(57)【要約】  官能基を有する第１の重合体が表面に非共有結合性吸着している炭素材料と、官能基を有する第２の重合体とを含み、第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基は、反応することにより第１の重合体と第２の重合体との間に共有結合を形成しうるものである、複合材料形成用組成物。この組成物を用いれば、炭素材料を重合体中に均一に分散させることができるとともに、炭素材料に化学修飾を行わなくても、炭素材料と重合体とを強く接着することができ、機械的強度に優れた複合材料を形成できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
官能基を有する第１の重合体が表面に非共有結合性吸着している炭素材料と、官能基を有する第２の重合体とを含み、
第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基は、反応することにより第１の重合体と第２の重合体との間に共有結合を形成しうるものである、複合材料形成用組成物。
【請求項２】
前記炭素材料が炭素繊維である、請求項１に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項３】
前記炭素材料がカーボンナノチューブである、請求項１に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項４】
前記炭素材料が化学修飾されていない、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項５】
前記第１の重合体がイミノ基（−ＮＨ−）またはアミノ基（−ＮＨ２）を有しており、前記第２の重合体がイミノ基またはアミノ基（−ＮＨ２）と反応して共有結合を形成する官能基を有している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項６】
前記第２の重合体の前記官能基がエポキシ基、カルボキシル基、置換もしくは無置換のアルコキシカルボニル基、置換もしくは無置換のアリールオキシカルボキシル基、またはハロゲン原子である、請求項５に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項７】
前記第２の重合体の前記官能基がエポキシ基である、請求項５に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項８】
前記第１の重合体が環員として窒素原子を含む置換もしくは無置換のヘテロ環を含む構成単位を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項９】
環員である窒素原子の少なくとも１つがイミノ基（−ＮＨ−）を構成している、請求項８に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項１０】
前記ヘテロ環は、ベンズイミダゾール環である、請求項８または９に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項１１】
前記第１の重合体が下記一般式（１）で表される構成単位の繰り返し構造を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
【化１】
2017033683.tif 000019
（一般式（１）において、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立に置換基を表し、Ｒ１、Ｒ２が複数存在するとき、Ｒ１同士およびＲ２同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。Ｌ１は単結合または２価の連結基を表す。ｎ１およびｎ２は０〜３の整数を表し、ｎ３は１〜１００の整数を表す。）
【請求項１２】
前記第２の重合体が、エポキシ基と置換もしくは無置換のアリーレン基（例えば置換もしくは無置換のフェニレン基）とを有するエポキシ樹脂である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
【請求項１３】
前記第２の重合体が、下記一般式（２−２）で表されるエポキシ樹脂である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
【化２】
2017033683.tif 000020
（一般式（２−２）において、Ｒ３およびＲ４は、それぞれ独立に置換基を表し、Ｒ３、Ｒ４が複数存在するとき、Ｒ３同士およびＲ４同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。Ｒ５およびＲ６は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表す。ｎ４およびｎ５は０〜４の整数を表し、ｎ６は０〜１００の整数を表す。）
【請求項１４】
官能基を有する第１の重合体が表面に非共有結合性吸着している炭素材料と、官能基を有する第２の重合体とを含む組成物を、第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基が反応する条件下に置くことにより反応させ、第１の重合体と第２の重合体とを連結する共有結合を形成する、複合材料の製造方法。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物における第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基を反応させることにより、第１の重合体と第２の重合体との間に共有結合を形成する、複合材料の製造方法。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の製造方法により製造される複合材料。
【請求項１７】
炭素材料と、前記炭素材料の表面に非共有結合性吸着している第１の重合体と、前記第１の重合体に共有結合で結合している第２の重合体とを有する、複合材料。
【請求項１８】
前記第１の重合体が窒素原子を有しており、前記第２の重合体が前記第１の重合体の窒素原子に結合する結合部位を有する、請求項１６または１７に記載の複合材料。
【請求項１９】
前記第１の重合体が、下記一般式（３）で表される構造を有する構成単位を有する、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の複合材料。
【化３】
2017033683.tif 000021
（一般式（３）において、Ｒ１１は置換基を表し、Ｒ１１が複数存在するとき、Ｒ１１同士は互いに同じであっても異なっていてもよい。ｎ11は０〜３の整数を表す。＊１および＊２は第１の重合体を構成する他の部分との結合部位を表し、＊３は第２の重合体との結合部位を表す。）
【請求項２０】
前記第１の重合体と前記第２の重合体が、−Ｎ（Ｒ２１）−、−Ｎ（Ｒ２２）ＣＯ−、または−Ｎ（Ｒ２３）ＣＯＮ（Ｒ２４）−［ここで、Ｒ２１〜Ｒ２２は各々独立に水素原子または置換基（例えば置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のアリール基）を表す。］で表される連結基で結合している、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材料と重合体を複合化した複合材料、および、その複合材料の形成に用いられる複合材料形成用組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素材料と樹脂材料を複合化した複合材料の開発が盛んに行われている。この複合材料では、炭素材料が荷重を受け持つために、樹脂材料単独よりも遥かに高い強度と弾性率を得ることができる。例えば、その代表例である、炭素繊維とエポキシ樹脂を複合化した炭素繊維強化複合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic：ＣＦＲＰ）では、その最もグレードが高いもので、弾性率が２９５ＧＰａであり、プラスチック材料の中で最も強度が高いとされる合成繊維ザイロン（東洋紡社製  商品名）の弾性率２７０ＧＰａを遥かに凌駕している。そのため、こうした炭素材料を用いた複合材料は、航空機をはじめとする様々な領域への利用が拡大しており、さらなる機械的強度の改善を目指して研究が進められている。【０００３】
例えば、複合材料の炭素材料として、カーボンナノチューブが注目されている。カーボンナノチューブは、弾性率が２７０〜９５０ＧＰａ、引張強度が１１〜６３ＧＰａであり、炭素繊維（弾性率：２００〜７００、引張強度：３〜７ＧＰａ）に比べて遥かに優れた機械的強度を有する。このため、カーボンナノチューブを利用した複合材料に関して多数の報告がなされている。【０００４】
