JP7053015B2 - Method for manufacturing carbon nanotube composite resin molded product - Google Patents

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Description

本発明は、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法に関し、特に、樹脂体の中に所定濃度で、かつ均一な状態でカーボンナノチューブが配合されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a carbon nanotube composite resin molded body, and more particularly to a method for producing a carbon nanotube composite resin molded body in which carbon nanotubes are blended in a resin body at a predetermined concentration and in a uniform state.

カーボンナノチューブは、炭素原子からなるシートを単層あるいは多層の同軸管状にした直径数ナノメートル~数百ナノメートルの高アスペクト比の材料である。
また、カーボンナノチューブは、電気伝導性、熱伝導性、弾性率などが高く、樹脂や金属などのマトリックスへ混合し成形体(カーボンナノチューブ複合樹脂成形体)とすることにより、マトリックスの強度や伝導性が向上することが知られている。
Carbon nanotubes are materials having a high aspect ratio of several nanometers to several hundreds of nanometers in diameter, in which a sheet composed of carbon atoms is formed into a single-layer or multi-layered coaxial tubular.
In addition, carbon nanotubes have high electrical conductivity, thermal conductivity, elastic modulus, etc., and by mixing them with a matrix of resin or metal to form a molded body (carbon nanotube composite resin molded body), the strength and conductivity of the matrix Is known to improve.

このカーボンナノチューブを含む樹脂成形体、即ちカーボンナノチューブ複合樹脂成形体を製造する方法として、図12(a)に示すように樹脂粉3とカーボンナノチューブ1とを混合して複合化粒子7を形成し、所定の形状に成形後、図12(b)に示すように加熱成形する方法が知られている。 As a method for producing a resin molded product containing the carbon nanotubes, that is, a carbon nanotube composite resin molded product, the resin powder 3 and the carbon nanotubes 1 are mixed to form composite particles 7 as shown in FIG. 12 (a). A method is known in which, after molding into a predetermined shape, heat molding is performed as shown in FIG. 12 (b).

しかしながら、前記方法では、隣接する樹脂粉3の境界面にカーボンナノチューブ1が存在することになり、図13、図14に示すように成形体におけるカーボンナノチューブ1の分散状態は均一とはいえない。尚、図13は、当該断面を表した模式図であり、図114は、断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で写した写真である。
更に、カーボンナノチューブが高濃度化すると、樹脂粉3間にカーボンナノチューブ1がより凝集し、均一な強度を得ることができず、成形体の強度低下をより招くという課題があった。
However, in the above method, the carbon nanotubes 1 are present on the interface between the adjacent resin powders 3, and as shown in FIGS. 13 and 14, the dispersed state of the carbon nanotubes 1 in the molded product is not uniform. 13 is a schematic view showing the cross section, and FIG. 114 is a photograph of the cross section taken by a transmission electron microscope (TEM).
Further, when the concentration of the carbon nanotubes is increased, the carbon nanotubes 1 are more aggregated between the resin powders 3 and uniform strength cannot be obtained, which causes a problem that the strength of the molded body is further lowered.

また、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体を製造する他の方法として、例えば特許文献1(特開2008-200613号公報)に示されるように、溶液化した前駆体とカーボンナノチューブとを混合し、塗布して反応(乾燥)させる方法が提案されている。 Further, as another method for producing the carbon nanotube composite resin molded product, for example, as shown in Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-900133), the liquefied precursor and the carbon nanotube are mixed and applied. A method of reacting (drying) has been proposed.

しかしながら、前記方法では、前駆体溶液中でカーボンナノチューブを分散させることができても、乾燥工程において、カーボンナノチューブの再凝集を防ぐことが難しい。
また、塗布プロセスにより樹脂膜、樹脂層を形成することはできるが、厚みのある立体形状(3D形状)の成形体を作ることが困難であるという課題があった。
However, in the above method, even if the carbon nanotubes can be dispersed in the precursor solution, it is difficult to prevent the carbon nanotubes from reaggregating in the drying step.
Further, although the resin film and the resin layer can be formed by the coating process, there is a problem that it is difficult to produce a molded body having a thick three-dimensional shape (3D shape).

更に、成形体の強度低下の課題を解決できるものとして、特許文献2(特表2015-508437号公報)には、カーボンナノチューブなどの導電性ナノフィラーと、熱可塑性ポリマーを含む第1の組成物を、未硬化の熱硬化樹脂前駆体、硬化剤とともに混合し、反応成形により複合体を成形することが提案されている。
この方法によれば、前駆体を含む樹脂とナノフィラーを混合し、反応成形するものであるため、樹脂マトリクスの強度等の特性を向上することができる。
Further, as a solution to the problem of reducing the strength of the molded product, Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2015-508437) describes the first composition containing a conductive nanofiller such as a carbon nanotube and a thermoplastic polymer. Is mixed with an uncured thermosetting resin precursor and a curing agent, and it has been proposed to form a composite by reaction molding.
According to this method, since the resin containing the precursor and the nanofiller are mixed and reaction-molded, the properties such as the strength of the resin matrix can be improved.

特開2008-200613号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-900133 特表2015-508437号公報Japanese Patent Publication No. 2015-508437

ところで、特許文献2に開示された発明にあっては、前記したように、前駆体を含む樹脂とナノフィラーを混合し、反応成形するものであるため、樹脂マトリクスの特性を向上することができる。
しかしながら、反応成形の際、図13、図14に示すように、樹脂前駆体の粒子間にカーボンナノチューブが凝集し、成形体に均一に分散させることが難しいという課題があった。
By the way, in the invention disclosed in Patent Document 2, as described above, since the resin containing the precursor and the nanofiller are mixed and reaction-molded, the characteristics of the resin matrix can be improved. ..
However, during reaction molding, as shown in FIGS. 13 and 14, carbon nanotubes aggregate between the particles of the resin precursor, and there is a problem that it is difficult to uniformly disperse the carbon nanotubes in the molded product.

本発明者らは、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体中に、より高濃度で、かつ均一な分散状態でカーボンナノチューブを配合することを鋭意研究し、強度が大きいカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法を想到し、本発明を完成した。 The present inventors have diligently studied the blending of carbon nanotubes in a carbon nanotube composite resin molded body in a higher concentration and uniformly dispersed state, and have developed a method for producing a carbon nanotube composite resin molded body having high strength. I came up with the idea and completed the present invention.

本発明の目的は、樹脂体の中により高濃度で、かつ均一な分散状態でカーボンナノチューブが配合されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法に提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing a carbon nanotube composite resin molded body in which carbon nanotubes are blended in a resin body having a higher concentration and a uniform dispersion state.

前記した課題を解決するために、本発明に係るカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法は、樹脂体の中に複数のカーボンナノチューブが配合されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法であって、樹脂の前駆体にカーボンナノチューブを混合し、再沈殿法により樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を生成する工程と、前記生成した樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を成形するとともに加熱し、前記カーボンナノチューブを被覆する樹脂が化学反応により樹脂体を形成することによって、前記樹脂体中にカーボンナノチューブが分散された、成形体を得る工程と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、樹脂体の中に所定濃度で、かつ均一な分散状態でカーボンナノチューブが配合されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体を得ることができる。
即ち、この製造方法を用いることにより、本発明のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体を得ることができる。
In order to solve the above-mentioned problems, the method for manufacturing a carbon nanotube composite resin molded body according to the present invention is a method for manufacturing a carbon nanotube composite resin molded body in which a plurality of carbon nanotubes are blended in the resin body. A step of mixing carbon nanotubes with a resin precursor to generate resin-coated carbon nanotube particles by a reprecipitation method, and molding and heating the produced resin-coated carbon nanotube particles, the resin coating the carbon nanotubes is chemically obtained. It is characterized by comprising a step of obtaining a molded body in which carbon nanotubes are dispersed in the resin body by forming a resin body by a reaction.
According to such a configuration, it is possible to obtain a carbon nanotube composite resin molded body in which carbon nanotubes are blended in a resin body at a predetermined concentration and in a uniformly dispersed state.
That is, by using this production method, the carbon nanotube composite resin molded product of the present invention can be obtained.

