JP5816487B2 - Composite resin - Google Patents

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  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

本発明は、樹脂中にフィラーが含まれる複合樹脂に関する。   The present invention relates to a composite resin in which a filler is contained in the resin.

樹脂製品は、自動車部品、家電製品、電子機器、生活用品など至る所で利用されており、さまざまな熱硬化性・熱可塑性樹脂が開発され、実製品に応用されている。軽量、安価であり、成形性が高く、耐薬品性、耐食性においても優れているといったさまざまな特徴を有している。   Resin products are used in various parts such as automobile parts, home appliances, electronic devices, and daily necessities, and various thermosetting and thermoplastic resins have been developed and applied to actual products. It has various features such as light weight, low cost, high moldability, and excellent chemical resistance and corrosion resistance.

これらの樹脂製品に、無機系フィラーを添加することは一般的に行われている。その中でも、炭素系フィラーは、強度や導電性の点で、従来から幅広く用いられている。炭素系フィラーには、古くからカーボンブラックが用いられ、その他には最近、炭素繊維や、特にカーボンナノチューブ(CNT)を含むカーボンナノファイバー(CNF)等のナノカーボンを用いることがよく検討されている。最近これらの中でも特に、CNFが、他の樹脂との複合材料において高い強度や高い導電性を付与できるため、多く用いられている(特許文献1)。   In general, an inorganic filler is added to these resin products. Among them, carbon-based fillers have been widely used from the viewpoint of strength and conductivity. For the carbon-based filler, carbon black has been used for a long time, and recently, it has been well studied to use carbon fibers and especially nanocarbons such as carbon nanofibers (CNF) including carbon nanotubes (CNT). . Recently, among these, in particular, CNF has been widely used because it can impart high strength and high conductivity in composite materials with other resins (Patent Document 1).

特開2004−143240号公報JP 2004-143240 A

上記検討によっても、強度、剛性、靭性では、金属材料を完全に代替するまでには至らないのが現状である。そこで、本発明では、高い強度を有しつつ、低い体積抵抗率を有する複合樹脂を提供することを目的とする。   According to the above examination, the present situation is that the metal material cannot be completely replaced in terms of strength, rigidity and toughness. Accordingly, an object of the present invention is to provide a composite resin having high strength and low volume resistivity.

本発明者は、マトリクス樹脂中に含有されるフィラーとして、炭素繊維と、カーボンナノチューブの組合せを使用することによって、その組成物の導電性において相乗効果を発揮することを見出して、本発明を完成させた。   The present inventor has found that by using a combination of carbon fiber and carbon nanotube as a filler contained in the matrix resin, a synergistic effect is exhibited in the conductivity of the composition, and the present invention has been completed. I let you.

本発明(1)は、直径が1〜50μmである炭素繊維と、
直径が5〜500nmであるカーボンナノファイバーと、
前記炭素繊維及び前記カーボンナノファイバーを分散しているマトリクス樹脂と、
を含有する複合樹脂である。
The present invention (1) includes a carbon fiber having a diameter of 1 to 50 μm,
Carbon nanofibers having a diameter of 5 to 500 nm;
A matrix resin in which the carbon fibers and the carbon nanofibers are dispersed;
Is a composite resin containing

本発明者は、更に鋭意検討の結果、炭素繊維、カーボンナノファイバー及びマトリクス樹脂の組み合わせにかかる複合樹脂において、カーボンナノファイバーとマトリクス樹脂との組み合わせが、これらの密着強度が低くなるものから選択されることによって、炭素繊維と、カーボンナノファイバーの相乗効果が得られ、より顕著な引張強度が発揮されることを見出して、本発明を完成させた。   As a result of further intensive studies, the present inventor selected a combination of carbon nanofibers and matrix resin from those having low adhesion strength in the composite resin according to the combination of carbon fiber, carbon nanofiber and matrix resin. As a result, it was found that a synergistic effect between the carbon fiber and the carbon nanofiber was obtained and a more remarkable tensile strength was exhibited, and the present invention was completed.

すなわち、本発明(2)は、前記カーボンナノファイバーと、前記マトリクス樹脂とが、
前記マトリクス樹脂単体からなる試験用複合樹脂(A)のひずみ0.05における引張応力値Mに対する、前記カーボンナノファイバー及び前記マトリクス樹脂からなる試験用複合樹脂(B)のひずみ0.05における引張応力値Mの比(M/M)が、0.9〜1.1の範囲内となる、組み合わせである、前記発明(1)の複合樹脂である。
That is, in the present invention (2), the carbon nanofibers and the matrix resin are:
For tensile stress values M A in the strain of 0.05 of the matrix resin alone made from the test composite resin (A), the tensile at strain of 0.05 of the carbon nanofibers and composite resin test consisting of the matrix resin (B) the ratio of the stress value M B (M B / M a ) becomes in the range of 0.9 to 1.1, a combination, a composite resin of the invention (1).

本発明(1)によれば、マトリクス樹脂中に含有されるフィラーとして、炭素繊維と、カーボンナノファイバーとを組合せることによって、相乗効果を発揮し、高い導電性を有する複合樹脂を得ることができる。   According to the present invention (1), by combining carbon fibers and carbon nanofibers as fillers contained in the matrix resin, a synergistic effect can be obtained and a composite resin having high conductivity can be obtained. it can.

図7に示す実験データによれば、炭素繊維と、カーボンナノファイバーとの組合せによる相乗効果が確認できる。図7(a)は、マトリクス樹脂と炭素繊維、又は、マトリクス樹脂とカーボンナノファイバーの2相系複合樹脂における導電性を評価したグラフである。当該結果によれば、2相系複合樹脂において、カーボンナノファイバー(VGCF、VGCF−S、MWNT−7)を用いた樹脂の方が炭素繊維(CNF)を用いた樹脂よりも、その体積抵抗値が低くなる。   According to the experimental data shown in FIG. 7, the synergistic effect by the combination of carbon fiber and carbon nanofiber can be confirmed. FIG. 7A is a graph showing an evaluation of conductivity in a matrix resin and carbon fiber, or a two-phase composite resin of matrix resin and carbon nanofiber. According to the result, in the two-phase composite resin, the volume resistance value of the resin using carbon nanofibers (VGCF, VGCF-S, MWNT-7) is larger than that of the resin using carbon fibers (CNF). Becomes lower.

一方、図7(b)は、マトリクス樹脂、炭素繊維及びカーボンナノファイバーの3相系複合樹脂における導電性を評価したグラフである。なお、ここで、3相系複合樹脂において、使用した炭素繊維量とカーボンナノファイバー量の合計が、2相系樹脂で用いた量と同じ量となるように設定している。これらの3相系複合樹脂の体制抵抗値の測定結果によれば、いずれのカーボンナノファイバーを用いた場合であっても2相系複合樹脂と比較して、高い導電性を示している(低い体積抵抗を示している)。すなわち、カーボンナノファイバーは単体で、炭素繊維よりも高い導電性を樹脂に付与できるにもかかわらず、カーボンナノファイバーの一部を導電性の低い炭素繊維で置き換えることで、2相系樹脂材料の導電性よりも高い導電性を有する樹脂材料を得ることができた。すなわち、炭素繊維とカーボンナノファイバーの組み合わせによって、相乗効果を発揮して、高い導電性を有する複合材料を得ることができる。   On the other hand, FIG.7 (b) is the graph which evaluated the electroconductivity in the three-phase type composite resin of matrix resin, carbon fiber, and carbon nanofiber. Here, in the three-phase composite resin, the total amount of carbon fibers and carbon nanofibers used is set to be the same amount as that used in the two-phase resin. According to the measurement results of the system resistance values of these three-phase composite resins, even when any carbon nanofiber is used, it shows higher conductivity than the two-phase composite resins (low). Shows volume resistance). That is, the carbon nanofiber is a single substance, and even though it can impart higher conductivity to the resin than the carbon fiber, by replacing a part of the carbon nanofiber with a carbon fiber having low conductivity, the two-phase resin material A resin material having conductivity higher than the conductivity could be obtained. That is, a combination of carbon fiber and carbon nanofiber can exhibit a synergistic effect and obtain a composite material having high conductivity.

さらに、本発明(2)によれば、炭素繊維、カーボンナノファイバー及びマトリクス樹脂を含有する複合樹脂において、カーボンナノファイバーとマトリクス樹脂と組み合わせは、引張応力値比(M/M)が、0.9〜1.1の範囲内となるものから選択されることによって、炭素繊維と、カーボンナノファイバーの相乗効果が得られ、より顕著な引張強度が発揮される。 Furthermore, according to the present invention (2), a carbon fiber, the composite resin containing the carbon nanofibers and the matrix resin, the carbon nanofibers and the matrix resin and the combination is the tensile stress value ratio (M B / M A) is, By selecting from the range of 0.9 to 1.1, a synergistic effect of the carbon fiber and the carbon nanofiber is obtained, and a more remarkable tensile strength is exhibited.

すなわち、表3に示すように、引張応力値比(M/M)が、0.9〜1.1の範囲内となるマトリクス樹脂とカーボンナノファイバーの組み合わせを採用した場合、表4、図3に示すように引張値強度試験において、2相系複合樹脂よりも3相系複合樹脂が高い強度を示している。すなわち、これらの結果から、カーボンナノファイバー、炭素繊維及びマトリクス樹脂の3相系樹脂材料においては、カーボンナノファイバーとマトリクス樹脂の組み合わせにおいて前記引張応力値比が所定の範囲となるように設定することで、3相系樹脂材料において高い引張強度が得られることがわかる。 That is, as shown in Table 3, if the tensile stress value ratio (M B / M A) is adopted a combination of the matrix resin and the carbon nanofibers to be in the range of 0.9 to 1.1, Table 4, As shown in FIG. 3, in the tensile strength test, the three-phase composite resin shows higher strength than the two-phase composite resin. That is, from these results, in the three-phase resin material of carbon nanofibers, carbon fibers, and matrix resin, the tensile stress value ratio is set within a predetermined range in the combination of carbon nanofibers and matrix resin. Thus, it can be seen that high tensile strength can be obtained in the three-phase resin material.

