JP5735442B2

JP5735442B2 - 炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維補強材と高分子とを含むナノバイオ複合体

Info

Publication number: JP5735442B2
Application number: JP2012047412A
Authority: JP
Inventors: ハン・ソンオク; ユ・ヨンジョン; チョン・ナンジョ; キム・ヒヨン; キリアキ・カライッチドウ; シム・イナ
Original assignee: コリアインスティチュートオブエナジーリサーチ
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: JP2013181144A

Description

本発明は、ナノバイオ複合体に係り、より詳細には、炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維補強材と高分子とを含む高弾性ナノバイオ複合体に関する。

再生資源と高分子とで作られたバイオ複合体は、軽量性、高比強度、環境親和性とコスト有効性のような利点があって、科学的に相当な注目を浴びている。現在、これら材料は、自動車用、タイルと床材のような内部構造／飾り材の構成材料などとして使われている（非特許文献１）。

生分解が可能なバイオ素材を補強材にした環境親和性複合材料は、合成纎維で補強した石油系高分子に対する優れた代案であり得る。合成纎維で補強した複合材料は、生分解性ではなく、廃棄時にも自然にそのまま存在するので、これらの活用が増加しながら、その処理は解決しなければならない課題の１つである。ゴミ埋め立ては、一時的な措置であり、リサイクルはエネルギー非効率的であり、また、再生材料の価値が落ちるために、この２つの解決策は、適切な方法ではない。

バイオ複合体で、特に、高分子を生分解性高分子として使えば、環境に優しい特性を大きく向上させることができる。生分解性高分子のうち、ポリ（乳酸）（ＰＬＡ）は、最近特別に注目を浴びている。とうもろこし澱粉醗酵結果物である乳酸から製造されるＰＬＡは、石油系ポリオレフインの特性に比肩するに値する特性を有した熱可塑性ポリエステルである。ＰＬＡは、ほとんどの従来技術と装置とを用いて加工することができ、他の材料と共重合することができる。他の石油プラスチックは、分解に長い時間を必要とするが、一方、純粋なＰＬＡは、数ヶ月ないし２年の期間にかけて環境中で二酸化炭素、水とメタンとに分解されうる。補強材において、ケナフ纎維のような天然纎維は、軽く、低価であり、非毒性であり、非弾性率と強度とが高くて、エンジニアリング環境に優しい複合材料用として理想的な候補材料である（非特許文献２）。

ＰＬＡのような生高分子の機械的特性を大きく増進させるのに必要な天然纎維補強材の高い含量と、これら材料の電気伝導性及び／または熱伝導性の不足によってバイオ複合体の用途は限定されている。したがって、電気伝導性と熱伝導性とがあり、高分子基質に対する核生成剤として作用し、低い含量でも、高分子の全体性能を改善させる材料を導入することによって、このような限界を克服するための試みが進められている。

ＨａｎＹＨ、ＨａｎＳＯ、ＣｈｏＤ、ＫｉｍＨ−Ｉ（２００７）ＣｏｍｐｏｓＩｎｔｅｒ１４：５５９ＫａｒｎａｎｉＲ、ＮａｒａｙａｎＲ（１９９７）ＰｏｌｙｍＥｎｇＳｃｉ３７：４７６

本発明の目的は、炭素ナノ素材でコーティングされた天然纎維及び炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維補強材を含む高分子複合体を提供して、電気伝導性と熱伝導性とが付与され、屈曲弾性と粘弾特性とが向上した天然纎維及びナノバイオ複合体を提供することである。

前記技術的課題を解決するために、本発明は、炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維からなる補強材と高分子とを含むナノバイオ複合体を提供する。

本発明の一実施例によれば、前記天然纎維は、木材パルプ、非木材纎維、微細藻類副産物、海藻類副産物、シルク纎維、ナノ纎維、またはこれらの混合物のうちから選択され、具体的に、ケナフ、ヘネケン、竹などを使うことができる。

また、本発明の他の一実施例によれば、汎用高分子として、ポリプロピレン、ポリエチレンのような熱可塑性高分子、エポキシのような熱硬化性高分子、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、澱粉、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）のような生分解性高分子の一種、またはこれらの混合物のうちから選択して使うことができる。

また、本発明の他の一実施例によれば、炭素ナノ物質は、剥離黒鉛ナノ板（ｘＧｎＰ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、グラファイト、またはこれらの混合物のうちから選択して使うことができる。

また、本発明の他の一実施例によれば、天然纎維の含量は、１０〜５０重量％であり、高分子の含量は、５０〜９０重量％であり、炭素ナノ物質の含量は、１〜１０重量％であることが望ましい。

また、本発明の他の一実施例によれば、天然纎維の直径は、１ｎｍないし８００μｍであることが望ましい。

また、本発明は、１）炭素ナノ物質が分散された分散液に天然纎維を添加した後、分散媒を蒸発させて炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維を得る段階と、２）前記炭素ナノ物質がコーティングされた天然纎維と高分子とを混合して成形押出する段階と、を含むことを特徴とするナノバイオ複合体の製造方法を提供する。