非特許文献１〜３には、界面活性剤を用いて、カーボンナノチューブをエポキシ樹脂中に分散させ複合化した複合材料が提案され、非特許文献４には、表面を酸化したカーボンナノチューブを用いた複合材料が提案されている。これらの複合材料は、界面活性剤や酸化処理によりカーボンナノチューブに濡れ性を付与することで、エポキシマトリックス中におけるカーボンナノチューブの分散性を改善し、カーボンナノチューブの凝集に起因した応力集中を回避しようとするものである。【０００５】
非特許文献５には、カーボンナノチューブの表面に化学修飾を行って、共有結合で結合する官能基を導入し、その官能基にエポキシ樹脂を結合させた複合材料が提案されている。ここでは、カーボンナノチューブがエポキシ樹脂中に均一に分散し、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブとの界面相互作用も確保できるとされている。【０００６】
非特許文献６には、エポキシ基を有するピレン誘導体をカーボンナノチューブの表面に非共有結合性吸着させ、そのエポキシ基とエポキシマトリックスとを反応させることで複合化した複合材料が提案されている。ここでは、エポキシ基を有するピレン誘導体を介して、カーボンナノチューブをエポキシマトリックスに接着することにより、複合材料が補強されるとされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
非特許文献１：Carbon, 43, 1378-1385 (2005)
非特許文献２：Compos, Sci. Technol., 71, 466-470 (2011)
非特許文献３：Polymer, 50, 4753-4759. (2009)
非特許文献４：Compos, Sci. Technol., 67, 3331-3337 (2007)
非特許文献５：Nano, Lett., 3, 1 107-1 1 13 (2003)
非特許文献６：J. Mater. Chem., 22, 1928-1936 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、非特許文献１〜３には、界面活性剤を用いてカーボンナノチューブをエポキシ樹脂中に分散させた複合材料が記載され、非特許文献４〜６には、カーボンナノチューブに何らかの処理や修飾を行って、カーボンナノチューブの分散性やカーボンナノチューブとエポキシ樹脂との界面相互作用を制御した複合材料が記載されている。しかし、本発明者らが、これらの複合材料の機械的強度を評価したところ、非特許文献１〜４に記載の複合材料は、カーボンナノチューブとエポキシ樹脂との界面相互作用が弱いために、十分な機械的強度が得られないことが判明した。また、引用文献５に記載の複合材料は、カーボンナノチューブとエポキシ樹脂の界面相互作用は確保されているものの、カーボンナノチューブに共有結合で結合する官能基を導入しているために、カーボンナノチューブが損傷を受け、その強度が低下していることが判明した。さらに、引用文献６に記載の複合材料は、ピレン誘導体が低分子であるために分子間力が弱く、カーボンナノチューブから容易に遊離する現象が生じる。このため、ピレン誘導体が所期の機能を果たせずに、カーボンナノチューブがエポキシ樹脂中で凝集してしまうことが判明した。【０００９】
そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、炭素材料を重合体中に均一に分散させることができるとともに、炭素材料に化学修飾を行わなくても、炭素材料と重合体とを強く接着することができ、機械的強度に優れた複合材料を形成できる複合材料形成用組成物を提供することを目指して研究を重ねた。また、炭素材料が本来有する強度を維持しつつ、その炭素材料を重合体中に均一に分散させて重合体に強く接着することができ、高い機械的強度が得られる複合材料を提供することを目的として研究を進めた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、官能基を有する第１の重合体を炭素材料の表面に非共有結合性吸着させ、この第１の重合体の官能基と、第２の重合体の官能基とを反応させて共有結合を形成させることにより、炭素材料を第２の重合体中に均一に分散させることができるとともに、炭素材料を第２の重合体に強く接着することができ、機械的強度に優れた複合材料が得られることを見出した。具体的に、本発明は、以下の構成を有する。【００１１】
［１］  官能基を有する第１の重合体が表面に非共有結合性吸着している炭素材料と、官能基を有する第２の重合体とを含み、第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基は、反応することにより第１の重合体と第２の重合体との間に共有結合を形成しうるものである、複合材料形成用組成物。
［２］  前記炭素材料が炭素繊維である、［１］に記載の複合材料形成用組成物。
［３］  前記炭素材料がカーボンナノチューブである、［１］に記載の複合材料形成用組成物。
［４］  前記炭素材料が化学修飾されていない、［１］〜［３］のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
［５］  前記第１の重合体がイミノ基（−ＮＨ−）またはアミノ基（−ＮＨ２）を有しており、前記第２の重合体がイミノ基またはアミノ基（−ＮＨ２）と反応して共有結合を形成する官能基を有している、［１］〜［４］のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
［６］  前記第２の重合体の前記官能基がエポキシ基、カルボキシル基、置換もしくは無置換のアルコキシカルボニル基、置換もしくは無置換のアリールオキシカルボキシル基、またはハロゲン原子である、［５］に記載の複合材料形成用組成物。
［７］  前記第２の重合体の前記官能基がエポキシ基である、［５］に記載の複合材料形成用組成物。
［８］  前記第１の重合体が環員として窒素原子を含む置換もしくは無置換のヘテロ環を含む構成単位を有する、［１］〜［７］のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
［９］  環員である窒素原子の少なくとも１つがイミノ基（−ＮＨ−）を構成している、［８］に記載の複合材料形成用組成物。
［１０］  前記ヘテロ環は、ベンズイミダゾール環である、［８］または［９］に記載の複合材料形成用組成物。
［１１］  前記第１の重合体が下記一般式（１）で表される構成単位の繰り返し構造を有する、［１］〜［１０］のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
【化１】
2017033683.tif 000002
（一般式（１）において、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立に置換基を表し、Ｒ１、Ｒ２が複数存在するとき、Ｒ１同士およびＲ２同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。Ｌ１は単結合または２価の連結基を表す。ｎ１およびｎ２は０〜３の整数を表し、ｎ３は１〜１００の整数を表す。）
［１２］  前記第２の重合体が、エポキシ基と置換もしくは無置換のアリーレン基（例えば置換もしくは無置換のフェニレン基）とを有するエポキシ樹脂である、［１］〜［１１］のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
［１３］  前記第２の重合体が、下記一般式（２−２）で表されるエポキシ樹脂である、［１］〜［１２］のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物。
【化２】
2017033683.tif 000003
（一般式（２−２）において、Ｒ３およびＲ４は、それぞれ独立に置換基を表し、Ｒ３、Ｒ４が複数存在するとき、Ｒ３同士およびＲ４同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。Ｒ５およびＲ６は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表す。ｎ４およびｎ５は０〜４の整数を表し、ｎ６は０〜１００の整数を表す。）【００１２】
［１４］  官能基を有する第１の重合体が表面に非共有結合性吸着している炭素材料と、官能基を有する第２の重合体とを含む組成物を、第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基が反応する条件下に置くことにより反応させ、第１の重合体と第２の重合体とを連結する共有結合を形成する、複合材料の製造方法。
