KR100659546B1 - 탄소계 재료 및 그 제조 방법, 복합 재료 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은, 표면이 활성화된 탄소계 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 관한 표면이 활성화된 탄소계 재료의 제조 방법은, 엘라스토머(30)와, 탄소 재료(40)를 혼합하고, 또한 전단력에 의해 이 탄소 재료(40)를 분산 시켜서 복합 엘라스토머를 얻는 공정 (a)와, 복합 엘라스토머를 엘라스토머가 기화하는 온도에서 열 처리하여, 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시키는 공정 (b)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소계 재료 및 그 제조 방법, 복합 재료 및 그 제조 방법{CARBON-RELATED MATERIAL AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND COMPOSITE MATERIAL AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}

도 1은 본 실시 형태에서 이용한 오픈롤 법에 의한 엘라스토머와 카본 나노파이버의 혼련법을 모식적으로 도시하는 도면,

도 2는 비가압(非加壓) 침투법에 의해서 복합 재료를 제조하는 장치의 개략 구성도,

도 3은 비가압 침투법에 의해서 복합 재료를 제조하는 장치의 개략 구성도,

도 4는 본 실시예에서 얻어진 탄소계 재료의 XPS 데이터를 도시하는 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 용기 2 : 감압 수단

3 : 주입 수단 4 : 혼합 분말

5 : 알루미늄 덩어리 6 : 복합 재료

10 : 제1 롤 20 : 제2 롤

30 : 엘라스토머 40 : 카본 나노파이버

42 : 알루미늄 입자 44 : 마그네슘 입자

50 : 제1 선분 60 : 제2 선분

70 : 제3 선분

본 발명은, 탄소계 재료 및 그 제조 방법, 복합 재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

탄소 섬유, 카본 블랙, 흑연, 카본 나노파이버 등의 탄소 재료를 이용한 복합 재료가 주목되고 있다(예를 들면, 일본국 특개평 5-78110호 공보 참조). 이와 같은 복합 재료는, 카본 나노파이버 등의 탄소 재료를 포함함으로써, 도전성, 전열성, 기계적 강도 등의 향상이 기대되고 있다.

그러나, 일반적으로 탄소 재료는, 복합 재료인 매트릭스 재료와의 습윤성(친화성)이 낮고, 매트릭스 재료로의 분산성도 낮았다. 또, 특히 카본 나노파이버는 상호 강한 응집성을 갖기 때문에, 복합 재료의 기재(基材)에 카본 나노파이버를 균일하게 분산시키는 것이 대단히 곤란하게 되어 있다. 카본 나노파이버의 표면처리로서 예를 들면 습식 도금, 증착(蒸着) 등이 검토되고 있지만, 표면 처리층이 두꺼워지기 때문에, 카본 나노파이버끼리 표면 처리층에 의해 결합해 버린다는 문제가 있었다. 그 때문에 현재 상태에서는, 소망의 특성을 갖는 카본 나노파이버의 복합 재료를 얻는 것이 어렵고, 또, 고가인 카본 나노파이버를 효율적으로 이용할 수 없다.

그래서, 본 발명의 목적은, 표면이 활성화된 탄소계 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. 또, 본 발명의 목적은, 표면이 활성된 탄소 재료가 균일하게 분산된 복합 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 관한 탄소계 재료의 제조 방법은, 엘라스토머와, 탄소 재료를 혼합하고, 또한 전단력에 의해 이 탄소 재료를 분산시켜서 복합 엘라스토머를 얻는 공정 (a)와,

상기 복합 엘라스토머를 열 처리하고, 이 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시키는 공정 (b)를 포함한다.

본 발명의 제조 방법의 공정 (a)에 의하면, 전단력에 의해 전단된 엘라스토머에 형성된 프리 라디칼(free radical)이, 탄소 재료의 표면을 공격함으로써, 탄소 재료의 표면은 활성화한다. 그리고, 본 발명의 제조 방법의 공정 (b)에 의하면, 열 처리에 의해 엘라스토머가 기화함으로써, 표면이 활성화된 탄소계 재료가 남는다. 또한, 이 탄소계 재료는, 그 표면이 활성화되고, 복합 재료인 매트릭스 재료와의 습윤성이 향상되어 있기 때문에, 일반적인 금속 가공, 예를 들면 주조 등의 가공에 용이하게 이용할 수 있다.

본 발명에서의 엘라스토머는, 고무계 엘라스토머 혹은 열가소성 엘라스토머 중 어느 것이어도 된다. 또, 고무계 엘라스토머의 경우, 엘라스토머는 가교체 혹은 미가교체 중 어느 것이어도 된다. 원료 엘라스토머로서는, 고무계 엘라스토머 의 경우, 미가교체가 이용된다.

상기 엘라스토머에 탄소 재료를 전단력에 의해 분산시키는 공정 (a)는, 오픈롤 법, 밀폐식 혼련법, 다축 압출 혼련법 등을 이용하여 행할 수 있다.

본 발명에 관한 복합 재료의 제조 방법은, 상기 탄소계 재료를 복합 재료에서의 매트릭스 재료와 혼합하는 공정 (c)를 가질 수 있다.

또, 본 발명에 관한 복합 재료의 제조 방법은, 엘라스토머와, 입자 형상 또는 섬유 형상의 매트릭스 재료와, 탄소 재료를 혼합하고, 또한 전단력에 의해 분산시켜서 복합 엘라스토머를 얻는 공정 (a)와,

상기 복합 엘라스토머를 열 처리하고, 이 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시켜서 탄소계 재료를 얻는 공정 (b)와,

상기 탄소계 재료를, 분말 성형하는 공정 (d)를 가질 수 있다.

이와 같은 복합 재료의 제조 방법은, 전술한 바와 같이 표면이 활성화된 탄소계 재료를 이용함으로써, 탄소계 재료와 매트릭스 재료와의 습윤성이 양호하며, 탄소계 재료를 포함하는 복합 재료를 얻을 수 있다. 또, 이와 같은 복합 재료의 제조 방법에 의하면, 탄소 재료끼리의 응집이 방지되어 있기 때문에, 매트릭스 재료 중에 균일하게 분산된 복합 재료를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

본 실시 형태에 관한 탄소계 재료의 제조 방법은, 엘라스토머와, 탄소 재료를 혼합하고, 또한 전단력에 의해 이 탄소 재료를 분산시켜서 복합 엘라스토머를 얻는 공정 (a)와, 상기 복합 엘라스토머를 열 처리하여, 이 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시키는 공정 (b)를 포함한다.

본 실시 형태에 관한 복합 재료의 제조 방법은, 상기 탄소계 재료를 복합 재료에서의 매트릭스 재료와 혼합하는 공정 (c)를 가질 수 있다.

우선, 엘라스토머에 대해 설명한다.