本発明の一実施例によれば、分散媒としては、例えば、イソプロピルアルコール、エタノール、アセトンなどが挙げられ、成形押出する温度は、７０〜１８０℃であり、圧力は、１００〜１５０ｐｓｉであることが望ましい。

また、本発明は、剥離黒鉛ナノ板（ｘＧｎＰ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、グラファイト、及びこれらの混合物のうちから選択された導電性炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維を提供する。この際、天然纎維は、木材パルプ、非木材纎維、微細藻類副産物、海藻類副産物、シルク纎維、ナノ纎維、またはこれらの混合物のうちから選択され、具体的に、ケナフ、ヘネケン、竹などを使うことができる。

本発明による炭素ナノ素材でコーティングされた天然纎維は、電気伝導性と熱伝導性とを有し、炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維補強材と高分子とを含むナノバイオ複合体は、天然纎維補強材と炭素ナノ物質との相乗効果によって、屈曲強度、屈曲弾性率、及び貯蔵弾性率が大きく向上した。

（ａ）は、入手したそのままのケナフ纎維の光学顕微鏡写真であり、（ｂ）は、５重量％のｘＧｎＰでコーティングした後のケナフ纎維の光学顕微鏡写真である。（ａ）は、原子間力顕微鏡で測定したケナフ纎維の表面形状と伝導度とを示すＩ−Ｖ曲線であり、（ｂ）は、３重量％のｘＧｎＰでコーティングした後のケナフ纎維の表面形状と伝導度とを示すＩ−Ｖ曲線である。（ａ）は、ｘＧｎＰとケナフ纎維含量変化によるＰＬＡ複合材料の屈曲強度であり、（ｂ）は、屈曲弾性率グラフである。ｘＧｎＰとケナフ纎維含量変化によるＰＬＡ複合材料のＨＤＴである。ｘＧｎＰとケナフ纎維含量変化によるＰＬＡ複合材料の粘度を示すグラフであって、（ａ）は、１８０℃と１Ｈｚで溶融状態、（ｂ）は、１８０℃で溶融状態、周波数変化グラフである。（ａ）は、ｘＧｎＰとケナフ纎維含量変化によるＰＬＡ複合材料の貯蔵弾性率グラフであり、（ｂ）は、４０重量％ケナフ纎維含量に対してｘＧｎＰの変化によるＰＬＡ複合材料のタンジェントデルタである。ａ）ＰＬＡ、ｂ）５重量％ｘＧｎＰ／ＰＬＡ、ｃ）４０％ケナフ／ＰＬＡと、ｄ）５％ｘＧｎＰ／４０％ケナフ／ＰＬＡの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。ＰＬＡとＰＬＡ複合材料のＸＲＤスペクトルである。

以下、本発明をより詳しく説明する。

本発明によるナノバイオ複合体は、炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維補強材と高分子とを含むことが特徴である。

本発明で使用可能な天然纎維は、木材パルプ、非木材纎維、微細藻類副産物、海藻類副産物、シルク纎維、ナノ纎維、またはこれらの混合物のうちから選択され、具体的に、ケナフ、ヘネケン、竹などを使うことができる。

また、本発明で使用可能な汎用高分子として、ポリプロピレン、ポリエチレンのような熱可塑性高分子、エポキシのような熱硬化性高分子、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、澱粉、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）のような生分解性高分子の一種、またはこれらの混合物のうちから選択して使うことができる。そのうち、ポリ乳酸（ＰＬＡ）は、他の材料と共重合が容易であり、分解性に優れるために、環境に優しい材料として使うのに適している。

また、炭素ナノ物質としては、剥離黒鉛ナノ板（ｘＧｎＰ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、グラファイト、またはこれらの混合物のうちから選択して使うことができる。そのうち、ｘＧＮＰは、電気伝導性と熱伝導性とがあり、高分子基質に対する核生成剤として作用し、６重量％以下の低い含量でも、高分子の全体性能を改善させる効果があって、補強材として使うのに適している。ｘＧｎＰは、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）と同じ化学構造を有するので、ＣＮＴと類似した機械的、熱的、及び電気的特性を有するということを意味する。さらに、ＣＮＴの表面積と縦横比とが大きく、コストが安価であるために、ｘＧｎＰは、ＣＮＴの代替材料として潜在力がある。

本発明の一実施例で、ＰＬＡ中にｘＧｎＰを５重量％添加すると屈曲弾性率と強度とがそれぞれ５０％と１５％、耐衝撃性は４０％、貯蔵率は常温で９０％向上したので、その効果が大きいということを確認することができた。

また、本発明の一具現例によれば、天然纎維の含量は、１０〜５０重量％であり、高分子の含量は、５０〜９０重量％であり、炭素ナノ物質の含量は、１〜１０重量％であることが望ましい。天然纎維の含量が５０％以上であれば、高分子による十分に濡れにくく、炭素ナノ物質が１０％以上であれば、ナノ物質の添加による物性特性の向上を期待しにくい。

