JP5806637B2 - 樹脂複合材料及び樹脂複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の樹脂複合材料は、合成樹脂と、上記合成樹脂中に分散されたグラフェン構造を有する炭素材料とを含む。本発明の樹脂複合材料においては、上記炭素材料に上記合成樹脂がグラフト化しており、上記炭素材料のグラフト化率が5重量%〜3300重量%である。
本発明の樹脂複合材料に含まれる上記合成樹脂は特に限定されず、様々な公知の合成樹脂を用いることができる。好ましくは、上記合成樹脂として熱可塑性樹脂が用いられる。 熱可塑性樹脂を用いた樹脂複合材料では、加熱下により様々な成形方法を用いて、様々な成形品を容易に得ることができる。上記熱可塑性樹脂としては、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレンなどのポリエチレン類や、ホモポリプロピレン、ブロックポリプロピレン、ランダムポリプロピレンなどのポリプロピレン類に代表されるポリオレフィン、ノルボルネン樹脂等の環状ポリオレフィン類、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル等の酢酸ビニル共重合体類や、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等のポリ酢酸ビニル誘導体類、PET、ポリカーボネート、ポリ乳酸等のポリエステル類、ポリエチレンオキサイド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン等のポリエーテル樹脂類、PMMA等のアクリル系樹脂類、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン等のスルホン系樹脂類、PTFE、PVDF等のフッ素化樹脂類、ナイロン等のポリアミド樹脂類、ポリ塩化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン化樹脂類、ポリスチレン、ポリアクリロニトリルやそれらの共重合樹脂類などを挙げることができる。上記合成樹脂は1種のみが用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。特に好ましくは、安価であり、加熱下の成形が容易であるポリオレフィンが望ましい。
本発明の樹脂複合材料では、上記グラフェン構造を有する炭素材料が、上記合成樹脂に分散されている。それによって、本発明の樹脂複合材料の機械的強度を高めること及び線膨張係数を低めることができる。さらに、場合によっては、本発明の樹脂複合材料に導電性を発現させることもできる。そのため、本発明の樹脂複合材料は、導電性を発現する材料としても用いることができる可能性を有する。
本発明の樹脂複合材料では、上記合成樹脂と異なる種類の追加の樹脂をさらに含んでいてもよい。その場合には、樹脂複合材料が上記追加の樹脂を含むことにより、様々な物性の樹脂複合材料を容易に提供することができる。上記追加の樹脂は、上記炭素材料にグラフト化していてもよく、グラフト化していなくてもよい。
本発明の樹脂複合材料においては、本発明の目的を阻害しない範囲で、様々な添加剤を含んでいてもよい。このような添加剤としては、フェノール系、リン系、アミン系もしくはイオウ系等の酸化防止剤;金属害防止剤;ヘキサブロモビフェニルエーテルもしくはデカブロモジフェニルエーテル等のハロゲン化難燃剤;ポリリン酸アンモニウムもしくはトリメチルフォスフェート等の難燃剤;各種充填剤;帯電防止剤;安定剤;顔料等を挙げることができる。
次に、本発明の樹脂複合材料の製造方法について説明する。
まず、合成樹脂と、上記合成樹脂中に分散されたグラフェン構造を有する炭素材料とを含む樹脂組成物を用意する工程を行う。
以下、本発明の具体的な実施例及び比較例を挙げることにより、本発明を明らかにする。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
本発明の実施例及び比較例において使用した材料は、以下の通りである。
XG SCIENCE社製、商品名「XGnP−5」の薄片化黒鉛を、薄片化黒鉛Aとした。この薄片化黒鉛Aを、後述の実施例1〜3,6,13及び16〜22並びに比較例1〜3,8,15及び18〜24において用いた。
実施例及び比較例に用いる薄片化黒鉛Bを、以下の方法で製造した。
上記方法と同様にして、薄片化黒鉛Bの混合液を得た。この薄片化黒鉛Bの混合液には、薄片化黒鉛Bが0.25g含まれていた。
(カーボンナノチューブ(CNT))
上記カーボンナノチューブの平均長は約1.5μm、平均径は約9.5nmであった。
本発明の実施例及び比較例において使用した合成樹脂は、以下の通りである。
後述の実施例6〜17において使用するラジカル開始剤としては、Sigma−Aldrich社製のベンゾイルパーオキサイドを用いた。
(実施例1)
ポリプロピレン系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A20重量部と、反応助剤としてジビニルベンゼン3重量部とを180℃のプラストミルに供給して混練し、プレス成形することによって、表面平滑な厚み1mmのシート状成形物を得た。得られたシート状成形物に、加速電圧700KVで電離性放射線を1.5Mrad照射することにより、表面平滑な厚み1mmの樹脂複合材料シートを得た。
