KR100660401B1

KR100660401B1 - 탄소계 재료 및 그 제조 방법, 복합 재료 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100660401B1
Application number: KR1020050081728A
Authority: KR
Inventors: 아키라 마가리오; 도루 노구치
Original assignee: 닛신 고오교오 가부시키가이샤
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2006-12-22
Also published as: US20080139699A1; JP2006069865A; CN1743266A; EP1632457B1; US20060155009A1; CN100503431C; JP4293957B2; KR20060050973A; US8182727B2; EP1632457A3; EP1632457A2

Abstract

본 발명의 목적은 표면의 습윤성이 개선된 탄소계 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다. 또, 탄소계 재료가 균일하게 분산된 복합 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

탄소계 재료의 제조 방법은, 공정 (a), 공정 (b), 공정 (c)를 갖는다. 공정 (a)는, 엘라스토머와, 적어도 제1 탄소 재료를 혼합하고, 또한 전단력에 의해서 분산시켜 복합 엘라스토머를 얻는다. 공정 (b)는, 복합 엘라스토머를 열처리하여, 엘라스토머를 기화시켜 제2 탄소 재료를 얻는다. 공정 (c)는, 제2 탄소 재료를, 융점이 낮은 원소(Y)를 갖는 물질과 함께 열처리하여, 원소(Y)를 갖는 물질을 기화시킨다.

탄소섬유, 카본블랙, 카본 나노 화이버, 오픈 롤법, 엘라스토머

Description

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

도 1은 본 실시 형태에서 이용한 오픈 롤법에 의한 엘라스토머와 탄소 재료의 혼련법을 모식적으로 도시하는 도면,

도 2는 비가압 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 개략도,

도 5는 본 실시예에서 얻어진 복합 재료의 EDS 데이터(탄소)를 도시하는 도면,

도 6은 본 실시예에서 얻어진 복합 재료의 EDS 데이터(산소)를 도시하는 도면,

도 7은 본 실시예에서 얻어진 복합 재료의 EDS 데이터(마그네슘)를 도시하는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 용기 2 : 감압 수단

3 : 주입 수단 4 : 탄소계 재료

5 : 알루미늄 덩어리 6 : 복합 재료

10 : 제1 롤 20 : 제2 롤

30 : 엘라스토머 40 : 제1 탄소 재료

Y : 원소(Y)를 갖는 물질

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

탄소섬유, 카본블랙, 흑연, 카본 나노 화이버 등의 탄소재료를 이용한 복합 재료가 주목되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이와 같은 복합 재료는, 카본 나노 화이버 등의 탄소 재료를 포함하는 것으로, 도전성, 전열성, 기계적 강도 등의 향상이 기대되고 있다.

그러나, 일반적으로 탄소 재료는, 복합 재료의 매트릭스 재료와의 습윤성(친화성)이 낮고, 매트릭스 재료 내로의 분산성도 낮았다. 또, 특히 카본 나노 화이버는 서로 강한 응집성을 갖기 때문에, 복합 재료의 기재(基材)에 카본 나노 화이버를 균일하게 분산시키는 것이 대단히 곤란하게 되어 있다. 그 때문에, 현재 상황에서는, 원하는 특성을 갖는 카본 나노 화이버의 복합 재료를 얻는 것이 어렵고, 또, 고가의 카본 나노 화이버를 효율적으로 이용할 수 없다.

(특허문헌 1) 일본국 특개평 5-78110호 공보

그래서, 본 발명의 목적은, 표면의 습윤성이 개선된 탄소계 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다. 또, 본 발명의 목적은, 탄소 재료가 균일하게 분산된 복합 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따른 표면의 습윤성이 개선된 탄소계 재료의 제조 방법은,

엘라스토머와, 적어도 제1 탄소 재료를 혼합하고, 또한 전단력에 의해서 분산시켜 복합 엘라스토머를 얻는 공정 (a)와,

상기 복합 엘라스토머를 열처리하여, 상기 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시켜 제2 탄소 재료를 얻는 공정 (b)와,

상기 공정 (b)에서 얻어진 상기 제2 탄소 재료를, 상기 제1 탄소 재료보다도 융점이 낮은 원소(Y)를 갖는 물질과 함께 열처리하여, 원소(Y)를 갖는 물질을 기화시키는 공정 (c)를 포함한다.

본 발명의 제조 방법의 공정 (a)에 의하면, 전단력에 의해서 전단된 엘라스토머에 형성된 프리라디컬이, 제1 탄소 재료의 표면을 공격함으로써, 제1 탄소 재료의 표면은 활성화되고, 따라서, 엘라스토머에서의 제1 탄소 재료의 분산성이 향상한다. 또, 제1 탄소 재료로서 카본 나노 화이버를 이용한 경우에는, 엘라스토머의 불포화 결합 또는 기가, 카본 나노 화이버의 활성인 부분, 특히 말단의 라디컬과 결합함으로써, 카본 나노 화이버의 응집력을 약하게 하여, 그 분산성을 높일 수 있다.

그리고, 본 발명의 제조 방법의 공정 (b)에 의하면, 열처리에 의해서 엘라스토머가 기화함으로써, 표면이 활성화된 제2 탄소 재료가 얻어진다. 또한, 본 발명의 제조 방법의 공정 (c)에 의하면, 열처리에 의해서 원소(Y)를 갖는 물질이 기화하여, 원소(Y)가 제2 탄소 재료의 표면에 부착됨으로써, 매트릭스 재료와의 습윤성이 향상된 탄소계 재료가 얻어진다. 따라서, 본 발명의 제조 방법에 의해서 얻어진 탄소계 재료는, 일반적인 금속 가공, 예를 들면 주조 등의 가공에 용이하게 이용할 수 있다.

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

상기 엘라스토머에 탄소 재료를 전단력에 의해서 분산시키는 공정 (a)는, 롤간격이 0.5㎜ 이하인 오픈 롤법, 밀폐식 혼련법, 다축 압출 혼련법 등을 이용하여 행할 수 있다.

본 발명에서의 탄소계 재료는, 탄소 재료의 표면은, 제1 결합 구조와, 제2 결합 구조를 갖고, 상기 제1 결합 구조는, 상기 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에, 산소가 결합된 구조이고, 상기 제2 결합 구조는, 상기 산소에, 마그네슘이 결합된 구조로 할 수 있다.

본 발명에 따른 복합 재료의 제조 방법은, 본 발명에 의해서 얻어진 상기 탄소계 재료를 매트릭스 재료와 혼합하는 공정 (d)를 가질 수 있다.

본 발명에 의해서 얻어진 탄소계 재료의 표면은, 원소(Y)가 부착되어 있기 때문에, 복합 재료인 매트릭스 재료와의 습윤성이 양호해진다. 특히, 복합 재료인 매트릭스에 알루미늄 또는 마그네슘을 이용한 경우, 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금을 구성하는 원소를 원소(Y)로서 이용하면, 매트릭스 재료와 원소(Y)는 습윤성이 좋기 때문에, 탄소계 재료와 매트릭스 재료와의 습윤성도 좋다. 또, 탄소계 재료의 습윤성의 개선에 의해서, 탄소계 재료를 매트릭스 금속 재료 중에 분산시킬 수 있다.

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

본 실시 형태에 따른 탄소계 재료의 제조 방법은, 엘라스토머와, 적어도 제1 탄소 재료를 혼합하고, 또한 전단력에 의해서 분산시켜 복합 엘라스토머를 얻는 공정 (a)와, 상기 복합 엘라스토머를 열처리하여, 상기 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시켜 제2 탄소 재료를 얻는 공정 (b)와, 상기 제2 탄소 재료를, 상기 제1 탄소 재료보다도 융점이 낮은 원소(Y)를 갖는 물질과 함께 열처리하여, 원소(Y)를 갖는 물질을 기화시키는 공정 (c)를 포함한다.

본 발명에 따른 복합 재료의 제조 방법은, 상기 탄소계 재료를 복합 재료에 있어서의 매트릭스 재료와 혼합하는 공정 (d)를 가질 수 있다.

(A) 우선, 엘라스토머에 대해서 설명한다.

엘라스토머는, 중량평균분자량이 바람직하게는 5000 내지 500만, 더욱 바람직하게는 2만 내지 300만이다. 엘라스토머의 중량평균분자량이 이 범위이면, 엘라스토머 분자가 서로 엉켜, 서로에 연결되기 때문에, 엘라스토머는, 응집한 제1 탄소 재료, 예를 들면 카본 나노 화이버의 상호에 침입하기 쉽고, 따라서 카본 나노 화이버끼리를 분리하는 효과가 크다. 엘라스토머의 중량평균분자량이 5000보다 작으면, 엘라스토머 분자가 상호에 충분히 엉킬 수 없고, 뒤의 공정에서 전단력을 가해도 제1 탄소 재료를 분산시키는 효과가 작아진다. 또, 엘라스토머의 중량평균분자량이 500만보다 크면, 엘라스토머가 너무 단단해져서 가공이 곤란해진다.