また、本発明で使われる天然纎維の直径は、１ｎｍないし８００μｍであることが望ましい。直径がそれ以上である場合、高分子と均一に混合されにくく、ナノ複合体の補強材としての効果が減少しうる。

本発明の一実施例によれば、分散媒としては、例えば、イソプロピルアルコール、エタノール、アセトンなどが挙げられ、前記成形押出温度は、７０〜１８０℃であり、圧力は、１００〜１５０ｐｓｉであることが望ましい。温度が１８０℃以上であれば、天然纎維が燃えやすく、圧力が高ければ、天然纎維が折れるか、天然纎維にコーティングされている炭素ナノ素材が離れ落ちやすい。

また、本発明は、高分子との複合体を製造する前に、炭素ナノ物質が分散された分散液に天然纎維を添加した後、分散媒を蒸発させて炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維が得られ、このように、剥離黒鉛ナノ板（ｘＧｎＰ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、グラファイト、及びこれらの混合物のうちから選択された導電性炭素ナノ物質で天然纎維をコーティングすれば、絶縁体である天然纎維に電気伝導性と熱伝導性とが付与されて多様な用途に使うことができる。炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維の電気伝導度を原子間力顕微鏡で測定したＩ−Ｖ曲線を見ると、ケナフ天然纎維は不導体であるが、ナノ物質がコーティングされた天然纎維は、伝導性を表わす。これにより、内部は、不導体でありながら表面でのみ伝導性を有し、天然纎維の弾性をそのまま保持することができる炭素ナノ物質コーティング纎維が得られる。このような特性を有した炭素ナノ物質コーティング天然纎維は、電極支持体などにも使われる。

具体的に、本発明は、ポリ（乳酸）系複合材料で剥離黒鉛ナノ板（ｘＧｎＰ：ｅｘｆｏｌｉａｔｅｄｇｒａｐｈｉｔｅｎａｎｏｐｌａｔｅｌｅｔｓ）のようなナノ材料とケナフ天然纎維のようなマイクロサイズの補強材との間の相乗作用に関するものである。言い換えれば、本発明のようなナノバイオ複合体にｘＧｎＰのような炭素ナノ材料を高分子補強材として使えば、天然纎維と高分子との相互作用を強化して、機械的特性を増加させ、溶融粘度を低めることができる。これにより、生分解性複合材料のさらに容易な加工と全体特性の増強として表われてさらに多くの用途として使うことができる。

一方、本発明によるナノバイオ複合材料は、溶融−混合後、射出成形によって製造した。溶融−混合前に、ケナフ纎維のような天然纎維を超音波を用いてｘＧｎＰなどの炭素材料でコーティングした。本発明で使われた補強材含量は、ｘＧｎＰの場合、５重量％以下であり、ケナフ纎維の場合、４０重量％以下であった。屈曲強度、屈曲弾性率、及び貯蔵弾性率のような粘弾特性を測定した結果、ｘＧｎＰを５重量％添加した時、高分子溶融物の粘度が増加せず、あらゆる使用含量では、屈曲弾性率が２５〜３０％ほど増進されたが、強度は増加しないと明かされたが、これは、高分子−ｘＧｎＰまたはｘＧｎＰ−ケナフ界面で充填された纎維の移動が不十分であることを表わす。最後に、ｘＧｎＰの添加は、纎維の含量がさらに高い時にのみ熱変形温度に肯定的な影響を与えるということが明かされた。

以下、本発明を下記の実施例によってより詳しく説明する。しかし、これは、本発明の理解を助けるための例示的なものであり、本発明の範囲が、これに制限されるものと解析されてはならない。

＜実施例＞
（ｘＧｎＰでコーティングされたケナフ纎維及びｘＧｎＰ−ケナフ−ＰＬＡ複合体の製造）
ポリ（乳酸）（ＰＬＡ、ＭＷ＝１．４２×１０４ｇ／モル、ペレット、半結晶性）は、ＮａｔｕｒｅＷｏｒｋｓ社（ミネソタ、ミネソタ州）の製品コード３０５１Ｄを購入し、剥離黒鉛ナノ板（ｅｘｆｏｌｉａｔｅｄｇｒａｐｈｉｔｅｎａｎｏｐｌａｔｅｌｅｔｓ：ｘＧｎＰ^ＴＭ）は、ＸＧサイオンス（イーストランシング、ミシガン州）の製品コードＢ００６−１を使った。前記剥離黒鉛ナノ板は、１μｍの平均直径と１０〜１５ｎｍ程度の厚さとを有する。６０〜７０ｍｍフィラメント形で８０〜１００μｍ直径のケナフ（ハイビスカスカンナビスエル）纎維は、バングラデシュから供給された。前記ケナフ纎維を１ｃｍ長さに切断して追加処理なしに使った。また、ケナフ纎維をｘＧｎＰでコーティングする時、ｘＧｎＰに対する分散媒として、イソプロピルアルコールＩＰＡ（ＡＣＳ級９９．７％）を使った。