엘라스토머는, 중량평균분자량이 바람직하게는 5000 내지 500만, 더욱 바람직하게는 2만 내지 300만이다. 엘라스토머의 중량평균분자량이 이 범위이면, 엘라스토머 분자가 서로 얽혀서, 상호 연결되어 있기 때문에, 엘라스토머는, 응집한 카본 나노파이버의 상호로 침입하기 쉽고, 따라서 카본 나노파이버들을 분리하는 효과가 크다. 엘라스토머의 중량평균분자량이 5000보다 작으면, 엘라스토머 분자를 서로 충분히 얽히게 할 수 없고, 뒤의 공정에서 전단력을 걸어도 탄소 재료를 분산시키는 효과가 작아진다. 또, 엘라스토머의 중량평균분자량이 500만보다 크면, 엘라스토머가 너무 단단해져서 가공이 곤란해진다.

엘라스토머는, 펄스법 NMR을 이용하여 한 에코(Hahn echo)법에 의해서, 30℃에서 측정한, 미가교체에 있어서의 네트워크 성분의 스핀-스핀 완화 시간(T2n/30℃)이 바람직하게는 100 내지 3000μ초, 보다 바람직하게는 200내지 1000μ초이다. 상기 범위의 스핀-스핀 완화 시간(T2n/30℃)을 가짐으로써, 엘라스토머는, 유연하고 충분히 높은 분자 운동성을 가질 수 있다. 이것에 의해, 엘라스토머와 탄소 재료를 혼합하였을 때에, 엘라스토머는 높은 분자 운동에 의해 탄소 재료 상호의 간극에 용이하게 침입할 수 있다. 스핀-스핀 완화 시간(T2n/30℃)이 100μ초보다 짧으면, 엘라스토머가 충분한 분자 운동성을 가질 수 없다. 또, 스핀-스핀 완화 시 간(T2n/30℃)이 3000μ초보다 길면, 엘라스토머가 액체와 같이 흐르기 쉽게 되어, 탄소 재료를 분산시키는 것이 곤란해진다.

또, 엘라스토머는, 펄스법 NMR을 이용하여 한 에코법에 의해서 30℃에서 측정한, 가교체에 있어서의, 네트워크 성분의 스핀-스핀 완화 시간(T2n)이 100 내지 2000μ초인 것이 바람직하다. 그 이유는, 상술한 미가교체와 동일하다. 즉, 상기의 조건을 갖는 미가교체를 본 발명의 제조 방법에 의해서 가교화하면, 얻어지는 가교체의 T2n은 대략 상기 범위에 포함된다.

펄스법 NMR을 이용한 한 에코법에 의해서 얻어지는 스핀-스핀 완화 시간은, 물질의 분자 운동성을 나타내는 척도이다. 구체적으로는, 펄스법 NMR을 이용한 한 에코법에 의해 엘라스토머의 스핀-스핀 완화 시간을 측정하면, 완화 시간이 짧은 제1 스핀-스핀 완화 시간(T2n)을 갖는 제1 성분과, 완화 시간이 보다 긴 제2 스핀-스핀 완화 시간(T2nn)을 갖는 제2 성분이 검출된다. 제1 성분은 고분자의 네트워크 성분(골격 분자)에 상당하고, 제2 성분은 고분자의 비네트워크 성분(말단쇄 등의 지엽의 성분)에 상당한다. 그리고, 제1 스핀-스핀 완화 시간이 짧을수록 분자 운동성이 낮고, 엘라스토머는 단단하다고 말할 수 있다. 또, 제1 스핀-스핀 완화 시간이 길수록 분자 운동성이 높고, 엘라스토머는 부드럽다고 말할 수 있다.

펄스법 NMR에서의 측정법으로서는, 한 에코법이 아니어도 솔리드에코법, CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill)법 혹은 90°펄스법이어도 적용할 수 있다. 단, 본 발명에 관한 탄소 섬유 복합 재료는 중간 정도의 스핀-스핀 완화 시간(T2)을 갖기 때문에, 한 에코법이 가장 적합하다. 일반적으로, 솔리드에코법 및 90°펄스법 은, 짧은 T2의 측정에 적합하고, 한 에코법은, 중간 정도의 T2의 측정에 적합하며, CPMG법은, 긴 T2의 측정에 적합하다.

엘라스토머는, 주쇄(主鎖), 측쇄(側鎖) 및 말단쇄(末端鎖)의 적어도 하나에, 탄소 재료, 특히 카본 나노파이버 말단의 라디칼에 대해서 친화성을 갖는 불포화 결합 또는 기를 갖거나, 또는, 이와 같은 라디칼 또는 기를 생성하기 쉬운 성질을 갖는다. 이러한 불포화 결합 또는 기로서는, 2중 결합, 3중 결합, α수소, 카르보닐기, 카르복실기, 수산기, 아미노기, 니트릴기, 케톤기, 아미드기, 에폭시기, 에스테르기, 비닐기, 할로겐기, 우레탄기, 뷰렛기, 알로파네이트기 및 요소기 등의 관능기로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

카본 나노파이버는, 통상, 측면은 탄소 원자의 6원환으로 구성되고, 선단은 5원환이 도입되어 폐쇄된 구조로 되어 있지만, 구조적으로 무리가 있기 때문에, 실제상은 결함을 발생하기 쉽고, 그 부분에 라디칼이나 관능기를 생성하기 쉽게 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 엘라스토머의 주쇄, 측쇄 및 말단쇄의 적어도 하나에, 카본 나노파이버의 라디칼과 친화성(반응성 또는 극성)이 높은 불포화 결합이나 기를 가짐으로써, 엘라스토머와 카본 나노파이버를 결합할 수 있다. 이것에 의해, 카본 나노파이버의 응집력보다 커서 그 분산을 용이하게 할 수 있다. 그리고, 엘라스토머와, 탄소 재료 예를 들면 카본 나노파이버를 혼련할 때에, 엘라스토머의 분자쇄가 절단되어 생성한 프리 라디칼은, 카본 나노파이버의 결함을 공격하여, 카본 나노파이버의 표면에 라디컬을 생성한다고 추측할 수 있다.

엘라스토머로서는, 천연 고무(NR), 에폭시화 천연 고무(ENR), 스티렌-부타디 엔 고무(SBR), 니트릴 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR), 에틸렌프로필렌 고무(EPR, EPDM), 부틸 고무(IIR), 클로로부틸 고무(CIIR), 아크릴 고무(ACM), 실리콘 고무(Q), 불소 고무(FKM), 부타디엔 고무(BR), 에폭시화 부타디엔 고무(EBR), 에피크롤히드린 고무(CO, CEO), 우레탄 고무(U), 폴리술피드 고무(T) 등의 엘라스토머류 ; 올레핀계(TPO), 폴리염화비닐계(TPVC), 폴리에스테르계(TPEE), 폴리우레탄계(TPU), 폴리아미드계(TPEA), 스티렌계(SBS), 등의 열 가소성 엘라스토머 ; 및 이들의 혼합물을 이용할 수 있다. 특히, 엘라스토머의 혼련 시에 프리 라디칼을 생성하기 쉬운 극성이 높은 엘라스토머, 예를 들면, 천연 고무(NR), 니트릴 고무(NBR) 등이 바람직하다. 또, 극성이 낮은 엘라스토머, 예를 들면 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)이어도, 혼련의 온도를 비교적 고온(예를 들면 EPDM의 경우, 50℃∼150℃)으로 함으로써, 프리 라디칼을 생성하므로 본 발명에 이용할 수 있다.