엘라스토머는, 펄스법 NMR을 이용하여 한에코(Hahn-Echo)법에 의해서, 30℃로 측정한, 미가교체에 있어서의 네트워크 성분의 스핀-스핀 완화 시간(T2n/30℃)이 바람직하게는 100 내지 3000μ초, 보다 바람직하게는 200 내지 1000μ초이다. 상기 범위의 스핀-스핀 완화 시간(T2n/30℃)을 가짐으로써, 엘라스토머는, 유연하고 충분히 높은 분자 운동성을 가질 수 있다. 이것에 의해, 엘라스토머와 제1 탄소 재료를 혼합하였을 때에, 엘라스토머는 높은 분자 운동에 의해 제1 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 시간(T2n/30℃)이 3000μ초보다 길면, 엘라스토머가 액체와 같이 흐르기 쉽게 되어, 제1 탄소 재료를 분산시키는 것이 곤란해진다.

또, 엘라스토머는, 펄스법 NMR을 이용하여 한에코법에 의해서 30℃로 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 한에코법에 의해서 얻어지는 스핀-스핀 완화 시간은, 물질의 분자 운동성을 나타내는 척도이다. 구체적으로는, 펄스법 NMR을 이용한 한에코법에 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, 한에코법이 아니더라도 솔리드에코법, CPMG법(카르·퍼어셀·메이붐·길법) 혹은 90°펄스법이어도 적용할 수 있다. 단, 본 발명에 따른 엘라스토머는 중간 정도의 스핀-스핀 완화 시간(T2)을 갖기 때문에, 한에코법이 가장 적합하다. 일반적으로, 솔리드 에코법 및 90°펄스법은, 짧은 T2의 측정에 적합하고, 한에코법은, 중간 정도의 T2의 측정에 적합하고, CPMG법은, 긴 T2의 측정에 적합하다.

엘라스토머는, 주쇄(主鎖), 측쇄(側鎖) 및 말단쇄(末端鎖)의 적어도 하나에, 제1 탄소 재료, 특히 카본 나노 화이버의 말단의 라디컬에 대해서 친화성을 갖는 불포화 결합 또는 기를 갖거나, 또는, 이와 같은 라디컬 또는 기를 생성하기 쉬운 성질을 갖는다. 이러한 불포화 결합 또는 기로서는, 2중 결합, 3중 결합, α수소, 카르보닐기, 카르복실기, 수산기, 아미노기, 니트릴기, 케톤기, 아미드기, 에폭시 기, 에스테르기, 비닐기, 할로겐기, 우레탄기, 뷰렛기, 알로파네이트기 및 요소기 등의 관능기로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

카본 나노 화이버는, 통상, 측면은 탄소 원자의 6원환으로 구성되고, 선단은 5원환이 도입되어 닫혀진 구조로 되어 있지만, 구조적으로 무리가 있기 때문에, 실제상으로는 결함을 발생하기 쉽고, 그 부분에 라디컬이나 관능기를 생성하기 쉽게 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 엘라스토머의 주쇄, 측쇄 및 말단쇄의 적어도 하나에, 카본 나노 화이버의 라디컬과 친화성(반응성 또는 극성)이 높은 불포화 결합이나 기를 가짐으로써, 엘라스토머와 카본 나노 화이버를 결합할 수 있다. 이것에 의해, 카본 나노 화이버의 응집력보다 커서 그 분산을 용이하게 할 수 있다. 그리고, 엘라스토머와, 제1 탄소 재료 , 예를 들면 카본 나노 화이버를 혼련할 때에, 엘라스토머의 분자쇄가 절단되어 생성된 프리라디컬은, 카본 나노 화이버의 결함을 공격하여, 카본 나노 화이버의 표면에 라디컬을 생성한다고 추측할 수 있다.

엘라스토머로서는, 천연고무(NR), 에폭시화 천연고무(ENR), 스티렌-부타디엔고무(SBR), 니트릴고무(NBR), 클로로프렌고무(CR), 에틸렌프로필렌고무(EPR, EPDM) 부틸고무(IIR), 클로로부틸고무(CIIR), 아크릴고무(ACM), 실리콘고무(Q), 불소고무(FKM), 부타디엔고무(BR), 에폭시화 부타디엔고무(EBR), 에피크롤히드린고무(CO, CEO), 우레탄고무(U), 폴리술피드고무(T) 등의 엘라스토머류 ; 올레핀계(TPO), 폴리염화비닐계(TPVC), 폴리에스테르계(TPEE), 폴리우레탄계(TPU), 폴리아미드계(TPEA), 스티렌계(SBS) 등의 열가소성 엘라스토머 ; 및 이들의 혼합물을 이용할 수 있다. 특히, 엘라스토머의 혼련시에 프리라디컬을 생성하기 쉬운 극성이 높은 엘 라스토머, 예를 들면, 천연고무(NR), 니트릴고무(NBR) 등이 바람직하다. 또, 극성이 낮은 엘라스토머, 예를 들면 에틸렌프로필렌고무(EPDM)이어도, 혼련의 온도를 비교적 고온(예를 들면 EPDM의 경우, 50∼150℃)으로 함으로써, 프리 라디컬을 생성하기 때문에 본 발명에 이용할 수 있다.

본 실시 형태의 복합 엘라스토머는, 가교체 엘라스토머, 미가교체 엘라스토머 혹은 열가소성 폴리머를 그대로 엘라스토머계 재료로서 이용할 수 있다.

(B) 다음에, 제1 탄소 재료에 대해서 설명한다.

제1 탄소 재료는, 탄소 동소체를 이용할 수 있고, 예를 들면 탄소섬유, 카본블랙, 비정질 카본, 그래파이트, 다이아몬드 및 플러렌 등으로부터 선택할 수 있다. 여기에서 말하는 탄소섬유에는, 카본 나노 화이버가 포함된다. 카본블랙의 경우, 염가로 많은 등급이 시장에 유통되고 있기 때문에, 비교적 용이하게 이용 가능하다. 또, 미소 물질의 탄소 재료, 예를 들면 카본 나노 화이버나 플러렌과 같은 나노 재료(nano material)이면, 적은 배합량이어도 높은 보강 효과 등을 얻을 수 있다.

제1 탄소 재료의 배합량은, 탄소계 재료의 종류나 용도에 따라서 설정할 수 있다.

본 발명에서의 카본블랙은, 여러 가지의 원재료를 이용한 여러 가지의 등급의 카본블랙을 이용할 수 있다. 그 기본 구성 입자(소위 1차 입자) 단체 또는 그것들이 융착하여 연결된 어그리게이트(소위 2차 응집체)라고 불리는 상태이어도 되지만, 어그리게이트가 발달한 비교적 높은 구조를 갖는 것이 보강용 충전제로서 이 용하는 경우에는 바람직하다.

본 발명에 이용되는 카본블랙은, 기본 구성 입자의 평균 입경이 100㎚ 이하, 더욱 바람직하게는 50㎚ 이하로 하는 것이 더 바람직하다. 카본블랙의 입자가 작을수록 체적 효과나 보강 효과가 커지지만, 실용상, 평균 입경이 10㎚∼30㎚가 바람직하다.

또, 카본블랙의 입자의 크기는, 질소 흡착 비표면적에 의해서도 나타내어지지만, 그 경우에는, JIS : K6217-2(2001) 「고무용 카본블랙-기본 특성-제2부 : 비표면적을 구하는 방법-질소 흡착법-단점법」의 질소 흡착 비표면적(㎡/g)으로 측정하여, 10㎡/g 이상, 바람직하게는 40㎡/g 이상이다.

또, 본 발명에 이용되는 카본블랙은, 그 기본 구성 입자가 융착된 어그리게이트가 발달한 구조의 고저에 의해서 보강 효과가 영향을 받기 때문에, DBP 흡수량이 50㎤/100g 이상, 바람직하게는 100㎤/100g 이상으로 하면 보강 효과가 크다. 이것은, DBP 흡수량이 많으면, 어그리게이트가 보다 발달한 구조를 구성하기 때문이다.

본 발명에 이용되는 카본블랙은, 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, N762), FT, HCC, HCF, MCC, MCF, LEF, MFF, RCF, RCC 등의 등급 외, 토카블랙(Tokablack), HS-500, 아세틸렌블랙, 케첸블 랙(Ketjenblack) 등의 도전성 카본블랙을 이용할 수 있다.