複合材料を３段階で製造した。まず、ｘＧｎＰをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）にＩＰＡ１リットル当たりｘＧｎＰ１ｇの比率で超音波（１／２”探針サイズを有したＳ−４０００超音波処理器、Ｍｉｓｓｏｎｉｘ社製）を用いて３０分間分散させた。均質のｘＧｎＰ／ＩＰＡ溶液が得られれば、超音波処理を中止し、あらかじめ計量したケナフ纎維を前記溶液に添加した。ＩＰＡを一晩中蒸発させるか、濾過除去し、図１に示したｘＧｎＰでコーティングしたケナフ纎維を次の段階で使う前に周り温度で乾燥させた。

図１（ａ）は、入手したそのままのケナフ纎維の光学顕微鏡写真であり、図１（ｂ）は、５重量％のｘＧｎＰでコーティングした後のケナフ纎維の光学顕微鏡写真である。

二番目の段階で、２軸（逆方向同一方向回転）押出機（１５ｃｃ、ＤＳＭ、オランダ）を用いてｘＧｎＰコーティングされたケナフ纎維をＰＬＡペレットと混合した。スクリュー速度は、１５０ｒｐｍであり、押出機内の材料の滞留時間は３分に設定し、バレル温度は１８０℃であった、得られた複合材料の鎖をペレット化した。最後に、複合材料ペレットを射出成型機に連結された押出機に供給して複合材料の試片を製造した。成形温度は７５℃であり、成形圧力（注入、充填、及びパッキング）は１１０ｐｓｉであった。補強材含量はｘＧｎＰの場合、０、１、３、５重量％であり、ケナフ纎維の場合、０、２０、３０、４０重量％であった。

（分析条件）
屈曲強度と弾性率は、２３±２℃と相対湿度５０±５％とでＭＴＩ器を利用するＡＳＴＭＤ７９０によって変形率０．０１／分で３点屈曲試験法を用いて測定した。支持台径間対深さ比は１６：１であった。試片を試験片の外面が破裂されても、または最大変形率が５．０％に到逹しても、どちら側が先に発生するまで屈曲した。

熱変形温度ＨＤＴを動的機械分析器ＤＭＡＱ８００（ＴＡＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社）を用いてＡＳＴＭＤ６８４によって測定した。寸法が５０×１２．７５×３．３０ｍｍである長方形断面の試片を一定の荷重０．４６ＭＰａ下、３点屈曲モードで温度を周り温度から１００℃まで変化させて試験した。昇温速度は２℃／分であった。複合材料の貯蔵弾性率とタンジェントデルタとを窒素雰囲気を用いて単一カンチレバー方式のＤＭＡによっても測定した。昇温速度は５℃／分であった。温度範囲は、常温で１５０℃であった。この試験は、振幅０．２ｍｍと固定周波数１Ｈｚとで実施した。各測定前に、機器を正確な固定位置と固定コンプライアンス（ｃｌａｍｐｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）とを有するように較正した。

最終的に、また、ＰＬＡ溶融物と４０重量％ケナフ／ＰＬＡ複合材料との粘度をｘＧｎＰ含量変化によってＡＲＥＳ２０００（ＴＡＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用いて測定した。一定の温図１８０℃と変形率０．０８％で本研究に使われた各ｘＧｎＰ濃度に対して５個の試片を試験した。この変形率値は、以前の変形率の変化実験から測定された線形区間内で最大値である。溶融物の粘度は、周波数範囲０ないし１００ｒａｄ／秒で測定した。

高分子内の補強材の分散と補強材／高分子界面で補強材の接着を含む複合材料の形態を加速電圧１５〜２５ｋＶでＳＥＭ（Ｓ−４７００、Ｈｉｔａｃｈｉ、日本）を用いて特性分析した。研究した表面は、液体窒素を用いて凍結切断（ｃｒｙｏ−ｆｒａｃｔｕｒｅ）によって得た。観察する前に、試片を金にコーティングして表面帯電を防止した。ＰＬＡの結晶挙動に対するｘＧｎＰとケナフ纎維の効果をＸ線回折法と時差走査熱量法（ＤＳＣ）とを用いて研究した。ＤＳＣ研究で、５〜１０ｍｇのサンプルを使って周り温度から２２０℃まで５℃／分速度で加熱した。温度を２２０℃で５分間固定した後、５℃／分の速度で周り温度まで減少させた。複合材料のＸ線回折パターンは、湾曲型黒鉛単色光分光器を備えたＣｕ−Ｋα放射線（λ＝１．５４０５６Å）を採用するＲｉｇａｋｕＲｏｔａｆｌｅｘ２００Ｂ回折計を用いて得た。Ｘ線の作動設定は、４５ｋＶと１００ｍＡであった。回折パターンは、１０゜ないし５０゜（２θ）で１／２゜の発散と散乱スリットを用いてスキャン速度１゜／分で得た。