ここで、前記樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を生成する工程の後、前記樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子に対して、砥粒と、セラミックスあるいは金属の微粉金属物質とからなる付加物質を添加する工程がなされ、その後、前記成形体を得る工程がなされるカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法であって、前記砥粒は全体の12.5~37.5vol%、砥粒を除く部分に対するセラミックスあるいは金属の微粉の割合が10~70vol%であることが望ましい。Here, after the step of producing the resin-coated carbon nanotube particles, a step of adding an abrasive grain and an additional substance composed of ceramics or a fine powdered metallic substance of metal to the resin-coated carbon nanotube particles is performed, and then a step is performed. A method for manufacturing a carbon nanotube composite resin molded product, wherein the molded product is obtained. The ratio is preferably 10 to 70 vol%.

また、樹脂の前駆体にカーボンナノチューブを混合し、再沈殿法により樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を生成する工程において、前記カーボンナノチューブを被覆する樹脂層の厚さにより成形体中におけるカーボンナノチューブの濃度を制御することが望ましい。Further, in the step of mixing carbon nanotubes with the resin precursor and producing resin-coated carbon nanotube particles by the reprecipitation method, the concentration of carbon nanotubes in the molded body is controlled by the thickness of the resin layer covering the carbon nanotubes. It is desirable to do.
更に、前記樹脂体は、ポリイミド樹脂またはフェノール樹脂であることが望ましい。Further, it is desirable that the resin body is a polyimide resin or a phenol resin.
前記樹脂体がポリイミド樹脂の場合には、耐熱性に優れる点で好ましい。また、フェノール樹脂の場合には、常温強度に優れる点で好ましい。When the resin body is a polyimide resin, it is preferable in that it has excellent heat resistance. Further, in the case of a phenol resin, it is preferable because it is excellent in normal temperature strength.
加えて、前記樹脂被覆カーボンナノチューブの樹脂が前駆体であるポリアミック酸であり,ポリアミック酸のイミド化率が80%以下であり,樹脂中のカルボキシル基とイミノ基が加熱によって反応し,イミド化が進み、ポリイミド樹脂を成形することが望ましい。In addition, the resin of the resin-coated carbon nanotube is polyamic acid as a precursor, the imidization rate of the polyamic acid is 80% or less, and the carboxyl group and the imino group in the resin react by heating, resulting in imidization. It is desirable to proceed and mold the polyimide resin.
また、前記樹脂層がノボラック型フェノール樹脂と、ホルムアルデヒドを生成する硬化剤とを含む樹脂であり、前記ノボラック型フェノール樹脂と前記ホルムアルデヒドによって生成するメチノール基であり、前記反応性基が加熱によって脱水反応で架橋硬化することが望ましい。Further, the resin layer is a resin containing a novolak-type phenol resin and a curing agent that produces formaldehyde, and is a metinol group generated by the novolak-type phenol resin and the formaldehyde, and the reactive group undergoes a dehydration reaction by heating. It is desirable to cross-link and cure with.
更に、前記樹脂層がレゾール型フェノール樹脂であり、前記反応性基がメチノール基であり、前記反応性基が加熱によって脱水反応で架橋硬化することが望ましい。Further, it is desirable that the resin layer is a resol type phenol resin, the reactive group is a methinol group, and the reactive group is crosslinked and cured by a dehydration reaction by heating.

ここで、前記成形体を得る工程によって得られた成形体が、カーボンナノチューブの濃度が74.0vol%以下であり、かつ任意断面における1μmHere, the molded product obtained by the step of obtaining the molded product has a carbon nanotube concentration of 74.0 vol% or less and 1 μm in an arbitrary cross section. 2 におけるカーボンナノチューブの面積の変動係数が、0.1以下であることが望ましい。It is desirable that the coefficient of variation of the area of carbon nanotubes in the above is 0.1 or less.
このようなカーボンナノチューブ複合樹脂成形体は、高強度を有し、また高濃度のカーボンナノチューブにより高弾性率、高耐熱性、及び高放熱性を有する。Such a carbon nanotube composite resin molded body has high strength, and also has high elastic modulus, high heat resistance, and high heat dissipation due to the high concentration of carbon nanotubes.

前記カーボンナノチューブの濃度が74.0vol%以下の範囲において、カーボンナノチューブの濃度が増加することによって、弾性率と放熱性とが向上する。In the range where the concentration of the carbon nanotubes is 74.0 vol% or less, the elastic modulus and the heat dissipation property are improved by increasing the concentration of the carbon nanotubes.
カーボンナノチューブの濃度が74.0vol%以上では、理論上、空隙が出て充填密度が出せないため好ましくない。一方、前記カーボンナノチューブの濃度の下限値は特に限定されるものではないが、0.72vol%以上であることが好ましい。If the concentration of the carbon nanotubes is 74.0 vol% or more, theoretically, voids are generated and the packing density cannot be obtained, which is not preferable. On the other hand, the lower limit of the concentration of the carbon nanotubes is not particularly limited, but is preferably 0.72 vol% or more.
更に説明すると、強度については、15.1vol%未満の場合には、カーボンナノチューブの濃度の増加によって向上するが、前記カーボンナノチューブの濃度が15.1vol%を超える場合には低下する。しかしながら、それでも十分な強度を有するため、前記カーボンナノチューブの濃度範囲において、成形体が高弾性率、高耐熱性、及び高放熱性の点で優れた特性を有するといえる。Further, the strength is improved by increasing the concentration of carbon nanotubes when the concentration is less than 15.1 vol%, but decreases when the concentration of the carbon nanotubes exceeds 15.1 vol%. However, since it still has sufficient strength, it can be said that the molded product has excellent properties in terms of high elastic modulus, high heat resistance, and high heat dissipation in the concentration range of the carbon nanotubes.
また、前記成形体を得る工程によって得られた成形体は、任意断面における1μmFurther, the molded product obtained by the step of obtaining the molded product has an arbitrary cross section of 1 μm. 2 におけるカーボンナノチューブの面積の標準偏差を平均値で除した変動係数が、0.1以下である点に特徴を有する。It is characterized in that the coefficient of variation obtained by dividing the standard deviation of the area of the carbon nanotubes in the above by the average value is 0.1 or less.
任意断面における1μm1 μm in arbitrary cross section 2 におけるカーボンナノチューブの面積の変動係数が、0.1を超える場合には、カーボンナノチューブが局在化している、或いは、カーボンナノチューブが均一に分散されていないため、強度が低く好ましくない。When the coefficient of variation of the area of the carbon nanotubes in the above is more than 0.1, the strength is low and it is not preferable because the carbon nanotubes are localized or the carbon nanotubes are not uniformly dispersed.

また、カーボンナノチューブの濃度が0.72vol%以上74.0vol%以下であり、かつ任意断面における1μmFurther, the concentration of carbon nanotubes is 0.72 vol% or more and 74.0 vol% or less, and 1 μm in an arbitrary cross section. 2 におけるカーボンナノチューブの面積の変動係数が、0.1以下である場合には、最大曲げ応力が少なくとも120MPaのカーボンナノチューブ複合樹脂成形体とすることができ、また、曲げ弾性率が少なくとも、4000MPaのカーボンナノチューブ複合樹脂成形体とすることができる。また熱拡散率が、少なくとも3×10When the fluctuation coefficient of the area of the carbon nanotubes in the above is 0.1 or less, the carbon nanotube composite resin molded body having a maximum bending stress of at least 120 MPa can be obtained, and carbon having a flexural modulus of at least 4000 MPa can be obtained. It can be a nanotube composite resin molded body. Also, the thermal diffusivity is at least 3x10. -3-3 cmcm 2 /s以上のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体とすることができる。It can be a carbon nanotube composite resin molded product of / s or more.

本発明によれば、樹脂体の中により高濃度で、かつ均一な分散状態でカーボンナノチューブが配合されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a method for producing a carbon nanotube composite resin molded body in which carbon nanotubes are blended in a resin body at a higher concentration and in a uniformly dispersed state.