図1は、引張試験において用いられる試験片形状を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the shape of a test piece used in a tensile test. 図2は、(a)2相系複合樹脂、(b)3相系複合樹脂のそれぞれの引張試験より得られた応力−ひずみ線図である。FIG. 2 is a stress-strain diagram obtained from each tensile test of (a) two-phase composite resin and (b) three-phase composite resin. 図3は、(a)2相系複合樹脂と(b)3相系複合樹脂の引張強度の測定結果をまとめたグラフである。FIG. 3 is a graph summarizing the measurement results of tensile strength of (a) two-phase composite resin and (b) three-phase composite resin. 図4は、(a)2相系複合樹脂と(b)3相系複合樹脂のヤング率の測定結果をまとめたグラフである。FIG. 4 is a graph summarizing the measurement results of Young's modulus of (a) two-phase composite resin and (b) three-phase composite resin. 図5は、2相系複合樹脂(Epoxy/CF(a),Epoxy/MWNT−7(b))および3相系複合樹脂(Epoxy/CF/MWNT−7(c))の破断面のSEM写真である。FIG. 5 is an SEM photograph of fracture surfaces of two-phase composite resin (Epoxy / CF (a), Epoxy / MWNT-7 (b)) and three-phase composite resin (Epoxy / CF / MWNT-7 (c)). It is. 図6は、(a)2相系複合樹脂と(b)3相系複合樹脂の熱伝導率の測定結果をまとめたグラフである。FIG. 6 is a graph summarizing the measurement results of thermal conductivity of (a) two-phase composite resin and (b) three-phase composite resin. 図7は、(a)2相系複合樹脂と(b)3相系複合樹脂の体積抵抗率の測定結果をまとめたグラフである。FIG. 7 is a graph summarizing the measurement results of volume resistivity of (a) two-phase composite resin and (b) three-phase composite resin. 図8は、各CNFのラマン分光の測定結果である。FIG. 8 shows the measurement results of Raman spectroscopy of each CNF.

本発明の複合樹脂は、炭素繊維と、カーボンナノファイバーと、前記前記炭素繊維及び前記カーボンナノファイバーを分散しているマトリクス樹脂とを含有する。   The composite resin of the present invention contains carbon fibers, carbon nanofibers, and a matrix resin in which the carbon fibers and the carbon nanofibers are dispersed.

本発明の複合樹脂において、前記カーボンナノファイバーと、前記マトリクス樹脂とが、前記マトリクス樹脂単体からなる試験用複合樹脂(A)のひずみ0.05における引張応力値Mに対する、前記カーボンナノファイバー及びマトリクス樹脂の混合物からなる試験用複合樹脂(B)のひずみ0.05における引張応力値Mの応力値比(M/M)(以下、単に「ひずみ0.05における応力値比」とする。)が、0.9〜1.1の範囲内となる、組み合わせを選択することが好適である。ひずみ0.05における応力値比は、0.95〜1.05の範囲内がより好適である。 In the composite resin of the present invention, and the carbon nanofibers, and the matrix resin is, for tensile stress value M A in the strain of 0.05 of the matrix resin alone made from the test composite resin (A), the said carbon nanofibers and stress value ratio of the tensile stress values M B in strain of 0.05 of the test composite resin comprising a mixture of the matrix resin (B) (M B / M a) ( hereinafter, simply as "stress value ratio in the strain of 0.05" It is preferable to select a combination that falls within the range of 0.9 to 1.1. The stress value ratio at a strain of 0.05 is more preferably in the range of 0.95 to 1.05.

本発明においては、応力値比(M/M)が上記に示す数値範囲に含まれるような、マトリクス樹脂と、カーボンナノファイバーの密着強度が低くなる組み合わせを選択することにより、カーボンナノファイバー、炭素繊維及びマトリクス樹脂の三相系の複合樹脂においては、予想に反して、高い引張強度を発揮することができる。 In the present invention, carbon nanofibers are selected by selecting a combination that reduces the adhesion strength between the matrix resin and the carbon nanofibers so that the stress value ratio (M B / M A ) is included in the numerical range shown above. In contrast, the three-phase composite resin of carbon fiber and matrix resin can exhibit high tensile strength, contrary to expectations.

一般的に、マトリクス樹脂にカーボンナノファイバーを添加することによって、当該樹脂とカーボンナノファイバーが密着して、引張強度が高くなる。カーボンナノファイバーとマトリクス樹脂の二相系の複合樹脂において、所定のひずみにおける引張応力値が高くなると、カーボンナノファイバーとマトリクス樹脂との密着強度が高くなることを意味する。さらに、二相系の複合樹脂(試験用複合樹脂B)における引張応力値(M)の値と、マトリクス樹脂単体の複合樹脂(試験用複合樹脂A)の引張応力値(M)の値との比により、マトリクス樹脂へのカーボンナノファイバーの添加による引張応力の上昇効果が評価できるため、上記のひずみ0.05における応力値比を評価することで、間接的に、マトリクス樹脂とカーボンナノファイバーとの密着強度を評価することができる。 Generally, by adding carbon nanofibers to a matrix resin, the resin and carbon nanofibers are brought into close contact with each other, and the tensile strength is increased. In a two-phase composite resin of carbon nanofibers and matrix resin, an increase in tensile stress value at a predetermined strain means that the adhesion strength between the carbon nanofibers and the matrix resin is increased. Furthermore, the value of the tensile stress value (M B ) in the two-phase composite resin (test composite resin B) and the value of the tensile stress value (M A ) of the matrix resin single composite resin (test composite resin A) Since the effect of increasing the tensile stress due to the addition of the carbon nanofibers to the matrix resin can be evaluated by the ratio of The adhesion strength with the fiber can be evaluated.

上記のひずみ0.05における応力値比の測定方法について説明する。
マトリクス樹脂単体からなる試験用複合樹脂(A)と、本発明の複合樹脂を製造する方法に準じて、カーボンナノファイバー及びマトリクス樹脂を混合した試験用組成物(B)とを準備する。
A method for measuring the stress value ratio at the strain of 0.05 will be described.
A test composite resin (A) composed of a matrix resin alone and a test composition (B) in which carbon nanofibers and a matrix resin are mixed are prepared according to the method for producing the composite resin of the present invention.

続いて、図1に示す形状の試験片JIS−K7113(1/2)号形を作成する。引張試験には、卓上形精密万能試験機(オートグラフAGS−J(5kN)、(株)島津製作所製)を用いる。クロスヘッド速度を1mm/min.とし、クロスヘッド変位および破断直後までの荷重歴を測定するとともに、ひずみゲージを用いて試験片中央部の長手方向のひずみを測定することにより、ひずみ0.05における応力値を測定する。   Then, the test piece JIS-K7113 (1/2) shape of the shape shown in FIG. 1 is created. A desktop precision universal testing machine (Autograph AGS-J (5 kN), manufactured by Shimadzu Corporation) is used for the tensile test. Crosshead speed is 1 mm / min. The stress value at a strain of 0.05 is measured by measuring the crosshead displacement and the load history up to immediately after the breakage, and measuring the strain in the longitudinal direction of the central portion of the test piece using a strain gauge.

なお、当該応力値比は、カーボンナノファイバーと、マトリクス樹脂の密着強度を反映する値であるので、マトリクス樹脂の種類や、カーボンナノファイバーの種類、酸化処理の有無等の表面性状の調整によって、上記範囲内に含まれる組み合わせを選択することができる。   In addition, since the stress value ratio is a value that reflects the adhesion strength between the carbon nanofibers and the matrix resin, by adjusting the surface properties such as the type of matrix resin, the type of carbon nanofibers, and the presence or absence of oxidation treatment, Combinations included in the above range can be selected.

以下、本発明の複合樹脂の各成分について詳細に説明する。   Hereinafter, each component of the composite resin of this invention is demonstrated in detail.

カーボンナノファイバー
本発明に係る複合樹脂は、カーボンナノファイバーを含有する。カーボンナノファイバーは、カーボンナノチューブを含む、公知のカーボンナノファイバーを使用することができ、シングルウォールであっても、マルチウォールであってもよい。カーボンナノファイバーの直径は、5〜500nmが好適であり、8〜300nmがより好適であり、9〜200nmが更に好適である。カーボンナノファイバーの長さは0.1〜100μmが好適であり、0.1〜50μmがより好適であり、0.1〜20μmが更に好適である。カーボンナノファンバーのアスペクト比([長さ]/[直径])は、10〜3000が好適であり、15〜1000がより好適であり、20〜300が更に好適である。当該範囲の直径及びアスペクト比のカーボンナノファイバーを選択することによって、炭素繊維との組み合わせにより、複合樹脂の導電性において相乗効果を発揮する。
Carbon nanofibers The composite resin according to the present invention contains carbon nanofibers. As the carbon nanofiber, a known carbon nanofiber including a carbon nanotube can be used, and it may be a single wall or a multiwall. The diameter of the carbon nanofiber is preferably 5 to 500 nm, more preferably 8 to 300 nm, and still more preferably 9 to 200 nm. The length of the carbon nanofiber is preferably 0.1 to 100 μm, more preferably 0.1 to 50 μm, and further preferably 0.1 to 20 μm. The aspect ratio ([length] / [diameter]) of the carbon nanofan bar is preferably 10 to 3000, more preferably 15 to 1000, and still more preferably 20 to 300. By selecting a carbon nanofiber having a diameter and an aspect ratio in the above range, a synergistic effect is exhibited in the conductivity of the composite resin by combination with the carbon fiber.

なお、カーボンナノファイバーの直径、長さ及びアスペクト比は、AFM(原子間力顕微鏡)を用いて、所定範囲内に存在する100個以上の構造体について測定した平均値とする。   The diameter, length, and aspect ratio of the carbon nanofibers are average values measured for 100 or more structures existing within a predetermined range using an AFM (Atomic Force Microscope).

本発明の複合樹脂のカーボンナノファイバーの濃度は、複合樹脂全体の質量の0.01〜90wt%が好適であり、0.1〜50wt%がより好適であり、1〜30wt%であることが更に好適である。   The concentration of the carbon nanofibers in the composite resin of the present invention is preferably 0.01 to 90 wt%, more preferably 0.1 to 50 wt%, and 1 to 30 wt% of the total mass of the composite resin. Further preferred.