（形態及び熱重量分析）
入手したそのままのケナフ纎維は、図１（ａ）に示したように、多数個の鎖からなるバンドル形態であった。イソプロピルアルコールのうち、ｘＧｎＰの超音波処理によってケナフ纎維の表面をコーティングした。５重量％のようにｘＧｎＰの高い含量でコーティングすれば、図１（ｂ）に示したように、ｘＧｎＰが多層で表われる。ｘＧｎＰは、纎維の表面に物理的に吸収され、２個の補強材の間には、化学結合がないという点が注目される。また、熱重量分析法（ＴＧＡ）を行ってケナフ纎維のｘＧｎＰコーティングを評価した。下記の表１には、ｘＧｎＰ／ケナフ／ＰＬＡ複合材料の熱重量分析の結果が表われており、３個試験の平均値でそれによる標準偏差を表わした。

ｘＧｎＰの分解温度は６００℃が超えるが、試験は５００℃以下で進行した。その結果、２つの温度で大きな重量減少が観察された。６０〜９０℃の範囲で起こる〜８重量％の減少は、あらゆるサンプルで観察され、これは、ケナフ纎維をｘＧｎＰでコーティングする中に使われたイソプロピルアルコールの残留に起因するものである。約７０〜８０重量％の二番目の主要重量減少は、２８５〜３７０℃範囲で起こり、これは、ケナフ纎維が漸進的に分解されるものに起因する。ケナフ纎維に堆積されるｘＧｎＰの量が増加するにつれて（ｘＧｎＰ／ケナフ纎維比が減少するにつれて）、分解温度に対する有意な差はないが、４９５℃で残留率（重量％）において若干の増加が観察される。このＴＧＡ結果を通じてコーティング工程中に使った初期ｘＧｎＰ／ケナフ纎維比は有意的に異なるが、ケナフ纎維上のｘＧｎＰ量はほとんど同一であるということが分かる。これは、ケナフ纎維が既にｘＧｎＰによって覆われていれば、それ以上のｘＧｎＰ量は、纎維コーティング工程用として使ったガラス容器の壁に堆積されるか、ガラス容器の底に滞留する飽和効果を意味する。この余分のｘＧｎＰも押出機に移送され、バルクＰＬＡ高分子基質内に分散される。また、ｘＧｎＰが極性基を有していないので、ｘＧｎＰとケナフ纎維との間の相互作用は、主に物理的なものであると推定される。

図２は、原子間力顕微鏡で測定した入手したそのままのケナフ纎維の表面形状と伝導度とを示すＩ−Ｖ曲線であり、図２（ｂ）の３重量％のｘＧｎＰでコーティングした後のケナフ纎維の表面形状と伝導度とを示すＩ−Ｖ曲線である。この２つのグラフを比べると、天然纎維は不導体であるが、ｘＧｎＰでコーティングした後のケナフ纎維の表面は導電性を有する。これにより、材料は不導体であり、天然纎維の弾性をそのまま有しながら、表面を通じて導電性を有する天然纎維ナノ複合体の製造が可能であり、このような材料は、電極支持体などに使われうると推定される。

（屈曲特性）
ｘＧｎＰとケナフ纎維の濃度変化によるＰＬＡ系複合材料の屈曲強度と弾性率とをそれぞれ図３に示した。図３（ａ）は、ｘＧｎＰとケナフ纎維含量変化によるＰＬＡ複合材料の屈曲強度を示し、図３（ｂ）は、屈曲弾性率を示す。

ケナフ纎維のないＰＬＡに５重量％のｘＧｎＰを添加すれば、高分子の強度に対する如何なる効果もない。ケナフ纎維を２０重量％と３０重量％とで添加すれば、黒鉛のないＰＬＡの強度を大きく増加させるが、〜３０重量％では、一定の（ｐｌａｔｅａｕ）値が観察される。ケナフ纎維含量が４０重量％までさらに増加すれば、強度が大きく減少するが、その主原因は、高分子内に纎維が十分に分散されないようにする高い融溶粘度のためで、これについての説明は、下記で論議される粘度データによっても裏付けられる。また、４０重量％ケナフ−ＰＬＡ複合材料に対する強度結果は、測定と関連した誤差が大きくて非常に確定的ではないということが注目される。ＰＬＡを補強するために、ｘＧｎＰコーティングされたケナフ纎維を使えば、強度はケナフのみを使ったＰＬＡの強度に比べて減少する。前述したように、さらに低い強度を有した４０重量％のケナフで補強したＰＬＡ複合材料が例外的なものであって、それを除けば、ｘＧｎＰの添加は強度を増加させる。