図1は、本発明によって得られたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の断面を模式的に表した図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of the carbon nanotube composite resin molded product obtained by the present invention. 図2は、本発明によって得られたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の断面を観察した透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。FIG. 2 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the cross section of the carbon nanotube composite resin molded body obtained by the present invention. 図3は、本発明に用いられる樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic view showing resin-coated carbon nanotube particles used in the present invention. 図4は、樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子の透過型電子顕微鏡(SEM)写真である。FIG. 4 is a transmission electron microscope (SEM) photograph of resin-coated carbon nanotube particles. 図5(a)は、図3の樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を形成する複数本の樹脂被覆カーボンナノチューブのうちの1本の軸方向に沿った断面図であり、図5(b)は、径方向の断面図である。5 (a) is a cross-sectional view taken along the axial direction of one of the plurality of resin-coated carbon nanotubes forming the resin-coated carbon nanotube particles of FIG. 3, and FIG. 5 (b) is a radial direction. It is a cross-sectional view of. 図6(a)、(b)は、本発明に係るカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法を説明するための図である。6 (a) and 6 (b) are diagrams for explaining a method for manufacturing a carbon nanotube composite resin molded product according to the present invention. 図7は、本発明の実施例と比較例の最大曲げ応力の結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the results of the maximum bending stress of Examples and Comparative Examples of the present invention. 図8は、本発明のカーボンナノチューブ濃度の異なる実施例の最大曲げ応力と曲げ弾性率の結果を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the results of the maximum bending stress and flexural modulus of the examples having different carbon nanotube concentrations of the present invention. 図9は、樹脂部のイミド化率を変えた樹脂被覆カーボンナノチューブから反応成形したカーボンナノチューブ複合ポリイミド樹脂(7.34vol%)のときの最大曲げ応力の結果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the results of the maximum bending stress in the case of a carbon nanotube composite polyimide resin (7.34 vol%) reaction-molded from resin-coated carbon nanotubes in which the imidization ratio of the resin portion is changed. 図10は、本発明の実施例と比較例の試料温度300℃におけるアルミナ球に対する高温耐摩耗性の結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the results of high temperature wear resistance to alumina spheres at a sample temperature of 300 ° C. in Examples and Comparative Examples of the present invention. 図11は,本発明の実施例のカーボンナノチューブ濃度に対する熱拡散率の結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the results of the thermal diffusivity with respect to the carbon nanotube concentration of the embodiment of the present invention. 図12(a)、(b)は、従来のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法を説明するための図である。12 (a) and 12 (b) are diagrams for explaining a method for manufacturing a conventional carbon nanotube composite resin molded product. 図13は、従来のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の断面を模式的に表した図である。FIG. 13 is a diagram schematically showing a cross section of a conventional carbon nanotube composite resin molded product. 図14は、従来のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の断面を観察した透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。FIG. 14 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a conventional carbon nanotube composite resin molded body in which a cross section is observed.

以下、本発明に係るカーボンナノチューブ複合樹脂成形体製造方法の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of a method for manufacturing a carbon nanotube composite resin molded product according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(カーボンナノチューブ複合樹脂成形体)
図1、図2に示すようにカーボンナノチューブ複合樹脂成形体100には、ポリイミドなどの樹脂体3中に多数のカーボンナノチューブ1が含まれる。
(Carbon nanotube composite resin molded body)
As shown in FIGS. 1 and 2, the carbon nanotube composite resin molded body 100 contains a large number of carbon nanotubes 1 in a resin body 3 such as polyimide.

本発明は、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体100において、カーボンナノチューブの濃度が74.0vol%以下であり、かつ任意断面における1μmにおけるカーボンナノチューブの面積の変動係数が、0.1以下である点に特徴を有している。
即ち、このカーボンナノチューブ複合樹脂成形体100において、樹脂体3中におけるカーボンナノチューブ1の濃度は74.0vol%以下になされている。
In the present invention, in the carbon nanotube composite resin molded body 100, the concentration of carbon nanotubes is 74.0 vol% or less, and the coefficient of variation of the area of carbon nanotubes at 1 μm 2 in an arbitrary cross section is 0.1 or less. It has characteristics.
That is, in the carbon nanotube composite resin molded body 100, the concentration of the carbon nanotube 1 in the resin body 3 is 74.0 vol% or less.

カーボンナノチューブ複合樹脂成形体100におけるカーボンナノチューブ1の濃度が高くなるにつれて、電気伝導性、熱伝導性、弾性率などに優れた特性を有する。
しかしながら、樹脂体3中におけるカーボンナノチューブ1の濃度が高すぎると、理論上充填が困難となり、空隙ができることとなり、好ましくない。
そのため、本発明にかかるカーボンナノチューブ複合樹脂成形体100にあっては、カーボンナノチューブの濃度が74.0vol%以下になされている。
一方、前記カーボンナノチューブの濃度の下限値は特に限定されるものではないが、本発明者らの実験では、カーボンナノチューブの濃度が0.72vol%の場合でも、所定の効果をえることができるため、好ましくは、カーボンナノチューブの濃度が0.72vol%以上である。
As the concentration of the carbon nanotube 1 in the carbon nanotube composite resin molded body 100 increases, it has excellent properties such as electrical conductivity, thermal conductivity, and elastic modulus.
However, if the concentration of the carbon nanotube 1 in the resin body 3 is too high, it is theoretically difficult to fill the carbon nanotubes 1 and voids are formed, which is not preferable.
Therefore, in the carbon nanotube composite resin molded body 100 according to the present invention, the concentration of carbon nanotubes is 74.0 vol% or less.
On the other hand, the lower limit of the concentration of the carbon nanotubes is not particularly limited, but in the experiments of the present inventors, a predetermined effect can be obtained even when the concentration of the carbon nanotubes is 0.72 vol%. , Preferably, the concentration of carbon nanotubes is 0.72 vol% or more.

尚、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体100に用いられるカーボンナノチューブは、長さは、数μm~数十μmであり、直径は、数nm~数百nmである。そして、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体100には、このカーボンナノチューブに樹脂が被覆されたカーボンナノチューブ粒子が用いられる。 The carbon nanotubes used in the carbon nanotube composite resin molded body 100 have a length of several μm to several tens of μm and a diameter of several nm to several hundred nm. Then, in the carbon nanotube composite resin molded body 100, carbon nanotube particles in which the carbon nanotubes are coated with a resin are used.

更に説明すると、カーボンナノチューブの濃度が0.72vol%以上74.0vol%以下である場合であっても、カーボンナノチューブが偏在する場合には、所定の強度、耐熱性を得ることができない。
そのため、カーボンナノチューブの分散の一つの指標として、任意断面における、1μmにおけるカーボンナノチューブの面積の変動係数で特定する。
即ち、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体100において、任意断面における1μmにおけるカーボンナノチューブの面積の変動係数が0.1以下となされている場合には、カーボンナノチューブが均一に分散され、所定の強度、耐熱性を得ることができる。
Further, even when the concentration of the carbon nanotubes is 0.72 vol% or more and 74.0 vol% or less, if the carbon nanotubes are unevenly distributed, the predetermined strength and heat resistance cannot be obtained.
Therefore, as one index of the dispersion of carbon nanotubes, it is specified by the coefficient of variation of the area of carbon nanotubes at 1 μm 2 in an arbitrary cross section.
That is, in the carbon nanotube composite resin molded body 100, when the coefficient of variation of the area of the carbon nanotubes at 1 μm 2 in an arbitrary cross section is 0.1 or less, the carbon nanotubes are uniformly dispersed, and the carbon nanotubes have a predetermined strength and heat resistance. You can get sex.

ここで、カーボンナノチューブの面積の変動係数とは、任意断面に、例えば、100μm×100μmの観察領域を設定し、その領域を1μm(1μm×1μm)の領域に区分し、夫々の区分された領域におけるカーボンナノチューブの面積を求め、その面積の標準偏差を平均値で除して変動係数を求めたものである。
この変動係数が小さいほど、単位面積あたりのカーボンナノチューブの面積のばらつきが小さく、均一に配合されていることを意味する。
したがって、カーボンナノチューブの面積の変動係数は、より小さいことが好ましく、前記変動係数が、0.1を超える場合には、カーボンナノチューブが均一に分散されていないため、強度、耐熱性が低く、好ましくない。
Here, the coefficient of variation of the area of the carbon nanotube is defined by setting, for example, an observation region of 100 μm × 100 μm on an arbitrary cross section, and dividing the region into a region of 1 μm 2 (1 μm × 1 μm). The area of the carbon nanotube in the region was obtained, and the standard deviation of the area was divided by the average value to obtain the coefficient of variation.
The smaller the coefficient of variation is, the smaller the variation in the area of carbon nanotubes per unit area is, which means that the carbon nanotubes are uniformly blended.
Therefore, the coefficient of variation of the area of the carbon nanotubes is preferably smaller, and when the coefficient of variation exceeds 0.1, the carbon nanotubes are not uniformly dispersed, so that the strength and heat resistance are low, which is preferable. not.