炭素繊維
本発明において用いられる炭素繊維は、特に限定されず、PAN(ポリアクリロニトリル)系、ピッチ系等の何れの炭素繊維も使用することができる。これらの中でも、特にPAN系の炭素繊維が好適である。炭素繊維の直径は、1〜50μmが好適であり、2〜30μmがより好適であり、3〜20μmが更に好適である。炭素繊維の長さは1〜100mmが好適であり、1〜50mmがより好適であり、2〜10mmが更に好適である。炭素繊維のアスペクト比(長さ/直径)は、10〜10000が好適であり、50〜1000がより好適であり、100〜700が更に好適である。当該範囲の直径及びアスペクト比を有する炭素繊維と、上記のナノファイバーを組み合わせることによって、高い導電性を発揮する。
Carbon fiber The carbon fiber used in the present invention is not particularly limited, and any carbon fiber such as PAN (polyacrylonitrile) or pitch can be used. Of these, PAN-based carbon fibers are particularly suitable. The diameter of the carbon fiber is preferably 1 to 50 μm, more preferably 2 to 30 μm, and further preferably 3 to 20 μm. 1-100 mm is suitable for the length of carbon fiber, 1-50 mm is more suitable, and 2-10 mm is still more suitable. The aspect ratio (length / diameter) of the carbon fiber is preferably 10 to 10000, more preferably 50 to 1000, and still more preferably 100 to 700. By combining the above-mentioned nanofibers with carbon fibers having a diameter and an aspect ratio in the above range, high conductivity is exhibited.

なお、炭素繊維の直径、長さ及びアスペクト比は、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて、所定範囲内に存在する100個以上の構造体について測定した平均値とする。   The diameter, length, and aspect ratio of the carbon fibers are average values measured for 100 or more structures existing within a predetermined range using an SEM (scanning electron microscope).

炭素繊維の濃度は、複合樹脂全体の質量の0.01〜90wt%が好適であり、0.1〜50wt%がより好適であり、1〜30wt%であることが更に好適である。   The concentration of the carbon fiber is preferably 0.01 to 90 wt%, more preferably 0.1 to 50 wt%, and even more preferably 1 to 30 wt% of the total mass of the composite resin.

カーボンナノファイバー(CNF)の炭素繊維(CF)に対する重量比(CNF/CF)は、0.01〜100が好適であり、0.05〜20がより好適であり、0.5〜2が更に好適である。当該比に設定することで、本発明の複合樹脂は特に高い導電性(ならびに強度)を発現する。   The weight ratio (CNF / CF) of carbon nanofibers (CNF) to carbon fibers (CF) is preferably 0.01 to 100, more preferably 0.05 to 20, and more preferably 0.5 to 2. Is preferred. By setting the ratio, the composite resin of the present invention exhibits particularly high conductivity (and strength).

マトリクス樹脂
本発明において使用されるマトリクス樹脂は、特に限定されないが、例えば、ポリマーである。ポリマーとしては、エポキシ樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ウレタン系樹脂、ゴム系樹脂、アクリルニトリル/ブタジエン/スチレン樹脂(ABS樹脂)、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、が挙げられる。
Matrix resin The matrix resin used in the present invention is not particularly limited, and is, for example, a polymer. Polymers include epoxy resins, polyolefin resins, polyester resins, polyamide resins, polyimide resins, urethane resins, rubber resins, acrylonitrile / butadiene / styrene resins (ABS resins), acrylic resins, and fluorine resins. .

エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、が一般的に用いられる。その他、β−メチルエピクロ型、グリシジルエーテル型、グリシジルエステル型、ポリグリコールエーテル型、グリコールエーテル型、ウレタン変性エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂も使用できる。   Epoxy resins include bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol AD type epoxy resin, naphthalene type epoxy resin, biphenyl type epoxy resin, glycidylamine type epoxy resin, dicyclopentadiene type epoxy resin, phenol novolac type epoxy. Resins and alicyclic epoxy resins are generally used. In addition, epoxy resins such as β-methyl epichloro type, glycidyl ether type, glycidyl ester type, polyglycol ether type, glycol ether type, and urethane-modified epoxy resin can also be used.

エポキシ樹脂は、その一部、たとえば1〜35wt%(5〜25wt%)がエポキシ基を有する反応性希釈剤で置換されたものでもよい。当該反応性稀釈剤としてn−ブチルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、2−エチルヘキシルグリシジルエーテル、スチレンオキサイド、フェニルグリシジルエーテル、クレジルグリシジルエーテル、グリシジルメタクリレート、ビニルシクロヘキセンモノエポキサイド、ジグリシジルエーテル等が挙げられる。エポキシ樹脂の分子量は、好ましくは100〜2000、より好ましくは200〜1000である。   A part of the epoxy resin, for example, 1 to 35 wt% (5 to 25 wt%) may be substituted with a reactive diluent having an epoxy group. Examples of the reactive diluent include n-butyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether, 2-ethylhexyl glycidyl ether, styrene oxide, phenyl glycidyl ether, cresyl glycidyl ether, glycidyl methacrylate, vinylcyclohexene monoepoxide, and diglycidyl ether. The molecular weight of the epoxy resin is preferably 100 to 2000, more preferably 200 to 1000.

本発明に使用するエポキシ樹脂は、その硬化性及び硬化物特性を調整することができるため、硬化剤を用いることが好適である。硬化剤としては、例えば、酸無水物、アミン化合物、フェノール化合物などが挙げられる。   Since the epoxy resin used for this invention can adjust the sclerosis | hardenability and hardened | cured material characteristic, it is suitable to use a hardening | curing agent. As a hardening | curing agent, an acid anhydride, an amine compound, a phenol compound etc. are mentioned, for example.

酸無水物としては、例えば、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルハイミック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、トリアルキルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルシクロヘキセンジカルボン酸無水物、無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、エチレングリコールビストリメリテート、グリセロールトリストリメリテート、ドデセニル無水コハク酸、ポリアゼライン酸無水物、ポリ(エチルオクタデカン二酸)無水物等が挙げられる。   Examples of the acid anhydride include methyltetrahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, methylhymic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, trialkyltetrahydrophthalic anhydride, methylcyclohexenedicarboxylic anhydride , Phthalic anhydride, trimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, benzophenone tetracarboxylic anhydride, ethylene glycol bistrimellitate, glycerol trislimitate, dodecenyl succinic anhydride, poly azelaic anhydride, poly (ethyl octadecane Acid) anhydride and the like.

アミン化合物としては、例えば、2,5(2,6)−ビス(アミノメチル)ビシクロ[2,2,1]ヘプタン、イソフォロンジアミン、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ジエチルアミノプロピルアミン、ビス(4−アミノ−3−メチルジシクロヘキシル)メタン、ジアミノジシクロヘキシルメタン、ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン、ジアミノジエチルジフェニルメタン、ジエチルトルエンジアミンなどがあげられる。これらのうちでは2,5(2,6)−ビス(アミノメチル)ビシクロ[2,2,1]ヘプタン、イソフォロンジアミン等が挙げられる。   Examples of amine compounds include 2,5 (2,6) -bis (aminomethyl) bicyclo [2,2,1] heptane, isophoronediamine, ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, diethylaminopropyl. Examples include amine, bis (4-amino-3-methyldicyclohexyl) methane, diaminodicyclohexylmethane, bis (aminomethyl) cyclohexane, metaphenylenediamine, diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, diaminodiethyldiphenylmethane, and diethyltoluenediamine. Among these, 2,5 (2,6) -bis (aminomethyl) bicyclo [2,2,1] heptane, isophoronediamine and the like can be mentioned.

フェノール化合物としては、例えば、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールAD、これらビスフェノール類のジアリル化物などの誘導体等が挙げられる。   Examples of the phenol compound include phenol novolac resins, cresol novolac resins, bisphenol A, bisphenol F, bisphenol AD, and derivatives such as diallylated products of these bisphenols.

また、エポキシ樹脂は効果促進剤を用いて硬化させることもできる。当該硬化促進剤としては、例えば、2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾールなどのイミダゾール化合物や、これらとエポキシ樹脂のアダクト類、トリフェニルホスフィンなどの有機リン化合物類や、テトラフェニルホスフィンテトラフェニルボレート等のボレート類や、ジアザビシクロウンデセン(DBU)類等が挙げられる。更に、他の充填剤や、プレゲル化剤、消泡剤、カップリング剤、内部離型剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤等の添加剤を配合することができる。   The epoxy resin can also be cured using an effect accelerator. Examples of the curing accelerator include imidazole compounds such as 2-methylimidazole and 2-ethyl-4-methylimidazole, adducts of these and epoxy resins, organophosphorus compounds such as triphenylphosphine, and tetraphenylphosphine. Examples thereof include borates such as tetraphenylborate and diazabicycloundecene (DBU). Furthermore, additives such as other fillers, pregelling agents, antifoaming agents, coupling agents, internal mold release agents, antioxidants and ultraviolet absorbers can be blended.

その他のマトリクス樹脂としてポリオレフィン系樹脂は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンが挙げられる。   Examples of other matrix resins include polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene.

ポリエステル系樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリブチレンナフタレート(PBN)が挙げられる。   Examples of the polyester resin include polyethylene terephthalate (PET), polytrimethylene terephthalate (PTT), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene naphthalate (PEN), and polybutylene naphthalate (PBN).

ポリアミド系樹脂としては、例えば、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン6、ナイロン66が挙げられる。   Examples of the polyamide-based resin include nylon 11, nylon 12, nylon 6, and nylon 66.

ゴム系樹脂として、例えば、天然ゴム、スチレン/ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴムが挙げられる。   Examples of the rubber-based resin include natural rubber, styrene / butadiene rubber, chloroprene rubber, and butyl rubber.

アクリル系樹脂として、例えば、ポリアクリル酸、ポリアルキルアクリレートが挙げられる。   Examples of the acrylic resin include polyacrylic acid and polyalkyl acrylate.

フッ素系樹脂として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、四フッ化エチレン/六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、エチレン/四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン/クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)が挙げられる。   Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), and tetrafluoroethylene. / Hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), and ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE).

《複合樹脂の性質》
複合樹脂の引張強度は、特に限定されないが、50MPa以上が好適であり、70MPa以上がより好適であり、90MPa以上が更に好適である。上限は特に限定されないが、例えば、500MPa以下である。
<Properties of composite resin>
The tensile strength of the composite resin is not particularly limited, but is preferably 50 MPa or more, more preferably 70 MPa or more, and further preferably 90 MPa or more. Although an upper limit is not specifically limited, For example, it is 500 Mpa or less.

複合樹脂の破断歪は、特に限定されないが、0.01〜1.00が好適であり、0.02〜0.50がより好適であり、0.04〜0.30が更に好適であり、0.07〜0.15が特に好適である。   The breaking strain of the composite resin is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 1.00, more preferably 0.02 to 0.50, and further preferably 0.04 to 0.30. 0.07 to 0.15 is particularly suitable.

複合樹脂のヤング率は、特に限定されないが、2〜50GPaが好適であり、4〜20GPaがより好適であり、5〜10GPaが更に好適である。   The Young's modulus of the composite resin is not particularly limited, but is preferably 2 to 50 GPa, more preferably 4 to 20 GPa, and further preferably 5 to 10 GPa.