제1 탄소 재료가 탄소섬유, 특히 카본 나노 화이버인 경우, 본 실시 형태의 복합 엘라스토머는, 카본 나노 화이버를 0.01∼50중량%의 비율로 포함하는 것이 바람직하다.

카본 나노 화이버는, 평균 직경이 0.5 내지 500㎚인 것이 바람직하고, 복합 엘라스토머의 강도를 향상시키기 위해서는 0.5 내지 30㎚인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 카본 나노 화이버는, 스트레이트 섬유상이어도, 만곡 섬유상이어도 된다.

카본 나노 화이버로서는, 예를 들면, 소위 카본 나노 튜브 등을 예시할 수 있다. 카본 나노 튜브는, 탄소 6각망면의 그라펜 시트가 원통상으로 닫혀진 단층 구조 혹은 이들의 원통 구조가 네스트형으로 배치된 다층 구조를 갖는다. 즉, 카본 나노 튜브는, 단층 구조만으로 구성되어 있어도 다층 구조만으로 구성되어 있어도 되고, 단층 구조와 다층 구조가 혼재하고 있어도 상관없다. 또, 부분적으로 카본 나노 튜브의 구조를 갖는 탄소 재료도 사용할 수 있다. 또한, 카본 나노 튜브라는 명칭 외에 그래파이트 피브릴 나노 튜브와 같은 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, 대기압보다 약간 낮은 압력의 아르곤이나 수소 분위기하에서, 탄소봉으로 만들어진 전극 재료의 사이에 아크 방전을 행함으로써, 음극에 퇴적된 다층 카본 나노 튜브를 얻는 방법이다. 또, 단층 카본 나노 튜브는, 상기 탄 소봉 중에 니켈/코발트 등의 촉매를 혼합하여 아크 방전을 행하여, 처리 용기의 내측면에 부착되는 검댕으로부터 얻어진다.

레이저 어블레이션법은, 희가스(예를 들면 아르곤) 중에서, 타겟인 니켈/코발트 등의 촉매를 혼합한 탄소 표면에, YAG 레이저가 강한 펄스 레이저광을 조사함으로써 탄소 표면을 용융·증발시켜, 단층 카본 나노 튜브를 얻는 방법이다.

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

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

(C) 다음에, 원소(Y)에 대해서 설명한다.

원소(Y)는, 제2 탄소 재료의 표면에 결합하여 탄소계 재료와 매트릭스 재료의 습윤성을 개선시키는 것이다. 통상, 탄소 재료는, 금속 재료 , 예를 들면 알루미늄이나 마그네슘과의 습윤성이 좋지 않지만, 원소(Y)를 표면에 갖는 탄소계 재료를 이용함으로써 습윤성이 개선된다. 또, 입자상의 원소(Y)를 갖는 물질을 엘라스토머 중에 혼합하여, 미리 분산시켜 두고, 제1 탄소 재료를 엘라스토머에 혼합시킬 때에 제1 탄소 재료를 더욱 양호하게 분산시키는 것으로 하여 이용할 수 있다. 그 경우, 공정 (a)에 있어서, 원소(Y)를 갖는 물질은, 제1 탄소 재료보다 앞에 엘라스토머에 혼합시켜도 되고, 제1 탄소 재료와 동시이어도 된다.

원소(Y)를 갖는 물질은, 사용하는 제1 탄소 재료의 평균 직경보다도 큰 평균 입경인 것이 바람직하다. 또, 원소(Y)를 갖는 물질의 평균 입경은 500㎛ 이하, 바람직하게는 1∼300㎛이다. 또, 원소(Y)를 갖는 물질의 형상은, 구형 입자상에 한정되지 않고, 혼합시에 원소(Y)를 갖는 물질의 둘레에 난류상(亂流狀)의 유동이 발생하는 형상이면 평판상, 비늘조각상이어도 된다.

원소(Y)를 갖는 물질로서는, 제1 탄소 재료보다 융점이 낮은 금속 또는 반금속인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 융점이 1000℃ 이하의 저융점(고증기압) 금속 또는 반금속이 바람직하다. 원소(Y)를 갖는 물질의 융점이 상기의 조건을 만족하면, 공정 (c)에 있어서의 열처리에 의해서 탄소 재료에 손상을 주지 않고 원소(Y)를 갖는 물질을 기화시킬 수 있다.

원소(Y)로서는, 탄소계 재료가 알루미늄 또는 마그네슘으로 이루어지는 매트릭스 재료에 대해서 혼합되는 것인 경우, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 칼슘, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 원소(Y)를 갖는 물질로서는, 이들의 원소로부터 선택된 적어도 하나의 원소(Y)를 포함할 수 있다. 이들의 원소는, 소위 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금을 구성하는 원소로서 이용되는 것으로, 알루미늄이나 마그네슘에 대해서 결합하기 쉽고, 알루미늄이나 마그네슘과 결합한 상태에서 안정하게 존재할 수 있기 때문에 바람직하다. 특히, 원소(Y)로서는, 매트릭스 재료가 되는 마그네슘이나 알루미늄과의 결합성이 특히 양호한, 마그네슘, 아연, 알루미늄 등을 이용할 수 있다. 특히, 제1 탄소 재료의 표면에 원소(X)로서 산소가 결합된 경우에는, 산소와 결합되기 쉬운 마그네슘을 원소(Y)로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 이와 같이 하여 얻어진 탄소계 재료는, 탄소 재료의 표면에, 제1 결합 구조와, 제2 결합 구조를 갖고, 제1 결합 구조는, 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에, 원소(X)가 결합된 구조이고, 제2 결합 구조는, 원소(X)에, 원소(Y)가 결합된 구조이다. 특히, 제1 결합 구조가 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에 산소가 결합된 구조인 경우에는, 상기 제2 결합 구조는 산소에 마그네슘이 결합된 구조인 것이 바람직하다.

또한, 여기에서는, 원소(Y)를 갖는 물질을 공정 (a)에서 엘라스토머와 혼련하는 경우에 대해서 서술하였지만, 이것에 한정되지 않고, 원소(Y)를 갖는 물질이 공정 (c)에 있어서, 제2 탄소 재료와 함께 열처리되는 상태에 있으면 된다. 예를 들면, 공정 (c)에 있어서, 제2 탄소 재료와 함께, 원소(Y)를 갖는 물질을 열처리로(爐) 내에 배치시켜, 열처리에 의해서 기화시켜도 된다. 이와 같은 경우에는, 원소(Y)를 갖는 물질은 입자상이 아니어도 된다.

또, 여기에서 매트릭스 재료가 되는 알루미늄이나 마그네슘은, 주성분이 알루미늄이나 마그네슘의 합금을 포함하는 것이다.

(D) 다음에, 엘라스토머에 탄소 재료를 혼합시키고, 또한 전단력에 의해서 분산시키는 공정 (a)에 대해서 설명한다.

상기 엘라스토머에 탄소 재료를 전단력에 의해서 분산시키는 공정 (a)는, 오픈 롤법, 밀폐식 혼련법, 다축 압출 혼련법 등을 이용하여 행할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 엘라스토머에 원소(Y)를 갖는 물질 및 제1 탄소 재료를 혼합시키는 공정으로서, 롤 간격이 0.5㎜ 이하인 오픈 롤법을 이용한 예에 대해서 서술한다.

도 1은, 2개의 롤을 이용한 오픈 롤법을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 1에 있어서, 부호 10은 제1 롤을 나타내고, 부호 20은 제2 롤을 나타낸다. 제1 롤(10)과 제2 롤(20)은, 소정의 간격(d), 바람직하게는 1.0㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.5㎜의 간격으로 배치되어 있다. 제1 및 제2 롤은, 정전(正轉) 혹은 역전(逆轉)으로 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, 1.05 내지 1.2인 것이 더욱 바람직하다. 이와 같은 표면 속도비를 이용함으로써, 원하는 전단력을 얻을 수 있다. 우선, 제1, 제2 롤(10, 20)이 회전된 상태에서, 제2 롤(20)에, 엘라스토머(30)를 감으면, 롤(10, 20) 사이에 엘라스토머가 쌓인, 소위 뱅크(32)가 형성된다. 이 뱅크(32) 내에 원소(Y)를 갖는 물질을 더하고, 또한 제1, 제2 롤(10, 20)을 회전시킴으로써, 엘라스토머(30)와, 원소(Y)를 갖는 물질을 혼합하는 공정이 행해진다. 다음에, 이 엘라스토머(30)와 원소(Y)를 갖는 물질이 혼합된 뱅크(32) 내에 제1 탄소 재료(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 작용하여, 이 전단력에 의해서 응집하고 있었던 제1 탄소 재료가 1개씩 뽑아 내어지도록 상호 분리되어, 엘라스토머 (30)에 분산된다. 또한, 롤에 의한 전단력은 엘라스토머 내에 분산된 원소(Y)를 갖는 물질의 둘레에 난류상의 유동을 발생시킨다. 이 복잡한 유동에 의해서 제1 탄소 재료는 엘라스토머(30)에 더 분산된다. 또한, 원소(Y)를 갖는 물질의 혼합 전에, 엘라스토머(30)와 제1 탄소 재료(40)를 먼저 혼합하면, 제1 탄소 재료(40)에 엘라스토머(30)의 움직임이 구속되어 버리기 때문에, 원소(Y)를 갖는 물질을 혼합하는 것이 어려워진다. 따라서, 엘라스토머(30)에 탄소 재료(40)를 더하기 전에 원소(Y)를 갖는 물질을 혼합하는 공정을 행하는 것이 바람직하다.