また、カーボンナノチューブの濃度が0.72vol%以上74.0vol%以下であり、かつ任意断面における1μmにおけるカーボンナノチューブの面積の変動係数が、0.1以下であるカーボンナノチューブ複合樹脂成形体100は、最大曲げ強度が、少なくとも120MPaであり、また曲げ弾性率が、少なくとも4000MPaである。
このように、最大曲げ強度が、少なくとも120MPaであり、また曲げ弾性率が、少なくとも4000MPaの強度を有し、また高濃度のカーボンナノチューブにより放熱性,高耐熱性を有するため、航空機や自動車など機械要素部品の樹脂成形体として利用可能である。
Further, the carbon nanotube composite resin molded body 100 in which the concentration of carbon nanotubes is 0.72 vol% or more and 74.0 vol% or less, and the variation coefficient of the area of carbon nanotubes at 1 μm 2 in an arbitrary cross section is 0.1 or less. The maximum bending strength is at least 120 MPa, and the flexural modulus is at least 4000 MPa.
As described above, the maximum bending strength is at least 120 MPa, the flexural modulus is at least 4000 MPa, and the high-concentration carbon nanotubes have heat dissipation and high heat resistance, so that the machine such as an aircraft or an automobile has high heat resistance. It can be used as a resin molded body for element parts.

また、本発明にかかるカーボンナノチューブ複合樹脂成形体100に、必要に応じて付加物質としてのダイヤモンドやcBNの砥粒、或いはセラミックス粉や金属粉(例えば、炭化ケイ素,銅,ニッケルなど)を加えてもよい。
例えば、砥粒、或いは金属粉を加えることにより、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体100を、研削用、または研磨用の砥石として用いることができる。
Further, to the carbon nanotube composite resin molded body 100 according to the present invention, if necessary, diamond or cBN abrasive grains as an additional substance, or ceramic powder or metal powder (for example, silicon carbide, copper, nickel, etc.) is added. May be good.
For example, by adding abrasive grains or metal powder, the carbon nanotube composite resin molded body 100 can be used as a grindstone for grinding or polishing.

(樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子)
次に、前記カーボンナノチューブ複合樹脂成形体100を製造するために必要な樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子の構造について説明する。
図3、図4に示すように樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6は、複数本の樹脂被覆カーボンナノチューブ5が、表面の樹脂層2同士で連結することにより形成されている。図示するように、連結した複数の樹脂被覆カーボンナノチューブ5の間には、空隙4が形成されている。
(Resin-coated carbon nanotube particles)
Next, the structure of the resin-coated carbon nanotube particles necessary for manufacturing the carbon nanotube composite resin molded body 100 will be described.
As shown in FIGS. 3 and 4, the resin-coated carbon nanotube particles 6 are formed by connecting a plurality of resin-coated carbon nanotubes 5 with the resin layers 2 on the surface thereof. As shown in the figure, voids 4 are formed between the plurality of connected resin-coated carbon nanotubes 5.

前記樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6を構成する各樹脂被覆カーボンナノチューブ5は、図5(a)、(b)に示すように基材となるカーボンナノチューブ1(例えば,直径10nm、長さ1.5μm)が、反応性基を有する樹脂層2によって被覆されてなる。
前記樹脂層2は、例えばポリアミック酸を含む樹脂(前駆体)であり、イミド化率は80%以下であることが望ましい。
As shown in FIGS. 5A and 5B, each of the resin-coated carbon nanotubes 5 constituting the resin-coated carbon nanotube particles 6 has a carbon nanotube 1 as a base material (for example, a diameter of 10 nm and a length of 1.5 μm). Is coated with the resin layer 2 having a reactive group.
The resin layer 2 is, for example, a resin (precursor) containing a polyamic acid, and the imidization ratio is preferably 80% or less.

また、前記樹脂層2を含む樹脂被覆カーボンナノチューブ5の直径Bは、前記カーボンナノチューブ1の直径Aの1.1~30倍の寸法であることが望ましいが、この比率は、成形体中におけるカーボンナノチューブの濃度に影響する。
言い換えれば、成形体中におけるカーボンナノチューブ1の濃度は、カーボンナノチューブ1基材に対する樹脂層2の厚さにより調整することができる。
即ち、カーボンナノチューブの濃度を高くする場合には、カーボンナノチューブ1を被覆する樹脂層2の厚さをより薄く形成し、濃度を低くする場合には、カーボンナノチューブ1を被覆する樹脂層2の厚さをより厚くなるよう形成すればよい。
尚、カーボンナノチューブの濃度をより高くすれば、成形体としての強度、弾性率、放熱性、耐熱性をより高くすることができる。
Further, it is desirable that the diameter B of the resin-coated carbon nanotube 5 including the resin layer 2 has a size of 1.1 to 30 times the diameter A of the carbon nanotube 1, but this ratio is the carbon in the molded body. Affects the concentration of nanotubes.
In other words, the concentration of the carbon nanotube 1 in the molded body can be adjusted by the thickness of the resin layer 2 with respect to the carbon nanotube 1 substrate.
That is, when the concentration of the carbon nanotubes is increased, the thickness of the resin layer 2 covering the carbon nanotubes 1 is formed thinner, and when the concentration is decreased, the thickness of the resin layer 2 covering the carbon nanotubes 1 is formed. It may be formed so that the thickness is thicker.
If the concentration of the carbon nanotubes is increased, the strength, elastic modulus, heat dissipation and heat resistance of the molded product can be further increased.

(樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子の製造方法)
次に前記樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6の製造方法について説明する。
前記樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6は、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸溶液に多数本のカーボンナノチューブ1を混合し、再沈殿させる方法により生成することができる。
具体的に説明すると、カーボンナノチューブ(Nanocyl NC7000)とポリアミック酸ワニス(宇部興産製 U-Varnish A)を任意の割合で混合する。混合溶液を貧溶媒中へ滴下し再沈後、吸引濾過し任意の被覆量のポリアミック酸被覆CNT、即ち樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6を得る。
(Manufacturing method of resin-coated carbon nanotube particles)
Next, a method for producing the resin-coated carbon nanotube particles 6 will be described.
The resin-coated carbon nanotube particles 6 can be produced by a method in which a large number of carbon nanotubes 1 are mixed with a polyamic acid solution which is a precursor of polyimide and reprecipitated.
Specifically, carbon nanotubes (Nanocyl NC7000) and varnish polyamic acid (U-Varnish A manufactured by Ube Kosan) are mixed in an arbitrary ratio. The mixed solution is dropped into a poor solvent, reprecipitated, and then suction-filtered to obtain a polyamic acid-coated CNT of an arbitrary coating amount, that is, resin-coated carbon nanotube particles 6.

(カーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法)
続いて、前記樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6を用いて、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体100の製造方法について説明する。
先ず、図6(a)に示すように前記樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6を必要量用意し、これに付加物質が有る場合には、付加物質を混合し混合体を形成する。
このとき、付加物質としては、例えば、ダイヤモンドやcBN等の砥粒、或いはセラミックス粉や金属粉(例えば、炭化ケイ素、銅、ニッケル)を加えてもよい。樹脂体3中における付加物質との配合比は、砥粒は全体の12.5~37.5vol%程度、砥粒を除く部分に対するセラミックスや金属の微粉の割合は10~70vol%が好ましい。
(Manufacturing method of carbon nanotube composite resin molded product)
Subsequently, a method for manufacturing the carbon nanotube composite resin molded body 100 will be described using the resin-coated carbon nanotube particles 6.
First, as shown in FIG. 6A, the resin-coated carbon nanotube particles 6 are prepared in a required amount, and if there is an additional substance in the required amount, the additional substance is mixed to form a mixture.
At this time, as the additional substance, for example, abrasive grains such as diamond or cBN, or ceramic powder or metal powder (for example, silicon carbide, copper, nickel) may be added. The mixing ratio of the abrasive grains with the additional substance in the resin body 3 is preferably about 12.5 to 37.5 vol% of the whole, and the ratio of the fine powder of ceramics or metal to the portion excluding the abrasive grains is preferably 10 to 70 vol%.

付加物質がある場合、具体的には、ロッキングミル、遊星ボールミル、自転公転ミキサー、乳鉢などを用いて混合する。また、前記混合体を液相とする場合には、媒体として有機溶媒を用い、回転式あるいは超音波を用いた撹拌装置を用いて混合し、有機溶媒を乾燥除去する。
尚、付加物質が無い場合(樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6のみの場合)には、混合することなく、真空ホットプレス装置で所定形状に成形される。
If there is an additional substance, specifically, it is mixed using a rocking mill, a planetary ball mill, a rotation / revolution mixer, a mortar and the like. When the mixture is used as a liquid phase, an organic solvent is used as a medium, and the mixture is mixed using a rotary or ultrasonic stirring device to dry and remove the organic solvent.
When there is no additional substance (only for the resin-coated carbon nanotube particles 6), the carbon nanotube particles 6 are molded into a predetermined shape by a vacuum hot press device without mixing.