본 실시 형태의 엘라스토머는, 고무계 엘라스토머 혹은 열가소성 엘라스토머 중 어느 것이라도 된다. 또, 고무계 엘라스토머의 경우, 엘라스토머는 미가교체가 바람직하다.

(B) 다음에, 탄소 재료에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에 이용되는 탄소 재료로서는, 탄소 동소체를 이용할 수 있고, 예를 들면 탄소 섬유, 카본 블랙, 아몰퍼스 카본, 그라파이트, 다이아몬드 및 플라렌 등으로부터 선택할 수 있다. 여기서 말하는 탄소 섬유에는, 카본 나노파이버가 포함된다. 카본 블랙의 경우, 저가이며 많은 종류의 등급이 시장에 유통되고 있기 때문에, 비교적 용이하게 이용 가능하다. 또, 미소 물질의 탄소 재료, 예를 들면 카본 나노파이버나 플라렌과 같은 나노 머티리얼이면, 적은 배합량이어도 높은 보강 효과 등을 얻을 수 있다.

탄소 재료의 배합량은, 탄소 재료의 종류나 용도에 따라서 설정할 수 있다.

본 발명에서의 카본 블랙은, 각종의 원재료를 이용한 여러 등급의 카본 블랙을 이용할 수 있다. 그 기본 구성 입자(소위 1차 입자) 단체 혹은 그들이 융착하여 연결된 어그리게이트(aggregate, 소위 1차 응집체)라 불리는 상태이어도 되지만, 어그리게이트가 발달한 비교적 높은 스트럭쳐를 갖는 것이 보강용 충전제로서 이용하는 경우에는 바람직하다.

본 실시 형태에 이용되는 카본 블랙은, 기본 구성 입자의 평균 입경이 100nm 이하, 보다 바람직하게는 50nm 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 카본 블랙의 입자가 작을수록 체적 효과나 보강 효과가 커지지만, 실용상, 평균 입경이 10nm∼30nm가 바람직하다.

또, 카본 블랙의 입자 크기는, 질소 흡착 비(比)표면적에 의해서도 나타나지만, 그 경우는, JIS : K6217-2(2001)「고무용 카본 블랙-기본 특성 -제2 부 : 비표면적의 구하는 방법 - 질소 흡착법 - 단점법」의 질소 흡착 비표면적(㎡/g)으로 측정하여, 10㎡/g 이상, 바람직하게는 40㎡/g 이상이다.

또 본 실시 형태에 이용되는 카본 블랙은, 그 기본 구성 입자가 융착된 어그리게이트가 발달한 스트럭쳐의 고저에 따라 보강 효과가 영향을 받기 때문에, DBP 흡착량이 50㎤/100g 이상, 바람직하게는 100㎤/100g 이상으로 하면 보강 효과가 크다. 이것은, DBP 흡착량이 많으면, 어그리게이트가 보다 발달한 스트럭쳐를 구성 하기 때문이다.

본 실시 형태에 이용되는 카본 블랙은, 예를 들면 SAF-HS(N134, N121), SAF(N110, N115), ISAF-HS(N234), ISAF(N220, N220M),ISAF-LS(N219, N231), ISAF-HS(N285, N229), HAF-HS(N339, N347), HAF(N330), HAF-LS (N326), T-HS(N351, N299), T-NS(N330T), MAF(N550M), FEF(N550), GPF(N660, N630, N650, N683), SRF-HS-HM(N762, N774), SRF-LM(N760M, N754, N772, N 762), FT, HCC, HCF, MCC, MCF, LEF, MFF, RCF, RCC 등의 등급 외에, 토커 블랙, HS-500, 아세틸렌 블랙, 켓첸 블랙 등의 도전성 카본 블랙을 이용할 수 있다.

탄소 재료가 탄소 섬유, 특히 카본 나노파이버의 경우, 본 실시 형태의 복합 엘라스토머는, 카본 나노파이버를 0.01∼50중량%의 비율로 포함하는 것이 바람직하다.

카본 나노파이버는, 평균 직경이 0.5 내지 500㎚인 것이 바람직하고, 복합 재료의 강도를 향상시키기 위해서는 0.5 내지 30㎚인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 카본 나노파이버는, 스트레이트 섬유 형상이어도, 만곡 섬유 형상이어도 된다.

카본 나노파이버로서는, 예를 들면, 소위 카본 나노 튜브 등을 예시할 수 있다. 카본 나노 튜브는, 탄소 6각망면의 그라펜 시트가 원통 형상으로 폐쇄된 단층 구조 혹은 이들의 원통 구조가 네스트 형상으로 배치된 다층 구조를 갖는다. 즉, 카본 나노 튜브는, 단층 구조만으로부터 구성되어 있어도 다층 구조만으로 구성되어 있어도 되고, 단층 구조와 다층 구조가 혼재해 있어도 상관없다. 또, 부분적으로 카본 나노 튜브의 구조를 갖는 탄소 재료도 사용할 수 있다. 또한, 카본 나노 튜브라는 명칭 외에 그라파이트 피브릴 나노 튜브라는 명칭으로 칭해지는 경우도 있다.

단층 카본 나노 튜브 또는 다층 카본 나노 튜브는, 아크 방전법, 레이저 어블레이션법, 기상성장법 등에 의해서 바람직한 사이즈로 제조된다.

아크 방전법은, 대기압보다도 약간 낮은 압력의 아르곤이나 수소 분위기 하에서, 탄소봉으로 만들어진 전극 재료의 사이에 아크 방전을 행함으로써, 음극에 퇴적한 다층 카본 나노 튜브를 얻는 방법이다. 또, 단층 카본 나노 튜브는, 상기 탄소봉 중에 니켈/코발트 등의 촉매를 섞어서 아크 방전을 행하여, 처리 용기의 내측면에 부착하는 검댕으로부터 얻어진다.

레이저 어블레이션법은, 희가스(예를 들면 아르곤) 중에서, 타깃인 니켈/코발트 등의 촉매를 섞은 탄소 표면에, YAG 레이저의 강한 펄스 레이저광을 조사함으로 탄소 표면을 용융·증발시켜서, 단층 카본 나노 튜브를 얻는 방법이다.