複合樹脂の体積抵抗は、特に限定されないが、10Ω・cm以下が好適であり、10Ω・cm以下がより好適であり、10Ω・cm以下が更に好適である。下限は特に限定されないが、例えば、10−4Ω・cm以上である。 The volume resistance of the composite resin is not particularly limited, but is preferably 10 5 Ω · cm or less, more preferably 10 4 Ω · cm or less, and even more preferably 10 1 Ω · cm or less. Although a minimum is not specifically limited, For example, it is 10 <-4 > ohm * cm or more.

複合樹脂の熱伝導率は、特に限定されないが、0.1〜20W/m・Kが好適であり、0.2〜10W/m・Kがより好適であり、0.3〜5W/m・Kが更に好適である。   The thermal conductivity of the composite resin is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 20 W / m · K, more preferably 0.2 to 10 W / m · K, and 0.3 to 5 W / m · K. K is more preferred.

《製造方法》
本発明の複合樹脂は、公知の複合樹脂の製造方法により製造することが可能であり、例えば、硬化前の樹脂、カーボンナノファイバー及び炭素繊維を混合しスラリーを作成して、硬化させることにより複合樹脂を製造する方法や、樹脂を溶融して、カーボンナノファイバー及び炭素繊維を混練する方法により製造可能である。
"Production method"
The composite resin of the present invention can be produced by a known method for producing a composite resin. For example, the composite resin is prepared by mixing a resin before curing, carbon nanofibers and carbon fibers to form a slurry and curing the composite. It can be produced by a method of producing a resin or a method of kneading carbon nanofibers and carbon fibers by melting the resin.

スラリーを作成する場合には、例えば、自転・公転ミキサーを用いることが好適である。この際、自転500〜1000rpm・公転1000〜3000rpmにて1〜60分間、自転30〜120rpm・公転1000〜3000rpmにて1〜30分間の撹拌処理を行うことにより複合スラリーを作製することが好適である。このような方法により、スラリーを作成することによって、高い濃度のカーボンナノファイバー及び炭素繊維を複合樹脂内に分散することができる。   When preparing the slurry, it is preferable to use, for example, a rotation / revolution mixer. At this time, it is preferable to prepare a composite slurry by performing a stirring process at a rotation of 500 to 1000 rpm / revolution 1000 to 3000 rpm for 1 to 60 minutes and a rotation of 30 to 120 rpm / revolution 1000 to 3000 rpm for 1 to 30 minutes. is there. By producing a slurry by such a method, high concentration carbon nanofibers and carbon fibers can be dispersed in the composite resin.

1.供試材および試験片作製方法
本実施例では、マトリクス樹脂に、2液性エポキシ樹脂DENATOOL XNR6809(主剤)、XNH6809(硬化剤)(ナガセケムテックス(株)製)を用いた。主剤と硬化剤を100:95の割合で混合した後、80℃で4時間、120℃で2時間の条件で加熱硬化することによりエポキシ樹脂のバルク材(以下、「Epoxy」と表記する。)が得られる。表1にEpoxyの各種特性を示す。
1. Test Material and Test Piece Preparation Method In this example, a two-part epoxy resin DENATOOL XNR6809 (main agent) and XNH6809 (curing agent) (manufactured by Nagase ChemteX Corporation) were used as the matrix resin. After mixing the main agent and the curing agent in a ratio of 100: 95, the epoxy resin bulk material (hereinafter referred to as “Epoxy”) is cured by heat curing at 80 ° C. for 4 hours and at 120 ° C. for 2 hours. Is obtained. Table 1 shows various properties of Epoxy.

強化フィラーには、炭素繊維(以下、単に「CF」とする。)およびカーボンナノファイバー(以下、単に「CNF」とする。)を用いた。CFには、パイロフィルチョップドファイバー(三菱レイヨン(株)製、詳細は表2参照)を用いた。なお、パイロフィルチョップドファイバーは、購入時にはエポキシウレタンのサイジング剤により炭素繊維が束ねられている。このサイジング剤を除去し、炭素繊維を分離させるため、電気炉を用い350℃、1時間の条件にて加熱した後に冷却し、さらにアセトンに浸し、最終的にオーブンにて乾燥させたものを使用した。この処理によりEpoxy中へのCFの均一分散が可能となった。一方、CNFにはVGCF(登録商標)、VGCF(登録商標)−S(Vapor Grown Carbon Fiber、昭和電工(株)製)、およびMWNT−7(保土谷化学工業(株)製)の3種類(詳細は表2参照)を用いた。なお、前記VGCFは、登録商標であるが、以下の記載において(登録商標)は省略する。表2に各フィラーの基礎的な物性値を示す。また、これらCNFのアスペクト比(長さ/直径)を比較した場合、VGCF<VGCF−S<MWNT−7の順に高くなっている。 As the reinforcing filler, carbon fiber (hereinafter simply referred to as “CF”) and carbon nanofiber (hereinafter simply referred to as “CNF”) were used. Pyrofil chopped fiber (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., see Table 2 for details) was used for CF. Pyrofil chopped fiber is bundled with carbon fiber by epoxy urethane sizing agent at the time of purchase. In order to remove this sizing agent and separate the carbon fiber, use an electric furnace heated at 350 ° C for 1 hour, then cooled, further immersed in acetone, and finally dried in an oven did. This treatment enabled uniform dispersion of CF into Epoxy. On the other hand, there are three types of CNF: VGCF (registered trademark) , VGCF (registered trademark) -S (Vapor Growth Carbon Fiber, manufactured by Showa Denko KK), and MWNT-7 (manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.). For details, see Table 2. The VGCF is a registered trademark, but (registered trademark) is omitted in the following description. Table 2 shows the basic physical properties of each filler. Further, when the aspect ratios (length / diameter) of these CNFs are compared, they are higher in the order of VGCF <VGCF-S <MWNT-7.

試験片の作製にあたり、上記2液性エポキシ樹脂(Epoxy)とCF、CNFとの複合スラリーを作製する必要がある。通常、CNFをEpoxy中に投入し硬化させた場合には、CNFが凝集体を形成するため、均一な成形体が作製されず、良好な物理特性を得ることができない。また、手作業では、Epoxy中にせいぜい2、3wt%程度のCNFしか添加することができないことが経験的に知られている。そこで、本研究では、自転・公転ミキサー(ARE−310、(株)シンキー)を用い、自転800rpm・公転2000rpmにて7分間、自転60rpm・公転2200rpmにて3分間の撹拌処理を行うことにより複合スラリーを作製した。   In producing the test piece, it is necessary to produce a composite slurry of the two-component epoxy resin (Epoxy), CF, and CNF. Normally, when CNF is put into Epoxy and cured, CNF forms an aggregate, so that a uniform molded body is not produced and good physical properties cannot be obtained. In addition, it is empirically known that by hand, only about 2 to 3 wt% of CNF can be added to Epoxy at most. Therefore, in this study, by using a rotation / revolution mixer (ARE-310, Sinky Co., Ltd.), stirring is performed for 7 minutes at rotation 800 rpm / revolution 2000 rpm, and for 3 minutes at rotation 60 rpm / revolution 2200 rpm for 3 minutes. A slurry was prepared.

次に、上記手順にて得られた複合スラリーを、加熱硬化させることで試験片が得られる。本研究では、複合スラリーを型に流し込み、デシケーター内にセットした後、ロータリーポンプにて3時間の真空引きを行うことにより脱泡処理を行った。この処理により、ボイドのない成形体が得られることが確認された。なお、複合材料の硬化条件は、Epoxyと同様、80℃で4時間の一次硬化、120℃で2時間の2次硬化とした。   Next, a test piece is obtained by heat-curing the composite slurry obtained by the above procedure. In this study, the composite slurry was poured into a mold, set in a desiccator, and then defoamed by evacuating with a rotary pump for 3 hours. It was confirmed that a molded body without voids was obtained by this treatment. The curing conditions for the composite material were primary curing at 80 ° C. for 4 hours and secondary curing at 120 ° C. for 2 hours, similar to Epoxy.

本研究では、Epoxy/CF、またはEpoxy/CNFからなる2相系複合樹脂、およびEpoxy/CF/CNFからなる3相系複合樹脂をそれぞれ6本ずつ作製し、各種材料特性を評価した。なお、2相系複合樹脂の場合は、CFもしくはCNFの重量含有率をEpoxyに対し10wt%とした。一方、3相系複合樹脂の場合には、CF、CNFそれぞれの重量含有率をそれぞれ5wt%とし、2種類のフィラーを併せて繊維含有率が10wt%となるようにした。   In this study, six 2-phase composite resins composed of Epoxy / CF or Epoxy / CNF and three-phase composite resins composed of Epoxy / CF / CNF were prepared, and various material properties were evaluated. In the case of a two-phase composite resin, the weight content of CF or CNF was 10 wt% with respect to Epoxy. On the other hand, in the case of a three-phase composite resin, the weight content of each of CF and CNF was 5 wt%, and the fiber content was 10 wt% by combining the two types of fillers.

2.CNFの表面処理
熱可塑性樹脂にCNFを添加した複合材料に対して、引張試験または曲げ試験を実施し、その破断面を観察した際に、フィラーが破断せずに樹脂中から引き抜けている様子が多数報告されている。これは樹脂とフィラーの界面密着強度が低いことが原因であると考えられており、この問題を解決するために、既に数多くの研究がなされている。例えば、CNF表面にシリコン等の被膜を形成し、樹脂や金属との濡れを改善する手法や、混酸処理により、CNF表面に官能基を導入し、繊維同士の分散性を向上させるとともに、マトリクスとCNFとの化学結合を強固にする手法が提案されている。さらには、大気中でCNFを焼成する酸化処理も検討されている。酸化処理は、CNF表面の炭素結合中に意図的に欠陥を導入し、CNF表面性状を粗面とすることで、マトリクスとの接触表面積を増大させ、密着強度を向上させる効果がある。
2. When a tensile test or bending test is performed on a composite material obtained by adding CNF to a CNF surface-treated thermoplastic resin, and the fracture surface is observed, the filler is pulled out from the resin without breaking. Many have been reported. This is considered to be caused by the low interfacial adhesion strength between the resin and the filler, and many studies have already been made to solve this problem. For example, by forming a film such as silicon on the CNF surface and improving wettability with resin or metal, or by introducing a functional group on the CNF surface by mixed acid treatment, the dispersibility between fibers is improved, and the matrix and A method for strengthening the chemical bond with CNF has been proposed. Furthermore, an oxidation treatment in which CNF is fired in the atmosphere has been studied. Oxidation treatment has the effect of increasing the surface area of contact with the matrix and improving the adhesion strength by intentionally introducing defects into the carbon bonds on the CNF surface and making the CNF surface properties rough.