次いで、液相または固相の状態とした前記混合体を、金型に詰め、真空ホットプレス装置を用いて、数Pa以下の減圧下で反応成形を行う。ポリアミック酸被覆の場合、反応温度で真空度の変動が収まるまで保温し,その後380℃まで昇温し数時間加熱する。付加物質がない場合は,プレス圧は20~50MPa程度で十分である。付加物質がある場合は、その添加量が多くなると、約200MPaのプレス圧が必要な場合がある。
加熱された樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6の樹脂層2は、化学反応によりポリイミド化し、隣接する樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6間において樹脂層2同士が連結する。
Next, the mixture in a liquid phase or solid phase state is packed in a mold, and reaction molding is performed under a reduced pressure of several Pa or less using a vacuum hot press device. In the case of polyamic acid coating, the reaction temperature is kept warm until the fluctuation of the degree of vacuum subsides, and then the temperature is raised to 380 ° C. and heated for several hours. In the absence of additional substances, a press pressure of about 20 to 50 MPa is sufficient. If there is an additional substance, a press pressure of about 200 MPa may be required if the amount added is large.
The resin layer 2 of the heated resin-coated carbon nanotube particles 6 is made into polyimide by a chemical reaction, and the resin layers 2 are connected to each other between the adjacent resin-coated carbon nanotube particles 6.

ここで、図3に示したように樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6中には、複数のカーボンナノチューブ1が配合されているため、粒子6の樹脂層2が化学反応によりポリイミド化する。即ち、樹脂中のカルボキシル基とイミノ基が加熱によって反応し,イミド化が進み、ポリイミド樹脂を成形する
このとき、カーボンナノチューブは前記したように樹脂で被覆されているために、凝集が抑制され、均一な分散状態を保ったままで、樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6の樹脂層2が化学反応によりポリイミド化する。
これにより、図6(b)に示すようにカーボンナノチューブ1が高濃度で、かつ均一に分散された成形体100を得ることができる。
尚、図6では、樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6を球状に示しているが、実際は、図3に示すように、樹脂被覆カーボンナノチューブが絡み合った形状に形成されている。
Here, as shown in FIG. 3, since the resin-coated carbon nanotube particles 6 contain a plurality of carbon nanotubes 1, the resin layer 2 of the particles 6 is made into polyimide by a chemical reaction. That is, the carboxyl group and the imino group in the resin react with each other by heating, and imidization proceeds to form the polyimide resin. At this time, since the carbon nanotubes are coated with the resin as described above, aggregation is suppressed. The resin layer 2 of the resin-coated carbon nanotube particles 6 is made into polyimide by a chemical reaction while maintaining a uniform dispersion state.
As a result, as shown in FIG. 6B, it is possible to obtain a molded product 100 in which the carbon nanotubes 1 are uniformly dispersed at a high concentration.
Although the resin-coated carbon nanotube particles 6 are shown in a spherical shape in FIG. 6, the resin-coated carbon nanotube particles 6 are actually formed in an entangled shape as shown in FIG.

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、ポリイミドの前駆体によりカーボンナノチューブ1を被覆した樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子6を必要量混合し、それを成形後、加熱により化学反応させ、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体100を得ることができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, a required amount of resin-coated carbon nanotube particles 6 coated with carbon nanotubes 1 with a polyimide precursor is mixed, molded, and then chemically reacted by heating to carbon. The nanotube composite resin molded body 100 can be obtained.

このような製造工程を得ることにより、カーボンナノチューブ1の濃度が0.72vol%以上74.0vol%以下であり、かつ任意断面における1μmにおけるカーボンナノチューブの面積の変動係数が、0.1以下であるカーボンナノチューブ複合樹脂成形体100を得ることができる。 By obtaining such a manufacturing process, the concentration of the carbon nanotube 1 is 0.72 vol% or more and 74.0 vol% or less, and the variation coefficient of the area of the carbon nanotube at 1 μm 2 in an arbitrary cross section is 0.1 or less. A certain carbon nanotube composite resin molded body 100 can be obtained.

尚、前記実施の形態にあっては、カーボンナノチューブ1を被覆する樹脂としてポリイミド前駆体を例に説明したが、本発明にあっては、その例に限定されるものではない。
例えば、樹脂としてフェノール樹脂を用いてもよい。例えば、前記樹脂層がノボラック型フェノール樹脂と、ホルムアルデヒドを生成する硬化剤(例えば、ヘキサメチレンテトラミン)とを含む樹脂であり、前記ノボラック型フェノール樹脂と前記ホルムアルデヒドによって生成するメチノール基であり、前記反応性基が加熱によって脱水反応で架橋硬化させても良い。
あるいはまた、前記樹脂層がレゾール型フェノール樹脂であり、前記反応性基がメチノール基であり、前記反応性基が加熱によって脱水反応で架橋硬化させても良い。
In the above embodiment, the polyimide precursor has been described as an example of the resin for coating the carbon nanotube 1, but the present invention is not limited to this example.
For example, a phenol resin may be used as the resin. For example, the resin layer is a resin containing a novolak-type phenol resin and a curing agent that produces formaldehyde (for example, hexamethylenetetramine), and is a metinol group produced by the novolak-type phenol resin and the formaldehyde. The phenolic group may be cross-linked and cured by a dehydration reaction by heating.
Alternatively, the resin layer may be a resol-type phenol resin, the reactive group may be a methinol group, and the reactive group may be cross-linked and cured by a dehydration reaction by heating.

本発明に係るカーボンナノチューブ複合樹脂成形体製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示したカーボンナノチューブ複合樹脂成形体を製造することにより、その性能を検証した。 The method for producing the carbon nanotube composite resin molded product according to the present invention will be further described based on Examples. In this example, the performance was verified by producing the carbon nanotube composite resin molded product shown in the embodiment.

(実験1)
実験1では、樹脂体中におけるカーボンナノチューブの濃度(vol%)が成形体の曲げ強度(MPa)に与える影響について検証した。曲げ強度の測定は、3点曲げ試験により実施した。
カーボンナノチューブとしては、平均長さ1.5μm、直径約10nmのものを用い、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸溶液に多数本のカーボンナノチューブを混合し、再沈殿させる方法により生成した樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を用いた。
(Experiment 1)
In Experiment 1, the effect of the concentration (vol%) of carbon nanotubes in the resin body on the bending strength (MPa) of the molded body was verified. The bending strength was measured by a three-point bending test.
As the carbon nanotubes, those having an average length of 1.5 μm and a diameter of about 10 nm were used, and resin-coated carbon nanotubes produced by a method of mixing a large number of carbon nanotubes with a polyamic acid solution which is a precursor of polyimide and reprecipitating them. Particles were used.

そして、真空ホットプレス装置(図示せず)を用いて、数Paの減圧下、380℃で数時間加熱し、カーボンナノチューブ複合樹脂成形体を得た。 Then, using a vacuum hot press device (not shown), the mixture was heated at 380 ° C. for several hours under a reduced pressure of several Pa to obtain a carbon nanotube composite resin molded product.

ここで、実施例1ではカーボンナノチューブの濃度を2.16vol%とし、実施例2ではカーボンナノチューブの濃度を7.34vol%とし、実施例3ではカーボンナノチューブの濃度を15.1vol%とした。
尚、カーボンナノチューブの濃度は、樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子の樹脂被覆の厚さを変化させることにより、変化させた。このときの被覆樹脂であるポリアミック酸のイミド化率は、23.5%であった.
Here, in Example 1, the concentration of carbon nanotubes was 2.16 vol%, in Example 2, the concentration of carbon nanotubes was 7.34 vol%, and in Example 3, the concentration of carbon nanotubes was 15.1 vol%.
The concentration of the carbon nanotubes was changed by changing the thickness of the resin coating of the resin-coated carbon nanotube particles. The imidization rate of the polyamic acid, which is the coating resin at this time, was 23.5%.