또, 이 공정 (a)에서는, 전단력에 의해서 전단된 엘라스토머에 프리라디컬이 생성되고, 그 프리라디컬이 제1 탄소 재료의 표면을 공격함으로써, 제1 탄소 재료의 표면은 활성화된다. 예를 들면, 엘라스토머에 천연고무(NR)를 이용한 경우에는, 각 천연고무(NR) 분자는 롤에 의해서 혼련되는 사이에 절단되어, 오픈롤로 투입하기 전보다도 작은 분자량이 된다. 이와 같이 절단된 천연고무(NR) 분자에는 라디컬이 생성되어 있고, 혼련의 사이에 라디컬이 제1 탄소 재료의 표면을 공격하기 때문에, 제1 탄소 재료의 표면이 활성화된다.

또한, 이 공정 (a)에서는, 가능한 한 높은 전단력을 얻기 위해서, 엘라스토머와 제1 탄소 재료의 혼합은, 바람직하게는 0 내지 50℃, 보다 바람직하게는 5 내지 30℃의 비교적 낮은 온도로 행해진다. 오픈 롤법을 이용한 경우에는, 롤의 온도를 상기의 온도로 설정하는 것이 바람직하다. 제1, 제2 롤(10, 20) 간격(d)은, 가장 좁혀진 상태에서도 원소(Y)를 갖는 물질의 평균 입경보다도 넓게 설정함으로써, 엘라스토머(30) 중의 제1 탄소 재료(40)의 분산을 양호하게 행할 수 있다.

이 때, 본 실시 형태의 엘라스토머는, 상술한 특징, 즉, 엘라스토머의 분자 형태(분자길이), 분자 운동, 탄소 재료와의 화학적 상호 작용 등의 특징을 가짐으로써 제1 탄소 재료의 분산을 용이하게 하기 때문에, 분산성 및 분산 안정성(제1 탄소 재료가 재응집하기 어려운 것)이 우수한 복합 엘라스토머를 얻을 수 있다. 보다 구체적으로는, 엘라스토머와 제1 탄소 재료를 혼합하면, 분자길이가 알맞게 길고, 분자 운동성이 높은 엘라스토머가 탄소 재료의 상호에 침입하며, 또한, 엘라스토머의 특정한 부분이 화학적 상호 작용에 의해서 제1 탄소 재료의 활성이 높은 부분과 결합한다. 이 상태에서, 엘라스토머와 제1 탄소 재료의 혼합물에 강한 전단력이 작용하면, 엘라스토머의 이동에 따라서 제1 탄소 재료도 이동하여, 응집하고 있었던 제1 탄소 재료가 분리되어, 엘라스토머 중에 분산되게 된다. 그리고, 일단 분산된 제1 탄소 재료는, 엘라스토머와의 화학적 상호 작용에 의해서 재응집되는 것이 방지되어, 양호한 분산 안정성을 가질 수 있다.

또, 엘라스토머 중에 소정량의 원소(Y)를 갖는 물질이 포함됨으로써, 원소(Y)를 갖는 물질의 둘레에 발생하는 엘라스토머의 난류와 같은 몇 가지의 복잡한 유동에 의해서, 각각의 탄소 재료끼리를 떼어 놓는 방향으로도 전단력이 작용하게 된다. 따라서, 직경이 약 30㎚ 이하인 카본 나노 화이버나 만곡 섬유상의 카본 나노 화이버이어도, 각각에 화학적 상호 작용에 의해서 결합된 엘라스토머 분자가 각각의 유동 방향으로 이동하기 때문에, 엘라스토머 중에 균일하게 분산되게 된다.

엘라스토머에 제1 탄소 재료를 전단력에 의해서 분산시키는 공정은, 상기 오픈 롤법에 한정되지 않고, 이미 서술한 밀폐식 혼련법 혹은 다축 압출 혼련법을 이 용할 수도 있다. 요컨대, 이 공정에서는, 응집한 제1 탄소 재료를 분리할 수 있는 전단력을 엘라스토머에 부여할 수 있으면 좋다.

상술한 엘라스토머에 원소(Y)를 갖는 물질과 제1 탄소 재료를 분산시켜 양자를 혼합시키는 공정(혼합·분산 공정)에 의해서 얻어진 복합 엘라스토머는, 가교제에 의해서 가교시켜 성형하거나, 또는 가교시키지 않고 성형할 수 있다. 이 때의 성형 방법은, 예를 들면 압축 성형 공정이나 압출 성형 공정 등을 채용할 수 있다. 압축 성형 공정은, 예를 들면 원소(Y)를 갖는 물질과 제1 탄소 재료가 분산된 복합 엘라스토머를, 소정 온도(예를 들면 175℃)로 설정된 원하는 형상을 갖는 성형 금형 내에서 소정 시간(예를 들면 20분) 가압 상태로 성형하는 공정을 갖는다.

엘라스토머와 제1 탄소 재료의 혼합·분산 공정에 있어서, 혹은 계속해서, 통상, 고무 등의 엘라스토머의 가공에서 이용되는 배합제를 더할 수 있다. 배합제로서는 공지의 것을 이용할 수 있다. 배합제로서는, 예를 들면, 가교제, 가황제, 가황 촉진제, 가황 지연제, 연화제, 가소제, 경화제, 보강제, 충전제, 노화방지제, 착색제 등을 들 수 있다.

(E) 다음에, 상기 방법에 의해서 얻어진 복합 엘라스토머에 대해서 서술한다.

본 실시 형태의 복합 엘라스토머는, 기재인 엘라스토머에 제1 탄소 재료가 균일하게 분산되어 있다. 이것은, 엘라스토머가 제1 탄소 재료에 의해서 구속되어 있는 상태라고도 말할 수 있다. 이 상태에서는, 제1 탄소 재료에 의해서 구속을 받은 엘라스토머 분자의 운동성은, 제1 탄소 재료의 구속을 받지 않은 경우에 비해 서 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, 제1 탄소 재료를 포함하지 않은 엘라스토머 단체의 경우보다 짧아진다. 특히, 원소(Y)를 갖는 물질을 포함하는 엘라스토머에 제1 탄소 재료를 혼합한 경우에는, 제1 탄소 재료를 포함하는 엘라스토머의 경우보다, 제2 스핀-스핀 완화 시간(T2nn)이 짧아진다. 또한, 가교체에 있어서의 스핀-격자 완화 시간(T1)은, 제1 탄소 재료의 혼합량에 비례하여 변화한다.

또, 엘라스토머 분자가 제1 탄소 재료에 의해서 구속된 상태에서는, 이하의 이유에 의해서, 비네트워크 성분(비그물쇄 성분)은 감소한다고 생각된다. 즉, 제1 탄소 재료에 의해서 엘라스토머의 분자 운동성이 전체적으로 저하하면, 비네트워크 성분은 용이하게 운동할 수 없게 되는 부분이 증가하여, 네트워크 성분과 동등한 거동을 하기 쉬워지는 것, 또, 비네트워크 성분(말단쇄)은 움직이기 쉽기 때문에, 제1 탄소 재료의 활성점에 흡착되기 쉬워지는 것, 등의 이유에 의해서, 비네트워크 성분은 감소한다고 생각된다. 그 때문에, 제1 스핀-스핀 완화 시간을 갖는 성분의 성분 분률(fnn)은, 제1 탄소 재료를 포함하지 않은 엘라스토머 단체의 경우보다 작아진다. 특히, 원소(Y)를 갖는 물질을 포함하는 엘라스토머에 제1 탄소 재료를 혼합한 경우에는, 제1 탄소 재료를 포함하는 엘라스토머의 경우보다, 또한 제2 스핀-스핀 완화 시간을 갖는 성분의 성분 분률(fnn)은 작아진다.