混酸処理と酸化処理とは、本質的に同等の効果が得られる手法であると考えられるが、本実施例では、処理工程が少なく、量産性に優れるといった観点から、後者の酸化処理を採用し、3種類すべてのCNFに対して酸化処理を施した。以降では、酸化処理を施したVGCF、VGCF−SおよびMWNT−7をそれぞれVGCF(H)、VGCF−S(H)、MWNT−7(H)と表記する。酸化処理には電気炉を使用し、VGCFの場合は、690度、2時間、VGCF−Sの場合は、670℃、2時間、MWNT−7の場合は、630℃、2時間の焼成を大気中にて行った。なお、これらの酸化処理条件は、処理後の回収率(酸化処理前後のCNFの重量比)が約70%となるように設定したものである。   Mixed acid treatment and oxidation treatment are considered to be essentially the same effect, but in this example, the latter oxidation treatment was adopted from the viewpoint of fewer treatment steps and excellent mass productivity. All three types of CNF were oxidized. Hereinafter, the VGCF, VGCF-S, and MWNT-7 subjected to the oxidation treatment are denoted as VGCF (H), VGCF-S (H), and MWNT-7 (H), respectively. An electric furnace is used for the oxidation treatment. In the case of VGCF, firing is performed at 690 ° C. for 2 hours, in the case of VGCF-S, 670 ° C. for 2 hours, and in the case of MWNT-7, 630 ° C. for 2 hours. I went inside. These oxidation treatment conditions are set so that the recovery rate after treatment (weight ratio of CNF before and after the oxidation treatment) is about 70%.

3.材料特性評価方法
本実施例では、機械的特性評価として、一軸引張試験を実施し、引張強さおよびヤング率の評価を行った。また、熱的特性として熱伝導率を、電気的特性として体積抵抗率をそれぞれ測定した。
3. Material Property Evaluation Method In this example, as a mechanical property evaluation, a uniaxial tensile test was performed to evaluate tensile strength and Young's modulus. Further, thermal conductivity was measured as thermal characteristics, and volume resistivity was measured as electrical characteristics.

引張試験には、卓上形精密万能試験機(オートグラフAGS−J(5kN)、(株)島津製作所製)を用いた。クロスヘッド速度を1mm/min.とし、クロスヘッド変位および破断直後までの荷重歴を測定するとともに、ひずみゲージを用いて試験片中央部の長手方向のひずみを測定した。得られた応力−ひずみ線図より、引張強さおよびヤング率を算出した。なお、試験片形状は図1に示すJIS−K7113(1/2)号形とした。ここで、Lは全長、L0は平行部長さ、tは試験片厚さである。   A desktop precision universal testing machine (Autograph AGS-J (5 kN), manufactured by Shimadzu Corporation) was used for the tensile test. Crosshead speed is 1 mm / min. In addition, the crosshead displacement and the load history up to immediately after the fracture were measured, and the strain in the longitudinal direction at the center of the test piece was measured using a strain gauge. Tensile strength and Young's modulus were calculated from the obtained stress-strain diagram. The shape of the test piece was the JIS-K7113 (1/2) shape shown in FIG. Here, L is the full length, L0 is the length of the parallel portion, and t is the thickness of the test piece.

熱伝導率(λ [W/m・K])は、キセノンフラッシュアナライザー(LFA 447 NanoFlash,NETZSCH社製)を用い、熱拡散率(α [cm/sec.])、および定圧比熱容量(Cp [J/g・K])を測定することにより算出した。なお、試験片形状は10mm×10mm×2mmとした。 Thermal conductivity (λ [W / m · K]) was measured using a xenon flash analyzer (LFA 447 NanoFlash, NETZSCH), thermal diffusivity (α [cm 2 / sec.]), And constant pressure specific heat capacity (Cp [J / g · K]) was measured. The shape of the test piece was 10 mm × 10 mm × 2 mm.

体積抵抗率測定試験には、低抵抗率計ローレスター(GP MCP−T610、(株)三菱化学製)、および高抵抗率計ハイレスター(UP MCP−HT450、(株)三菱化学製)を用いた。試験片形状はいずれも、10mm×50mm×2mmとした。低抵抗率計では4探針法を、高抵抗率計では2重リングプローブ法を用いて計測を行った。   Low resistivity meter Low Leicester (GP MCP-T610, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) and High resistivity meter Hirester (UP MCP-HT450, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) are used for the volume resistivity measurement test. It was. The specimen shapes were all 10 mm × 50 mm × 2 mm. Measurement was performed using a four-probe method with a low resistivity meter and a double ring probe method with a high resistivity meter.

4.機械的特性評価
4・1 複合樹脂の応力−ひずみ線図
図2に引張試験より得られた応力−ひずみ線図の代表例を2相系複合樹脂(a)、3相系複合樹脂(b)のそれぞれについて示す。図中のひずみは、試験機より出力されたクロスヘッド変位量を試験片の平行部長さ(30mm)で除した値(公称ひずみ)である。図3は2相系複合樹脂と3相系複合樹脂の引張強さをまとめた結果、図4はヤング率の測定結果をまとめたものである。
4). Mechanical property evaluation 4.1 Stress-strain diagram of composite resin Fig. 2 shows a representative example of stress-strain diagram obtained by tensile test. Two-phase composite resin (a), three-phase composite resin (b) It shows about each of. The strain in the figure is a value (nominal strain) obtained by dividing the crosshead displacement output from the testing machine by the parallel part length (30 mm) of the test piece. FIG. 3 summarizes the tensile strengths of the two-phase composite resin and the three-phase composite resin, and FIG. 4 summarizes the measurement results of Young's modulus.

まず2相系複合樹脂(Epoxy/CF or CNF)の応力−ひずみ線図を見ると、Epoxy/CNFの場合には、ひずみが最大応力到達以降においても増加を続け、その後破断に至る様子が確認できる。一方、Epoxy/CFの場合には、総じて弾性的な変形が生じた後、脆性的な破壊に至っていることがわかる。引張強さの結果より、2相系複合樹脂では、CF、CNFの添加による大幅な向上は確認できない。ヤング率に関しては、VGCF,VGCF−S,MWNT−7,CF複合材の順で値が高く、Epoxy単体と比較して、それぞれ、20%,25%,45%,60%の向上が認められた。酸化処理材と未処理材の結果を比較すると、酸化処理材の引張強さとヤング率が若干高い傾向にある。   First, looking at the stress-strain diagram of the two-phase composite resin (Epoxy / CF or CNF), in the case of Epoxy / CNF, it was confirmed that the strain continued to increase even after reaching the maximum stress, and then reached fracture. it can. On the other hand, in the case of Epoxy / CF, it can be seen that after elastic deformation as a whole, brittle fracture has occurred. From the results of the tensile strength, in the two-phase composite resin, a significant improvement due to the addition of CF and CNF cannot be confirmed. Regarding Young's modulus, VGCF, VGCF-S, MWNT-7, and CF composites have higher values in the order, and improvements of 20%, 25%, 45%, and 60% are recognized compared to Epoxy alone, respectively. It was. When comparing the results of the oxidized material and the untreated material, the tensile strength and Young's modulus of the oxidized material tend to be slightly higher.

一方、3相系複合樹脂の場合には、2相系複合樹脂の結果に比較して引張強さが大きく向上していることが確認でき、特にVGCF−SとCFを添加した3相系複合樹脂では、Epoxy単体に比べて、引張強さが30%程度向上することがわかった。なお、3相系複合樹脂はCFの添加により材料の剛性が高められることに伴って、全体として粘弾性・粘塑性的挙動は少なく、線形的にひずみが増加した後、脆性的な破断に至っていることがわかる。また、3相系複合樹脂のヤング率は、Epoxy単体の値と比較して、2倍程度に向上している。ただし、CNFの酸化処理の影響についてみると、酸化処理を行った場合の方が若干低いヤング率を示しているといえる。   On the other hand, in the case of the three-phase composite resin, it can be confirmed that the tensile strength is greatly improved as compared with the result of the two-phase composite resin. In particular, the three-phase composite resin added with VGCF-S and CF. It has been found that the tensile strength of the resin is improved by about 30% as compared with Epoxy alone. In addition, with the addition of CF, the three-phase composite resin has less viscoelastic / viscoplastic behavior as a whole due to the increased rigidity of the material, and after linearly increasing strain, it leads to brittle fracture. I understand that. In addition, the Young's modulus of the three-phase composite resin is improved about twice as much as the value of Epoxy alone. However, regarding the influence of the oxidation treatment of CNF, it can be said that the oxidation rate shows a slightly lower Young's modulus.

4・2 CNFの酸化処理の効果
CNFの酸化処理の影響について細かく見ることにする。図2の2相系複合樹脂の応力−ひずみ線図を見ると、Epoxy/VGCFに関しては、ひずみ全域で酸化処理を施した場合の結果が未処理の場合の結果を上回る応力値を示している。すなわち、酸化処理によってマトリクス樹脂とVGCFの密着強度が向上し、その結果として複合樹脂の剛性の向上につながったものと推察される。
4.2 Effect of CNF Oxidation Treatment The influence of CNF oxidation treatment will be examined in detail. When the stress-strain diagram of the two-phase composite resin in FIG. 2 is seen, with respect to Epoxy / VGCF, the result of the oxidation treatment over the entire strain shows a stress value that exceeds the result of the untreated case. . That is, it is assumed that the adhesion strength between the matrix resin and the VGCF is improved by the oxidation treatment, and as a result, the rigidity of the composite resin is improved.

他方、試験を実施したほぼすべてのひずみ領域において、酸化処理、未処理の結果を問わずMWNT−7複合樹脂の応力値はVGCF−Sのそれを上回っている。すなわち、MWNT−7複合樹脂の方が繊維とマトリクス樹脂の密着度が高いと考えられ、それは酸化処理に依らないことがわかる。また、VGCF−Sとマトリクス樹脂との密着は、他の繊維と比較して不完全であり、こちらも酸化処理によって状態の大きな変化は生じていない。以上の考察から、酸化処理はVGCFのみに対して有効であり、MWNT−7,VGCF−Sに対しては効果が少ないと結論できる。   On the other hand, in almost all strain regions in which the test was performed, the stress value of the MWNT-7 composite resin exceeded that of VGCF-S regardless of the results of oxidation treatment and untreated. That is, it is considered that the MWNT-7 composite resin has a higher degree of adhesion between the fiber and the matrix resin, and it does not depend on the oxidation treatment. Further, the adhesion between VGCF-S and the matrix resin is incomplete as compared with other fibers, and no significant change in the state is caused by the oxidation treatment. From the above consideration, it can be concluded that the oxidation treatment is effective only for VGCF and is less effective for MWNT-7 and VGCF-S.

