリル(PAN)ナノファイバ(繊維径:約100〜400nm)を、0.12MのSnF6(NH4)2水溶液と0.2M硼酸を同体積混合した溶液に室温で12時間浸漬することで、酸化錫被覆PANナノファイバ(被覆厚み10〜30nm)からなる不織布シートを作製した。これを十分に水洗し、乾燥の後に、メタクリル酸メチルに重合開始剤として過酸化ラウロイルを加えたものを含浸させた。これを離型処理したガラス板にはさみ、モノマーが蒸散しないようシールして重合させた。更にそれをフッ素加工樹脂板で挟み、200℃でプレスにて加圧成型し、表層の余剰な樹脂を除き、ポリメチルメタクリレート(PMMA)コンポジットを得た。
また、別途プレス前の重合品を銅箔にはさみプレス成型し、両面の金属箔にテスタを当てたところ導通が確認された。
実施例1で使用したものと同種のセルロースナノファイバ分散液(ダイセル化学)を0.2質量%となるよう超純水で希釈した後、孔径0.01μmのフッ素加工樹脂製メンブレンをフィルタとして用いて吸引ろ過し、ナノファイバをシート状に堆積させた。それを乾燥させ、セルロースナノファイバのシートを得た。これを100℃で2時間真空乾燥させた後、ビスフェノールA型エポキシ樹脂に液状酸無水物、硬化触媒を混合したものを減圧下で含浸させてコンポジット材料を得た。これを、離型処理したPETフィルムではさみ、真空プレスを用いて硬化させコンポジットを得た。
金属化合物被覆層を構築する以外は実施例2と同様にしてコンポジットを作製した。また、別途(実施例2)と同様に銅箔にはさみプレス成型し、両面の金属箔にテスタを当てたところ導通が確認されなかった。
また、実施例1〜2、比較例1〜2で得られたコンポジットの、表面被覆ポリマー繊維の仕込み量とコンポジットの質量より計算して求めた繊維充填率を表1に併記した。
Claims (11)
- マトリクスとなる樹脂と、下記の珪素または金属化合物からなる(i)または(ii)の被覆層で少なくともその一部が被覆され被覆層の厚みを含まない繊維径が1μm以下であるポリマー繊維とを含み、珪素または金属化合物からなる被覆層とポリマー繊維の合計の充填率が50〜90体積%であり、ポリマー繊維の貫通方向の熱伝導率がマトリクス樹脂の熱伝導率よりも高く、ポリマー繊維の被覆層同士の接触構造を有しており、被覆層を有する繊維の非貫通方向の熱伝導率が被覆層を持たない場合の繊維の非貫通方向の熱伝導率よりも高い、繊維強化複合樹脂組成物。
(i)珪素または金属化合物が珪素、アルミニウム、亜鉛、チタン、錫、カルシウム、マグネシウム、コバルト、鉄、マンガン、ニオブ、ニッケル、インジウムの中から選ばれる少なくとも1種である珪素または金属の酸化物乃至水酸化物乃至オキシ水酸化物、または、
(ii)前記珪素または金属化合物が珪素、アルミニウム、亜鉛、チタン、錫、カルシウム、マグネシウム、コバルト、鉄、マンガン、ニオブ、ニッケル、インジウムの中から選ばれる少なくとも1種の珪素または金属の硫酸、硝酸、炭酸、りん酸の中から選ばれる酸塩乃至その水和物。 - 1μm以上の繊維径のポリマー繊維を除くポリマー繊維の数平均繊維径が300nm以下である請求項1記載の繊維強化複合樹脂組成物。
- 1μm以上の繊維径のポリマー繊維を除くポリマー繊維の数平均繊維径が200nm以下である請求項1記載の繊維強化複合樹脂組成物。
- 1μm以上の繊維径のポリマー繊維を除くポリマー繊維の数平均繊維径が100nm以下である請求項1記載の繊維強化複合樹脂組成物。
- 1μm以上の繊維径のポリマー繊維を除くポリマー繊維の数平均繊維径が50nm以下である請求項1記載の繊維強化複合樹脂組成物。
- ポリマー繊維の貫通方向の線熱膨張率がマトリクス樹脂の線熱膨張率に比べて低い請求項1から5のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物。
- ポリマー繊維の被覆層が10nm以上の厚さを有し、繊維の貫通方向乃至非貫通方向について電気伝導性を示す請求項1から6のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物。
- ポリマー繊維の被覆層がゾルゲル法乃至表面ゾルゲル法で形成された請求項1から7のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物。
- ポリマー繊維の被覆層が液相析出法乃至化学溶液析出法で形成された請求項1から7のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物。
- 請求項1から7のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物を製造する方法であって、ポリマー繊維の被覆層をゾルゲル法乃至表面ゾルゲル法で形成する工程を含む繊維強化複合樹脂組成物の製造方法。
- 請求項1から7のいずれかに記載の繊維強化複合樹脂組成物を製造する方法であって、ポリマー繊維の被覆層を液相析出法乃至化学溶液析出法で形成する工程を含む繊維強化複合樹脂組成物の製造方法。
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