また、比較例として、樹脂粉とカーボンナノチューブとを固相混合し、成形後、加熱成形によりカーボンナノチューブ複合樹脂成形体を得た。
具体的には、ミキサとして日本コークス製MP5を用い、イミド化率がほぼ100%であるポリイミド粉(宇部興産製UIP-R)をカーボンナノチューブと混合し、ポリイミド粉表面にカーボンナノチューブを付着させた複合粒子を形成した。そして、その複合粒子を金型に充填し、真空ホットプレスにより温度約400℃、プレス圧約200MPaで成形した。
比較例1のカーボンナノチューブの濃度を7.34vol%とし、比較例2のカーボンナノチューブの濃度を2.16vol%とした。
尚、カーボンナノチューブの濃度は混合機に投入するカーボンナノチューブの量により変化させた。
Further, as a comparative example, a resin powder and carbon nanotubes were mixed in a solid phase, and after molding, a carbon nanotube composite resin molded body was obtained by heat molding.
Specifically, MP5 manufactured by Nippon Coke was used as a mixer, polyimide powder having an imidization ratio of almost 100% (UIP-R manufactured by Ube Corporation) was mixed with carbon nanotubes, and carbon nanotubes were adhered to the surface of the polyimide powder. Composite particles were formed. Then, the composite particles were filled in a mold and molded by vacuum hot pressing at a temperature of about 400 ° C. and a pressing pressure of about 200 MPa.
The concentration of the carbon nanotubes of Comparative Example 1 was 7.34 vol%, and the concentration of the carbon nanotubes of Comparative Example 2 was 2.16 vol%.
The concentration of carbon nanotubes was changed depending on the amount of carbon nanotubes charged into the mixer.

そして、この実施例1~3、比較例1,2のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体に断面を形成し、100μm×100μmの観察領域を設定し、その領域を1μm(1μm×1μm)の領域に区分し、夫々の区分された領域におけるカーボンナノチューブの面積を求め、その面積の変動係数を求めた。
その結果、実施例1、実施例2、実施例3の変動係数は、いずれも0.1以下であり、比較例1と比較例2の変動係数は、いずれも約1.1であった。
これにより、実施例1~3は比較例1、2に比べて、カーボンナノチューブが均一に分散されていることが確認された。
Then, a cross section is formed on the carbon nanotube composite resin molded bodies of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, and an observation region of 100 μm × 100 μm is set, and the region is set to a region of 1 μm 2 (1 μm × 1 μm). After classification, the area of carbon nanotubes in each of the divided regions was obtained, and the coefficient of variation of the area was obtained.
As a result, the coefficient of variation of Example 1, Example 2, and Example 3 was 0.1 or less, and the coefficient of variation of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 was about 1.1.
As a result, it was confirmed that the carbon nanotubes were uniformly dispersed in Examples 1 to 3 as compared with Comparative Examples 1 and 2.

次に、実施例1~3、比較例1,2のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体について、曲げ強度試験を行った。尚、試験片の形状は、縦10mm、横40mm、厚さ1.8mmとした。
その結果を図7の棒グラフに示す。図7のグラフにおいて、縦軸は最大曲げ応力(MPa)である。
このグラフに示されるように、例えばカーボンナノチューブの濃度2.16vol%の場合、比較例2の結果に対し実施例1の結果は約302%強度が向上した。また、カーボンナノチューブの濃度7.34vol%の場合、比較例1の結果に対し実施例2の結果は約572%強度が向上した。
この結果より、比較例では、カーボンナノチューブ濃度が高くなるについて強度が下がるのに対して、実施例ではカーボンナノチューブ濃度が高くなるにつれて強度が高くなることを確認することができた。
また、カーボンナノチューブの濃度が15.1vol%の実施例3の結果は、実施例1,2の結果よりも高い曲げ応力が得られた。
Next, bending strength tests were performed on the carbon nanotube composite resin molded bodies of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. The shape of the test piece was 10 mm in length, 40 mm in width, and 1.8 mm in thickness.
The results are shown in the bar graph of FIG. In the graph of FIG. 7, the vertical axis is the maximum bending stress (MPa).
As shown in this graph, for example, when the concentration of carbon nanotubes is 2.16 vol%, the strength of the result of Example 1 is improved by about 302% with respect to the result of Comparative Example 2. Further, when the concentration of the carbon nanotubes was 7.34 vol%, the strength of the result of Example 2 was improved by about 572% with respect to the result of Comparative Example 1.
From this result, it was confirmed that in the comparative example, the strength decreased as the carbon nanotube concentration increased, whereas in the example, the strength increased as the carbon nanotube concentration increased.
Further, the result of Example 3 in which the concentration of carbon nanotubes was 15.1 vol% obtained a higher bending stress than the result of Examples 1 and 2.

(実験2)
実験2では、樹脂体中におけるカーボンナノチューブの濃度(vol%)を種々変えて、成形体の最大曲げ応力(MPa)と曲げ弾性率(MPa)に与える影響について検証した。
実施例4~10のいずれも、実施例1から実施例3と同様に、樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を、再沈殿法により生成し、所定量の樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を加熱して反応成形することによりカーボンナノチューブ複合樹脂成形体を得た。
このとき、実施例4のカーボンナノチューブの濃度は0.72vol%とし、実施例5のカーボンナノチューブの濃度は2.16vol%とし、実施例6のカーボンナノチューブの濃度は3.62vol%とした。また、実施例7のカーボンナノチューブの濃度は7.34vol%とし、実施例8のカーボンナノチューブの濃度は15.1%、実施例9のカーボンナノチューブの濃度は41.6vol%とし、実施例10のカーボンナノチューブの濃度は74.0vol%とした。
(Experiment 2)
In Experiment 2, the effects on the maximum bending stress (MPa) and flexural modulus (MPa) of the molded body were verified by variously changing the concentration (vol%) of carbon nanotubes in the resin body.
In each of Examples 4 to 10, resin-coated carbon nanotube particles are produced by a reprecipitation method in the same manner as in Examples 1 to 3, and a predetermined amount of resin-coated carbon nanotube particles are heated for reaction molding. A carbon nanotube composite resin molded body was obtained.
At this time, the concentration of the carbon nanotubes in Example 4 was 0.72 vol%, the concentration of the carbon nanotubes in Example 5 was 2.16 vol%, and the concentration of the carbon nanotubes in Example 6 was 3.62 vol%. The concentration of the carbon nanotubes in Example 7 was 7.34 vol%, the concentration of the carbon nanotubes in Example 8 was 15.1%, and the concentration of the carbon nanotubes in Example 9 was 41.6 vol%. The concentration of carbon nanotubes was 74.0 vol%.

そして、この実施例4~10においても、実施例1~3と同様な方法により、カーボンナノチューブの面積の変動係数を求めた。
その結果、実施例4~実施例10の変動係数は、いずれも0.1以下であった。
これにより、実施例4~10は比較例1,2に比べて、カーボンナノチューブが均一に分散されていること確認された。
Then, in Examples 4 to 10, the coefficient of variation of the area of the carbon nanotubes was obtained by the same method as in Examples 1 to 3.
As a result, the coefficient of variation of Examples 4 to 10 was 0.1 or less.
As a result, it was confirmed that the carbon nanotubes were uniformly dispersed in Examples 4 to 10 as compared with Comparative Examples 1 and 2.

次に、実施例4~10のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体について、最大曲げ応力(MPa)と曲げ弾性率(MPa)の試験を行った。尚、試験片の形状は、縦10mm、横40mm、厚さ1.8mmとした。
実験2「カーボンナノチューブの濃度の効果」の結果を図8のグラフに示す。
Next, the maximum bending stress (MPa) and the flexural modulus (MPa) were tested on the carbon nanotube composite resin molded bodies of Examples 4 to 10. The shape of the test piece was 10 mm in length, 40 mm in width, and 1.8 mm in thickness.
The results of Experiment 2 “Effect of concentration of carbon nanotubes” are shown in the graph of FIG.

図8のグラフにおいて、カーボンナノチューブの面積の変動係数が、0.1以下の範囲内にあり、良好にカーボンナノチューブが分散している場合、カーボンナノチューブ濃度が74.0%となるまで最大曲げ弾性率が増加する傾向が示された。
また、最大曲げ応力は、カーボンナノチューブ濃度が15.1vol%までは増加し、237MPaに達する。カーボンナノチューブ濃度が41.6vol%、74.0vol%では、濃度15.1vol%に比べて最大曲げ応力は下がるものの、120MPa以上の曲げ応力を有することがわかった。
即ち、本発明のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体のように、カーボンナノチューブの面積の変動係数が、0.1以下の範囲内にあり、高濃度のカーボンナノチューブを有することにより、最大曲げ応力と曲げ弾性率が向上することを確認した。
In the graph of FIG. 8, when the coefficient of variation of the area of the carbon nanotubes is in the range of 0.1 or less and the carbon nanotubes are well dispersed, the maximum bending elasticity is reached until the carbon nanotube concentration reaches 74.0%. There was a tendency for the rate to increase.
Further, the maximum bending stress increases up to 15.1 vol% of the carbon nanotube concentration and reaches 237 MPa. It was found that when the carbon nanotube concentrations were 41.6 vol% and 74.0 vol%, the maximum bending stress was lower than that at the concentration of 15.1 vol%, but the bending stress was 120 MPa or more.
That is, like the carbon nanotube composite resin molded body of the present invention, the fluctuation coefficient of the area of the carbon nanotube is within the range of 0.1 or less, and by having the carbon nanotube with a high concentration, the maximum bending stress and the bending elasticity It was confirmed that the rate improved.