次に、3相系複合樹脂の結果について検討する。繊維/マトリクス樹脂界面の強度が酸化処理によって改善されたと予想されるEpoxy/CF/VGCF(H)の結果についてみると、酸化処理によってEpoxy/CF/VGCFよりも引張強さが低下していることがわかる。一方で、VGCF−S,MWNT−7の引張強さの結果を見る限り、酸化処理の影響による大きな強度の低下は認められない。すなわちこの結果から、CNFに酸化処理を施し、繊維/マトリクス樹脂界面の密着性を向上させた場合、3相系複合樹脂に関しては、予想に反して引張強度が低下する事実が確かめられる。   Next, the results of the three-phase composite resin will be examined. As for the result of Epoxy / CF / VGCF (H), where the fiber / matrix resin interface strength is expected to be improved by oxidation treatment, the tensile strength is lower than that of Epoxy / CF / VGCF by oxidation treatment. I understand. On the other hand, as far as the results of the tensile strength of VGCF-S and MWNT-7 are observed, no significant decrease in strength due to the effect of oxidation treatment is observed. That is, from this result, it is confirmed that when CNF is oxidized to improve the adhesion at the fiber / matrix resin interface, the tensile strength of the three-phase composite resin decreases unexpectedly.

この事実は、VGCF−SおよびMWNT−7を用いた3相系複合樹脂の結果からも説明することができる。2相系複合樹脂の結果では、強化フィラーにMWNT−7を用いた場合の方がVGCF−Sを用いた場合よりも高い引張強さを示したが、この傾向が3相系複合樹脂では逆転している。つまり、繊維/マトリクス樹脂の密着強度が最も低いと考えられるVGCF−Sが、3相系複合樹脂では最も高い引張強度を示し、強化フィラーとして適していることがわかる。   This fact can also be explained from the results of the three-phase composite resin using VGCF-S and MWNT-7. The results of the two-phase composite resin showed higher tensile strength when MWNT-7 was used as the reinforcing filler than when VGCF-S was used, but this tendency was reversed with the three-phase composite resin. doing. That is, it can be seen that VGCF-S, which is considered to have the lowest fiber / matrix resin adhesion strength, exhibits the highest tensile strength in the three-phase composite resin and is suitable as a reinforcing filler.

2相系および3相系複合樹脂の引張強さおよび破断ひずみとの関係を表4にまとめた。なお、表中には各複合樹脂をCNF/マトリクス樹脂界面の密着性が良好なグループ(MWNT−7,MWNT−7(H),VGCF(H))と良好でないグループ(VGCF,VGCF−S,VGCF−S(H))に分類している。2相系複合樹脂においては、マトリクス樹脂との密着性が良好であると判断されたMWNT−7,MWNT−7(H),VGCF(H)複合樹脂が他の複合材と比較して高い引張強さを示している。一方で、3相系複合樹脂においては、必ずしも密着性との相関は見られず、むしろ密着性が高いと判断された複合材において、引張強さの値は低くなる傾向が認められる。これは、3相系複合樹脂の応力−ひずみ線図に示されているように、CFとCNFの混合添加により応力−ひずみ線図が脆性的な挙動を示すことに起因している。   Table 4 summarizes the relationship between the tensile strength and breaking strain of the two-phase and three-phase composite resins. In the table, each composite resin is classified into a group having good adhesion at the CNF / matrix resin interface (MWNT-7, MWNT-7 (H), VGCF (H)) and a group having poor adhesion (VGCF, VGCF-S, VGCF-S (H)). In the two-phase composite resin, the MWNT-7, MWNT-7 (H), and VGCF (H) composite resins that are judged to have good adhesion to the matrix resin have higher tensile strength than other composite materials. It shows strength. On the other hand, in the three-phase composite resin, a correlation with the adhesiveness is not necessarily observed, but in the composite material determined to have a high adhesiveness, the tensile strength tends to decrease. This is due to the fact that the stress-strain diagram shows brittle behavior due to the mixed addition of CF and CNF, as shown in the stress-strain diagram of the three-phase composite resin.

以上の結果より、2相系樹脂に関しては、CNF/マトリクス樹脂界面の密着性を向上させることで、樹脂の剛性と強度をともに高められると判断できる。一方、3相系複合樹脂に関しては、CNFと樹脂の密着性は低い方が望ましく、必要以上に密着性を向上させると、予想に反して複合樹脂の強度は低下することが確かめられた。   From the above results, regarding the two-phase resin, it can be determined that both the rigidity and strength of the resin can be enhanced by improving the adhesion at the CNF / matrix resin interface. On the other hand, regarding the three-phase composite resin, it is desirable that the adhesiveness between the CNF and the resin is low, and it has been confirmed that the strength of the composite resin is lowered unexpectedly when the adhesiveness is improved more than necessary.

なお、ひずみ0.05における引張応力値及び、エポキシ樹脂(Epoxy)単体からなる試験用複合樹脂(A)のひずみ0.05における引張応力値Mに対する、前記カーボンナノファイバー及び前記マトリクス樹脂(CNF/Epoxy)からなる試験用複合樹脂(B)のひずみ0.05における引張応力値Mの比(M/M)は、以下の表3の通りである。これらの内、M/Mが0.9〜1.1の範囲内に含まれるCNTを弱密着性として、M/Mが1.1超のCNTを強密着性として、表4に示した。 Incidentally, the stress value the tensile in the strain of 0.05 and, for the tensile stress value M A in strain of 0.05 epoxy resin (Epoxy) test composite resin made from a single piece (A), the carbon nanofibers and the matrix resin (CNF / a ratio of the tensile stress values M B in strain 0.05 Epoxy) made from the test composite resin (B) (M B / M a) are shown in Table 3 below. Among these, as the weak adhesion of the CNT to M B / M A are included within the scope of 0.9 to 1.1, as a strong adhesion to M B / M A is greater than 1.1 of the CNT, Table 4 It was shown to.

4・3 破断面のSEM観察
引張試験後の破断面の様子をSEMにより観察した。図5に2相系複合樹脂(Epoxy/CF(a),Epoxy/MWNT−7(b))および3相系複合樹脂(Epoxy/CF/MWNT−7(c))の破断面のSEM写真を示す。Epoxy/MWNT−7およびEpoxy/CF/MWNT−7の破断面には微細な凹凸が多数確認できるが、Epoxy/CFにはこれらの凹凸が見られない。つまり、Epoxy/CFの場合には、EpoxyとCFとの界面近傍にて発生したき裂の進展が抑制されることなく、マトリクス樹脂中をそのまま伝播し、やがて破断に至る。一方で、Epoxy/MWNT−7およびEpoxy/CF/MWNT−7の場合には、き裂の伝播をMWNT−7が抑制することにより、破断面に多くの凹凸が確認されたと推測される。これは、MWNT−7のみでなく、他のCNFの場合も同様の結果である。つまり、3相系複合樹脂ではCFの添加により剛性が向上し、さらにCNFの添加によりき裂の進展が抑制されたことで引張強さが大幅に向上したものと考えられた。
4.3 SEM observation of fracture surface The appearance of the fracture surface after the tensile test was observed by SEM. FIG. 5 shows SEM photographs of fracture surfaces of the two-phase composite resin (Epoxy / CF (a), Epoxy / MWNT-7 (b)) and the three-phase composite resin (Epoxy / CF / MWNT-7 (c)). Show. Many fine irregularities can be confirmed on the fracture surfaces of Epoxy / MWNT-7 and Epoxy / CF / MWNT-7, but these irregularities are not seen in Epoxy / CF. That is, in the case of Epoxy / CF, the propagation of cracks generated near the interface between Epoxy and CF is not suppressed, but propagates through the matrix resin as it is, and eventually breaks. On the other hand, in the case of Epoxy / MWNT-7 and Epoxy / CF / MWNT-7, it is presumed that many irregularities were confirmed on the fracture surface by suppressing the propagation of cracks by MWNT-7. This is the same result not only with MWNT-7 but also with other CNFs. In other words, in the three-phase composite resin, it was considered that the rigidity was improved by the addition of CF, and further, the tensile strength was significantly improved by suppressing the progress of cracks by the addition of CNF.

5.熱的特性および電気的特性評価
5・1 熱伝導率評価
2相系複合樹脂における熱伝導率を図6(a)に、また、3相系複合樹脂における熱伝導率を図6(b)に示す。2相系複合樹脂において、いずれのフィラーを用いた場合においても、Epoxy単体と比較して熱伝導率が向上していることが確認できる。特にCFと比較して、CNFを添加した際、複合樹脂の熱伝導率は大幅に向上していることが確認できる。これは、表2に示す通りCFの熱伝導率が100〜550[W/m・K]程度であるのに対し、CNFの熱伝導率は1000[W/m・K]以上と非常に高いことが理由である。
5. Thermal characteristics and electrical characteristics evaluation 5.1 Thermal conductivity evaluation The thermal conductivity of the two-phase composite resin is shown in FIG. 6A, and the thermal conductivity of the three-phase composite resin is shown in FIG. 6B. Show. In the two-phase composite resin, it can be confirmed that the thermal conductivity is improved as compared with Epoxy alone when any filler is used. In particular, it can be confirmed that the thermal conductivity of the composite resin is greatly improved when CNF is added as compared with CF. As shown in Table 2, the thermal conductivity of CF is about 100 to 550 [W / m · K], whereas the thermal conductivity of CNF is as high as 1000 [W / m · K] or more. That is the reason.