高密度ポリエチレン樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A20重量部とを160℃のプラストミルに供給して混練し、プレス成形することによって、表面平滑な厚み1mmのシート状成形物を得た。得られたシート状成形物に、加速電圧700KVで電離性放射線を1.5Mrad照射することにより、表面平滑な厚み1mmの樹脂複合材料シートを得た。
ポリカーボネート系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A20重量部とを290℃のプラストミルに供給して混練し、プレス成形することによって、表面平滑な厚み1mmのシート状成形物を得た。得られたシート状成形物に、加速電圧700KVで電離性放射線を3.0Mrad照射することにより、表面平滑な厚み1mmの樹脂複合材料シートを得た。
130℃に加熱した薄片化黒鉛Bのo−ジクロロベンゼン溶液250g(薄片化黒鉛を0.125g(5重量部)含む)にアタクチックポリプロピレン系樹脂2.5g(100重量部)を加え、130℃で2時間撹拌することにより上記アタクチックポリプロピレン系樹脂を溶解させて、混合溶液を得た。得られた混合溶液を室温において放冷し、濾過して、続いて真空乾燥させた。
アタクチックポリプロピレン系樹脂100重量部と、多層カーボンナノチューブ40重量部とを180℃のプラストミルに供給して混練し、プレス成形することによって、表面平滑な厚み1mmのシート状成形物を得た。得られたシート状成形物に収縮を防止する目的により離型PETフィルムを両面に貼り合わせた。その後、上記シート状成形物に、加速電圧700KVで電離性放射線を1.5Mrad照射することにより、表面平滑な厚み1mmの樹脂複合材料シートを得た。
電離性放射線を照射しなかったこと以外は実施例1〜5と同様にして、表面平滑な厚み1mmの樹脂複合材料シートを得た。
薄片化黒鉛Aを添加しなかったこと以外は実施例1と同様にして、表面平滑な厚み1mmの樹脂複合材料シートを得た。なお、電離性放射線を照射する前のシート状成型体においては、23℃における引張弾性率は1.7GPaであった。
多層カーボンナノチューブを添加しなかったこと以外は実施例5と同様にして、表面平滑な厚み1mmの樹脂複合材料シートを得た。
(実施例6)
ポリプロピレン系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A20重量部と、ラジカル開始剤としてベンゾイルパーオキサイド6重量部とを押出機に供給して溶融混練し、ポリオレフィン系樹脂組成物を得た。
ポリプロピレン系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛B10重量部と、ラジカル開始剤としてベンゾイルパーオキサイド3重量部とを180℃のプラストミルに供給して混練し、プレス成形することによって、表面平滑な厚みが0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
130℃に加熱した薄片化黒鉛Bのo−ジクロロベンゼン溶液250g(薄片化黒鉛を0.125g(5重量部)含む)にポリプロピレン系樹脂2.5g(100重量部)を加え、130℃で2時間撹拌することにより上記ポリプロピレン系樹脂を溶解させて、混合溶液を得た。次に、上記混合溶液に、ラジカル開始剤として0.1重量%濃度のベンゾイルパーオキサイド・o−ジクロロベンゼン溶液10g(ベンゾイルパーオキサイドを0.4重量部含む)を、窒素雰囲気下において滴下した。続いて、2時間にわたって撹拌を続けて、グラフト化反応物を得た。その後、上記反応物を室温において放冷し、濾過して、続いて真空乾燥させた。
0.5重量%濃度のベンゾイルパーオキサイド・o−ジクロロベンゼン溶液10g(ベンゾイルパーオキサイドを2重量部含む)を用いたこと以外は実施例8と同様にして、樹脂複合材料シートを得た。
薄片化黒鉛Bのo−ジクロロベンゼン溶液に加えたポリプロピレン系樹脂の代わりに、アタクチックポリプロピレン系樹脂用いたこと以外は実施例9と同様にして、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
最初に使用したポリプロピレン系樹脂の代わりにアタクチックポリプロピレン系樹脂を用いたこと、及び薄片化黒鉛A20重量部の代わりにカーボンナノチューブ40重量部を用いたこと以外は実施例6と同様にして、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
グラフト化に用いたポリプロピレン系樹脂2.5gの代わりに高密度ポリエチレン樹脂2.5g(100重量部)を用いたこと、及び0.7重量%濃度のベンゾイルパーオキサイド・o−ジクロロベンゼン溶液10g(ベンゾイルパーオキサイドを2.8重量部含む)を用いたこと以外は実施例8と同様にして、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
