JP5567782B2 - 炭素繊維含有皮膜およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明に係る炭素繊維含有皮膜の製造方法は、基材表面に、炭素繊維とバインダー成分を含有してなるコーティング組成物を塗布してコーティング層を形成する工程と、形成されたコーティング層をこのコーティング層に含まれるバインダー成分の分解温度以上の温度で焼成する工程とを有することを特徴とする。
本発明において用いられる炭素繊維としては、特に限定されるものではないが、カーボンナノ構造体を用いることが望ましい。
本発明においては、炭素繊維含有皮膜を形成する上で、まず上記したようなCNTに代表される炭素繊維とバインダー成分を含有するコーティング組成物を調製し、これを基材上にコーティングして膜状に展開する。
れらの有機ポリイソシアネート中のイソシアネート基を、それぞれ、アルコール類、フェノール類、オキシム類、メルカプタン類、アミド類、イミド類またはラクタム類などでブロック化せしめた形態の化合物、すなわち、いわゆるブロック化ポリイソシアネート化合物もまた好適に用いられ得る。
使用される分散媒ないし溶媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、大豆油、トルエン、キシレン、シンナー、ブチルアセテート、メチルアセテート、メチルイソブチルケトン、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、プロピルセロソルブ、ブチルセロソルブ、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールエーテル系溶剤、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸メトキシブチル、酢酸セロソルブ、酢酸アミル、酢酸ノルマルプロピル、酢酸イソプロピル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル等のエステル系溶剤、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の脂肪族炭化水素系溶剤、シクロヘキサン等の脂環族炭化水素系溶剤、ミネラルスピリット、ソルベントナフサ等の石油系溶剤、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶剤、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール等のアルコール系溶剤、脂肪族炭化水素、塩化メチレン、トリクロロエチレン、パークロロエチレン、HCFC−141B,HCFC−225、ブロモプロパン、クロロホルム等のハロ化合物系溶剤、N−メチルピロリドン(NMP)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ニ塩基酸エステル(DBE),3−エトキシプロピオン酸エチル(EEP)、DMC(ジメチルカーボネート)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の極性溶媒、あまに油、きり油、オイチシカ油、サフラワー油等の乾性油を加工したボイル油等の油脂系溶剤、その他、スチレンモノマー、アクリル酸エステルモノマー等の各種モノマー、フタル酸ジオクチル(DOP)、フタル酸ジイソノニル(DINP)、フタル酸ジブチル(DBP)等の各種可塑化剤およびこれらの任意の混合物等、あるいは、水、あるいは、水と、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール等のアルコール系溶剤、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、プロピルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル3−メトキシ−3−メチル−1−ブタノール等のグリコールエーテル系溶剤、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール等のオキシエチレン又はオキシプロピレン付加重合体、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,2,6−ヘキサントリオール等のアルキレングリコール、グリセリン、2−ピロリドン等の水溶性有機溶剤との混合物などを用いることができるが、これらに何ら限定されるものではない。なお、良好な分散性を得る上では、このうち、エステル系、エーテル系、グリコール系、オキシエチレン又はオキシプロピレン付加重合体系、グリコールエーテル系等の溶媒が望ましく、特に、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテートが望ましい。