［１５］  ［１］〜［１３］のいずれか１項に記載の複合材料形成用組成物における第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基を反応させることにより、第１の重合体と第２の重合体との間に共有結合を形成する、複合材料の製造方法。【００１３】
［１６］  ［１４］または［１５］に記載の製造方法により製造される複合材料。
［１７］  炭素材料と、前記炭素材料の表面に非共有結合性吸着している第１の重合体と、前記第１の重合体に共有結合で結合している第２の重合体とを有する、複合材料。
［１８］  前記第１の重合体が窒素原子を有しており、前記第２の重合体が前記第１の重合体の窒素原子に結合する結合部位を有する、［１６］または［１７］に記載の複合材料。
［１９］  前記第１の重合体が、下記一般式（３）で表される構造を有する構成単位を有する、［１６］〜［１８］のいずれか１項に記載の複合材料。
【化３】
2017033683.tif 000004
（一般式（３）において、Ｒ１１は置換基を表し、Ｒ１１が複数存在するとき、Ｒ１１同士は互いに同じであっても異なっていてもよい。ｎ11は０〜３の整数を表す。＊１および＊２は第１の重合体を構成する他の部分との結合部位を表し、＊３は第２の重合体との結合部位を表す。）
［２０］  前記第１の重合体と前記第２の重合体が、−Ｎ（Ｒ２１）−、−Ｎ（Ｒ２２）ＣＯ−、または−Ｎ（Ｒ２３）ＣＯＮ（Ｒ２４）−［ここで、Ｒ２１〜Ｒ２２は各々独立に水素原子または置換基（例えば置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のアリール基）を表す。］で表される連結基で結合している、［１６］〜［１９］のいずれか１項に記載の複合材料。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の複合材料形成用組成物によれば、炭素材料を重合体中に均一に分散させることができるとともに、炭素材料に化学修飾を行わなくても、炭素材料と重合体とを強く接着することができ、機械的強度に優れた複合材料を形成することができる。
また、本発明の複合材料は、炭素材料が本来有する強度を保ちつつ、その炭素材料を重合体中に均一に分散させて重合体と接着させることができるため、高い機械的強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
［図１］2,2-メタフェニレンビスベンズイミダゾールとフェニルグリシジルエーテルの反応により得られた生成物のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量スペクトルである。
［図２］図２（ａ）は、実施例１で調製した複合材料形成用組成物の光学顕微鏡写真であり、図２（ｂ）は、比較例１で調製した複合材料形成用組成物の光学顕微鏡写真であり、図２（ｃ）は、比較例２で調製した複合材料形成用組成物の光学顕微鏡写真であり、図２（ｄ）は、ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブ、酸素プラズマ処理を行ったカーボンナノチューブ、いずれの処理も行っていないカーボンナノチューブを、それぞれN,N-ジメチルアセトアミドに分散して調製した分散液の写真である。
［図３］、実施例１および比較例１、２で製造した複合材料の応力−ひずみ曲線である。
［図４］図４（ｃ）は、比較例２で製造した複合材料の破断面を倍率２５００倍で撮影したＳＥＭ写真であり、図４（ｄ）は、比較例２で製造した複合材料の破断面を倍率１５０００倍で撮影したＳＥＭ写真であり、図４（ｅ）は、実施例１で製造した複合材料の破断面を倍率２５００倍で撮影したＳＥＭ写真であり、図４（ｆ）は、実施例１で製造した複合材料の破断面を倍率１５０００倍で撮影したＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。また、本発明に用いられる化合物の分子内に存在する水素原子の同位体種は特に限定されず、例えば分子内の水素原子がすべて１Ｈであってもよいし、一部または全部が２Ｈ（デューテリウムＤ）であってもよい。
【００１７】
［複合材料形成用組成物］
本発明の複合材料形成用組成物は、炭素材料と重合体を含む複合材料の形成に用いられるものであり、官能基を有する第１の重合体が表面に非共有結合性吸着している炭素材料と、官能基を有する第２の重合体とを含み、第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基は、反応することにより第１の重合体と第２の重合体との間に共有結合を形成しうるものである。
この複合材料形成用組成物による複合材料の形成は、複合材料形成用組成物を、第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基が反応する条件下に置くことにより反応させ、第１の重合体と第２の重合体とを連結する共有結合を形成することにより行うことができる。このようにして形成された複合材料は、引張強度や弾性率が高く、優れた機械的強度を有する。これは以下の理由による。
すなわち、本発明で用いる第１の重合体は、低分子化合物に比べて分子間力が大きく、炭素材料に対して強く非共有結合性吸着することができる。また、第１の重合体と第２の重合体との間の共有結合は、化学結合の中で最も強さが大きい結合である。このため、第１の重合体は、炭素材料と第２の重合体を結び付ける、いわば接着剤として効果的に機能し、この第１の重合体の機能により、炭素材料が第２の重合体からなるマトリックス中に均一に分散するとともに、第２の重合体に強く接着することができる。また、非共有結合性の吸着は、化学修飾を行わなくても実現することができるため、炭素材料が本来有する強度を損なうことがない。これにより、本発明の複合材料形成用組成物により形成された複合材料は高い機械的強度を有する。
以下において、本発明の複合材料形成用組成物を構成する材料について詳述する。
【００１８】
（炭素材料）
炭素材料は、複合材料に強度を付与する機能を有する。炭素材料は、第２の重合体中に均一に分散した状態で存在していることが好ましい。
【００１９】
本発明の複合材料形成用組成物で用いる炭素材料は、特に限定されないが、例えばポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、植物由来炭素繊維等の炭素繊維、フラーレン類、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維類（ナノファイバ）、ダイヤモンド、グラフェンシート等のナノ炭素材料を挙げることができる。中でも、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェンシートが好ましく、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、カーボンナノチューブがより好ましい。
これらの炭素材料は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
【００２０】
炭素材料に炭素繊維を用いる場合、その炭素繊維の平均繊維径は０．５〜１０００００ｎｍであることが好ましい。炭素繊維の平均繊維径の下限は１.０nm以上であることがより好ましく、
１０ｎｍ以上であることがさらに好ましい。
炭素繊維の平均繊維径は、電子顕微鏡観察法により測定することができる。
【００２１】
炭素材料にカーボンナノチューブを用いる場合、そのカーボンナノチューブは、単層構造のものであってもよいし、単層のカーボンナノチューブが入れ子状に複数積層した積層構造を有するものであってもよい。
カーボンナノチューブの平均直径は、０．５〜５００ｎｍであることが好ましい。また、カーボンナノチューブの平均直径の下限は１．０ｎｍ以上であることがより好ましい。カーボンナノチューブの平均直径の上限は２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
カーボンナノチューブの長軸長さは、５０〜１０００００００００ｎｍであることが好ましい。また、カーボンナノチューブの長軸長さの下限は１００ｎｍ以上であることがより好ましく、５００ｎｍ以上であることがさらに好ましい。
カーボンナノチューブの平均直径は、電子顕微鏡観察法により測定することができ、長軸長さは、電子顕微鏡観察法により測定することができる。
【００２２】
炭素材料にグラフェンシートを用いる場合、炭素材料は単層のグラフェンシートからなるものであってもよいし、複数のグラフェンシートが積層した積層構造を有するものであってもよい。