이상의 것으로부터, 본 실시 형태에 따른 복합 엘라스토머는, 펄스법 NMR을 이용하여 한에코법에 의해서 얻어지는 측정값이 이하의 범위에 있는 것이 바람직하 다.

즉, 미가교체에 있어서, 150℃로 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 분률(fnn)은 0.2 미만인 것이 바람직하다.

펄스법 NMR을 이용한 한에코법에 의해 측정된 스핀-격자 완화 시간(T1)은, 스핀-스핀 완화 시간(T2)과 함께 물질의 분자 운동성을 나타내는 척도이다. 구체적으로는, 엘라스토머의 스핀-격자 완화 시간이 짧을수록 분자 운동성이 낮고, 엘라스토머는 단단하다고 말할 수 있고, 그리고 스핀-격자 완화 시간이 길수록 분자 운동성이 높고, 엘라스토머는 부드럽다고 말할 수 있다.

본 실시 형태에 따른 복합 엘라스토머는, 동적 점탄성의 온도 의존성 측정에 있어서의 유동 온도가, 원료 엘라스토머 단체의 유동 온도보다 20℃ 이상 고온인 것이 바람직하다. 본 실시 형태의 복합 엘라스토머는, 엘라스토머에 원소(Y)를 갖는 물질과 탄소 재료가 양호하게 분산되어 있다. 이것은, 상술한 바와 같이, 엘라스토머가 제1 탄소 재료에 의해서 구속되어 있는 상태라고도 말할 수 있다. 이 상태에서는, 엘라스토머는, 제1 탄소 재료를 포함하지 않은 경우에 비해서, 그 분자 운동이 작아져서, 그 결과, 유동성이 저하한다. 이와 같은 유동 온도 특성을 가짐으로써, 본 실시 형태의 복합 엘라스토머는, 동적 점탄성의 온도 의존성이 작아져서, 그 결과, 우수한 내열성을 갖는다.

(F) 다음에, 복합 엘라스토머를 열처리하여, 제2 탄소 재료를 제조하는 공정 (b)에 대해서 설명한다.

복합 엘라스토머를 열처리함으로써, 상기 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시키는 공정 (b)에 의해서, 원소(Y)를 갖는 물질의 둘레에 제1 탄소 재료가 분산된, 제2 탄소 재료를 제조할 수 있다. 이 엘라스토머를 기화시키는 공정 (b)에 의해서, 공정 (a)에서 활성화된 제2 탄소 재료가 제조된다. 제2 탄소 재료의 표면은, 공정 (a)에 의해서 전단된 엘라스토머 분자의 프리라디컬에 의해서 활성화되어 있고, 예를 들면 공정 (c)에서 원소(Y)를 갖는 물질과 용이하게 결합될 수 있다.

이와 같은 열처리는, 사용되는 엘라스토머의 종류에 따라서 여러 가지의 조건을 선택할 수 있지만, 적어도 열처리 온도는, 엘라스토머의 기화하는 온도 이상이고, 또한 제1 탄소 재료가 기화하는 온도보다도 낮은 온도로 설정된다.

공정 (b)는, 원소(X)를 갖는 물질의 존재하에서 행해지고, 제1 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에 상기 원소(X)가 결합된 제2 탄소 재료를 얻을 수 있다. 예를 들면, 복합 엘라스토머는, 원소(X)를 갖는 물질을 포함하고, 공정 (b)의 열처리에 의해서, 제1 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에 상기 원소(X)를 결합시켜도 된다. 또, 예를 들면, 공정 (b)는, 원소(X)를 갖는 물질을 포함하는 분위기 내에서 행해지고, 제1 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에 상기 원소(X)를 결합시켜도 된다.

원소(X)는, 탄소 재료와 공유 결합에 의해서 결합되기 쉬운 원소이고, 또 가벼운 원소로서, 2가 이상이 바람직하고, 예를 들면 붕소, 질소, 산소, 인으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 원소(X)는, 산소 또는 질소인 것이 바람직하다. 특히, 산소는, 공기 중에 존재하기 때문에, 공정 (b)의 열처리에서 용이하게 이용할 수 있고, 활성화한 제1 탄소 재료, 예를 들면 카본 나노 화이버의 라디컬과 반응하기 쉽기 때문에, 원소(X)로서 이용하는 것이 바람직하다. 또, 산소는 다른 금속 재료 , 예를 들면 마그네슘 등과 결합하기 쉽고, 산소가 결합된 제2 탄소 재료는 금속 또는 반금속의 원소(Y)와 용이하게 결합할 수 있다.

원소(X)로서 산소를 이용하는 경우에는, 공정 (b)의 열처리시의 분위기 내에 산소를 포함시켜 두면 되고, 원소(X)로서 질소를 이용하는 경우에는, 암모늄 가스 분위기에서 공정 (b)를 행하면 된다. 또, 붕소, 인 등을 원소(X)로 하는 경우에는, 엘라스토머에 공정 (b)에 앞서서 원소(X)를 갖는 물질을 혼합시켜 두면 된다. 그 경우, 예를 들면, 공정 (a)의 혼련시에 원소(X)를 갖는 물질을 함께 혼합할 수 있다.

본 실시 형태에 따른 공정 (b)는, 열처리로에 공정 (a)에서 얻어진 복합 엘라스토머를 배치하여, 로 내를 엘라스토머가 기화하는 온도, 예를 들면 500℃로 가열한다. 이 가열에 의해서, 엘라스토머는 기화하여, 공정 (a)에서 활성화된 제1 탄소 재료의 표면은 로 내의 분위기 또는 엘라스토머 중에 포함되는 원소(X)와 결합되어, 표면 처리된 제2 탄소 재료를 제조할 수 있다. 제2 탄소 재료의 표면은, 공정 (a)에 의해서 전단된 엘라스토머 분자의 프리라디컬에 의해서 활성화되어 있고, 예를 들면 로 내 분위기 중에 존재하는 산소와 용이하게 결합될 수 있다. 이와 같이 하여 얻어진 제2 탄소 재료의 표면은 산화되고, 또한 활성화되어 있기 때 문에, 제2 탄소 재료는 금속 또는 반금속의 원소(Y)와 결합하기 쉽다. 또, 원소(X)를 이용하지 않아도, 제2 탄소 재료의 표면은, 엘라스토머의 라디컬과의 반응에 의해서 활성화되어 있어, 원소(Y)와 결합하기 쉽다.

(G) 다음에, 제2 탄소 재료를, 원소(Y)를 갖는 물질과 함께 열처리하여, 상기 원소(Y)를 갖는 물질을 기화시키는 공정 (c)에 대해서 설명한다.

공정 (b)에 의해서 얻어진 제2 탄소 재료를, 제1 탄소 재료보다도 융점이 낮은 원소(Y)를 갖는 물질과 함께 열처리하여, 상기 원소(Y)를 갖는 물질을 기화시키는 공정 (c)에 의해서, 본 발명에 따른 탄소계 재료를 제조할 수 있다.

공정 (c)의 열처리 온도는, 공정 (b)의 열처리 온도보다도 높고, 원소(Y)를 갖는 물질을 기화할 수 있는 온도 이상이며, 또한 제1 탄소 재료가 기화하는 온도보다도 낮은 온도로 설정된다. 또, 공정 (c)의 열처리는, 공정 (b)의 열처리 온도를 원소(Y)를 갖는 물질이 기화하는 온도 이상으로 설정함으로써 동시에 행해도 되고, 또는 실온으로부터 공정 (c)의 열처리 온도까지 승온하는 과정에서 공정 (b)를 연속하여 행해도 된다.

상기 공정 (b)에 의해서 얻어진 제2 탄소 재료와 원소(Y)를 갖는 물질은, 열처리로 내의 온도가 원소(Y)를 갖는 물질이 기화하는 온도 이상으로 가열되면, 원소(Y)를 갖는 물질이 기화하여, 제2 탄소 재료의 표면에 원소(Y)가 결합하거나, 혹은 제2 탄소 재료의 표면에 결합한 원소(X)와 원소(Y)가 결합하여, 본 발명에 따른 탄소계 재료가 얻어진다.

또한, 원소(Y)를 갖는 물질은, 상기한 바와 같이 공정 (a)에서 엘라스토머와 함께 혼련하여 복합 엘라스토머 중에 미리 혼합되어도 되고, 복합 엘라스토머에 혼합되지 않아도 된다. 복합 엘라스토머 중에 미리 원소(Y)를 갖는 물질을 혼합하지 않은 경우, 공정 (c)에서의 열처리로 내에 제2 탄소 재료와는 별도로 원소(Y)를 갖는 물질을 배치하면 된다. 열처리에 의해서 기화한 원소(Y)는, 제2 탄소 재료의 표면에 결합된 원소(X)와 결합한다. 어느 쪽이든, 공정 (c)에서는, 기화한 원소(Y)를 갖는 물질의 존재하에 제2 탄소 재료를 배치함으로써, 원하는 탄소계 재료를 얻을 수 있다.