3相系複合樹脂と2相系複合樹脂の熱伝導率を比較した場合、3相系複合樹脂の熱伝導率の改善効果が低く、2相系複合樹脂の熱伝導率の50%程度の改善効果しか得られていないことが確認できる。一般に、樹脂基複合材料において、CNF含有量の増加に伴い、熱伝導率は増加する傾向にある。今回作製した2相系複合樹脂ではCNF含有率が10wt%であるのに対し、3相系複合樹脂の場合は5wt%と低く設定している。つまり、3相系複合樹脂は、熱伝導率の高いCNFの含有量が少ないために、2相系複合樹脂に比べて熱伝導率が低くなったと考えられた。以上より、3相系複合樹脂の熱伝導率を向上させるためには、CFの含有量に対し、CNF含有量を可能な限り高めることが効果的であると判断された。   When comparing the thermal conductivity of the three-phase composite resin and the two-phase composite resin, the effect of improving the thermal conductivity of the three-phase composite resin is low, and the thermal conductivity of the two-phase composite resin is improved by about 50%. It can be confirmed that only the effect is obtained. Generally, in a resin matrix composite material, the thermal conductivity tends to increase as the CNF content increases. The two-phase composite resin produced this time has a CNF content of 10 wt%, whereas the three-phase composite resin has a low setting of 5 wt%. That is, it was considered that the three-phase composite resin had a lower thermal conductivity than the two-phase composite resin because the content of CNF having a high thermal conductivity was small. From the above, in order to improve the thermal conductivity of the three-phase composite resin, it has been determined that it is effective to increase the CNF content as much as possible with respect to the CF content.

次に、CNFの違いによる熱伝導率の改善効果を比較する。2相系複合樹脂においてVGCFを用いた場合、熱伝導率の改善効果はEpoxy単体に対して4.6倍程度であるのに対し、VGCF−SおよびMWNT−7の場合には、Epoxy単体に対し6倍程度と大きな改善効果を示している。ここで、藤原らは、Poly Propylene/CNF複合材料の熱伝導率に関して、EMA(Effective Medium Approximation)に基づく理論予測を実施し、複合材料の熱伝導率に及ぼすCNFの長さ(アスペクト比)の影響を調査している(藤原修,榎本和城,安原鋭幸,村上碩哉,寺木潤一,大竹尚登,“樹脂基カーボンナノファイバー複合材料の熱伝導率”,精密工学会誌,Vol. 72, No. 1 (2006), pp. 95−99.)。その結果、熱伝導率の向上には、CNFのアスペクト比の増加が最も有効であり、フィラー同士の接触による熱伝導パスの形成効果は小さいと結論付けている。これは、アスペクト比の大きいCNFほど、熱伝導を担うフォノン(格子振動)の散乱を抑制できるためであると考えられる。つまり、今回使用した3種類のCNFの中では、VGCF−S,MWNT−7のアスペクト比がVGCFに比べて大きいことから、Epoxy/VGCF−S,Epoxy/MWNT−7の熱伝導率が高くなったと考えられた。   Next, the effect of improving the thermal conductivity due to the difference in CNF will be compared. When VGCF is used in the two-phase composite resin, the thermal conductivity improvement effect is about 4.6 times that of Epoxy alone, whereas in the case of VGCF-S and MWNT-7, Epoxy alone is used. On the other hand, it shows a large improvement effect of about 6 times. Here, Fujiwara et al. Conducted a theoretical prediction based on EMA (Effective Medium Application) regarding the thermal conductivity of the polypropylene / CNF composite material, and the length (aspect ratio) of CNF on the thermal conductivity of the composite material. Investigating the effects (Osamu Fujiwara, Kazuaki Enomoto, Akiyuki Yasuhara, Junya Murakami, Junichi Teraki, Naoto Otake, “Thermal conductivity of resin-based carbon nanofiber composites”, Journal of Precision Engineering, Vol. 72, No. 1 (2006), pp. 95-99.). As a result, it is concluded that an increase in the aspect ratio of CNF is the most effective for improving the thermal conductivity, and that the effect of forming a heat conduction path by contact between fillers is small. This is considered to be because CNF having a larger aspect ratio can suppress scattering of phonons (lattice vibrations) responsible for heat conduction. That is, among the three types of CNFs used this time, the thermal conductivity of Epoxy / VGCF-S and Epoxy / MWNT-7 is higher because the aspect ratio of VGCF-S and MWNT-7 is larger than that of VGCF. It was thought.

酸化処理を施したCNFを添加した場合、2相系複合樹脂、3相系複合樹脂のいずれにおいても、未処理品の熱伝導率と比較して低下していることが確認できた。これは、酸化処理により、炭素のsp結合中に官能基や欠陥が導入されたことにより、フォノンの散乱が生じたためであると考えられる。そのため、後節の「5・3 考察」において、ラマン分光分析を実施し、詳細に考察する。 When CNF subjected to oxidation treatment was added, it was confirmed that both the two-phase composite resin and the three-phase composite resin had a decrease compared to the thermal conductivity of the untreated product. This is presumably because phonon scattering occurred due to the introduction of functional groups and defects in the sp 2 bond of carbon by the oxidation treatment. Therefore, the Raman spectroscopic analysis will be conducted and discussed in detail in “5.3 Discussion” in the following section.

5・2 体積抵抗率評価
2相系複合樹脂における体積抵抗率を図7(a)に、また、3相系複合樹脂における体積抵抗率を図7(b)に示す。なお、今回使用したハイレスターの測定可能領域の上限は9.99×1013[Ω・cm]であり、Epoxy単体の体積抵抗率は測定範囲外(1×1014[Ω・cm]以上)であったため、参考値として1×1014[Ω・cm]として示している。
5.2 Volume resistivity evaluation The volume resistivity of the two-phase composite resin is shown in FIG. 7 (a), and the volume resistivity of the three-phase composite resin is shown in FIG. 7 (b). In addition, the upper limit of the measurable area of the Hirester used this time is 9.99 × 10 13 [Ω · cm], and the volume resistivity of Epoxy alone is out of the measurement range (1 × 10 14 [Ω · cm] or more). Therefore, it is shown as 1 × 10 14 [Ω · cm] as a reference value.

マトリクス樹脂に対して、CNFやCFなどの導電性フィラーを添加した場合には、複合材料の導電性がパーコレーション挙動を示し、ある一定のパーコレーション閾値を超えると急激に体積抵抗率が減少し、その後はほぼ直線的に減少するといった報告がなされている。また、カーボンナノチューブなど高アスペクト比のフィラーを添加した場合には、一般的に数%の含有率にてパーコレーション閾値を示すとされている。今回測定した複合材料の体積抵抗率は、2相系複合樹脂、3相系複合樹脂のいずれにおいても1×10[Ω・cm]以下と小さいことから、パーコレーション閾値以上のフィラーが添加されているものと判断される。 When a conductive filler such as CNF or CF is added to the matrix resin, the conductivity of the composite material exhibits percolation behavior, and the volume resistivity decreases rapidly after exceeding a certain percolation threshold, and thereafter Has been reported to decrease almost linearly. In addition, when a high aspect ratio filler such as carbon nanotube is added, the percolation threshold is generally shown at a content rate of several percent. Since the volume resistivity of the composite material measured this time is as small as 1 × 10 3 [Ω · cm] or less in both the two-phase composite resin and the three-phase composite resin, a filler exceeding the percolation threshold was added. It is judged that

マトリクス樹脂であるEpoxyは電気絶縁性であるため、複合材料が導電性を持つためには、添加フィラー同士の接触によって、導電ネットワークを構成する必要がある。この導電ネットワークが密であるほど複合材料の電気伝導性は向上する。2相系複合樹脂の場合、添加するCNFの種類により体積抵抗率は異なり、VGCF−S,MWNT−7を添加した場合に、VGCFと比較して体積抵抗率の低下が確認された。これは、VGCFと比較して、VGCF−S,MWNT−7の繊維径が小さいため、多くの本数の繊維を複合材料中に含有できること、また、VGCFと比較して繊維が長いために、繊維同士の接触部分が増加することにより、密な導電ネットワークが形成されたためであると考えられた。なお、Epoxy/CFの体積抵抗率がEpoxy/CNFよりも高くなった理由は、CFの体積抵抗率がCNFの15〜20倍程度大きいためであると考えられる。   Since Epoxy, which is a matrix resin, is electrically insulating, in order for the composite material to have conductivity, it is necessary to form a conductive network by contact between the additive fillers. The denser the conductive network, the better the electrical conductivity of the composite material. In the case of a two-phase composite resin, the volume resistivity varies depending on the type of CNF to be added. When VGCF-S and MWNT-7 are added, a decrease in volume resistivity is confirmed as compared with VGCF. This is because the fiber diameter of VGCF-S and MWNT-7 is small compared to VGCF, so that a large number of fibers can be contained in the composite material, and because the fibers are long compared to VGCF, It was thought that this was because a dense conductive network was formed by increasing the number of contact portions. The reason why the volume resistivity of Epoxy / CF is higher than that of Epoxy / CNF is considered to be that the volume resistivity of CF is about 15 to 20 times larger than CNF.

次に、2相系複合樹脂と3相系複合樹脂との体積抵抗率を比較した場合、3相系複合樹脂の体積抵抗率が低く、高い電気伝導性を示した。3相系においては、アスペクト比が600程度の寸法比をもつCFが主たる伝導パスとなるものと考えるが、CNFが個々のCFの伝導パスを結合する作用を担うことで、結果として高い電気伝導性が達成されたものと考えられる。   Next, when the volume resistivity of the two-phase composite resin and that of the three-phase composite resin were compared, the volume resistivity of the three-phase composite resin was low and high electrical conductivity was exhibited. In a three-phase system, CF having an aspect ratio of about 600 is considered to be the main conduction path, but CNF is responsible for coupling the conduction paths of individual CFs, resulting in high electrical conductivity. It is thought that sex was achieved.

なお、酸化処理を施したCNFを用いた場合、2相系複合樹脂、3相系複合樹脂に関わらず、体積抵抗率は未処理のCNFと比較して高くなった。この点に関しては、熱伝導率の結果と併せ、後節の「5・3 考察」において詳細に述べる。なお、上記の各試験結果において、グラフで示した値(平均値)の一覧表を表5に示す。   When CNF subjected to oxidation treatment was used, the volume resistivity was higher than that of untreated CNF regardless of the two-phase composite resin and the three-phase composite resin. This will be described in detail in the “5.3 Considerations” section below, together with the results of thermal conductivity. In addition, in each said test result, Table 5 shows a list of values (average values) shown in the graph.