ケナフ高分子界面にｘＧｎＰが存在すれば、（ｉ）ｘＧｎＰプレートレットが纎維軸方向に平行であり、グラフェン面に垂直にｘＧｎＰの荷重支持能力が非常に低く；（ｉｉ）ｘＧｎＰは疎水性であるが、ＰＬＡとケナフ纎維は、いずれも親水性であって、ＰＬＡ−ケナフ界面領域が減少すれば、界面を通じる荷重伝達能力が減少することができるために、界面をさらに弱化させると予想される。一方、ケナフ纎維にｘＧｎＰをコーティングすれば、纎維間の親水性の引力的相互作用を弱化させてＰＬＡ基質内のさらに分散された纎維ネットワークが表われる。これら反作用現象が観察された強度傾向性に対する主な理由である。

屈曲強度に対して観察された傾向性と反対に、ｘＧｎＰがあってもなくてもケナフ纎維を添加すれば、ＰＬＡの弾性率が大きく増大する。弾性率の場合、２個の補強材があれば、相乗効果があるように見える。例えば、ｘＧｎＰを５重量％のみ添加すれば、ＰＬＡの弾性率が〜２５％ほど増大し、ケナフを４０重量％のみ添加すれば、ＰＬＡの弾性率が〜１１０％ほど向上するが、５重量％のｘＧｎＰと４０重量％のケナフとを共に添加すれば、１６５％が超えるようにＰＬＡ弾性率が増大する。同じ傾向性が本研究で使われたあらゆるｘＧｎＰ−ケナフ組み合わせで観察される。

（熱変形温度）
熱変形温度（ＨＤＴ）は、ある材料が特定の荷重が印加された状態で所定の変形率値を超過して変形されずに耐えることができる最大温度として定義されるものであって、バイオ複合材料の場合に、非常に重要な特性である。その理由は、熱変形温度が最終製品の性能温度範囲を左右するためである。ｘＧｎＰとケナフ纎維濃度変化によるＰＬＡ複合材料のＨＤＴを図４に示した。ケナフ纎維なしにｘＧｎＰを５重量％添加すれば、ＰＬＡのＨＤＴを大きく変化させない。逆に、ケナフ纎維を添加すれば、黒鉛の存否に関係なく、ＰＬＡのＨＤＴを増加させる。２個の補強材の存在による相乗作用が観察されるが、明らかな傾向性はＨＤＴがｘＧｎＰ濃度によって増加するケナフ纎維を４０重量％有する複合材料の場合にのみ観察される。ケナフ纎維４０重量％とｘＧｎＰ５重量％とを有する複合材料のＨＤＴは、純粋なＰＬＡのＨＤＴに比べて〜１４％増加した。

（粘弾特性）
広範囲な用途でＰＬＡ複合材料特有の利点を活用するためには、コストが安価であり、単純かつ迅速に製造することができる製造方法が利用されなければならない。このような方法で押出後に射出成形する方法があるが、この方法では、特に多い含量で補強した高分子の場合、高い溶融粘度が制限因子として作用する。ＰＬＡの溶融粘度に対するｘＧｎＰとケナフ纎維の効果は、線形動的振動せん断測定法に基づいて測定し、図５に提示した。詳細に、図５（ａ）は、ｘＧｎＰとケナフ纎維含量変化によるＰＬＡ溶融物の粘度を示している。ｘＧｎＰを５重量％添加すれば、ＰＬＡの粘度を増加させないが、ケナフ纎維を４０重量％添加すれば、１０^３倍ほど粘度を増加させる。示したように、ケナフ−ＰＬＡ溶融物の粘度は、ｘＧｎＰを少量（３重量％以下）添加すれば、減少しうる。これは、ｘＧｎＰがあれば、（ｉ）前記で論議したように、ケナフ纎維の良好な分散を促進し、（ｉｉ）ケナフ−ＰＬＡ界面接触領域を減少させて纎維が高分子鎖を固定（ｐｉｎ）することができなく、高分子鎖の移動を効率的な程度に沮止することができないためである。図５（ｂ）は、周波数（変形率）変化によるバイオ複合材料の粘度を示している。純粋なＰＬＡと５重量％ｘＧｎＰ／ＰＬＡ複合材料は、試験周波数範囲全体に亘ってほとんどニュートン挙動を表わす。４０重量％ケナフ−ＰＬＡ複合材料は、試験範囲全体に亘って遥かに高い粘度を有するので、これは、溶融混合と射出成形中に分散が不良であり、加工が難しいということを意味する。図５（ｂ）に示したように、１重量％のように少量のｘＧｎＰをケナフ−ＰＬＡ系に添加すれば、粘度が１０倍ほど減少しうる。

粘度以外に、ｘＧｎＰとケナフ纎維含量変化によってＰＬＡ複合材料の他の粘弾特性も測定した。このような粘弾特性には、貯蔵弾性率及び損失と貯蔵弾性率の比として定義されるタンジェントデルタがある。広範囲な温度にかけて実施したＤＭＡ測定は、溶融された高分子系の粘弾挙動、特に、纎維−補強高分子複合材料でガラス転移現象に対して知らせてくれるはずであり、高分子複合材料の界面特性に対する理解を提供する。図６（ａ）は、２５℃で測定したｘＧｎＰとケナフ纎維含量変化による純粋なＰＬＡの貯蔵弾性率をｘＧｎＰ−ケナフ−ＰＬＡ複合材料の貯蔵弾性率と比較する。ＰＬＡ基質の貯蔵弾性率は、ｘＧｎＰを５重量％添加時、〜１９％ほど増加し、ケナフ纎維を４０重量％添加時、６２％ほど増加する。５重量％のｘＧｎＰと４０重量％のケナフとをいずれもＰＬＡに添加すれば、貯蔵弾性率が９７％ほど増加するが、これは、２個の補強材の存在による相乗効果を意味する。