グラフェンシートの全体の厚さは、０．１〜１０００ｎｍであることが好ましい。グラフェンシートの全体の厚さの上限は１００ｎｍ以下であることがより好ましく、５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
積層構造を構成するグラフェンシートの積層数は、１〜１００００であることが好ましく、１〜
１０００であることがより好ましく、１〜１００であることがさらに好ましい。
グラフェンシートの１層当たりの厚さおよび全体の厚さは、電子顕微鏡観察法または原子間力顕微鏡観察法により測定することができる。
【００２３】
炭素材料の弾性率は１００ＧＰａ以上であることが好ましく、２００ＧＰａ以上であることがより好ましく、５００ＧＰａ以上であることがさらに好ましい。また、炭素材料の弾性率は、材料の入手の容易さの点から、１０００ＧＰａ以下であることが好ましい。
炭素材料の引張強度は１.０ＧＰa以上であることが好ましく、２.０ＧＰa以上であることがより好ましく、３.０ＧＰa以上であることがさらに好ましい。また、炭素材料の引張強度は、材料の入手の容易さの点から、１０．０ＧＰａ以下であることが好ましい。
炭素材料の弾性率は引張試験法により測定することができ、引張強度は引張試験法により測定することができる。
【００２４】
本発明の複合材料形成用組成物に用いる炭素材料は、化学修飾されていないことが好ましい。本発明の複合材料形成用材料では、炭素材料に化学修飾を行わなくても、炭素材料と第２の重合体を強く接着することができ、また、化学修飾を行わないことにより、炭素材料が本来有する強度を維持することができる。その結果、機械的強度に優れた複合材料を形成することができる。
【００２５】
また、炭素材料におけるＣＯＯＨ基とＯＨ基の合計官能基量は３．０×１０−６mol/g以下であることが好ましく、１．０×１０−６mol/g以下であることがより好ましく、１．０×１０−５mol/g以下であることがさらに好ましい。これにより、第１の重合体や第２の重合体が、炭素材料のＣＯＯＨ基やＯＨ基と反応して共有結合を形成してしまうことが抑制され、炭素材料への第１の重合体の非共有結合性吸着、および、第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基の反応を効率よく行うことができる。
炭素材料におけるＣＯＯＨ基とＯＨ基の合計官能基量は、中和滴定法により測定することができる。
【００２６】
（第１の重合体）
第１の重合体は、第２の重合体の官能基と反応して第１の重合体と第２が重合体との間に共有結合を形成しうる官能基を有しており、炭素材料の表面に非共有結合性吸着している。こうした第１の重合体は、炭素材料と第２の重合体を結び付ける接着剤として機能する。
本発明における「非共有結合性吸着」とは、共有結合以外の吸着力に起因した吸着のことをいう。共有結合以外の吸着力としては、イオン結合、配位結合、水素結合、双極子−双極子相互作用、ファン・デル・ワールス力、疎水結合、π―π相互作用、ＣＨ−π相互、酸塩基相互作用等を挙げることができる。本発明における「非共有結合性吸着」は、これらのうちの、いずれか１つの吸着力による吸着であってもよいし、２種類以上の吸着力の組み合わせによる吸着であってもよい。また、第１の重合体は、炭素材料に非共有結合性吸着している限り、炭素材料との間に共有結合が形成されていてもよいが、炭素材料との間に共有結合が形成されていないことが好ましい。
炭素材料に第１の重合体が非共有結合性吸着していることは、N,N-ジメチルアセトアミド等の第１の重合体に対する良溶媒による洗浄後の元素分析により判定することができる。
【００２７】
第１の重合体は、第２の重合体が有する官能基と反応して共有結合を形成しうる官能基を有する。官能基の具体例として、イミノ基（−ＮＨ−）、アミノ基（−ＮＨ２）、酸無水物（ＣＯ−Ｏ−ＣＯ）、エポキシ基、チオール基（-SH）等を挙げることができ、イミノ基（−ＮＨ−）、アミノ基（−ＮＨ２）であることが好ましい。
【００２８】
また、第１の重合体は、モノマーに由来する構成単位が２つ以上連結した構造を有する。第１の重合体は、１種類のモノマーが重合した単独重合体であってもよいし、２種類以上のモノマーが重合した共重合体であってもよい。また、第１の重合体は、直鎖状、分枝状のいずれであってもよいし、鎖状構造同士の間に架橋構造が形成されていてもよいが、５個以上の構成単位が直鎖状に連なった鎖状構造を有することが好ましい。
【００２９】
第２の重合体と反応して共有結合を形成しうる官能基は、末端に存在していても、末端以外の部分に含まれていてもよいが、末端以外の部分に含まれていることが好ましく、繰り返し構造を構成している構成単位に含まれていることがより好ましい。この場合、第２の重合体と反応して共有結合を形成しうる官能基は、こうした構成単位の全てに含まれていてもよいし、一部の構成単位に含まれていてもよいが、構成単位の全てに含まれていることが好ましい。
【００３０】
第１の重合体はベンゼン環と窒素原子を含むことが好ましく、ベンゼン環と窒素原子を構成単位の中に含むことがより好ましい。
また、第１の重合体は、環員として窒素原子を含む置換もしくは無置換のヘテロ環を含むことも好ましく、そのようなヘテロ環を繰り返し構造を構成している構成単位の中に含むことがより好ましい。ヘテロ環は、環員として窒素原子を含むヘテロ５員環とベンゼン環とが縮合した多環縮合構造を有するものであることが好ましく、ベンズイミダゾール環であることがより好ましい。ここで、ヘテロ環の環員である窒素原子の少なくとも１つがイミノ基（−ＮＨ−）を構成しているか、環員の少なくとも１つがアミノ基（−ＮＨ２）で置換されていることが好ましい。この場合、このイミノ基（−ＮＨ−）またはアミノ基（−ＮＨ２）を、第２の重合体が有する官能基と反応して共有結合を形成しうる官能基として機能させることができる。
【００３１】
第１の重合体は、下記一般式（１）で表される構成単位の繰り返し構造を有することが好ましい。
【００３２】
【化４】
2017033683.tif 000005
【００３３】
一般式（１）において、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立に置換基を表す。Ｒ１とＲ２は同一であっても異なっていてもよい。また、Ｒ１、Ｒ２が複数存在するとき、Ｒ１同士およびＲ２同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。
Ｒ１およびＲ２がとりうる置換基として、例えば炭素数１〜２０の置換もしくは無置換のアルキル基（例えばフルオロアルキル基等のハロゲン化アルキル基）、炭素数１〜２０の置換もしくは無置換のアリール基、ハロゲン原子（例えばフッ素原子）等が挙げられる。これらの具体例のうち、さらに置換基により置換可能なものは、この置換基群から選択される基により置換されていてもよい。
【００３４】
Ｌ１は単結合または２価の連結基を表す。Ｌ１がとりうる連結基として、例えば炭素数１〜２０の置換もしくは無置換のアルキレン基、炭素数６〜４０の置換もしくは無置換のアリーレン基（例えば置換もしくは無置換のフェニレン基）、炭素数３〜４０の置換もしくは無置換のヘテロアリーレン基（例えば置換もしくは無置換のピリジレン基）、ジアゾ基、エステル基、アミド基、スルホニル基、ケトン基またはエーテル基等が挙げられる。これらの基は、さらに炭素数１〜２０の置換もしくは無置換のアルキル基（例えばフルオロアルキル基等のハロゲン化アルキル基）、炭素数６〜４０の置換もしくは無置換のアリール基、またはハロゲン原子（例えばフッ素原子）で置換されていてもよい。
【００３５】
ｎ１およびｎ２は０〜３の整数を表し、０〜２の整数であることが好ましく、０であることがより好ましい。ｎ１とｎ２は、同じ数であっても異なる数であってもよい。
ｎ３は１〜１００の整数を表し、５〜１００の整数であることが好ましく、２０〜１００の整数であることがより好ましい。ｎ３が２以上であるとき、各構成単位は同一の構造であってもよいし、異なる構造であってもよい。
【００３６】
また、第１の重合体は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
【００３７】
複合材料形成用組成物における第１の重合体の含有量は、炭素材料の含有量に対して０．１〜５０質量％であることが好ましい。
【００３８】
（炭素材料における第１の重合体の被覆状態）
本発明の複合材料形成用組成物では、第１の重合体が炭素材料の表面に非共有結合性吸着している。これにより、第１の重合体が炭素材料の少なくとも一部の表面を覆った状態になっている。