기상성장법은, 벤젠이나 톨루엔 등의 탄화 수소를 기상으로 열 분해하여, 카본 나노 튜브를 합성하는 것으로, 보다 구체적으로는, 유동 촉매법이나 제올라이트 담지 촉매법 등을 예시할 수 있다.

또한, 이들 탄소 재료는, 엘라스토머와 혼련되기 전에, 예비 표면 처리, 예를 들면, 이온 주입 처리, 스퍼터 에칭 처리, 플라즈마 처리 등을 행함으로써, 엘라스토머와의 접착성이나 습윤성을 개선할 수 있다.

(C) 다음에, 엘라스토머와, 제1 탄소재료를 혼합시키고, 또한 전단력에 의해서 탄소 재료를 분산시키는 공정 (a)에 대해서 설명한다.

상기 엘라스토머에 탄소 재료를 전단력에 의해 분산시키는 공정 (a)는, 오픈롤 법, 밀폐식 혼련법, 다축 압출 혼련법 등을 이용하여 행할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 엘라스토머에 카본 나노파이버를 혼합시키는 공정으로서, 롤 간격이 0.5mm 이하인 오픈롤 법을 이용한 예에 대해서 설명한다.

도 1은, 2개의 롤을 이용한 오픈롤 법을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 1에서, 부호 10은 제1 롤을 나타내고, 부호 20은 제2 롤을 나타낸다. 제1 롤(10)과 제2 롤(20)은, 소정의 간격(d), 바람직하게는 0.5㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.5㎜의 간격으로 배치되어 있다. 제1 및 제2 롤은, 정회전 혹은 역회전으로 회전한다. 도시의 예에서는, 제1 롤(10) 및 제2 롤(20)은, 화살표로 나타내는 방향으로 회전하고 있다. 제1 롤(10)의 표면 속도를 V1, 제2 롤(20)의 표면 속도를 V2로 하면, 양자의 표면 속도비(V1/V2)는, 1.05 내지 3.00인 것이 바람직하고, 또한 1.05 내지 1.2인 것이 바람직하다. 이와 같은 표면 속도비를 이용함으로써, 소망의 전단력을 얻을 수 있다. 우선, 제1, 제2 롤(10, 20)이 회전한 상태에서, 제2 롤(20)에, 엘라스토머(30)를 감으면, 롤(10, 20) 사이에 엘라스토머가 쌓인, 소위 뱅크(32)가 형성된다. 이 뱅크(32) 내에 탄소 재료 예를 들면 카본 나노파이버(40)를 더하여, 제1, 제2 롤(10, 20)을 회전시킨다. 또한, 제1, 제2 롤(10, 20)의 간격을 좁혀서 전술한 간격(d)으로 하고, 이 상태에서 제1, 제2 롤(10, 20)을 소정의 표면 속도비로 회전시킨다. 이것에 의해, 엘라스토머(30)에 높은 전단력이 작용하고, 이 전단력에 의해서 응집해 있던 탄소 재료, 예를 들면 카본 나노파이버가 1개씩 드로잉되도록 상호 분리되어, 엘라스토머(30)에 분산된다.

또, 이 공정 (a)에서는, 전단력에 의해 전단된 엘라스토머에 프리 라디칼이 생성되고, 그 프리 라디칼이 탄소 재료의 표면을 공격함으로써, 탄소 재료의 표면은 활성화된다. 예를 들면, 엘라스토머에 천연 고무(NR)를 이용한 경우에는, 각 천연 고무(NR) 분자는 롤에 의해 혼련되는 동안에 절단되고, 오픈 롤로 투입하기 이전보다 작은 분자량이 된다. 이와 같이 전단된 천연 고무(NR) 분자에는 라디칼이 생성되어 있으며, 혼련되는 동안에 라디칼이 탄소 재료의 표면을 공격하기 때문에, 탄소 재료의 표면이 활성화된다.

또한, 이 공정 (a)에서는, 될 수 있는 한 높은 전단력을 얻기 위해서, 엘라스토머와 카본 나노파이버의 혼합은, 바람직하게는 0 내지 50℃, 보다 바람직하게는 5 내지 30℃의 비교적 낮은 온도에서 행해진다. 오픈롤 법을 이용한 경우에는, 롤의 온도를 상기의 온도로 설정하는 것이 바람직하다.

이 때, 본 실시 형태의 엘라스토머는, 상술한 특징, 즉, 엘라스토머의 분자 형태(분자 길이), 분자 운동, 특히 카본 나노파이버와의 화학적 상호 작용 등의 특징을 가짐으로써 카본 나노파이버의 분산을 용이하게 하므로, 탄소 재료의 분산성 및 분산 안정성(일단 분산한 탄소재료가 재응집되기 어려운 것)이 우수한 복합 엘라스토머를 얻을 수 있다. 보다 구체적으로는, 엘라스토머와 탄소 재료를 혼합하면, 분자 길이가 적당히 길고, 분자 운동성이 높은 엘라스토머가 탄소 재료의 상호로 침입하고, 또한, 엘라스토머의 특정 부분이 화학적 상호 작용에 의해서 탄소 재료 예를 들면 카본 나노파이버의 활성이 높은 부분과 결합한다. 이 상태에서, 엘라스토머와 탄소 재료와의 혼합물에 강한 전단력이 작용하면, 엘라스토머의 이동에 수반하여 탄소 재료도 이동하고, 응집해 있던 탄소 재료가 분리되어, 엘라스토머 중에 분산되게 된다. 그리고, 일단 분산된 탄소 재료 예를 들면 카본 나노파이버는, 엘라스토머와의 화학적 상호 작용에 의해서 재응집되는 것이 방지되어, 양호한 분산 안정성을 가질 수 있다.

엘라스토머에 탄소 재료를 전단력에 의해서 분산시키는 공정은, 상기 오픈롤 법에 한정되지 않고, 이미 설명한 밀폐식 혼련법 혹은 다축 압출 혼련법을 이용할 수도 있다. 요컨대, 이 공정에서는, 응집한 탄소 재료를 분리할 수 있고, 또한 에라스토머 분자를 절단하여 라디칼을 생성하는 전단력을 엘라스토머에 부여할 수 있으면 된다.

또, 엘라스토머와 탄소 재료와의 혼합 공정 (a)에서, 혹은 공정 (a)에 앞서, 원소 X 혹은 원소 X의 화합물을 엘라스토머에 혼합시킬 수 있다. 엘라스토머 중에 원소 X 혹은 원소 X의 화합물을 포함함으로써, 공정 (b)의 열처리에 의해, 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에 원소 X가 결합한 탄소계 재료를 얻을 수 있다.

엘라스토머와 탄소 재료의 혼합·분산 공정에서, 또는 이어서, 통상, 고무 등의 엘라스토머의 가공에서 이용되는 배합제를 더할 수 있다. 배합제로서는 공지의 것을 이용할 수 있다. 배합제로서는, 예를 들면, 가교제, 가황제, 가황촉진제, 가황지연제, 연화제, 가소제, 경화제, 보강제, 충전제, 노화방지제, 착색제 등을 들 수 있다.