이와 같이 하여 기화한 원소(Y)는, 제2 탄소 재료의 표면에 존재하는 원소(X)와 용이하게 결합하여, 원소(X)와 원소(Y)의 화합물이 생성된다. 여기에서, 원소(X)는, 원소(Y)와 제1 탄소 재료의 직접적인 결합을 방지할 수 있다. 예를 들면 원소(Y)가 알루미늄과 같은 경우에는, 제1 탄소 재료와 알루미늄이 직접 결합하면, Al₄C₃와 같은 물과 반응하기 쉬운 물질이 생성되게 되어, 바람직하지 않다. 따라서, 원소(Y)를 기화시키는 공정 (c)보다도 앞에, 원소(X)를 제1 탄소 재료의 표면에 결합시키는 공정 (b)를 행하는 것이 바람직하다.

이렇게 하여 얻어진 탄소계 재료, 예를 들면 카본 나노 화이버의 표면은, 카본 나노 화이버를 구성하는 탄소 원자와 원소(X)가 결합되고, 또한 원소(X)와 원소(Y)가 결합된 구조를 갖고 있다. 따라서, 탄소계 재료, 예를 들면 카본 나노 화이버의 표면은, 탄소와 원소(X)의 화합물층(예를 들면 산화물층)으로 덮여지고, 또한 원소(X)와 원소(Y)(예를 들면 마그네슘)의 반응물층으로 덮여진 구조를 갖고 있다. 이와 같은 탄소계 재료의 표면 구조에 대해서는, X선 분광 분석(XPS)이나 EDS 분석(Energy Dispersive Spectrum)에 의해서도 해석할 수 있다.

(H) 마지막으로, 탄소계 재료를 이용하여 복합 재료를 얻는 공정 (d)에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에서의 공정 (d)는, 상기 실시 형태에서 얻어진 탄소계 재료를 매트릭스 재료와 혼합함으로써, 매트릭스 재료 중에 탄소 재료가 분산된 복합 재료를 제조할 수 있다.

매트릭스 재료로서는, 통상의 주조 가공에 이용되는 금속을 선택할 수 있지만, 특히 경금속인 알루미늄 및 그 합금, 마그네슘 및 그 합금 등이 바람직하다.

상기 공정 (d)는, 예를 들면 이하와 같은 각종의 성형 방법을 채용할 수 있다.

(d-1 : 분말 성형 방법)

본 실시 형태에서의 복합 재료의 분말 성형 공정은, 상기 공정 (c)에서 얻어진 탄소계 재료를 분말 성형하는 공정에 의해서 실시할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면 상기 실시 형태에서 얻어진 탄소계 재료를 매트릭스 재료와 더 혼합한 후, 틀 내에서 압축하여, 매트릭스 재료의 소결 온도(예를 들면 매트릭스 재료가 알루미늄인 경우 550℃)로 소성하여 복합 재료를 얻을 수 있다.

본 실시 형태에서의 분말 성형은, 금속의 성형 가공에 있어서의 분말 성형과 동일하고, 소위 분말 야금을 포함하며, 또 분말 원료를 이용한 경우 뿐만 아니라, 탄소계 재료를 미리 예비 압축 성형하여 블록상으로 한 원료도 포함한다. 또한, 분말 성형법으로서는, 일반적으로 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 중의 탄소계 재료의 분말에 대해서, 매트릭스 재료를 혼합하는(습식 혼합) 것이 바람직하다. 탄소계 재료는, 원소(Y)끼리가 서로 결합하여 거의 복합 엘라스토머일 때의 외형을 유지하고 있는 경우이어도, 원소(Y)끼리의 결합력은 작고, 간단히 분쇄할 수 있다. 따라서, 드라이 블렌드나 습식 혼합할 때에는, 분쇄되어 분말, 예를 들면 입자상이나 섬유상으로 된 탄소계 재료를 이용할 수 있기 때문에, 금속 가공에 이용하기 쉽다.

이와 같은 분말 성형에 의해서 제조된 복합 재료는, 탄소계 재료를 매트릭스 재료 중에 분산시킨 상태에서 얻어진다. 또한, 이 공정 (d)에서 이용되는 매트릭스 재료의 입자는, 원소(Y)를 포함하는 재질이어도, 원소(Y)를 포함하지 않은 재질이어도 된다. 탄소계 재료와 매트릭스 재료의 배합 비율을 조정함으로써, 바람직한 물성을 갖는 복합 재료를 제조할 수 있다.

(d-2 : 주조 방법)

복합 재료의 주조 공정은, 상기 실시 형태에서 얻어진 탄소계 재료를, 매트릭스 재료 , 예를 들면 금속 용탕(溶湯)에 혼입하여 원하는 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, 고압 화로 응고시키는 고압 주조법, 용탕을 교반하는 틱소 캐스팅, 원심력으로 용탕을 주형 내로 주입(鑄入)하는 원심 주조법 등을 채용할 수 있다. 이들의 주조법에서는, 매트릭스 재료의 용탕 내에 탄소계 재료를 혼합시킨 채로 주형 내에서 응고시켜, 복합 재료를 성형한다.

주조 공정에 이용하는 매트릭스 재료의 용탕은, 통상의 주조 가공에 이용되는 금속을 선택할 수 있지만, 특히 경금속인 알루미늄 및 그 합금, 마그네슘 및 그 합금 등을 용도에 맞추어 단독으로 또는 조합하여 적절히 선택할 수 있다. 또, 금속 용탕에 이용되는 금속은, 탄소계 재료에 결합된 원소(Y)를 갖는 물질과 동일한 금속 또는 동일한 원소(Y)를 포함하는 합금으로 함으로써, 원소(Y)와의 습윤성을 향상시켜, 제품인 복합 재료에 있어서의 강도를 향상시킬 수 있다. 또, 매트릭스 재료의 용탕을 원소(Y)를 포함하지 않은 재질로 한 경우에는, 매트릭스 재료의 용탕에 대한 탄소계 재료의 배합 비율을 조정함으로써, 바람직한 물성을 갖는 복합 재료를 제조할 수 있다.

(d-3 : 침투법)

본 실시 형태에서는, 탄소계 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 의해서 복합 재료를 제조하는 장치의 개략 구성도이다. 상기 실시 형태에서 얻어진 탄소계 재료는, 예를 들면 원하는 형상을 갖는 성형 금형 내에서 예비 압축 성형된 탄소계 재료를 사용할 수 있다. 도 2에 서, 밀폐된 용기(1) 내에는, 미리 성형된 탄소계 재료(4)(예를 들면 제1 탄소 재료(40)로서 카본 나노 화이버를 이용한 탄소계 재료)가 넣어진다. 그 탄소계 재료(4)의 위쪽에 매트릭스 재료의 덩어리 , 예를 들면 알루미늄 덩어리(5)가 배치된다. 다음에, 용기(1)에 내장된 도시하지 않은 가열 수단에 의해서, 용기(1) 내에 배치된 탄소계 재료(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, 탄소계 재료(4) 중의 빈 곳으로 침투한다.

본 실시 양태의 탄소계 재료(4)로서는, 예비 압축 성형할 때에 빈 곳이 모세관 현상에 의해서 알루미늄 용탕을 보다 빨리 전체로 침투시킬 수 있을 정도의 빈 곳을 갖도록 성형되어 있다. 또, 탄소계 재료(4)가 어느 정도의 형상을 유지하고 있으면, 예비 압축 성형하지 않아도 된다. 알루미늄 용탕은, 탄소계 재료(4)의 내부까지 침투하여, 완전히 알루미늄 용탕이 채워진다. 그리고, 용기(1)의 가열 수단에 의한 가열을 정지시켜, 탄소계 재료(4) 중에 침투한 금속 용탕을 냉각·응고시켜, 도 3에 도시하는 바와 같은 탄소계 재료(4)가 균일하게 분산된 복합 재료(6)를 제조할 수 있다. 또한, 탄소계 재료(4)는, 금속 용탕과 결합하기 쉬운 원소(Y)를 선택하여 제조되어 있는 것이 바람직하다.

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

또한, 본 실시 형태에서는, 탄소계 재료를 미리 원하는 형상으로 예비 압축 성형한 것을 이용하였지만, 이것에 한정되지 않고, 원하는 형상의 틀 내에 분쇄되어 입자상으로 된 탄소계 재료를 수용하여, 그 위에 매트릭스 재료의 덩어리를 올려 놓고 침투법을 실시해도 된다.