シラン変性ポリプロピレン系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A3重量部と、ラジカル開始剤としてベンゾイルパーオキサイド4重量部とを押出機に供給して、190℃において溶融混練して、溶融混練物とした。その後、上記溶融混練物を押出機の先端に取り付けたTダイから押出し、冷却ロールにてシート成形することにより、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
ポリプロピレン系樹脂の代わりにポリメチルメタクリレート系樹脂を用いたこと以外は実施例8と同様にして、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
ポリプロピレン系樹脂の代わりにポリスチレン系樹脂を用いたこと以外は実施例8と同様にして、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
ポリアミド系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A3重量部と、ラジカル開始剤としてベンゾイルパーオキサイド6重量部とを押出機に供給して、270℃において溶融混練して、溶融混練物とした。その後、上記溶融混練物を押出機の先端に取り付けたTダイから押出し、冷却ロールにてシート成形することにより、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
ポリアクリロニトリル系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A3重量部と、ラジカル開始剤としてベンゾイルパーオキサイド6重量部とを押出機に供給して、200℃において溶融混練して、溶融混練物とした。その後、上記溶融混練物を押出機の先端に取り付けたTダイから押出し、冷却ロールにてシート成形することにより、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
ベンゾイルパーオキサイドを用いなかったこと以外は実施例6〜17と同様にして、厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
(実施例18)
ポリプロピレン系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A20重量部とを、同方向二軸押出機(スクリュー径=15mm、スクリュー有効長さ/スクリュー径=120)を用いて200〜250℃に加熱溶融して混練(スクリュー回転数=2500rpm)して、溶融混練物とした。その後、上記溶融混練物を押出機の先端に取り付けたTダイから押出し、冷却ロールにてシート成形することにより、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
高密度ポリエチレン樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A20重量部とを、同方向二軸押出機(スクリュー径=15mm、スクリュー有効長さ/スクリュー径=120)を用いて200〜280℃に加熱溶融して混練(スクリュー回転数=1000rpm)して、溶融混練物とした。その後、上記溶融混練物を押出機の先端に取り付けたTダイから押出し、冷却ロールにてシート成形することにより、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
ポリスチレン系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A20重量部とを、同方向二軸押出機(スクリュー径=15mm、スクリュー有効長さ/スクリュー径=120)を用いて120〜200℃に加熱溶融して混練(スクリュー回転数=4500rpm)して、溶融混練物とした。その後、上記溶融混練物を押出機の先端に取り付けたTダイから押出し、冷却ロールにてシート成形することにより、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
スクリュー回転数を200rpmとしたこと以外は実施例18〜20と同様にして、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
(実施例21)
ポリプロピレン系樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A20重量部とを180℃プラストミルに供給して混練し、プレス成形することによって、表面平滑な厚み0.5mmのシート状成形物を得た。得られたシート状成形物に、300W電子レンジを用いてマイクロ波を60秒間照射した。続いて、上記シート状成形物を室温まで放冷し、再び300W電子レンジを用いてマイクロ波を60秒間照射した。その後、上記シート状成形物を180℃においてプレス成形することによって、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
高密度ポリエチレン樹脂100重量部と、薄片化黒鉛A20重量部とを180℃プラストミルに供給して混練し、プレス成形することによって、表面平滑な厚み0.5mmのシート状成形物を得た。得られたシート状成形物に、100W電子レンジを用いてマイクロ波を60秒間照射した。続いて、上記シート状成形物を室温まで放冷し、再び100W電子レンジを用いてマイクロ波を60秒間照射した。その後、上記シート状成形物を180℃においてプレス成形することによって、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