しかしながら、本発明において用いられるコーティング組成物は、これら分散剤ないし界面活性剤を配合されていないものであることが望ましい。すなわち、これらの分散剤を配合せずとも、コーティング組成物中における炭素繊維の配合量が少ないこともあって、炭素繊維の十分に均一な分散性を得ることができ、かつ最終的に得られる炭素繊維含有皮膜において、これらの分散剤ないし界面活性剤の残留成分による皮膜特性の低下の懸念がなくなるためである。
コーティング組成物中に炭素繊維を添加しこれを分散させる際の分散方法としては、特に限定されるものではなく、従来、公知の各種の方法を単独であるいは複数組み合わせて、採択することは可能である。例えば、超音波処理、各種撹拌装置を用いた攪拌処理などを用いることができる。撹拌装置としては、単純なバドル、撹拌羽根等を有する手動ないし電動等の撹拌機、ビーズミルに代表されるメディアミル、その他各種のものを用いることができる。
本発明において、上記したようなコーティング組成物を塗布される基材としては、甲術するような加熱焼成工程に耐えるだけの耐熱性を有するものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリエステル等の各種耐熱性プラスチック、シリコーンゴム、シリコーン変性耐熱ゴム、含フッ素ゴム、アクリルゴム等の各種耐熱性ゴムなどの有機物や、ガラス、金属、セラミックス等の各種無機物を用いることができる。
次に、本発明に係る炭素繊維含有皮膜の製造方法の各工程につき、説明する。
このような温度範囲であると、バインダー成分の不揮発分の熱分解が良好に進行する一方で、当該不揮発分の炭化が進み、皮膜自体が破壊されてしまう虞れも少ないためである。
なお、最終的に得られる炭素繊維含有皮膜における炭素繊維含有量は、この加熱温度を高く設定するないし処理時間を長く設定することによって、高めることが可能であり、所望する炭素繊維含有量に応じて、温度および処理時間を適宜変更すれば良い。
このようにして得られる本発明に係る炭素繊維含有皮膜は、炭素繊維を皮膜全質量の1.5〜70質量%、特に皮膜全質量の1.5〜30質量%という高い割合で含有し、また当該皮膜の皮膜形成成分がバインダー樹脂の熱分解産物を含有することを特徴とするものである。
まず、炭素繊維としてのCNT(ナノカーボンテクノロジーズ社製、平均直径68nm、平均長さ8μm、嵩密度は0.004g/cm3)、バインダー成分としての水性ポリイソシアネ−ト(レジン)(サンペイント製)、および溶媒としてジエチレングリコールエチルエーテルアセテートを用いてコーティング組成物を調製した。
装置:日立製作所製 集束イオンビーム加工観察装置FB−2000A
イオン種:Gaイオン
加速電圧:30KV
加工条件:ビームアパーチャーφ200μm
表面保護:Wデポジット
装置:パーキンソンエルマ製Spectrum One FT-IR/Multi Scope マイクロスコープ赤外顕微鏡システム
測定モード:顕微透過法(ダイヤモンドセル使用)
分析能:8cm−1
積算回数:64回
まず、炭素繊維としてのCNT(ナノカーボンテクノロジーズ社製、平均直径68nm、平均長さ8μm、嵩密度は0.004g/cm3)、バインダー成分としての水性ポリイソシアネ−ト(レジン)(サンペイント製)、および溶媒としてジエチレングリコールエチルエーテルアセテートを用いてコーティング組成物を調製した。
まず、炭素繊維としてのCNT(ナノカーボンテクノロジーズ社製、平均直径68nm、平均長さ8μm、嵩密度は0.004g/cm3)、バインダー成分としての水性ポリイソシアネ−ト(レジン)(サンペイント製)、および溶媒としてジエチレングリコールエチルエーテルアセテートを用いてコーティング組成物を調製した。
その後、乾燥炉にて380℃にて30分焼成しCNT含有皮膜を得た。得られたCNT含有皮膜は、0.875gであり、これは、水性イソシアネート溶液の不揮発分と含フッ素樹脂の不揮発分の合計量1.245よりも少なく、水性イソシアネートが熱分解し、CNTの含有量が約2.9質量%であるCNT含有皮膜を得たことになる。
