JP5257813B2 - ポリビニルアルコール系コンポジット繊維およびその製造方法 - Google Patents
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本発明において使用するSWNTとは、平均直径が1〜3nmの単層グラフェンシートからなるチューブ状材料であり、ラマン分光測定から算出した黒鉛結晶の規則性の尺度を示すD/G値(1340cm−1付近に観測されるDバンドピーク強度/1590cm−1付近に観測されるGバンドピーク強度)が0.01以下を示すこと、すなわちグラフェン構造の完全性が極めて高いこと、を特徴とするSWNTを導入したポリビニルアルコール系高強度コンポジット繊維を作製し、本発明に至った。
本発明に用いるPVAの重合度は1500〜4000程度が好ましい。1500以上であると更に好ましい。また、PVAのケン化度についても大きな制限はないが、冷却によるゲル化を速やかに進行させる上で90モル%以上が好ましく、PVA繊維の耐熱性、耐水性の観点より、99モル以上であると更に好ましい。また、用いるPVAは、他のビニル基を有するモノマー、例えば酢酸ビニル、エチレン、ポリエチレングリコールなどの若干の共重合成分を含んでいても良い。
本発明のコンポジット繊維の組成としてはPVA100重量部に対して、SWNTが0.01〜5重量部、好ましくは0.05〜1重量部、さらに好ましくは0.1〜0.5重量部である。SWNTが0.01重量部未満であると機械特性の向上の効果が観察されにくく、5重量部より高いと、製造コストを押し上げる他、SWNTの分散性が低下する。
本発明のコンポジット繊維の製造法としては、PVAとSWNTの混合液を調製し、その混合液から紡糸する方法が好ましい。混合溶液を調製する方法としては、例えば、
(1)PVA溶液にSWNTを添加する方法
(2)PVA溶液とSWNTの溶媒分散液とを混合する方法
(3)SWNTの溶媒分散液に固体のPVAを添加し、PVAを溶解させる等の方法
が挙げられる。混合液内でSWNTが均一に分散していることが、コンポジット繊維の強度向上のためには重要である。本発明に用いられるSWNTにおいては、紡糸用混合溶液の調製方法として上記(1)または(2)の方法が好ましい。
本発明における好ましい高強度PVA系コンポジット繊維は、主に以下の工程より構成される。SWNTおよび紡糸液よりポリマー濃度の低いPVA溶液を混合して混合液を得る工程、ついで混合液中に固体のPVAまたは紡糸液よりポリマー濃度の高いPVA溶液を添加して紡糸液濃度を調整する工程、ついでその紡糸溶液から紡糸する工程、ついで延伸にPVAおよびSWNTを配向させる工程を経ることにより、本発明のコンポジット繊維を好ましく製造することができる。
重合度1500、ケン化度99.9mol%のPVA3グラムをポリマー濃度が10重量%となるよう27グラムのDMSOに加え、約120℃の温度でポリマーが完全に溶解するまで撹拌・溶解させた。これに、添加するSWNTのラマン分光スペクトルを図1に示す。1340cm−1におけるDバンド強度が68735(単位無し)、1590cm−1におけるGバンド強度が414(単位無し)であり、これらからD/G値が0.006となり、グラフェン構造の完全性が非常に高いことを示している。このSWNT(直径2nm)を0.0015グラム加えて(株)エスエムテー製PH91型ホモジナイザー(処理時間:10分、回転数:2万回転/分、攪拌温度:95℃)を使用して分散液を作製した(この紡糸液に含まれるSWNTは、PVAの固形分に対して、0.05wt%である)。
実施例1と同様の方法で、SWNTをPVAの固形分に対して0.1wt%を含むコンポジット延伸繊維を作製した。延伸倍率は、24倍である。図5に延伸したコンポジット繊維の電子顕微鏡像を示す。この繊維を実施例1と同様の条件で引張試験を行ったところ、破断強度1.84GPa、破断伸度10%、初期弾性率29GPaの値が得られた。
実施例1と同様の方法で、SWNTをPVAの固形分に対して0.3wt%を含むコンポジット延伸繊維を作製した。延伸倍率は、23倍である。図6に延伸したコンポジット繊維の電子顕微鏡像を示す。この繊維を実施例1と同様の条件で引張試験を行ったところ、図7のような応力−ひずみ曲線となり、これより破断強度2.05GPa、破断伸度10%、初期弾性率32GPaの値が得られ、優れた力学強度を有していた。
重合度1500、ケン化度99.9mol%のPVA4.5グラムをポリマー濃度が10重量%となるよう25.5グラムのDMSOに加え、約120℃の温度でポリマーが完全に溶解するまで撹拌・溶解させた(PVA濃度は15wt%である)。
Claims (7)
- 単層カーボンナノチューブ、ポリビニルアルコール系ポリマー、および有機溶媒を含む紡糸溶液を冷却によりゲル化させて得た紡糸ゲル状原糸を延伸してなることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維。
- 前記単層カーボンナノチューブは、ラマン分光測定から算出した黒鉛結晶の規則性の尺度を示すD/G値(1340cm−1付近に観測されるDバンドピーク強度/1590cm−1付近に観測されるGバンドピーク強度)が0.01以下を示すことを特徴とする請求項1に記載のポリビニルアルコール系コンポジット繊維。
- 前記ポリビニルアルコールの重合度が1500〜2000であり、
引張強度が1.8GPaを超えることを特徴とする請求項1または2に記載のポリビニルアルコール系コンポジット繊維。 - 単層カーボンナノチューブ、ポリビニルアルコール系ポリマー、および有機溶媒を含む紡糸溶液を冷却によりゲル化させて得た紡糸ゲル状原糸を延伸することを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
- 前記単層カーボンナノチューブは、ラマン分光測定から算出した黒鉛結晶の規則性の尺度を示すD/G値(1340cm−1付近に観測されるDバンドピーク強度/1590cm−1付近に観測されるGバンドピーク強度)が0.01以下を示すことを特徴とする請求項4に記載のポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
- 前記紡糸溶液は、前記有機溶媒としてジメチルスルホキシドを含んでいることを特徴とする請求項4または5に記載のポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
- 前記ポリビニルアルコールの重合度が1500〜2000であり、
ポリビニルアルコール系コンポジット繊維の引張強度が1.8GPaを超えることを特徴とする請求項4乃至6の何れか一項に記載のポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
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