130℃に加熱した薄片化黒鉛Bのo−ジクロロベンゼン溶液250g(薄片化黒鉛を0.125g(5重量部)含む)にポリスチレン系樹脂2.5g(100重量部)を加え、130℃で2時間撹拌することにより上記ポリスチレン系樹脂系樹脂を溶解させて、混合溶液を得た。得られた混合溶液を室温において放冷し、濾過して、続いて真空乾燥させた。
実施例23と同様にして、樹脂複合材料シートを得た。この樹脂複合材料シートを小さく裁断し、樹脂複合材料片とした。次に、上記樹脂複合材料片を濾紙で包んだ。上記濾紙から上記樹脂複合材料片が漏れ出ないように上記濾紙の端を折り込み、さらにその周囲を金属クリップで封止した。このようにして得られた包装体を、過剰量のTHFに24時間浸した。それによって、樹脂複合材料シートに含まれるグラフト化していないポリスチレン系樹脂を溶解除去した。その後、上記包装体を溶媒から取り出し、真空乾燥させることにより、精製されたグラフト化薄片化黒鉛を回収した。
薄片化黒鉛A20重量部の代わりに多層カーボンナノチューブ40重量部を用いたこと以外は実施例21と同様にして、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
マイクロ波を照射しなかったこと以外は実施例21〜25と同様にして、表面平滑な厚み0.5mmの樹脂複合材料シートを得た。
得られた樹脂複合材料のグラフト化率、引張弾性率、曲げ弾性率、線膨張係数、及びラマンスペクトルを、下記の方法により測定した。
実施例及び比較例により得られた樹脂複合材料シートを小さく裁断し、樹脂複合材料片とした。次に、上記樹脂複合材料片を濾紙で包んだ。上記濾紙から上記樹脂複合材料片が漏れ出ないように上記濾紙の端を折り込み、さらにその周囲を金属クリップで封止した。このようにして得られた包装体を、過剰量の溶媒に12時間浸した。それによって、樹脂複合材料シートに含まれるグラフト化していない合成樹脂を溶解除去した。
実施例及び比較例により得られた樹脂複合材料シートの23℃における引張り弾性率を、JIS K6767に準拠して測定した。結果を下記の表1〜表5に示す。
実施例及び比較例により得られた樹脂複合材料シートの23℃における見かけ曲げ弾性率を、JIS K7161に準拠して測定した。結果を下記の表1〜表5に示す。
実施例及び比較例により得られた樹脂複合シートの−30〜100℃における線膨張係数を、JIS K7197に準拠して測定した。結果を下記の表1〜表5に示す。
実施例4及び5並びに比較例4,5及び7により得られた樹脂複合材料シートについて、以下のようにして粘弾性を測定した。
実施例6及び比較例8によって得られた樹脂複合材料シートのラマンスペクトルを、波長532nmのレーザーを用いて、露光時間1秒、スキャン回数32回により顕微ラマン測定を行った。結果を図3に示した。
Claims (13)
- 合成樹脂と、前記合成樹脂中に分散された薄片化黒鉛とを含む樹脂複合材料であって、前記薄片化黒鉛に前記合成樹脂がグラフト化しており、前記薄片化黒鉛のグラフト化率が5重量%〜3300重量%である、樹脂複合材料。
- 前記合成樹脂と異なる種類の樹脂をさらに含んでいる、請求項1に記載の樹脂複合材料。
- 前記合成樹脂が熱可塑性樹脂である、請求項1または2に記載の樹脂複合材料。
- 前記熱可塑性樹脂がポリオレフィンである、請求項3に記載の樹脂複合材料。
- 前記熱可塑性樹脂が非晶性樹脂である、請求項3に記載の樹脂複合材料。
- 合成樹脂と、前記合成樹脂中に分散された薄片化黒鉛とを含む樹脂組成物を用意する工程と、
前記樹脂組成物を用意する工程と同時にまたは前記樹脂組成物を用意する工程の後に、前記薄片化黒鉛に前記合成樹脂をグラフト化させる工程とを備える、樹脂複合材料の製造方法。 - 前記グラフト化させる工程が、前記合成樹脂及び前記薄片化黒鉛を、混練用スクリューを備えるせん断混練装置により加熱混練することにより行われる、請求項6に記載の樹脂複合材料の製造方法であって、
前記加熱混練の際に、前記スクリューを500rpm〜5000rpmの回転速度で回転させる、樹脂複合材料の製造方法。 - 前記加熱混練が動的な加熱混練により行われる、請求項7に記載の樹脂複合材料の製造方法。
- 前記グラフト化させる工程において、前記薄片化黒鉛のグラフト化率が5重量%〜3300重量%の範囲となるように前記合成樹脂を前記薄片化黒鉛にグラフト化させる、請求項6〜8のいずれか1項に記載の樹脂複合材料の製造方法。
- 前記グラフト化させる工程の後に、前記合成樹脂と同種または異なる樹脂を混合する工程をさらに備える、請求項6〜9のいずれか1項に記載の樹脂複合材料の製造方法。
- 前記合成樹脂が熱可塑性樹脂である、請求項6〜10のいずれか1項に記載の樹脂複合材料の製造方法。
- 前記熱可塑性樹脂がポリオレフィンである、請求項11に記載の樹脂複合材料の製造方法。
- 前記熱可塑性樹脂が非晶性樹脂である、請求項11に記載の樹脂複合材料の製造方法。
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