(D) 다음에, 상기 방법에 의해서 얻어진 복합 엘라스토머에 대해서 설명한다.

본 실시 형태의 복합 엘라스토머는, 기재인 엘라스토머에 탄소 재료가 균일하게 분산되어 있다. 이것은, 엘라스토머가 탄소 재료에 의해서 구속되어 있는 상태라고도 말할 수 있다. 이 상태에서는, 탄소 재료에 의해서 구속을 받은 엘라스토머 분자의 운동성은, 탄소 재료의 구속을 받지 않은 경우에 비해서 작아진다. 그 때문에, 본 실시 형태에 따른 복합 엘라스토머의 제1 스핀-스핀 완화 시간(T2n), 제2 스핀-스핀 완화 시간(T2nn) 및 스핀-격자 완화 시간(T1)은, 탄소 재료를 포함하지 않은 엘라스토머 단체의 경우보다 짧아진다.

또, 엘라스토머 분자가 탄소 재료에 의해서 구속된 상태에서는, 이하의 이유에 의해서, 비(非)네트워크 성분(비그물쇄 성분)은 감소한다고 생각된다. 즉, 탄소 재료에 의해서 엘라스토머의 분자 운동성이 전체적으로 저하하면, 비네트워크 성분은 용이하게 운동할 수 없게 되는 부분이 증가하여, 네트워크 성분과 동등한 거동을 하기 쉽게 되는 것, 또, 비네트워크 성분(말단쇄)은 움직이기 쉽기 때문에, 탄소 재료의 활성점에 흡착되기 쉽게 되는 것, 등의 이유에 의해서, 비네트워크 성분은 감소한다고 생각된다. 그 때문에, 제2 스핀-스핀 완화 시간을 갖는 성분의 성분 분율(fnn)은, 탄소 재료를 포함하지 않은 엘라스토머 단체의 경우보다 작아진다.

이상의 것으로부터, 본 실시 형태에 따른 복합 엘라스토머는, 펄스법 NMR을 이용하여 한 에코법에 의해서 얻어지는 측정값이 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다.

즉, 미가교체에 있어서, 150℃에서 측정한, 제1 스핀-스핀 완화 시간(T2n)은 100 내지 3000μ초이고, 제2 스핀-스핀 완화 시간(T2nn)은 존재하지 않거나, 혹은 1000 내지 10000μ초이고, 또한 제2 스핀-스핀 완화 시간을 갖는 성분의 성분 분율(fnn)은 0.2 미만인 것이 바람직하다.

펄스법 NMR을 이용한 한 에코법에 의해 측적된 스핀-격자 완화 시간(T1)은, 스핀-스핀 완화 시간(T2)과 함께 물질의 분자 운동성을 나타나내는 척도이다. 구체적으로는, 엘라스토머의 스핀-격자 완화 시간이 짧을수록 분자 운동성이 낮아, 엘라스토머는 단단하다고 말할 수 있으며, 그리고 스핀-격자 완화 시간이 길수록 분자 운동성이 높아, 엘라스토머는 부드럽다고 말할 수 있다.

본 실시 형태에 따른 복합 엘라스토머는, 동적 점탄성의 온도 의존성 측정에서의 유동 온도가, 원료 엘라스토머 단체의 유동 온도보다 20℃ 이상 고온인 것이 바람직하다. 본 실시 형태의 복합 엘라스토머는, 엘라스토머에 탄소 재료가 양호하게 분산되어 있다. 이 것은, 상술한 바와 같이, 엘라스토머가 탄소 재료에 의해 구속되어 있지 않은 상태라고도 말할 수 있다. 이 상태에서는, 엘라스토머는, 탄소 재료를 포함하지 않은 경우에 비해, 그 분자 운동이 작아지고, 그 결과, 유동성이 저하한다. 이와 같은 유동 온도 특성을 가짐으로써, 본 실시 형태의 복합 엘라스토머는, 동적 점탄성의 온도 의존성이 작아지고, 그 결과, 우수한 내열성을 갖는다.

탄소 재료, 특히 카본 나노파이버는, 통상 상호 얽혀 있어 매체에 분산되기 어려운 성질을 갖는다. 그러나, 본 실시 형태의 복합 엘라스토머의 엘라스토머를 기화시킨 탄소 재료를, 금속 등의 복합 재료의 원료로서 이용하면, 표면이 활성화 된 탄소 재료는, 산소 등의 원소 X와 반응하여, 금속 등의 매트릭스 재료와의 습윤성이 향상되어 있다. 따라서, 복합 재료로서 소망의 강도 등의 성능을 얻을 수 있고, 또, 탄소 재료를 매트릭스 재료에 용이하게 분산시킬 수 있다.

(E) 다음에, 복합 엘라스토머를 열 처리하고, 탄소 재료를 제조하는 공정 (b)에 대해서 설명한다.

복합 엘라스토머를 열 처리함으로써, 이 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시키는 공정 (b)에 의해, 표면이 활성화된 탄소계 재료를 제조할 수 있다.

이와 같은 열 처리는, 사용되는 엘라스토머의 종류에 따라 여러 가지 조건을 선택할 수 있지만, 적어도 열 처리 온도는, 엘라스토머가 기화하는 온도 이상이며, 또한 탄소 재료가 기화하는 온도보다도 낮은 온도로 설정된다.

공정 (b)는, 원소 X 혹은 원소 X의 화합물의 존재 하에서 행해지고, 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에 이 원소 X가 결합한 탄소계 재료를 얻을 수 있다. 예를 들면, 복합 엘라스토머는, 원소 X 혹은 원소 X의 화합물을 포함하고, 공정 (b)의 열 처리에 의해, 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에 이 원소 X를 결합시켜도 된다. 또, 예를 들면, 공정 (b)는, 원소 X 혹은 원소 X의 화합물을 포함하는 분위기 내에서 행해지고, 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에 이 원소 X를 결합시켜도 된다.

원소 X는, 가벼운 원소로서, 2가 이상이 바람직하고, 예를 들면 베릴륨, 붕소, 질소, 산소, 마그네슘, 실리콘, 인, 유황으로부터 선택된 적어도 하나를 포함 할 수 있다. 원소 X는, 산소인 것이 바람직하다. 산소는, 공기 중에 존재하기 때문에, 공정 (b)의 열 처리에서 용이하게 이용할 수 있고, 활성화된 탄소 재료, 예를 들면 카본 나노파이버의 라디칼과 반응하기 쉽기 때문에, 원소 X로서 이용하는 것이 바람직하다. 또, 산소는 다른 재료 예를 들면 알루미늄 등의 금속 재료와 결합하기 쉽고, 산소의 결합한 탄소계 재료는 금속 재료를 매트릭스로 한 복합 재료의 강화재로서의 기능을 갖는다. 또, 후술하는 제조 공정 (c)에 의해, 복합 재료를 제조하는 경우, 원소 X는 활성화된 탄소 재료와 복합 재료의 매트릭스 금속을 직접적으로 반응시키는 것을 방지할 수 있다. 예를 들면 복합 재료의 매트릭스 금속이 알루미늄인 경우, 제1 탄소 재료와 알루미늄이 직접 결합하면, Al₄C₃와 같은 물과 반응하기 쉬운 물질이 생성되게 되어, 바람직하지 못하다. 따라서, 금속 재료 Y를 기화시키는 공정 (c)보다도 이전에, 원소 X를 제1 탄소 재료의 표면에 결합시키는 공정 (b)를 행하는 것이 바람직하다.