(実験3)
実験3では、樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子における樹脂部のイミド化率が成形体における最大曲げ応力に与える影響について検証した。
本実験の実施例においてカーボンナノチューブの濃度は,7.34vol%で固定し、樹脂被覆カーボンナノチューブの樹脂のイミド化率を実施例11では23.5%、実施例12では49.1%、実施例13では78.8%、実施例14では100%とした。そして、各実施例において所定量の樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を加熱して反応成形することによりカーボンナノチューブ複合樹脂成形体を得た。
(Experiment 3)
In Experiment 3, the effect of the imidization ratio of the resin portion of the resin-coated carbon nanotube particles on the maximum bending stress in the molded product was verified.
In the examples of this experiment, the concentration of carbon nanotubes was fixed at 7.34 vol%, and the imidization rate of the resin of the resin-coated carbon nanotubes was 23.5% in Example 11 and 49.1% in Example 12. In Example 13, it was 78.8%, and in Example 14, it was 100%. Then, in each example, a predetermined amount of resin-coated carbon nanotube particles were heated and reaction-molded to obtain a carbon nanotube composite resin molded body.

尚、実施例11~14におけるイミド化率は、樹脂被覆カーボンナノチューブの熱処理温度により制御した。イミド化率は以下のように定義した。即ちフーリエ変換赤外分光光度計を用いて、一回反射ATR法(Geプリスム、範囲:4000~650cm-1、分解能:4cm-1、積算数:16回、処理:ATR補正→BL補正(4000cm-1,1800cm-1の2点で補正))により吸光度を測定した。さらに、1820cm-1をベース(Abs=0)としたときの吸光度比(1775cm-1/1500cm-1)を計算し、イミド化率とした。
また、500℃で1時間処理した試料の吸光度比をイミド化率100%とし、1775cm-1/1500cm-1=0をイミド化率0%と定義した。
The imidization ratio in Examples 11 to 14 was controlled by the heat treatment temperature of the resin-coated carbon nanotubes. The imidization rate was defined as follows. That is, using a Fourier transform infrared spectrophotometer, the single reflection ATR method (Ge prism, range: 4000 to 650 cm -1 , resolution: 4 cm -1 , total number: 16 times, processing: ATR correction → BL correction (4000 cm) Absorbance was measured by -1 and 1800 cm -1 (corrected at 2 points))). Further, the absorbance ratio (1775 cm -1 / 1500 cm -1 ) when 1820 cm -1 was used as the base (Abs = 0) was calculated and used as the imidization ratio.
Further, the absorbance ratio of the sample treated at 500 ° C. for 1 hour was defined as an imidization rate of 100%, and 1775 cm -1 / 1500 cm -1 = 0 was defined as an imidization rate of 0%.

本実験3の結果を図12のグラフに示す。図12のグラフにおいて、縦軸は最大曲げ応力(MPa)であり、横軸はイミド化率(%)である。
図9のグラフに示すように、イミド化率80%までは、最大曲げ応力は200MPa以上であるが、イミド化率100%では最大曲げ応力が大幅に低下した。これはイミド化率が高く,成形中に反応が起こらないため,樹脂同士の結合が弱いことに起因すると考えられる。
The results of this experiment 3 are shown in the graph of FIG. In the graph of FIG. 12, the vertical axis is the maximum bending stress (MPa) and the horizontal axis is the imidization ratio (%).
As shown in the graph of FIG. 9, the maximum bending stress was 200 MPa or more up to the imidization rate of 80%, but the maximum bending stress was significantly reduced at the imidization rate of 100%. This is thought to be due to the weak bond between the resins because the imidization rate is high and no reaction occurs during molding.

(実験4)
実験4では、本発明のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の高温耐摩擦性を検証した。
実施例15では、所定量の樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を加熱して反応成形することによりカーボンナノチューブ濃度が1.04vol%のカーボンナノチューブ複合ポリイミド樹脂成形体を得た。
比較例3では、ミキサとして日本コークス製MP5を用いてカーボンナノチューブ(Nanocyl製NC7000,直径約10nm,平均長さ1.5μm)とポリイミド粉(宇部興産製UIP-R)とを混合し、ポリイミド粉表面にカーボンナノチューブを付着させた複合粒子を形成した。そして、比較例1と同様条件の加熱成形により成形体を得た。
(Experiment 4)
In Experiment 4, the high-temperature friction resistance of the carbon nanotube composite resin molded product of the present invention was verified.
In Example 15, a predetermined amount of resin-coated carbon nanotube particles were heated and reaction-molded to obtain a carbon nanotube composite polyimide resin molded body having a carbon nanotube concentration of 1.04 vol%.
In Comparative Example 3, carbon nanotubes (NC7000 manufactured by Nanocil, diameter about 10 nm, average length 1.5 μm) and polyimide powder (UIP-R manufactured by Ube Corporation) were mixed using MP5 manufactured by Nippon Coke as a mixer, and the polyimide powder was mixed. Composite particles with carbon nanotubes attached to the surface were formed. Then, a molded product was obtained by heat molding under the same conditions as in Comparative Example 1.

実施例15及び比較例3では、それぞれ、アルミナ球を用いた高温ボール・オン・ディスク試験を実施した。試験条件は、アルミナ球直径:6mm、試験荷重900gf、回転速度47.1m/min、総回転回数15,000回、潤滑液なし、試料温度300℃とした。
図10は、実験4の結果を示す棒グラフである。図10のグラフにおいて縦軸は摩耗体積(mm)である。
図10のグラフに示すように、比較例3では摩耗体積が1.4mm、実施例15では摩耗体積が0.25mmであった。即ち、比較例3に比べて、実施例15では,カーボンナノチューブの複合化と反応成形の効果により摩耗体積が著しく減少した(実施例15の摩耗体積は,比較例3の約17%程度)。このことから,本発明のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の高温耐摩擦性が示された。
In Example 15 and Comparative Example 3, high-temperature ball-on-disc tests using alumina spheres were carried out, respectively. The test conditions were an alumina sphere diameter of 6 mm, a test load of 900 gf, a rotation speed of 47.1 m / min, a total number of rotations of 15,000, no lubricating liquid, and a sample temperature of 300 ° C.
FIG. 10 is a bar graph showing the results of Experiment 4. In the graph of FIG. 10, the vertical axis is the wear volume (mm 3 ).
As shown in the graph of FIG. 10, in Comparative Example 3, the wear volume was 1.4 mm 3 , and in Example 15, the wear volume was 0.25 mm 3 . That is, as compared with Comparative Example 3, in Example 15, the wear volume was significantly reduced due to the effect of the composite of carbon nanotubes and the reaction molding (the wear volume of Example 15 was about 17% of that of Comparative Example 3). From this, the high temperature friction resistance of the carbon nanotube composite resin molded product of the present invention was shown.

(実験5)
実験5では、本発明のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体におけるカーボンナノチューブ濃度が熱拡散率(cm/s)に与える影響について検証した。
実施例は、前記した実施例5、7、9、10(それぞれカーボンナノチューブ濃度2.16vol%,7.34vol%,41.6vol%,74.0vol%)のカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の熱拡散率(cm/s)を求めた。
比較例4として、ポリイミド粉(宇部興産製UIR-P)のみを真空ホットプレス装置でプレス成形し、カーボンナノチューブ濃度0vol%の成形体を得て、その熱拡散率を求めた。
(Experiment 5)
In Experiment 5, the effect of the carbon nanotube concentration in the carbon nanotube composite resin molded product of the present invention on the thermal diffusivity (cm 2 / s) was verified.
Examples are the thermal diffusivity of the carbon nanotube composite resin molded article of Examples 5, 7, 9, and 10 (carbon nanotube concentrations 2.16 vol%, 7.34 vol%, 41.6 vol%, 74.0 vol%, respectively). The rate (cm 2 / s) was determined.
As Comparative Example 4, only polyimide powder (UIR-P manufactured by Ube Corporation) was press-molded by a vacuum hot press device to obtain a molded body having a carbon nanotube concentration of 0 vol%, and its thermal diffusivity was determined.