図６（ｂ）は、４０重量％ケナフ纎維−ＰＬＡ複合材料のタンジェントデルタに対するｘＧｎＰ含量の効果を示す。ＰＬＡ基質のタンジェントデルタピーク高さは、減衰特性と関連したものであって、ｘＧｎＰの添加によって変わらなかった。一方、ケナフ纎維を４０重量％添加時、ピーク高さは大きく減少しなかった。これは、ｘＧｎＰが高分子基質の移動度に影響を及ぼさないが、ケナフ纎維は、高分子鎖を“固定”させて高分子鎖の移動度を減少させることを意味するが、これも、図５に示した粘度データによって裏付けられる。さらに、図６（ｂ）に示したように、４０重量％ケナフ−ＰＬＡ複合材料のピーク温度であるガラス転移温度は、ｘＧｎＰの添加時、３〜５℃ほど増加する。この程度の小さな増加は、ｘＧｎＰがＰＬＡ複合材料の減衰特性に大きく影響を与えずに複合材料内で分子の分節移動性に影響を与えないということを意味する。

（ＰＬＡ複合材料の形態）
凍結切断によって得られた複合材料の表面の形態を図７に示した。研究された破断表面は、射出成形方向と垂直を成す。図７（ａ）に示したＰＬＡ表面と図７（ｂ）に示した５重量％ｘＧｎＰ−ＰＬＡ系の表面とを比較した結果、ｘＧｎＰは、射出成形方向に沿ってＰＬＡ基質内に整列され、ｘＧｎＰ−ＰＬＡ界面は、界面に沿って黒色領域に表われる気孔を含んでいることを示す。ＰＬＡが親水性であり、黒鉛は疎水性であるために、高分子によるｘＧｎＰ湿潤は良くないと予想される。ケナフ纎維は、図７（ｃ）に示したように、ＰＬＡ基質内に良好に分散されているが、これも、ケナフ−ＰＬＡ界面もやはり気孔を含んでいることを示す。最後に、５重量％ｘＧｎＰと４０重量％ケナフ纎維で補強されたＰＬＡ複合材料の破断面を図７（ｄ）に示した。纎維とｘＧｎＰいずれも高分子内によく分散されている。しかし、観察結果、図７（ｄ）に示したように、ｘＧｎＰがケナフ纎維の表面とバルクＰＬＡ内でいずれも発見される。これは、ケナフ纎維とｘＧｎＰの表面から非常に小さな小纎維が溶融混合中に、特に、５重量％のようにｘＧｎＰが高い含量で使われる時、高分子に移動するためである。バルク高分子内のｘＧｎＰの存在に対するまた他の裏面の理由は、ｘＧｎＰのこれら含量ではケナフ纎維が十分に存在しなくなって、その余分のｘＧｎＰが基質に移動するために、ｘＧｎＰは、纎維表面上に多層コーティングを形成するという点である。ｘＧｎＰが、５重量％で系に添加される時、ケナフ纎維−ＰＬＡ界面には気孔がなくて、さらに良好な湿潤とさらに大きな界面接触線とを表わすという点に注目する。

（ＰＬＡ複合材料の結晶化挙動）
代表サンプルでＰＬＡ複合材料の結晶化挙動をＸ線回折法（ＸＲＤ）と時差走査熱量法（ＤＳＣ）とを用いて研究した。図８に示したＸＲＤスペクトルによれば、純粋なＰＬＡ（曲線Ａ）は、２θ値１７゜で光幅のピークを表わす。ケナフ纎維を４０重量％添加時、ＰＬＡピークは狭くなり（曲線Ｂ）、ＰＬＡの整列構造と結晶性を反映する２２゜で第２ピークもスペクトルに存在する。４０％ケナフ纎維／ＰＬＡ複合材料にｘＧｎＰの５重量％添加は（曲線Ｃ）、ＰＬＡとケナフ纎維ピークの位置または相対的強さに影響を与えない。ｘＧｎＰが存在することは、２６．５゜で特徴的な黒鉛ピークによって確認されている。ケナフ纎維のない状態で（曲線Ｄ）、ｘＧｎＰピークは依然として存在するＰＬＡピークを圧倒して見えないようにするということが注目される。