원소 X로서 산소를 이용하는 경우에는, 공정 (b)의 열 처리 시의 분위기 내에 산소를 포함시켜 두면 되고, 원소 X로서 질소를 이용하는 경우에는, 암모늄 가스 분위기에서 공정 (b)를 행하면 된다. 또, 베릴륨, 붕소, 마그네슘, 실리콘, 인, 유황 등을 원소 X로 하는 경우에는, 엘라스토머에 공정 (b)에 앞서 이들의 원소 또는 그 화합물을 혼합시켜 두면 된다. 그 경우, 예를 들면, 공정 (a)의 혼련 시에 원소 X 혹은 원소 X의 화합물을 함께 혼합할 수 있다.

본 실시 형태에 따른 공정 (b)는, 열처리 로(爐)에 공정 (a)에서 얻어진 복 합 엘라스토머를 배치하고, 로 내부를 엘라스토머가 기화하는 온도, 예를 들면 500℃로 가열한다. 이 가열에 의해, 엘라스토머는 기화하고, 공정 (a)에서 활성화된 탄소 재료의 표면은 로 내의 분위기 혹은 엘라스토머 중에 포함되는 원소 X와 결합되어, 표면 처리된 탄소계 재료가 제조된다. 탄소 재료의 표면은, 공정 (a)에 의해 전단된 엘라스토머 분자의 프리 라디칼에 의해 활성화되어 있으며, 예를 들면 로 내 분위기 내에 존재하는 산소와 용이하게 결합될 수 있다. 이와 같이 하여 얻어진 탄소계 재료의 표면은 산화되고, 활성화되어 있기 때문에, 탄소계 재료는 매트릭스 재료(예를 들면 금속재료 등)와의 습윤성이 향상된다.

이렇게 해서 얻어진 탄소계 재료, 예를 들면 카본 나노파이버의 표면은, 카본 나노파이버를 구성하는 탄소 원자와 원소 X가 결합한 구조를 갖고 있다. 따라서, 탄소계 재료, 예를 들면 카본 나노파이버의 표면은, 원소 X(예를 들면 산화) 층에 덮힌 구조를 갖고 있다. 이와 같은 탄소계 재료의 표면 구조에 대해서는, X선 분광 분석(XPS)에 의해 해석할 수 있고, 또, EDS 분석(Energy Dispersive Spectrum)에 의해서도 해석할 수 있다.

(G) 마지막으로, 탄소계 재료를 이용하여 복합 재료를 얻는 공정 (c)에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에서의 공정 (c)는, 상기 실시 형태에서 얻어진 탄소계 재료를 이용하여, 금속 등의 매트릭스 재료 중에 탄소계 재료가 분산된 복합 재료를 얻을 수 있다.

상기 공정 (c)는, 상기 탄소계 재료를 복합 재료에서의 매트릭스 내료와 혼 합하는 공정 (c)로서,

(c-1) 상기 탄소계 재료를 매트릭스 재료와 혼합하여, 분말 성형하는 공정,

(c-2) 상기 탄소계 재료를 금속 용탕에 혼입하여 소망의 형상을 갖는 주형 내에서 주조하는 공정,

(c-3) 상기 탄소게 재료에, 상기 금속의 용탕을 침투시키는 방법 등을 채용할 수 있다.

(c-1: 분말 성형 방법)

본 실시 형태에서의 복합 재료의 분말 성형 공정은, 상기 공정 (b)에서 얻어진 탄소계 재료를 매트릭스 재료와 혼합하여, 분말 성형하는 공정에 의해 실시할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면 상기 실시 형태에서 얻어진 탄소계 재료를 복합 재료의 매트릭스 재료가 되는 예를 들면 금속 입자와 혼합한 후, 형 내에서 압축하여, 금속 입자의 소결 온도(예를 들면 금속 입자가 알루미늄인 경우 550℃)에서 소성하여 복합 재료를 얻을 수 있다.

본 실시 형태에서의 분말 성형은, 금속의 성형 가공에서의 분말 성형과 동일하고, 소위 분말 야금(冶金)을 포함한다. 또한, 소결법으로서는, 일반적인 소결법 외에, 플라즈마 소결 장치를 이용한 방전 플라즈마 소결법(SPS) 등을 채용할 수 있다.

또, 탄소계 재료와 매트릭스 재료의 입자와의 혼합은, 드라이 블렌드, 습식 혼합 등을 채용할 수 있다. 습식 혼합의 경우, 용제 내의 매트릭스 재료 예를 들면 티탄의 입자에 대해서, 탄소계 재료를 섞는(습식 혼합) 것이 바람직하다. 탄소 계 재료는, 드라이 블렌드나 습식 혼합할 시에는, 표면이 활성화되어 있기 때문에, 매트릭스 재료와도 습윤성이 양호하고, 금속 가공에 이용할 때에는 분산시키기 쉽다.

이와 같은 분말 성형에 의해서 제조된 복합 재료는, 탄소계 재료를 매트릭스가 되는 예를 들면 금속 재료 중에 분산시킨 상태로 얻어진다. 또한, 이 공정 (c)에서 이용되는 매트릭스 재료 예를 들면 금속 입자는, 탄소계 재료와의 배합 비율을 조정함으로써, 바람직한 물성을 갖는 복합 재료를 제조할 수 있다.

또한, 매트릭스 재료로서 이용되는 금속 입자는, 통상의 분말 성형 가공에 이용되는 금속 예를 들면 철 및 그 합금, 알루미늄 및 그 합금, 마그네슘 및 그 합금, 티탄 및 그 합금, 구리 및 그 합금, 아연 및 그 합금 등으로 부터 용도에 맞추어 단독으로 또는 조합하여 적절히 선택할 수 있다. 또, 매트릭스 재료로서 이용되는 비금속 입자로서는, 예를 들면 세라믹, 글래스 등을 단체로 혹은 조합하여 이용할 수 있다.