図11に実験5の結果を示す。図11のグラフは、横軸がカーボンナノチューブ含有量(vol%)であり、縦軸が熱拡散率(×10-3cm/s)である。
このグラフに示されるように、熱拡散率はカーボンナノチューブ濃度に従って増加することが確認できる。実施例10のカーボンナノチューブ濃度74.0vol%では熱拡散率が4.54×10-3cm/sに達する。比較例4(カーボンナノチューブ濃度0vol%)は、熱拡散率が2.364×10-3cm/sであることから、実施例10では比較例4に比べて1.92倍程度、放熱性が向上することを確認した。
FIG. 11 shows the results of Experiment 5. In the graph of FIG. 11, the horizontal axis is the carbon nanotube content (vol%), and the vertical axis is the thermal diffusivity (× 10 -3 cm 2 / s).
As shown in this graph, it can be confirmed that the thermal diffusivity increases with the carbon nanotube concentration. At the carbon nanotube concentration of 74.0 vol% in Example 10, the thermal diffusivity reaches 4.54 × 10 -3 cm 2 / s. Since Comparative Example 4 (carbon nanotube concentration 0 vol%) has a thermal diffusivity of 2.364 × 10 -3 cm 2 / s, Example 10 has a heat dissipation property of about 1.92 times that of Comparative Example 4. Was confirmed to improve.

本発明にかかるカーボンナノチューブ複合樹脂成形体は、航空機や自動車など機械要素部品の樹脂成形体、研削また研磨等の加工用の冶具の樹脂成形体等としても広く用いることができる。 The carbon nanotube composite resin molded body according to the present invention can be widely used as a resin molded body for machine element parts such as aircraft and automobiles, and a resin molded body for jigs for processing such as grinding and polishing.

1 カーボンナノチューブ
2 樹脂層(前駆体)
3 樹脂体
4 空隙
5 樹脂被覆カーボンナノチューブ
6 樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子
100 カーボンナノチューブ複合樹脂成形体
1 Carbon nanotube 2 Resin layer (precursor)
3 Resin body 4 Voids 5 Resin-coated carbon nanotubes 6 Resin-coated carbon nanotube particles 100 Carbon nanotube composite resin molded body

Claims (10)

樹脂体の中に複数のカーボンナノチューブが配合されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法であって、It is a method for manufacturing a carbon nanotube composite resin molded body in which a plurality of carbon nanotubes are blended in a resin body.
樹脂の前駆体にカーボンナノチューブを混合し、再沈殿法により樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を生成する工程と、The process of mixing carbon nanotubes with the resin precursor and producing resin-coated carbon nanotube particles by the reprecipitation method.
前記生成した樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を成形するとともに加熱し、前記カーボンナノチューブを被覆する樹脂が化学反応により樹脂体を形成することによって、前記樹脂体中にカーボンナノチューブが分散された、成形体を得る工程と、The produced resin-coated carbon nanotube particles are molded and heated to form a resin body by a chemical reaction of the resin covering the carbon nanotubes, whereby a molded body in which the carbon nanotubes are dispersed in the resin body is obtained. Process and
を備えることを特徴とするカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。A method for producing a carbon nanotube composite resin molded product.
前記樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を生成する工程の後、After the step of producing the resin-coated carbon nanotube particles,
前記樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子に対して、砥粒と、セラミックスあるいは金属の微粉金属物質とからなる付加物質を添加する工程がなされ、A step of adding an abrasive grain and an additional substance composed of ceramics or a fine metal substance of metal to the resin-coated carbon nanotube particles is performed.
その後、前記成形体を得る工程がなされるカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法であって、After that, it is a method of manufacturing a carbon nanotube composite resin molded product in which the step of obtaining the molded product is performed.
前記砥粒は全体の12.5~37.5vol%、砥粒を除く部分に対するセラミックスあるいは金属の微粉の割合が10~70vol%であることを特徴とする請求項1に記載されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。The carbon nanotube composite according to claim 1, wherein the abrasive grains are 12.5 to 37.5 vol% of the whole, and the ratio of fine powder of ceramics or metal to the portion excluding the abrasive grains is 10 to 70 vol%. A method for manufacturing a resin molded product.
樹脂の前駆体にカーボンナノチューブを混合し、再沈殿法により樹脂被覆カーボンナノチューブ粒子を生成する工程において、In the process of mixing carbon nanotubes with the resin precursor and producing resin-coated carbon nanotube particles by the reprecipitation method.
前記カーボンナノチューブを被覆する樹脂層の厚さにより成形体中におけるカーボンナノチューブの濃度を制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。The method for producing a carbon nanotube composite resin molded body according to claim 1 or 2, wherein the concentration of the carbon nanotubes in the molded body is controlled by the thickness of the resin layer covering the carbon nanotubes.
前記樹脂体は、ポリイミド樹脂またはフェノール樹脂であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。The method for producing a carbon nanotube composite resin molded body according to any one of claims 1 to 3, wherein the resin body is a polyimide resin or a phenol resin. 前記樹脂被覆カーボンナノチューブの樹脂が前駆体であるポリアミック酸であり、ポリアミック酸のイミド化率が80%以下であり、樹脂中のカルボキシル基とイミノ基が加熱によって反応し、イミド化が進み、ポリイミド樹脂を成形することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。The resin of the resin-coated carbon nanotube is polyamic acid as a precursor, the imidization rate of the polyamic acid is 80% or less, the carboxyl group and the imino group in the resin react by heating, imidization proceeds, and polyimide The method for producing a carbon nanotube composite resin molded body according to any one of claims 1 to 4, wherein the resin is molded. 前記樹脂層がノボラック型フェノール樹脂と、ホルムアルデヒドを生成する硬化剤とを含む樹脂であり、前記ノボラック型フェノール樹脂と前記ホルムアルデヒドによって生成するメチノール基であり、前記反応性基が加熱によって脱水反応で架橋硬化することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。The resin layer is a resin containing a novolak-type phenol resin and a curing agent that produces formaldehyde, is a metinol group generated by the novolak-type phenol resin and the formaldehyde, and the reactive group is crosslinked by a dehydration reaction by heating. The method for producing a carbon nanotube composite resin molded body according to any one of claims 1 to 4, which is characterized by being cured. 前記樹脂層がレゾール型フェノール樹脂であり、前記反応性基がメチノール基であり、前記反応性基が加熱によって脱水反応で架橋硬化することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。The present invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the resin layer is a resol type phenol resin, the reactive group is a methinol group, and the reactive group is crosslinked and cured by a dehydration reaction by heating. The method for producing a carbon nanotube composite resin molded body described. 前記成形体を得る工程によって得られた成形体が、カーボンナノチューブの濃度が74.0vol%以下であり、かつ任意断面における1μmThe molded product obtained by the step of obtaining the molded product has a carbon nanotube concentration of 74.0 vol% or less and 1 μm in an arbitrary cross section. 2 におけるカーボンナノチューブの面積の変動係数が、0.1以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。The method for producing a carbon nanotube composite resin molded body according to any one of claims 1 to 4, wherein the coefficient of variation of the area of the carbon nanotubes in the above is 0.1 or less. 前記成形体を得る工程によって得られた成形体が、前記カーボンナノチューブの濃度が0.72vol%以上であり、最大曲げ応力が、少なくとも120MPaであることを特徴とする請求項8に記載されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。The carbon according to claim 8, wherein the molded product obtained by the step of obtaining the molded product has a concentration of the carbon nanotubes of 0.72 vol% or more and a maximum bending stress of at least 120 MPa. A method for manufacturing a nanotube composite resin molded product. 前記成形体を得る工程によって得られた成形体が、前記カーボンナノチューブの濃度が0.72vol%以上であり、曲げ弾性率が、少なくとも4000MPaであることを特徴とする請求項8に記載されたカーボンナノチューブ複合樹脂成形体の製造方法。The carbon according to claim 8, wherein the molded product obtained by the step of obtaining the molded product has a concentration of the carbon nanotubes of 0.72 vol% or more and a flexural modulus of at least 4000 MPa. A method for manufacturing an nanotube composite resin molded product.
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