第１の重合体は、層状をなして炭素材料の表面を覆っていることが好ましい。この場合、第１の重合体の層の厚さは０．１ｎｍ以上であることが好ましい。また、第１の重合体の層の厚さは、１００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましく、５ｎｍ以下であることがさらに好ましく、３ｎｍ以下であることが特に好ましい。
第１の重合体の層の厚さは、電子顕微鏡観察法により測定することができる。
【００３９】
また、炭素材料の１つの面のうち、第１の重合体で覆われている領域の割合は、５０％以上であることが好ましく、７５％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましく、９９％以上であることが特に好ましく、９９．９％以上であることが最も好ましい。
さらに、炭素材料の全表面のうち、第１の重合体で覆われている領域の割合は、５０％以上であることが好ましく、７５％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましく、９９％以上であることが特に好ましく、９９．９％以上であることが最も好ましい。
【００４０】
（第２の重合体）
第２の重合体は、第１の重合体の官能基と反応して第１の重合体と第２の重合体との間に共有結合を形成しうる官能基を有する。第１の重合体と第２の重合体との間に共有結合が形成されると、第１の重合体を介して、炭素材料が第２の重合体に強く接着された状態になり、機械的強度に優れた複合材料が形成される。
【００４１】
第１の重合体の官能基と反応して第１の重合体と第２の重合体との間に共有結合を形成しうる官能基は、第１の重合体の官能基によって異なり、例えば第１の重合体がイミノ基（−ＮＨ−）またはアミノ基（−ＮＨ２）を有する場合には、イミノ基（−ＮＨ−）またはアミノ基（−ＮＨ２）と反応して共有結合を形成しうる官能基であり、加熱処理によりイミノ基（−ＮＨ−）またはアミノ基（−ＮＨ２）と反応して共有結合を形成しうる官能基であることが好ましい。イミノ基（−ＮＨ−）またはアミノ基（−ＮＨ２）と反応して共有結合を形成しうる官能基の具体例として、エポキシ基、カルボキシル基、置換もしくは無置換のアルコキシカルボニル基、置換もしくは無置換のアリールオキシカルボキシル基、またはハロゲン原子を挙げることができ、エポキシ基であることが好ましい。
すなわち、本発明の複合材料形成用組成物では、第１の重合体がイミノ基またはアミノ基（−ＮＨ２）を有しており、第２の重合体がエポキシ基を有しており、加熱処理により、第１の重合体のイミノ基またはアミノ基（−ＮＨ２）と第２の重合体のエポキシ基が反応して、第１の重合体と第２の重合体の間に共有結合が形成されることが好ましい。
【００４２】
また、第２の重合体は、モノマーに由来する構成単位が２つ以上連結した構造を有する。第１の重合体は、１種類のモノマーが重合した単独重合体であってもよいし、２種類以上のモノマーが重合した共重合体であってもよい。また、第２の重合体は、直鎖状、分枝状のいずれであってもよいし、鎖状構造同士の間に架橋構造が形成されていてもよい。
【００４３】
第１の重合体と反応して共有結合を形成しうる官能基は、第２の重合体の末端に存在していても、末端以外の部分に含まれていてもよいが、末端に存在することが好ましい。第１の重合体と反応して共有結合を形成しうる官能基が末端以外の部分に含まれている場合、繰り返し構造を構成している構成単位に含まれていることが好ましい。
【００４４】
エポキシ基を有する第２の重合体として、エポキシ基と置換もしくは無置換のアリーレン基を有するエポキシ樹脂を挙げることができ、エポキシ基と置換もしくは無置換のフェニレン基を有するエポキシ樹脂であることが好ましい。このエポキシ樹脂は、さらに置換もしくは無置換のオキシアルキレン基を有することが好ましく、置換もしくは無置換のオキシエチレン基、置換もしくは無置換のオキシプロピレン基を有することがより好ましい。
【００４５】
第２の重合体は、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンの縮合物、ビスフェノールＦとエピクロルヒドリンの縮合物であることが好ましい。
また、第２の重合体は、下記一般式（２−１）で表されるエポキシ樹脂であることも好ましい。
【００４６】
【化５】
2017033683.tif 000006
【００４７】
一般式（２−１）において、Ｒ３およびＲ４は、それぞれ独立に置換基を表す。Ｒ３とＲ４は同一であっても異なっていてもよい。また、Ｒ３、Ｒ４が複数存在するとき、Ｒ３同士およびＲ４同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。
Ｒ３およびＲ４がとりうる置換基として、例えば炭素数１〜２０の置換もしくは無置換のアルキル基（例えばフルオロアルキル基）、炭素数１〜２０の置換もしくは無置換のアリール基、またはハロゲン原子（例えばフッ素原子）等が挙げられる。
【００４８】
Ｒ５およびＲ６は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表す。Ｒ５およびＲ６は、一方が水素原子であって他方が置換基であってもよいし、両方が水素原子であるか、両方が置換基であってもよいが、両方が水素原子であるか、両方が置換基であることが好ましい。
Ｒ５およびＲ６がとりうる置換基として、例えば炭素数１〜２０の置換もしくは無置換のアルキル基（例えばフルオロアルキル基）、炭素数１〜２０の置換もしくは無置換のアリール基、またはハロゲン原子（例えばフッ素原子）等が挙げられ、炭素数１〜２０の置換もしくは無置換のアルキル基であることが好ましく、炭素数１〜１０の置換もしくは無置換のアルキル基であることがより好ましく、炭素数１〜１０の無置換のアルキル基であることがさらに好ましい。
【００４９】
ｎ４およびｎ５は０〜４の整数を表し、０〜２の整数であることが好ましく、０であることがより好ましい。ｎ４とｎ５は、同じ数であっても異なる数であってもよい。
ｎ６は１〜１００の整数を表し、１〜５０の整数であることが好ましく、１〜１０の整数であることがより好ましい。ｎ６が２以上であるとき、各構成単位は同一の構造であってもよいし、異なる構造であってもよい。
【００５０】
また、第２の重合体は、下記一般式（２−２）で表されるエポキシ樹脂であることも好ましい。
【化６】
2017033683.tif 000007
【００５１】
一般式（２−２）において、Ｒ３およびＲ４は、それぞれ独立に置換基を表し、Ｒ３、Ｒ４が複数存在するとき、Ｒ３同士およびＲ４同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。Ｒ５およびＲ６は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表す。ｎ４およびｎ５は０〜４の整数を表し、ｎ６は０〜１００の整数を表す。
Ｒ３〜Ｒ６、ｎ４〜ｎ６の好ましい範囲と具体例については、一般式（２−１）のＲ３〜Ｒ６、ｎ４〜ｎ６の好ましい範囲と具体例を参照することができる。
【００５２】
第１の重合体が一般式（１）で表される構成単位の繰り返し構造を有する場合、第２の重合体は一般式（２−１）または一般式（２−２）で表されるエポキシ樹脂であることが好ましく、一般式（２−２）で表されるエポキシ樹脂であることがより好ましい。
以下において、一般式（２−２）で表されるエポキシ樹脂の具体例を例示する。ただし、本発明において用いることができる第２の重合体は、この具体例によって限定的に解釈されるべきものではない。
【００５３】
【化７】
2017033683.tif 000008
【００５４】
式において、ｎは０〜１００の整数を表す。
【００５５】
また、第２の重合体は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
【００５６】
（この他の成分）
本発明の複合材料形成用組成物は、炭素材料と第１の重合体と第２の重合体のみから構成されていてもよいし、さらに、この他の成分を含んでいてもよい。
この他の成分として、第２の重合体に架橋構造を形成しうる硬化剤を挙げることができる。複合材料形成用組成物が硬化剤を含むことにより、より機械的強度が高い複合材料を形成することができる。架橋剤は、特に限定されないが、芳香族アミン系硬化剤であることが好ましい。
また、架橋剤は、複合材料形成用組成物の加熱処理により第２の重合体に架橋構造を形成しうるものであることが好ましい。具体的には、第１の重合体がイミノ基またはアミノ基（−ＮＨ２）を有し、第２の重合体がエポキシ基を有する場合、加熱処理により、第１の重合体のイミノ基またはアミノ基（−ＮＨ２）と第２の重合体のエポキシ基が反応して、第１の重合体と前記第２の重合体の間に結合が形成されるとともに、第２の重合体のエポキシ基と硬化剤の官能基が反応して第２の重合体に架橋構造が形成されることが好ましい。