5・3 考察
熱伝導率および体積抵抗率の測定結果より、酸化処理を施したCNFの熱的特性、電気的特性の改善効果が未処理のCNFと比較して低いことが確認された。そこで、本節では、CNFの酸化処理による影響を明らかにするため、未処理のCNF、および酸化処理されたCNFのラマンスペクトルを測定し、両者の比較を行った。図8に各CNFのラマン分光測定結果を示す。縦軸は散乱光の強度を、横軸はラマンシフトを示す。いずれのCNFの場合においても、ラマンシフト1350[cm−1]付近にD−band、1580[cm−1]付近にG−bandが観測される。ここで、D−bandは点欠陥や結晶端の欠陥に起因するピークであり、一方、G−bandはグラファイトの物質に共通して見られるピークである。また、酸化処理を施したCNFについては、未処理品に対して、D−bandピーク強度が増加していることが確認できる。ここで、CNT,CNFの欠陥量の評価基準として、一般的にR値が用いられる。R値とは、ラマンスペクトル中のD−bandピーク強度(ID)とG−bandピーク強度(IG)との比率(R=ID/IG)により決定される値であり、R値が低いほど純度が高く、格子欠陥等が少ないことを意味する。表6に各CNFのR値を示すが、全てのCNFにおいて、酸化処理品は未処理品と比較してR値が高くなっていることが分かる。
5.3 Discussion From the measurement results of thermal conductivity and volume resistivity, it was confirmed that the effect of improving the thermal characteristics and electrical characteristics of oxidized CNF was lower than that of untreated CNF. Therefore, in this section, in order to clarify the influence of the oxidation treatment of CNF, Raman spectra of untreated CNF and oxidized CNF were measured and compared with each other. FIG. 8 shows the results of Raman spectroscopic measurement of each CNF. The vertical axis represents the intensity of scattered light, and the horizontal axis represents the Raman shift. In any case of CNF, D-band is observed in the vicinity of Raman shift 1350 [cm −1 ], and G-band is observed in the vicinity of 1580 [cm −1 ]. Here, D-band is a peak due to a point defect or a crystal edge defect, while G-band is a peak commonly seen in graphite materials. Moreover, about CNF which performed the oxidation process, it can confirm that D-band peak intensity | strength is increasing with respect to an untreated product. Here, the R value is generally used as an evaluation standard for the defect amount of CNT and CNF. The R value is a value determined by the ratio (R = ID / IG) of the D-band peak intensity (ID) and G-band peak intensity (IG) in the Raman spectrum. Means that there are few lattice defects. Table 6 shows the R value of each CNF, and it can be seen that in all CNFs, the oxidized product has a higher R value than the untreated product.

今回使用したVGCF,VGCF−S,MWNT−7は全て、多層型のカーボンナノチューブに分類され、同軸管状のグラフェン円柱からなる多層構造を有している。六員環を構成する炭素原子はsp結合であるから、本質的に熱伝導性、電気伝導性が非常に優れている。しかしながら、酸化処理を施すことにより、欠陥もしくは酸素原子が結晶中に導入され、結果として炭素原子同士のsp結合が局所的に崩れているものと思われる。このことが、ラマンスペクトルにおけるR値の変化に現れると同時に、酸化処理を施したCNF複合材の熱伝導性と電気伝導性が悪化した原因であると考えられる。 The VGCF, VGCF-S, and MWNT-7 used this time are all classified into multi-walled carbon nanotubes, and have a multi-layer structure composed of coaxial tubular graphene cylinders. Since the carbon atom constituting the six-membered ring is an sp 2 bond, the heat conductivity and electric conductivity are essentially excellent. However, it is considered that defects or oxygen atoms are introduced into the crystal by the oxidation treatment, and as a result, sp 2 bonds between carbon atoms are locally broken. This appears to be a cause of deterioration in thermal conductivity and electrical conductivity of the oxidized CNF composite material as well as appearing in a change in the R value in the Raman spectrum.

本実施例では、代表的な熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂(Epoxy)をマトリクスとし、PAN系カーボンファイバー(CF)とカーボンナノファイバー(CNF)を強化フィラーとする3相系複合樹脂を作製し、機械的特性、熱的特性、および電気的特性の評価・検討を行った。また、3種類のCNFに対し、酸化処理を施して繊維/マトリクス樹脂界面の密着強度の改善を図った。以下に本研究で得られた結果を示す。   In this example, a three-phase composite resin was produced using epoxy resin (Epoxy), which is a typical thermosetting resin, as a matrix and PAN-based carbon fibers (CF) and carbon nanofibers (CNF) as reinforcing fillers. The mechanical properties, thermal properties, and electrical properties were evaluated and examined. In addition, three types of CNFs were oxidized to improve the adhesion strength at the fiber / matrix resin interface. The results obtained in this study are shown below.

(1) Epoxy/CF及びEpoxy/CNF・2相系複合樹脂に関しては、10〜30%程度のヤング率の上昇は認められたものの、引張強さの大幅な上昇は認められなかった。Epoxy/CF/CNFの3相系複合樹脂の場合には、CFとCNFとの相乗効果により、ヤング率、引張強さのいずれにおいても高い改善効果が得られた。
(2) CNF繊維の酸化処理によって、VGCF添加複合材については繊維/樹脂間の密着性が改善されることがわかった。MWNT−7添加複合材に関しては、酸化処理の有無に関わらず繊維/樹脂間の密着性は高いと考えられ、酸化処理による機械的特性の変化は認められなかった。VGCF−S添加複合材に関しては、繊維/樹脂間の密着性は低く、酸化処理を施しても密着性を改善することはできなかった。
(3) 2相系複合樹脂の場合には、マトリクス樹脂との密着性に優れたCNFを用いることで、ヤング率、引張強さともに良好な特性を得ることができる。他方、3相系複合樹脂の場合には、マトリクス樹脂との密着性の弱いCNFを用いた方が高い強度特性が得られることがわかった。すなわち、本研究においては、CNFの酸化処理は2相系複合樹脂においてのみ効果的であると考えられた。これは、3相系複合樹脂においてCFを添加することにより脆性的な挙動を示すことに起因している。
(4) 2相系複合樹脂において、CNFを添加した場合に、熱伝導率、体積抵抗率の大幅な向上が見られた。特に、高アスペクト比のCNFほど、熱伝導性・電気伝導性の向上が顕著に確認された。一方、3相系複合樹脂の場合には、2相系複合樹脂と比較して、熱伝導率は低下したが、電気伝導性は向上した。熱伝導率の更なる向上には、CF添加量を減らし、CNF添加量を可能な限り高めることが効果的であると判断された。
(5) 酸化処理を施したCNFおよび未処理のCNFをラマン分光により分析した結果、酸化処理品は、未処理品よりも純度が劣る結果となった。つまり、酸化処理品の結晶中には欠陥もしくは酸素原子が導入され、炭素原子同士のsp結合が局所的に崩れた構造と成っていると推測される。このことが、酸化処理を施したCNFを用いた複合樹脂の熱伝導率および電気伝導性が未処理品の場合と比較して悪化した原因であると考えられる。
(1) Regarding Epoxy / CF and Epoxy / CNF · two-phase composite resin, an increase in Young's modulus of about 10 to 30% was observed, but no significant increase in tensile strength was observed. In the case of a three-phase composite resin of Epoxy / CF / CNF, a high improvement effect was obtained in both Young's modulus and tensile strength due to the synergistic effect of CF and CNF.
(2) It was found that the fiber / resin adhesion of the VGCF-added composite material was improved by the oxidation treatment of the CNF fiber. The MWNT-7-added composite material was considered to have high fiber / resin adhesion regardless of the presence or absence of oxidation treatment, and no change in mechanical properties due to oxidation treatment was observed. Regarding the VGCF-S-added composite material, the adhesion between the fibers / resins was low, and the adhesion could not be improved even after the oxidation treatment.
(3) In the case of a two-phase composite resin, good characteristics can be obtained for both Young's modulus and tensile strength by using CNF having excellent adhesion to the matrix resin. On the other hand, in the case of a three-phase composite resin, it has been found that higher strength characteristics can be obtained by using CNF having weak adhesion to the matrix resin. That is, in this study, it was considered that the oxidation treatment of CNF is effective only for the two-phase composite resin. This is because the brittle behavior is exhibited by adding CF in the three-phase composite resin.
(4) In the two-phase composite resin, when CNF was added, significant improvement in thermal conductivity and volume resistivity was observed. In particular, the higher the aspect ratio of CNF, the greater the improvement in thermal conductivity and electrical conductivity was confirmed. On the other hand, in the case of the three-phase composite resin, the thermal conductivity was lowered but the electrical conductivity was improved as compared with the two-phase composite resin. In order to further improve the thermal conductivity, it was judged that it is effective to reduce the CF addition amount and increase the CNF addition amount as much as possible.
(5) As a result of analyzing the oxidized CNF and the untreated CNF by Raman spectroscopy, the oxidized product was inferior in purity to the untreated product. That is, it is presumed that defects or oxygen atoms are introduced into the crystal of the oxidation-treated product, and the sp 2 bond between carbon atoms is locally broken. This is considered to be the reason why the thermal conductivity and electrical conductivity of the composite resin using the oxidized CNF are deteriorated as compared with the case of the untreated product.

Claims (2)

直径が1〜50μmである炭素繊維と、
直径が5〜500nmであるカーボンナノファイバーと、
前記炭素繊維及び前記カーボンナノファイバーを分散しているマトリクス樹脂と、
を含有する複合樹脂であって、
前記カーボンナノファイバーと、前記マトリクス樹脂とが、
前記マトリクス樹脂単体からなる試験用複合樹脂(A)のひずみ0.05における引張応力値Mに対する、前記カーボンナノファイバー及び前記マトリクス樹脂からなる試験用複合樹脂(B)のひずみ0.05における引張応力値Mの比(M/M)が、0.9〜1.1の範囲内となる、組み合わせであり、
前記カーボンナノファイバーがVGCF(登録商標)、VGCF(登録商標)−S又はVGCF(登録商標)−Sの酸化処理材であり、前記マトリクス樹脂がエポキシ樹脂である、複合樹脂。
A carbon fiber having a diameter of 1 to 50 μm;
Carbon nanofibers having a diameter of 5 to 500 nm;
A matrix resin in which the carbon fibers and the carbon nanofibers are dispersed;
A composite resin containing
The carbon nanofibers and the matrix resin are
For tensile stress values M A in the strain of 0.05 of the matrix resin alone made from the test composite resin (A), the tensile at strain of 0.05 of the carbon nanofibers and composite resin test consisting of the matrix resin (B) the ratio of the stress value M B (M B / M a ) becomes in the range of 0.9 to 1.1, a combination,
A composite resin in which the carbon nanofiber is an oxidation treatment material of VGCF (registered trademark), VGCF (registered trademark) -S, or VGCF (registered trademark) -S , and the matrix resin is an epoxy resin.
破断歪が、0.07〜0.15である、請求項1記載の複合樹脂。   The composite resin according to claim 1, wherein the strain at break is 0.07 to 0.15.
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