表２に示したように、後述する方程式を用いて計算したＰＬＡ基質の結晶化度は、ｘＧｎＰ（５重量％）や低含量のケナフ纎維（２０重量％）の添加時、若干増加する。確実な増加は、ｘＧｎＰとケナフ纎維とを低含量で、すなわち、１重量％のｘＧｎＰと２０重量％のケナフ纎維とをいずれも含有する複合材料で観察される。纎維を高い含量で添加すれば、結晶化度が増加して、ほぼ１００％結晶性ＰＬＡが表われる。このような結晶化度傾向性は、機械的特性の傾向性と同一であるので、ｘＧｎＰとケナフ纎維の補強効果以外にも、結晶化度が機械的特性と熱−機械的特性との向上に寄与するということを表わす。

前記式で、ΔＨは、サンプルの非溶融エンタルピー（２個の溶融ピークのΔＨの和）であり、
は、１００％結晶性高分子基質（ＰＬＡの場合９３．０Ｊ／ｇ）の溶融エンタルピーであり、％ｗｔｆｉｌｌｅｒは、充填剤の総重量パーセントである。表２に示したΔＨ_ｃ、Ｔ_ｍ１、Ｔ_ｍ２とＴ_ｃは、それぞれサンプルの非結晶化エンタルピー、第１溶融ピークでの温度、第２溶融ピークでの温度と結晶化温度である。下記の表２には、ｘＧｎＰ／ケナフ／ＰＬＡ複合材料の結晶化挙動を示す。

ポリ（乳酸）系複合材料で剥離黒鉛ナノ板のようなナノ材料とケナフ纎維のようなマイクロサイズの補強材との間の相乗作用を調査した。このナノバイオ複合材料は、超音波処理によって製造したｘＧｎＰコーティングされたケナフ纎維を用いて溶融−混合した後、射出成形によって製造した。本研究で使われた補強材含量は、ｘＧｎＰの場合、５重量％以下であり、ケナフ纎維の場合、４０重量％以下であった。前記２個の補強材の間の相乗作用によって、ｘＧｎＰ−ケナフ纎維−ＰＬＡ複合材料の屈曲強度、屈曲弾性率、及び貯蔵弾性率は大きく増大した。形態学的研究によれば、ＰＬＡ−ｘＧｎＰ−ケナフ纎維界面には気孔がなく、高分子による補強材湿潤は、１つの補強材のみを別途に使ったＰＬＡ複合材料に比べて良好であると見える。ＰＬＡのタンジェントデルタと粘度は、ケナフ纎維の添加時に大きく変化され、纎維含量が４０重量％である場合、粘度が１０^３倍ほど増加した。純粋なＰＬＡにｘＧｎＰを３重量％以下に添加する時には、これら特性を変化させることができなかった。しかし、ｘＧｎＰとケナフ纎維いずれをもＰＬＡに添加した時、粘度はケナフ纎維−ＰＬＡ複合材料の粘度に比べてさらに低かったが、これは、ｘＧｎＰがケナフ纎維の良好な分散を促進し、形態学的研究によっても裏付けられるように、５重量％のようにさらに多くのｘＧｎＰの量は、ケナフ纎維とＰＬＡ基質との間の良好な接着に寄与するということを示す。

本発明は、炭素ナノ物質でコーティングされた天然纎維補強材と高分子とを含むナノバイオ複合体に関連する分野に適用されうる。

Claims

平均直径が１μｍであり、かつ、厚みが１０〜１５ｎｍである黒鉛ナノ板でコーティングされたケナフと、ポリ乳酸とを含むナノバイオ複合体。
前記ケナフの含量は、１０〜５０重量％であり、前記ポリ乳酸の含量は、５０〜９０重量％であり、前記黒鉛ナノ板の含量は、１〜１０重量％であることを特徴とする請求項１に記載のナノバイオ複合体。
前記ケナフの直径は、１ｎｍないし８００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のナノバイオ複合体。
平均直径が１μｍであり、かつ、厚みが１０〜１５ｎｍである黒鉛ナノ板でコーティングされたケナフ。
１）平均直径が１μｍであり、かつ、厚みが１０〜１５ｎｍである黒鉛ナノ板が分散された分散液にケナフを添加した後、分散媒を蒸発させて前記黒鉛ナノ板でコーティングされたケナフを得る段階と、
２）前記黒鉛ナノ板がコーティングされたケナフと、ポリ乳酸とを混合して成形押出する段階と、
を含むことを特徴とするナノバイオ複合体の製造方法。
前記分散媒は、イソプロピルアルコール、エタノール、アセトンのうちから選択されることを特徴とする請求項５に記載のナノバイオ複合体の製造方法。
成形押出する温度は、７０〜１８０℃であり、圧力は、１００〜１５０ｐｓｉであることを特徴とする請求項５に記載のナノバイオ複合体の製造方法。
前記ケナフの含量は、１０〜５０重量％であり、前記ポリ乳酸の含量は、５０〜９０重量％であり、前記黒鉛ナノ板の含量は、１〜１０重量％であることを特徴とする請求項５に記載のナノバイオ複合体の製造方法。
前記ケナフの直径は、１ｎｍないし８００μｍであることを特徴とする請求項５に記載のナノバイオ複合体の製造方法。