【００５７】
さらに、本発明の複合材料形成用組成物が含んでもよい他の成分として、硬化促進触媒、
可塑剤等を挙げることができる。
【００５８】
［複合材料の製造方法］
本発明の複合材料の製造方法は、官能基を有する第１の重合体が表面に非共有結合性吸着している炭素材料と、官能基を有する第２の重合体とを含む組成物を、第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基が反応する条件下に置くことにより反応させ、第１の重合体と第２の重合体とを連結する共有結合を形成する。
組成物には、本発明の複合材料形成用組成物を用いることが好ましい。組成物が含む炭素材料、第１の重合体、第２の重合体、炭素材料における第１の被覆状態については、複合材料形成用組成物の対応する記載を参照することができる。
【００５９】
第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基が反応する条件としては、各官能基に、その活性化エネルギー以上のエネルギーを付与しうる条件であればよい。具体的には、組成物を加熱することにより各官能基にエネルギーを供給してもよいし、触媒を添加して各官能基の活性化エネルギーを下げてもよいし、両方を併用してもよいが、操作が容易であるとともに、形成される複合材料に触媒が残留することを避けるため、触媒を用いずに組成物を加熱することで各官能基を反応させることが好ましい。
【００６０】
組成物を加熱して第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基を反応させる場合、加熱温度は、各官能基の種類や濃度によっても異なるが、２５〜３００℃にすることが好ましい。
【００６１】
第１の重合体の官能基と第２の重合体の官能基の反応は溶媒を用いずに行ってもよいし、溶媒中で行い、反応により形成される複合材料を析出させてもよい。こうした反応は、第１の重合体を非共有結合性吸着させた炭素材料と第２の重合体を同一の溶媒中に存在させて攪拌し、官能基同士を接触させることにより行うことができる。
反応に用いる溶媒としては、反応に悪影響を与えないものであれば特に制限されないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン等の芳香族類、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸エチル等のエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン等の炭化水素類、ジクロロメタン、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、蟻酸、酢酸、プロピオン酸等の有機酸類、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン等の極性溶媒および水が挙げられ、これらの混合溶媒も使用できる。
【００６２】
［複合材料］
本発明の複合材料は、炭素材料と、炭素材料の表面に非共有結合性吸着している第１の重合体と、第１の重合体に共有結合で結合している第２の重合体とを有するものである。この複合材料は、例えば、本発明の複合材料の製造方法により製造することができる。
本発明の複合材料では、第１の重合体が炭素材料の表面に非共有結合性吸着しているとともに、その第１の重合体に第２の重合体が共有結合で結合していることにより、第１の重合体が炭素材料と第２の重合体を結び付ける接着剤として効果的に機能し、炭素材料が第２の重合体中に均一に分散した状態で強く保持される。このため、優れた機械的強度を得ることができる。
本発明の複合材料が有する炭素材料の説明と好ましい範囲、具体例については、上記の複合材料形成用組成物が有する炭素材料の説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。
【００６３】
（第１の重合体）
第１の重合体は、第２の重合体の官能基と反応して共有結合を形成しうる官能基の代わりに、第２の重合体と共有結合で結合している結合部位を有すること以外は、上記の複合材料形成用組成物が含む第１の重合体と同じ構造の重合体により構成することができる。この場合、第１の重合体の結合部位以外の説明と好ましい範囲、具体例については、複合材料形成用組成物における第１の重合体の官能基以外の説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。
また、第１の重合体は、上記の複合材料形成用組成物が含む第１の重合体同士が反応して生成した重合体、架橋剤等の他の成分と第１の重合体が反応して生成した重合体であってもよい。ただし、上記の複合材料形成用組成物が含む第１の重合体の、第２の重合体の官能基と反応して共有結合を形成しうる官能基に対応する部位は、第２の重合体と共有結合で結合している結合部位である。
ここで、上記の複合材料形成用組成物が含む第１の重合体の、第２の重合体の官能基と反応して共有結合を形成しうる官能基に対応する部位は、少なくとも一部が第２の重合体と共有結合で結合していればよく、未反応の官能基が残っているか、他の構造との結合に供されていてもよいが、全てが第２の重合体と共有結合で結合していることが好ましい。
【００６４】
第１の重合体が有する第２の重合体への結合部位は、第１の重合体の前駆体が有する官能基と、第２の重合体の前駆体が有する官能基との反応により形成されたものであることが好ましい。ここで、本発明の複合材料を、本発明の複合材料形成用組成物で形成する場合には、複合材料形成用組成物が含む第１の重合体が、複合材料の第１の重合体の「前駆体」に対応し、複合材料形成用組成物が含む第２の重合体が、複合材料の第２の重合体の「前駆体」に対応する。
第１の重合体は窒素原子を含むことが好ましく、その窒素原子の少なくとも１つが、第２の重合体と共有結合で結合する結合部位であることが好ましい。また、第１の重合体は、ベンゼン環と窒素原子を含むことが好ましく、ベンゼン環と窒素原子を構成単位の中に含むことがより好ましい。
また、第１の重合体は、環員として窒素原子を含む置換もしくは無置換のヘテロ環を含むことも好ましく、そのようなヘテロ環を繰り返し構造を構成している構成単位の中に含むことがより好ましい。ヘテロ環は、環員として窒素原子を含むヘテロ５員環とベンゼン環とが縮合した多環縮合構造を有するものであることが好ましく、ベンズイミダゾール環であることがより好ましい。ここで、ヘテロ環の環員である窒素原子の少なくとも１つは、第２の重合体と共有結合で結合する結合部位であることが好ましい。
【００６５】
ヘテロ環の環員である窒素原子が第２の重合体との結合部位を構成している構造として、下記一般式（３）で表される構造を挙げることができる。
【００６６】
【化８】
2017033683.tif 000009
【００６７】
一般式（３）において、Ｒ１１は置換基を表し、Ｒ１１が複数存在するとき、Ｒ１１同士は互いに同じであっても異なっていてもよい。ｎ11は０〜３の整数を表す。＊１および＊２は第１の重合体を構成する他の部分との結合部位を表し、＊３は第２の重合体との結合部位を表す。
Ｒ１１、ｎ11は、一般式（１）のＲ１またはＲ２、ｎ１またはｎ２と同義であり、その説明と好ましい範囲、具体例については、一般式（１）のＲ１またはＲ２、ｎ１またはｎ２についての説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。
一般式（３）において、−＊１または−＊２が付された炭素原子は第１の重合体を構成する他の部分と共有結合で結合しており、−＊３が付された窒素原子は、共有結合で第２の重合体と結合している。
【００６８】
一般式（３）で表される構造を含む構成単位の繰り返し構造として、下記一般式（４）で表される構造を挙げることができる。
【００６９】
【化９】
2017033683.tif 000010
【００７０】
一般式（４）において、Ｒ１１およびＲ１２は、それぞれ独立に置換基を表し、Ｒ１１、Ｒ１２が複数存在するとき、Ｒ１１同士およびＲ１２同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。Ｌ１１は単結合または２価の連結基を表す。ｎ11およびｎ12は０〜３の整数を表し、ｎ13は１〜１００の整数を表す。＊３は第２の重合体との結合部位を表す。
Ｒ１１、Ｒ１２、ｎ11、ｎ12は、それぞれ、一般式（１）のＲ１、Ｒ２、ｎ１、ｎ２と同義であり、その説明と好ましい範囲、具体例については、一般式（１）のＲ１、Ｒ２、ｎ１、ｎ２についての説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。＊３は一般式（３）の＊３と同義であり、その説明については一般式（３）の＊３の説明を参照することができる。