또, 상기 실시 형태에서는 비가압 침투법에 대해서 설명하였지만, 침투법이면 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 불활성 가스 등의 분위기의 압력에 의해서 가압되는 가압 침투법을 이용할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 복합 재료 중의 탄소계 재료의 표면은 원소(Y)가 결합되어 있기 때문에, 탄소계 재료와의 습윤성이 향상하고 있고, 매트릭스 재료의 용탕에 대해서도 충분한 습윤성을 갖고 있기 때문에, 전체적으로 기계적 성질의 격차가 저감되어, 균질한 복합 재료가 얻어진다.

(실시예)

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

(실시예 1∼3, 비교예 1)

(1) 샘플의 제작

(a) 미가교 샘플(복합 엘라스토머)의 제작

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

제2 공정 : 고분자 물질에 대해서 표 1에 나타내는 양(중량부)의 원소(Y)를 갖는 물질을 고분자 물질에 투입하였다. 이 때, 롤 간극은 1.5㎜로 하였다. 또한, 투입한 원소(Y)를 갖는 물질의 종류에 대해서는 후술한다.

제3 공정 : 다음에, 원소(Y)를 갖는 물질을 포함하는 고분자 물질에 대해서 표 1에 나타내는 양(중량부)의 제1 탄소 재료(표 1에서는 「CNT」로 기재한다)를 고분자 물질에 투입하였다. 이 때, 롤 간극은 1.5㎜로 하였다.

제4 공정 : 제1 탄소 재료의 투입이 끝나면, 고분자 물질과 제1 탄소 재료의 혼합물을 롤로부터 취출하였다.

제5 공정 : 롤 간극을 1.5㎜로부터 0.3㎜로 좁게 하고, 혼합물을 투입하여 타이트 밀링을 하였다. 이 때, 2개의 롤의 표면 속도비를 1.1로 하였다. 타이트 밀링은 반복하여 10회 행하였다.

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

이와 같이 하여, 실시예 1∼3의 복합 엘라스토머의 미가교 샘플을 얻었다.

또한, 실시예 1∼3의 원소(Y)를 갖는 물질로서는, 마그네슘 입자(평균 입경 : 50㎛)를 이용하였다. 또, 실시예 1∼3의 제1 탄소 재료 및 비교예 1의 탄소 재료는, 직경(섬유 직경)이 약 10∼20㎚인 카본 나노 화이버(CNT)를 이용하였다.

(b) 제2 탄소 재료의 제작

상기 (a)의 실시예 1∼3에서 얻어진 미가교 샘플(복합 엘라스토머)을 질소 분위기의 열처리로 내에서 엘라스토머의 기화 온도 이상(500℃)으로 2시간 열처리하여, 엘라스토머를 기화시켜, 제2 탄소 재료를 얻었다.

(c) 탄소계 재료의 제작

상기 (b)의 실시예 1∼3에서 얻어진 제2 탄소 재료를, 그대로 동일 열처리로 내에서, 또한 원소(Y)를 갖는 물질(마그네슘)의 기화 온도 이상(570℃)으로 1시간 열처리하여, 원소(Y)를 갖는 물질(마그네슘)을 기화시켜, 탄소계 재료를 얻었다.

(d) 복합 재료의 제작

상기 (c)의 실시예 1∼3에서 얻어진 탄소계 재료의 분말체 10g과, 알루미늄의 분말체 500g을 볼밀로 혼합하였다. 이와 같이 혼합된 분말체를, 30×40×20㎜의 블록으로 압축 성형하였다. 이 성형품의 위에 순도 99.85%의 알루미늄 잉곳(ingot)을 올려 놓고, 질소 분위기의 열처리로에 배치하였다. 열처리로 내를 750℃까지 승온하여, 알루미늄 잉곳을 용융시켜, 압축 성형품의 내부에 침투시켜, 복합 재료를 얻었다. 이 복합 재료에서의 카본 나노 화이버의 함유율은, 1.6vol%이었다. 또한, 알루미늄의 분말체는, 순도 99.85%이고 평균 입경 28㎛인 입자를 이용하였다.

또, 비교예 1로서, 카본 나노 화이버를 알루미늄의 분말체와 볼밀로 혼합하여, 상기와 동일하게 하여 알루미늄을 침투시켜, 비교예 1의 복합 재료를 얻었다.

(2) 펄스법 NMR을 이용한 측정

각 미가교 샘플에 대해서, 펄스법 NMR을 이용하여 한에코법에 의한 측정을 행하였다. 이 측정은, 일본전자(주)제「JMN-MU25」를 이용하여 행하였다. 측정은, 관측핵이 ¹H, 공진 주파수가 25㎒, 90° 펄스폭이 2μsec인 조건으로 행하여, 한에코법의 펄스 시퀀스(90° x-Pi-180°x)로, Pi를 여러 가지로 바꾸어 감쇠 곡선을 측정하였다. 또, 샘플은, 자장의 적정 범위까지 샘플관에 삽입하여 측정하였다. 측정 온도는 150℃이었다. 이 측정에 의해서, 원료 엘라스토머 단체, 복합 엘라스토머의 미가교 샘플의 제1 스핀-스핀 완화 시간(T2n)과, 제2 스핀-스핀 완화 시간(T2nn)과, 제2 스핀-스핀 완화 시간을 갖는 성분의 성분 분률(fnn)을 구하였다. 또한, 원료 엘라스토머 단체에 대해서는, 측정 온도가 30℃인 경우에 있어서의 원료 엘라스토머 단체의 제1 스핀-스핀 완화 시간(T2n)에 대해서도 구하였다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다. 실시예 1∼3에서의 제2 스핀-스핀 완화 시간(T2nn)은, 검출되지 않았다. 따라서, 제2 스핀-스핀 완화 시간을 갖는 성분의 성분 분률(fnn)은, 0(제로)이었다.

(3) 유동 온도의 측정

원료 엘라스토머 단체 및 복합 엘라스토머의 미가교 샘플에 대해서, 동적 점탄성 측정(JIS K 6394)에 의해서 유동 온도를 측정하였다. 구체적으로는, 유동 온도는, 폭 5㎜, 길이 40㎜, 두께 1㎜의 샘플로 정현 진동(±0.1% 이하)을 부여하고, 이것에 의해서 발생하는 응력과 위상차(δ)를 측정하여 구하였다. 이 때, 온도는, -70℃로부터 2℃/분의 승온 속도로 150℃까지 변화시켰다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 표 1에서, 150℃까지 샘플의 유동 현상이 보이지 않는 경우를,「150℃ 이상」 으로 기재하였다.

(4) XPS 분석에 의한 탄소계 재료의 해석

상기 (c)에서 얻어진 실시예 1∼3의 탄소계 재료와, 비교예 1의 카본 나노 화이버를 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「무」라고 기재하였다. 또, 실시예 1에서의 탄소계 재료의 XPS 데이터의 개략도를 도 4에 도시한다. 제1 선분(50)은 C=O의 2중 결합을 나타내고, 제2 선분(60)은 C-O의 단결합을 나타내며, 제3 선분(70)은 탄소끼리의 결합을 나타낸다.

(5) EDS 분석에 의한 탄소계 재료의 해석

상기 (d)에서 얻어진 실시예 1∼3의 복합 재료와, 비교예 1의 카본 나노 화이버를 EDS 분석한 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1에서, 탄소계 재료의 주위에 마그네슘의 존재가 확인된 경우에는「Mg 유」라고 기재하고, 마그네슘이 확인되지 않은 경우에는「무」라고 기재하였다. 또, 실시예 1에서의 탄소계 재료의 EDS 데이터를 도 5, 도 6, 도 7에 도시한다. 도 5∼7은, EDS 분석한 화상 데이터이고, 흑백 화상에서는 판별하기 어렵기 때문에, 네거티브 포지티브 반전 처리를 행하는 등으로 하였다. 도 5에서의 검은 부분은 탄소, 요컨대 제1 탄소 재료인 카본 나노 화이버의 존재를 나타낸다. 도 6에서의 검은 부분은, 산소의 존재를 나타낸다. 도 7에서의 검은(색이 짙은) 부분은, 마그네슘의 존재를 나타낸다.