なお耐摩耗性は、新東科学株式会社表面性測定機(TYPE:14T)を使用し、荷重400g、回転数160/毎分、約251.2cm/min、回転径φ50mmという条件下で、10分運転後重量測定し、これを繰り返すことにより行われた。そして比較対照として、別途形成した含フッ素樹脂(デュポン製PTFE852-201)のみの皮膜(アルミニウム基板上に、プライマー(デュポン製463N1101)を塗布後、PTFE852-201を塗布し380℃で30分焼成)の磨耗と等しい磨耗が得られるまで磨耗試験を繰り返した。
添加する含フッ素樹脂としてデュポン製、PTFE463N12001を用いた以外は実施例3と同様にしてCNT含有皮膜を形成し、得られたCNT含有皮膜の耐摩耗性を調べた。
なお耐摩耗性は、比較対照として、別途形成した含フッ素樹脂(デュポン製PTFE463N12001)のみの皮膜(アルミニウム基板上に、プライマー(デュポン製463N1101)を塗布後、PTFE463N12001を塗布し380℃で30分焼成)を用いた以外は、実施例3とおけるものと同様の機器、条件下にて行った。
添加する含フッ素樹脂としてデュポン製、PFA500CLを用いた以外は実施例3と同様にしてCNT含有皮膜を形成し、得られたCNT含有皮膜の耐摩耗性を調べた。
なお耐摩耗性は、比較対照として、別途形成した含フッ素樹脂(デュポン製PFA500CL)のみの皮膜(アルミニウム基板上に、プライマー(デュポン製463N1101)を塗布後、PFA500CLを塗布し380℃で30分焼成)を用いた以外は、実施例3とおけるものと同様の機器、条件下にて行った。
Claims (13)
- 基材表面に、炭素繊維とバインダー成分を含有してなるコーティング組成物を塗布してコーティング層を形成する工程と、形成されたコーティング層をこのコーティング層に含まれるバインダー成分の分解温度以上の温度で焼成する工程とを有する炭素繊維含有皮膜の製造方法であって、前記コーティング組成物における炭素繊維の含有量が、バインダー成分の不揮発分に対して0.5〜20質量%であり、また最終的に得られる炭素繊維含有皮膜における炭素繊維の含有量が、皮膜全質量の1.5〜70質量%であることを特徴とする炭素繊維含有皮膜の製造方法。
- 最終的に得られる炭素繊維含有皮膜における炭素繊維の含有量が、皮膜全質量の1.5〜30質量%であることを特徴とする請求項1に記載の炭素繊維含有皮膜の製造方法。
- バインダー成分がイソシアネート化合物またはエポキシ化合物を含むものであることを特徴とする請求項1または2に記載の炭素繊維含有皮膜の製造方法。
- 前記炭素繊維がカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維含有皮膜の製造方法。
- 焼成工程がコーティング層に含まれるバインダー成分の分解温度ないし分解温度+200℃の範囲内の温度で行われるものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維含有皮膜の製造方法。
- コーティング組成物中に、含フッ素樹脂を添加することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の炭素繊維含有皮膜の製造方法。
- コーティング組成物中には、界面活性剤および分散剤は添加されていないことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の炭素繊維含有皮膜の製造方法。
- 基材としてポリイミド樹脂を用いるものである請求項1〜7のいずれかに記載の炭素繊維含有皮膜の製造方法。
- 炭素繊維を皮膜全質量の1.5〜70質量%の割合で含有し、また当該皮膜の皮膜形成成分がバインダー樹脂の熱分解産物を含有することを特徴とする炭素繊維含有皮膜。
- 炭素繊維含有皮膜における炭素繊維の含有量が、皮膜全質量の1.5〜30質量%であることを特徴とする請求項9に記載の炭素繊維含有皮膜。
- 前記バインダー樹脂の熱分解産物がポリイソシアネートの熱分解産物またはエポキシ樹脂の熱分解産物であることを特徴とする請求項9または10に記載の炭素繊維含有皮膜。
- 炭素繊維がカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の炭素繊維含有皮膜。
- 炭素繊維含有皮膜が、含フッ素樹脂を含有することを特徴とする請求項9〜12のいずれかに記載の炭素繊維含有皮膜。
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