【００７１】
また、複合材料における第１の重合体の含有量の好ましい範囲については、複合材料形成用材料における第１の重合体の含有量の好ましい範囲を参照することができる。
【００７２】
（第２の重合体）
第２の重合体は、第１の重合体の官能基と反応して共有結合を形成しうる官能基の代わりに、第１の重合体と共有結合で結合している結合部位を有すること以外は、上記の複合材料形成用組成物が含む第２の重合体と同じ構造の重合体により構成することができる。この場合、第２の重合体の結合部位以外の説明と好ましい範囲、具体例については、複合材料形成用組成物における第１の重合体の官能基以外の説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。
また、第２の重合体は、上記の複合材料形成用組成物が含む第２の重合体同士が反応して生成した重合体、架橋剤等の他の成分と第２の重合体が反応して生成した重合体であってもよい。ただし、上記の複合材料形成用組成物が含む第２の重合体の、第１の重合体の官能基と反応して共有結合を形成しうる官能基に対応する部位は、第１の重合体と共有結合で結合している結合部位である。
ここで、上記の複合材料形成用組成物が含む第２の重合体の、第１の重合体の官能基と反応して共有結合を形成しうる官能基に対応する部位は、少なくとも一部が第１の重合体と共有結合で結合していればよく、未反応の官能基が残っているか、他の構造との結合に供されていてもよいが、全てが第１の重合体と共有結合で結合していることが好ましい。
【００７３】
第２の重合体が有する第１の重合体への結合部位は、第１の重合体の前駆体が有する官能基と、第２の重合体の前駆体が有する官能基との反応により形成されたものであることが好ましい。ここで、「第１の重合体の前駆体」、「第２の重合体の前駆体」の説明について、第１の重合体の項に記載した説明を参照することができる。
第２の重合体の第１の重合体への結合部位は、第１の重合体の結合部位によっても異なるが、炭素原子であることが好ましく、下記一般式（５）で表される構造の水酸基（−ＯＨ）が結合している炭素原子の隣の炭素原子、カルボニル基（−Ｃ（＝Ｏ）−）を構成している炭素原子、アリールオキシカルボニル基（−Ａｒ−Ｏ−Ｃ（＝Ｏ）−：Ａｒはアリール基である）のカルボニル基を構成している炭素原子であることが好ましく、一般式（５）で表される部分構造の水酸基（−ＯＨ）が結合している炭素原子の隣の炭素原子であることがより好ましい。
【００７４】
【化１０】
2017033683.tif 000011
【００７５】
一般式（５）において、＊４は第２の重合体を構成する他の部分との結合部位を表し、＊５は第１の重合体への結合部位を表す。すなわち、一般式（５）において、−＊４が付された炭素原子は、第２の重合体を構成する他の部分と結合しており、−＊５が付された炭素原子は、第１の重合体と共有結合で結合している。一般式（５）で表される構造は、＊５において一般式（３）で表される構造の＊３に共有結合で結合していることがさらに好ましい。
これらの結合部位は、イミノ基（−ＮＨ−）またはアミノ基（−ＮＨ３）を官能基として有する第１の重合体の前駆体と、エポキシ基、カルボキシル基、置換もしくは無置換のアルコキシカルボニル基、置換もしくは無置換のアリールオキシカルボキシル基、またはハロゲン原子を官能基として有する第２の重合体の前駆体の官能基同士の反応により形成することができる。この場合、第１の重合体の第２の重合体への結合部位は窒素原子になる。
【００７６】
第２の重合体は、置換もしくは無置換のアリーレン基を有することが好ましく、置換もしくは無置換のフェニレン基を有することがより好ましい。第２の重合体は、さらに、置換もしくは無置換のオキシアルキレン基を有することが好ましく、置換もしくは無置換のオキシエチレン基、置換もしくは無置換のオキシプロピレン基を有することがより好ましい。
【００７７】
第２の重合体は、下記一般式（６−１）で表される構成単位の繰り返し構造を有することが好ましい。
【００７８】
【化１１】
2017033683.tif 000012
【００７９】
一般式（６−１）において、Ｒ１３およびＲ１４は、それぞれ独立に置換基を表し、Ｒ１３、Ｒ１４が複数存在するとき、Ｒ１４同士およびＲ１４同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。Ｒ１５およびＲ１６は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表す。ｎ14およびｎ15は０〜４の整数を表し、ｎ16は１〜１００の整数を表す。＊５は第１の重合体との結合部位を表す。
Ｒ１３〜Ｒ１６、n14〜n16は、一般式（２−１）のＲ３〜Ｒ６、n４〜n６と同義であり、その説明と好ましい範囲、具体例については、一般式（２−１）のＲ３〜Ｒ６、n４〜n６についての説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。また、−＊５が付された炭素原子は第１の重合体と共有結合で結合している。
【００８０】
また、第２の重合体は、下記一般式（６−２）で表される構成単位の繰り返し構造を有することも好ましい。
【００８１】
【化１２】
2017033683.tif 000013
【００８２】
一般式（６−２）において、Ｒ１３およびＲ１４は、それぞれ独立に置換基を表し、Ｒ１３、Ｒ１４が複数存在するとき、Ｒ１４同士およびＲ１４同士は、互いに同じであっても異なっていてもよい。Ｒ１５およびＲ１６は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表す。ｎ14およびｎ15は０〜４の整数を表し、ｎ16は０〜１００の整数を表す。＊５は第１の重合体との結合部位を表す。
Ｒ１３〜Ｒ１６、n14〜n16は、一般式（２−１）のＲ３〜Ｒ６、n４〜n６と同義であり、その説明と好ましい範囲、具体例については、一般式（２−１）のＲ３〜Ｒ６、n４〜n６についての説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。＊５は一般式（６−１）の＊５と同義であり、その説明については一般式（６−１）の＊５の説明を参照することができる。
【００８３】
特に、第１の重合体が一般式（４）で表される構成単位の繰り返し構造を有する場合、第２の重合体は一般式（６−１）または一般式（６−２）で表される構成単位の繰り返し構造を有することが好ましく、一般式（６−２）で表される構成単位の繰り返し構造を有することがより好ましい。
【００８４】
複合材料における第２の重合体の含有量の好ましい範囲については、複合材料形成用材料における第２の重合体の含有量の好ましい範囲を参照することができる。
【００８５】
（第１の重合体と第２の重合体の連結構造）
第１の重合体と第２の重合体は、それぞれの結合部位付近を一体として見たとき、−Ｎ（Ｒ２１）−、−Ｎ（Ｒ２２）ＣＯ−、または−Ｎ（Ｒ２３）ＣＯＮ（Ｒ２４）−で表される連結基が構成されていることが好ましい。Ｒ２１〜Ｒ２２は各々独立に水素原子または置換基を表す。Ｒ２１〜Ｒ２２がとりうる置換基として、例えば置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のアリール基等が挙げられる。こうした連結基は、イミノ基（−ＮＨ−）またはアミノ基（−ＮＨ３）を官能基として有する第１の重合体の前駆体と、エポキシ基、カルボキシル基、置換もしくは無置換のアルコキシカルボニル基、置換もしくは無置換のアリールオキシカルボキシル基、またはハロゲン原子を官能基として有する第２の重合体の前駆体の官能基同士の反応により形成することができる。
【００８６】
（複合材料の全体的な構成）
本発明の複合材料は、第１の重合体が炭素材料の表面に非共有結合性吸着している。これにより、第１の重合体が炭素材料の少なくとも一部の表面を覆った状態になっている。炭素材料における第１の重合体の被覆状態については、複合材料形成用組成物の対応する記載を参照することができる。
さらに、本発明の複合材料では、炭素材料の少なくとも一部の表面を覆っている第１の重合体に第２の重合体が共有結合で結合している。ここで、第２の重合体は、炭素材料の少なくとも一部の表面を覆う第１の重合体の被覆層の、少なくとも一部の表面を覆うように存在していることが好ましく、層状をなして炭素材料の表面を覆っていることが好ましい。
また、第２の重合体は、第１の重合体が非共有結合性吸着した炭素材料を支持するマトリックスを構成していることが好ましく、このマトリックス中に、第１の重合体が非共有結合性吸着した炭素材料が均一に分散した状態で存在していることが好ましい。