(6) 복합 재료의 압축 내력의 측정

상기 (d)에서 얻어진 실시예 1∼3의 복합 재료 및 비교예 1의 복합 재료에 대해서, 두께 5㎜의 10×10㎜의 시험편을, 0.01㎜/min으로 압축하였을 때의 0.2% 내력(σ0.2)을 측정하였다. 압축 내력은, 최대값, 최소값 및 평균값(㎫)을 측정하 였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1로부터, 본 발명의 실시예 1∼3에 의하면, 이하의 것이 확인되었다. 즉, 원소(Y)를 갖는 물질 및 제1 탄소 재료를 포함하는 미가교 샘플(복합 엘라스토머)에서의 150℃에서의 스핀-스핀 완화 시간(T2n 및 T2nn/150℃)은, 원소(Y)를 갖는 물질 및 탄소계 재료를 포함하지 않은 원료 엘라스토머의 경우에 비해서 짧다. 또, 원소(Y)를 갖는 물질 및 탄소 재료를 포함하는 미가교 샘플(복합 엘라스토머)에 있어서의 성분 분률(fnn/150℃)은, 원소(Y)를 갖는 물질 및 탄소계 재료를 포함하지 않은 원료 엘라스토머의 경우에 비해서 작다. 이들의 것으로부터, 실시예에 따른 복합 엘라스토머에서는, 제1 탄소 재료가 잘 분산되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 원소(Y)를 갖는 물질 및 탄소계 재료를 포함하는 복합 엘라스토머(미가교 샘플)에서의 유동 온도는, 원료 엘라스토머 단체의 경우에 비해서 20℃ 이상 높기 때문에, 동적 점탄성의 온도 의존성이 작고, 우수한 내열성을 갖는 것을 알 수 있다.

실시예 1∼3의 탄소계 재료의 XPS 분석의 결과로부터, 제2 탄소 재료의 표면은 산화되어 있는 것을 알 수 있었다.

실시예 1∼3의 탄소계 재료의 EDS 분석의 결과로부터, 탄소계 재료의 주위에는 산소와 마그네슘이 존재하고 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 실시예 1∼3의 복합 성형품의 압축 내력은, 비교예 1의 복합 재료의 압축 내력에 비해서, 최소값 및 최대값이 크게 증대하고 있는 것을 알 수 있었다. 또, 실시예 1∼3의 복합 성형품의 압축 내력의 평균값에 대한 최대값 및 최소값의 격차가 ±5%인 것에 반해서, 비교예 1의 복합 재료의 압축 내력의 격차는 ±50%이었다. 따라서, 실시예 1∼3의 복합 재료가 전체적으로 균질화하고 있는 것을 알 수 있었다.

실시예 1∼3의 탄소계 재료가 매트릭스 재료인 알루미늄에 균일하게 분산되어 전체적으로 균질화된 복합 재료가 얻어진 것을 알 수 있었다. 또, 압축 내력의 대폭적인 증대로부터, 탄소계 재료와 알루미늄과의 습윤성이 개선된 것을 알 수 있었다.

본 발명에 의해 표면의 습윤성이 개선된 탄소계 재료 및 그 제조 방법, 탄소 재료가 균일하게 분산된 복합 재료 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims

엘라스토머와, 적어도 제1 탄소재료를 혼합하고, 또한 전단력에 의해서 분산시켜 복합 엘라스토머를 얻는 공정 (a)와,

상기 복합 엘라스토머를 열처리하여, 상기 복합 엘라스토머 중에 포함되는 엘라스토머를 기화시켜 제2 탄소재료를 얻는 공정 (b)와,

상기 제2 탄소재료를, 상기 제1 탄소재료보다도 융점이 낮은 원소(Y)를 갖는 물질과 함께 열처리하여, 원소(Y)를 갖는 물질을 기화시키는 공정 (c)를 포함하는 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 공정 (b)는, 원소(X)를 갖는 물질의 존재 하에서 행해지고, 상기 제1 탄소재료를 구성하는 탄소 원자에 상기 원소(X)가 결합되고,

상기 원소(X)는, 붕소, 질소, 산소, 인으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 탄소계 재료의 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 복합 엘라스토머는, 원소(X)를 갖는 물질을 포함하고,

상기 공정 (b)의 열처리에 의해서, 상기 제1 탄소재료를 구성하는 탄소 원자에 상기 원소(X)가 결합되는 탄소계 재료의 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 공정 (b)는, 원소(X)를 갖는 물질을 포함하는 분위기 내에서 행해지고, 상기 제1 탄소재료를 구성하는 탄소 원자에 상기 원소(X)가 결합되는 탄소계 재료의 제조 방법.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 원소(X)는, 산소 또는 질소인 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 복합 엘라스토머는, 상기 원소(Y)를 갖는 물질을 포함하는 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 원소(Y)를 갖는 물질은, 상기 공정 (c)에서, 상기 제2 탄소재료와 함께, 열처리로 내에 배치되어, 열처리함으로써 기화되는 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 탄소계 재료는, 알루미늄으로 이루어지는 매트릭스 재료에 대해서 혼합되는 것으로서,

상기 원소(Y)를 갖는 물질은, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 칼슘, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄으로부터 선택된 적어도 하나의 원소(Y)를 포함하는 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 탄소계 재료는, 마그네슘으로 이루어지는 매트릭스 재료에 대해서 혼합되는 것으로서,

상기 원소(Y)를 갖는 물질은, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 칼슘, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 니켈, 구리 아연, 지르코늄으로부터 선택된 적어도 하나의 원소(Y)를 포함하는 탄소계 재료의 제조 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 원소(Y)를 갖는 물질은, 마그네슘, 아연, 알루미늄 중 어느 하나의 원소(Y)를 포함하는 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 탄소재료는, 카본블랙인 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 탄소재료는, 탄소섬유인 탄소계 재료의 제조 방법.
제12항에 있어서,

상기 탄소섬유는, 카본 나노 화이버인 탄소계 재료의 제조 방법.
제13항에 있어서,

상기 카본 나노 화이버는, 평균 직경이 0.5 내지 500㎚인 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 엘라스토머는, 중량평균분자량이 5000 내지 500만인 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 엘라스토머는, 주쇄, 측쇄 및 말단쇄의 적어도 하나에, 2중 결합, 3중 결합, α수소, 카르보닐기, 카르복실기, 수산기, 아미노기, 니트릴기, 케톤기, 아미드기, 에폭시기, 에스테르기, 비닐기, 할로겐기, 우레탄기, 뷰렛기, 알로파네이트기 및 요소기 등의 관능기로부터 선택되는 카본 나노 화이버에 대해서 친화성을 갖는 불포화 결합 또는 기를 적어도 하나 갖는 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 엘라스토머는, 펄스법 NMR을 이용하여 한에코(Hahn-Echo)법에 의해서 30℃로 측정한, 미가교체에 있어서의 네트워크 성분의 스핀-스핀 완화 시간(T2n)이 100 내지 3000μ초인 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 엘라스토머는, 펄스법 NMR을 이용하여 한에코법에 의해서 30℃로 측정한, 가교체에 있어서의 네트워크 성분의 스핀-스핀 완화 시간(T2n)이 100 내지 2000μ초인 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 엘라스토머는, 천연고무 또는 니트릴 부타디엔고무인 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 공정 (a)는, 롤간격이 0.5㎜ 이하인 오픈 롤법을 이용하여 행해지는 탄소계 재료의 제조 방법.
제20항에 있어서,

상기 오픈 롤법은, 2개의 롤의 표면 속도비가 1.05 내지 3.00인 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 공정 (a)는, 밀폐식 혼련법에 의해서 행해지는 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있에서,

상기 공정 (a)는, 다축 압출 혼련법에 의해서 행해지는 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 공정 (a)는, 0 내지 50℃에서 행해지는 탄소계 재료의 제조 방법.
제1항에 기재된 제조 방법에 의해서 얻어진 탄소계 재료.
알루미늄 또는 마그네슘으로 이루어지는 매트릭스 재료에 대해서 혼합되는 탄소계 재료로서,

탄소 재료의 표면은, 제1 결합 구조와, 제2 결합 구조를 갖고,

상기 제1 결합 구조는, 상기 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에, 원소(X)가 결합된 구조이고,

상기 제2 결합 구조는, 원소(X)에, 원소(Y)가 결합된 구조이고,

상기 원소(X)는, 붕소, 질소, 산소, 인으로부터 선택된 적어도 하나를 포함 하고,

상기 원소(Y)는, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 칼슘, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 니켈, 구리, 아연, 지르코늄으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 탄소계 재료.
탄소 재료의 표면은, 제1 결합 구조와, 제2 결합 구조를 갖고,

상기 제1 결합 구조는, 상기 탄소 재료를 구성하는 탄소 원자에, 산소가 결합된 구조이고,

상기 제2 결합 구조는, 상기 산소에, 마그네슘이 결합된 구조인 탄소계 재료.
제1항에 기재된 제조 방법에 의해서 얻어진 상기 탄소계 재료를 매트릭스 재료와 혼합하는 공정 (d)를 갖는 복합 재료의 제조 방법.
제28항에 기재된 제조 방법에 의해서 얻어진 복합 재료.