또, 본 실시 형태에서의 복합 재료의 제조 방법으로서는, 엘라스토머와, 입자 형상 혹은 섬유 형상의 매트릭스 재료와, 탄소 재료를 혼합하고, 또한 전단력에 의해 분산시켜서 복합 엘라스토머를 얻는 공정 (a)와, 상기 복합 엘라스토머를 열 처리하고, 이 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시켜 탄소계 재료르 얻는 공정 (b)와, 상기 탄소계 재료를, 분말 성형하는 공정 (d)를 가질 수 있다. 상기 공정 (c-1)에서 이용된 매트릭스 재료를 미리 공정 (a)에서 혼합시킴으로써, 공정 (b)에 의해 탄소계 재료에 매트릭스 재료가 분산된 상태가 된다. 따라 서, 공정 (b)에서 얻어진 매트릭스 재료르 포함하는 탄소계 재료를, 그 상태로 분말 성형하는 공정 (d)를 행함으로써, 탄소계 재료가 분산된 복합 재료를 얻을 수 있다.

이와 같이 함으로써, 공정 (c)에서의 탄소계 재료와 매트릭스 재료의 혼합 공정을 생략할 수 있다. 이와 같이 공정 (a)에서 매트릭스 재료를 엘라스토머에 혼합하는 경우에는, 매트릭스 재료는 입자 형상 또는 섬유 형상인 것이 바람직하다. 특히 매트릭스 재료가 입자 형상이면, 공정 (a)에서, 엘라스토머가 복잡하게 유동하여 탄소 재료를 보다 양호하게 분산시킬 수 있다. 또한, 여기서 말하는 분말 성형은, 공정 (c-1)에서 설명한 분말 성형과 마찬가지로, 일반적인 소결법 외에, 방전 플라스마 소결법(SPS) 등을 채용할 수 있다. 또한, 공정 (b)에서의 열처리의 온도는, 공정 (a)에서 혼합된 매트릭스 재료의 융점보다 낮은 온도로 설정되는 것이 바람직하다.

(c-2: 주조 방법)

본 실시 형태에 따른 복합 재료의 주조 공정은, 상기 실시 형태에서 얻어진 탄소계 재료를, 매트릭스 재료의 용탕 예를 들면 금속 용탕에 혼입하여 소망의 형상을 갖는 주형 내에서 주조하는 공정에 의해서 실시할 수 있다. 이와 같은 주조 공정은, 예를 들면 강철제의 주형 내에 금속 용탕을 주탕(注湯)하여 행하는 금형 주조법, 다이캐스트법, 저압 주조법을 채용할 수 있다. 또 그 외에 특수 주조법으로 분류되는, 고압화로 응고시키는 고압 주조법, 용탕을 교반하는 틱소 캐스팅, 원심력으로 용탕을 주형 내로 주입하는 원심 주조법 등을 채용할 수 있다. 이들의 주조법에서는, 금속 용탕 중에 탄소계 재료를 혼합시킨 채로 주형 내에서 응고시켜서, 복합 재료를 성형한다.

주조 공정에 이용하는 금속 용탕은, 통상의 주조 가공에 이용되는 금속 예를 들면 철 및 그 합금, 알루미늄 및 그 합금, 마그네슘 및 그 합금, 티탄 및 그 합금, 구리 및 그 합금, 아연 및 그 합금 등으로부터 용도에 맞추어 단독으로 또는 조합하여 적절히 선택할 수 있다. 또, 비금속 용탕으로서는, 예를 들면 세라믹, 글래스 등을 단체로 혹은 조합하여 이용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 탄소계 재료의 표면은 활성화되어 있기 때문에, 탄소계 재료와의 습윤성이 향상되어 있으며, 매트릭스 재료의 용탕에 대해서도 충분한 습윤성을 갖고 있기 때문에, 전체에 기계적 성질의 불균형이 저감되고, 균질한 복합 재료를 얻을 수 있다.

(c-3: 침투법)

본 실시 형태에서는, 금속 재료에 용탕을 침투시키는 소위 비가압 침투법을 이용하여 주조하는 공정에 대해서, 도 2 및 도 3을 이용하여 상세하게 설명한다.

도 2 및 도 3은, 비가압 침투법에 의해 복합 재료를 제조하는 장치의 개략 구성도이다. 상기 실시 형태에서 얻어진 탄소계 재료는, 예를 들면 최종 제품의 매트릭스가 되는 금속 재료의 입자와 예를 들면 볼밀(ball mill) 등에서 혼합되고, 금형 내에서 예비 압축 성형된 혼합 분말(4)을 사용할 수 있다. 도 2에서, 밀폐된 용기(1) 내에는, 예비 성형된 혼합 분말(4)(예를 들면 알루미늄 입자(42),마그네슘 입자(44) 및 카본 나노파이버(40))이 넣어진다. 그 성형된 혼합 분말(4)의 위쪽에 매트릭스가 되는 금속 재료의 덩어리 예를 들면 알루미늄 덩어리가 배치된다. 다음에, 용기(1)에 내장된 도시하지 않은 가열 수단에 의해, 용기(1) 내에 배치된 혼합 분말(4) 및 알루미늄 덩어리(5)를 알루미늄의 융점 이상으로 가열한다. 가열된 알루미늄 덩어리(5)는, 용융하여 알루미늄 용탕(금속 용탕)이 된다. 또, 알루미늄 용탕은, 혼합 분말(4) 중의 비어 있는 곳으로 침투한다.

본 실시 형태의 혼합 분말(4)로서는, 예비 압축 성형할 때에 모세관 현상에 의해 알루미늄 용탕을 보다 빨리 전체에 침투시킬 수 있는 정도의 빈 곳을 갖도록 성형되어 있다. 또, 본 실시 형태와 같이 예비 압축 성형에 앞서, 입자 형상의 혼합 분말(4)에 소량의 마그네슘 입자(44)를 더하여 혼합시켜 둠으로써, 용기(1) 내부를 환원 분위기로 하여도 된다. 알루미늄 용탕은, 환원됨으로써 습윤성이 개선된 알루미늄 입자(42) 사이에 모세관 현상에 의해 침투하여 혼합 분말(4)의 내부까지 완전히 알루미늄 용탕이 채워진다. 그리고, 용기(1)의 가열 수단에 의해 가열을 정지시키고, 혼합 분말(4) 중에 침투한 금속 용탕을 냉각·응고시켜, 도 3에 도시하는 바와 같은 카본 나노파이버(40)가 균일하게 분산된 복합 재료(6)를 제조할 수 있다.

또, 용기(1)를 가열하기 전에, 용기(1)의 실내를 용기(1)에 접속된 감압 수단(2) 예를 들면 진공 펌프에 의해 탈기해도 된다. 또한, 용기(1)에 접속된 불활성 가스 주입 수단(3) 예를 들면 질소 가스 봄베로부터 질소 가스를 용기(1) 내에 도입해도 된다.

또, 상기 실시 형태에서는 비가압 침투법에 대해서 설명했지만, 침투법이라 면 이것에 한정하지 않고 예를 들면 불활성 가스 등의 분위기의 압(壓)에 의해 가압하는 가압 침투법을 이용할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 복합 재료 중의 카본 나노파이버의 표면은 활성화되어 있기 때문에, 매트릭스가 되는 금속 재료와의 습윤성이 향상되어 있으므로, 전체에 기계적 성질의 불균형이 저감되어, 균질한 탄소 섬유 복합 금속 재료를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 서술하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1∼3, 비교예 1)

(1) 샘플의 제작

(a) 미가교 샘플(복합 엘라스토머)의 제작

제1 공정 : 롤 직경이 6인치인 오픈롤(롤 온도 10∼20℃)에, 표 1에 나타내는 소정량(100g)의 고분자 물질(100중량부(phr))을 투입하여, 롤에 감았다.

제2 공정 : 고분자 물질에 대해 표 1에 나타내는 양(중량부)의 탄소 재료(표 1에서는, 카본 나노파이버를 「CNT」로 기재한다)를 고분자 물질에 투입하였다. 이 때, 롤 간극을 1.5mm로 하였다.

제4 공정 : 탄소 재료의 투입이 종료하면, 고분자 물질과 탄소 재료와의 혼합물을 롤로부터 취출하였다.

제5 공정 : 롤 간극을 1.5㎜에서 0.3㎜로 좁게 하고, 혼합물을 투입하여 타이트 밀링(tight milling, 薄通)을 하였다. 이 때, 2개의 롤의 표면 속도비를 1.1 로 하였다. 타이트 밀링은 반복하여 10회 행하였다.

제6 공정 : 롤을 소정의 간극(1.1㎜)으로 세트하고, 타이트 밀링한 혼합물을 투입하여, 분출하였다.

이와 같이 하여, 실시예 1∼3의 복합 엘라스토머의 미가교 샘플을 얻었다. 또한, 실시예 1∼3에서, 탄소 재료는, 직경(섬유 직경)이 약 10∼20nm인 카본 나노파이버를 이용하였다.

(b) 탄소계 재료의 제작

상기 (a)의 실시예 1∼3에서 얻어진 복합 엘라스토머의 미가교 샘플을 산소를 포함하는 질소 분위기의 로 내에서 엘라스토머의 기화 온도 이상인 500℃에서 2시간 열 처리하여, 엘라스토머를 기화시킴과 동시에 산화시켜, 탄소계 재료를 얻었다. 이 산화 반응은, 질소 분위기 내에 포함되는 미량의 산소 및 수증기나, 엘라스토머 중에 포함되는 미량의 산소 및 수분 등으로부터 얻어진 산소 분자를 이용하여 행해졌다.

또, 아무런 표면 처리를 행하지 않는 카본 나노파이버를 비교예 1로 하였다.

(c) 복합 재료의 제작

상기 (b)의 실시예 1∼3에서 얻어진 탄소계 재료 10g과, 알루미늄 입자(99.85% 순도, 평균 입경 28㎛) 500g과, 마그네슘 입자(99.8% 순도, 평균 입경 45㎛) 10g을 볼밀에서 혼합하여 혼합 분말을 얻었다.

이와 같이 하여 얻어진 혼합 분말 30 ×40 ×20mm의 크기로 압축 성형하고, 그 위에 알루미늄 덩어리(지금(地金))를 두어, 불활성 가스(질소) 분위기의 용기( 로) 내에 배치시키고, 750℃까지 가열하였다. 알루미늄 덩어리는 용융하여, 알루미늄 용탕이 되고, 압축 성형된 혼합 분말의 공극(空隙)에 금속 용탕이 침투하였다. 알루미늄의 용탕을 침투시킨 후, 이것을 자연 방랭하여 응고시켜, 복합 재료를 얻었다.

또한, 비교예 1에서는, 탄소계 재료 대신에 표면 처리되어 있지 않은 카본 나노파이버를 이용하여 동일하게 복합재료를 제작하였다. 또, 복합 재료 제작 시에, 마그네슘 입자는 알루미늄 용탕의 선단부에서의 환원제로서 작용하게 하였다.

또, 실시예 1∼3의 복합 재료에서의 카본 나노파이버의 함유량은 1.6vol%이다.

(2) XPS 분석에 의한 탄소계 재료의 해석

상기 (b)에서 얻어진 실시예 1∼3의 탄소계 재료를 XPS 분석한 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1에서, 탄소계 재료의 표면에 탄소와 산소의 결합이 존재하는 것이 확인된 경우에는 「표면 산화」라고 기재하고, 탄소와 산소의 결합이 확인되지 않은 경우에는 「없음」이라고 기재하였다. 또, 실시예 1에서의 탄소계 재료의 XPS 데이터의 개략도를 도 4에 도시한다. 제1 선분(50)은 C=0인 이중 결합을 나타내고, 제2 선분(60)은 C-0의 단결합을 나타내며, 제3 선분(70)은 탄소끼리의 결합을 나타낸다.

(3) 압축 내력의 측정

상기 (c)에서 얻어진 실시예 1∼3의 복합 재료 및 비교예 1의 복합 재료에 대해서, 두께 5mm의 10×10mm의 시험편을, 0.01mm/min에서 압축했을 때의 0.2% 내 력(σ0.2)을 측정하였다. 압축 내력은, 최대값, 최소값 및 평균값(MPa)을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

(표 1)

표 1로부터, 본 발명의 실시예 1∼3에 의하면, 이하의 것이 확인되었다.

실시예 1∼3의 탄소계 재료의 XPS 분석의 결과로부터, 탄소계 재료의 표면은 산화되고, 카본 나노파이버를 구성하는 탄소에 산소가 결합한 구조를 갖는다는 것을 알 수 있었다.

*실시예 1∼3의 복합 재료의 압축 내력이, 비교예 1보다 크게 되어 있었다. 또, 비교예 1의 복합 재료의 압축 내력의 불균형이 상하 50%인 것에 반해, 실시예 1∼3의 복합 재료의 압축 내력의 불균형이 상하 9%이므로, 전체에 기계적 성질의 불균형이 저감된 균질한 복합 재료가 얻어졌다는 것을 알 수 있었다.

이상의 것으로부터, 본 발명에 의하면, 일반적으로 기재(基材)로의 분산이 어려운 카본 나노파이버가 전체에 분산된 균질한 기계적 성질을 갖는 복합 재료가 얻어진다는 것을 알 수 있었다. 또, 본 발명에 의하면, 탄소계 재료와 알루미늄과의 습윤성이 향상됨으로써, 높은 기계적 성질을 갖는 복합 재료를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

Claims (2)

1. 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에, 원소 X가 결합한 구조를 갖고,

   상기 원소 X는, 베릴륨, 붕소, 질소, 산소, 마그네슘, 실리콘, 인, 유황으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 탄소계 재료.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄소 재료는, 카본 나노파이버 또는 카본 블랙인, 탄소계 재료.

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