【００８７】
本発明の複合材料は、その窒素原子含有率が０．００１〜５０原子％であることが好ましい。また、複合材料の窒素原子含有率の上限は、１０原子％以下であることがより好ましく、１．０原子％以下であることがさらに好ましい。
複合材料の窒素原子含有率は、元素分析法により測定することができる。
【００８８】
本発明の複合材料の外形は特に限定されず、用途に応じて適宜選択することができる。本発明の複合材料は、第１の重合体と第２の重合体を含むため、公知の樹脂成形方法により容易に成形することができ、成形体の材料として広い分野に適用することができる。
【００８９】
（複合材料の機械的特性）
本発明の複合材料は、上記のように優れた機械的特性を有している。
具体的には、本発明の複合材料は、その引張強度が１０ＭＰａ以上であることが好ましく、１００ＭＰａ以上であることがより好ましく、１０００ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。
また、本発明の複合材料は、そのヤング率が１ＧＰａ以上であることが好ましく、１０ＧＰａ以上であることがより好ましく、１００ＧＰａ以上であることがさらに好ましい。
複合材料の引張強度は、引張試験法により測定することができ、複合材料のヤング率は、
引張試験法により測定することができる。
【実施例】
【００９０】
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。なお、１Ｈ−ＮＭＲおよびＦＴ−ＩＲスペクトルの測定には、分光計（ブルカー・バイオスピン社製  ＡＶ３００Ｍ）と分光光度計（パーキンエルマー社製  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ６５  ＦＴ−ＩＲ）を使用し、質量分析には、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計（ブルカー社製  Ａｕｔｏｆｌｅｘ）を使用し、複合材料の破断面の観察には、走査型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ社製  ＳＵ９０００）を使用した。
引張試験およびフラグメンテーション試験には、試験機（島津製作所社製  オートグラフＡＧ５０００）を使用した。引張試験は、６０ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの試験片について、伸長速度：１ｍｍ／分、ゲージ長さ：１ｍｍの条件で行った。フラグメンテーション試験はjournal of composite material, vol.36,No.15/2002に記載された方法により行い、フラグメンテーション試験で測定された破断繊維長を用いて、下記式により界面強度を求めた。
【数１】
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【００９１】
また、本実施例では、炭素材料として多層カーボンナノチューブ（保土ヶ谷化学工業社製  純度：＞９５％、直径：４０〜９０ｎｍ）または炭素繊維（三菱レイヨン社製  ピッチ系繊維ダイアリードＫ６３７１２）を使用し、第１の重合体として、下記式で表されるＰＢＩ（佐藤ライト工業社製）またはＰｙＰＢＩ（発明者合成）を使用し、第２の重合体としてエポキシ樹脂（三菱化学社製  ｊＥＲ８０７  ビスフェノールFのジグリシジルエーテル）を使用して複合材料形成用組成物を調製した。【００９２】
【化１３】
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【００９３】
１．予備実験
本実施例では、炭素材料に非共有結合性吸着させたＰＢＩまたはＰｙＰＢＩとエポキシ樹脂とを反応させ、ＰＢＩまたはＰｙＰＢＩとエポキシ樹脂との間に共有結合を形成する。
ここでは、ＰＢＩとエポキシ樹脂との間に共有結合が形成しうることを確認するため、2,2-メタフェニレンビスベンズイミダゾ-ル（ＢＩ）とグリシジルフェニルエーテルとの反応をモデルにした予備実験１およびＰＢＩとエポキシ樹脂との反応をモデルにした予備実験２を行った。
（予備実験１）【００９４】
【化１４】
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【００９５】
N,N-ジメチルホルムアミド（５ｍＬ）に2,2-メタフェニレンビスベンズイミダゾ-ル（０．３１ｇ，１ｍｍｏｌ）を溶解して調製した溶液を、グリシジルフェニルエーテル（０．３ｇ，２ｍｍｏｌ）に加え、窒素雰囲気下、９０℃で５０時間攪拌した。この混合物に水に加え、生じた沈殿物をろ過により回収した。この沈殿物を、酢酸エチルを展開溶媒に用いてシリカゲルカラムクロマトグラフィにより精製した。そのフラクションから得られた固体を８０℃で２４時間乾燥させたところ、橙色固体を収量０．２２ｇ、収率３６％で得た。
ＩＲ（ＡＴＲ）：ｖ＝１５８７（ｖＣ＝Ｎ），１４４０（δＣ−Ｎ），１２４３（δＣ−Ｏ）：ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ ｍ／ｚ ｆｏｒ Ｃ３８Ｈ３４Ｎ４Ｏ４，［Ｍ＋Ｈ］＋；ｃａｌｃｄ ６１１．２６，ｆｏｕｎｄ ６１１．４９；ｍ／ｚ ｆｏｒ Ｃ２４Ｈ２４Ｎ４Ｏ２，［Ｍ＋Ｈ］＋；ｃａｌｃｄ ４６１．１９，ｆｏｕｎｄ ４６１．２４．【００９６】
得られた橙色固体のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量スペクトルを図１に示す。
図１において、ｍ／ｚ＝４６１．２４に観測されたピークはモノ付加体（４６１．５４）に対応し、ｍ／ｚ＝６１１．４９に観測されたピークはジ−付加体（６１１．２６）に対応する。この結果から、N,N-ジメチルホルムアミドとグリシジルフェニルエーテルを加熱して反応させることにより、グリシジルフェニルエーテルのエポキシ基が開環し、その開環部分のＯＨが結合している炭素原子の隣の炭素原子と、2,2-メタフェニレンビスベンズイミダゾ-ルの窒素原子の間に共有結合が形成されることを確認することができた。【００９７】
（予備実験２）
N,N-ジメチルアセトアミド（２．０ｍＬ）にＰＢＩ（１００ｍｇ）を溶解して調製したＰＢＩ溶液を、エポキシ樹脂（２０ｍｇ）に加えて攪拌した。この混合物をガラス皿上に塗布し、８０℃で４時間乾燥して溶媒を除去した後、１５０℃で４時間加熱して硬化反応を行い、ＰＢＩとエポキシ樹脂の複合膜を得た。
この複合膜と、比較として調製したエポキシ樹脂を含まないＰＢＩ単独膜について、N,N-ジメチルアセトアミドに対する溶解性を調べたところ、ＰＢＩ単独膜がN,N-ジメチルアセトアミドに容易に溶解するのに対して、ＰＢＩとエポキシ樹脂の複合膜はN,N-ジメチルアセトアミドに不溶であった。このことは、ＰＢＩとエポキシ樹脂の混合物の塗膜を加熱することにより、膜中でＰＢＩとエポキシ樹脂の反応が進行して、ＰＢＩの鎖状構造同士の間にエポキシ樹脂に由来する架橋構造が形成され、不溶性の物質が生じたことを意味している。この結果から、ＰＢＩとエポキシ樹脂を共存させて加熱することにより、ＰＢＩとエポキシ樹脂を反応させうることを確認することができた。【００９８】
２．複合材料形成用組成物の調製、複合材料の製造と評価
（実施例１）
以下のようにして、ＰＢＩで被覆されたカーボンナノチューブ（ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブ）を調製した。
N,N-ジメチルアセトアミド（２０ｍＬ）にＰＢＩ（４．０ｍｇ）を溶解して調製したＰＢＩ溶液に、カーボンナノチューブ（２０ｍｇ）を加え、バス型ソニケーター（ＢＲＡＮＳＯＮ社製  ５５１０）を用いて３時間超音波処理を行った。混合物を濾過し、ジメチルアセトアミドで洗浄することにより、カーボンナノチューブに結合していないＰＢＩを除去した。残った固体を８０oＣで２４時間真空乾燥することにより、ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブを得た。
得られたＰＢＩ被覆カーボンナノチューブについて、ＰＢＩの被覆状態を調べたところ、ＰＢＩによってカーボンナノチューブの表面が均一に被覆されており、ＰＢＩ被覆層の厚さは約１ｎｍであった。また、遊離のＰＢＩは検出されなかった。
次に、エポキシ樹脂（３．１６４グラム）に硬化剤（０．８３５グラム）を加えて１５分間混合し、コンディショニングミキサー（シンキー社製  ＡＲ−１００）を用いて５分間脱気した。この混合物に、ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブを０．７重量％になるように添加し、高せん断混合用のホモジナイザー（ポリトロン社製  ２５００Ｅ）を用いて室温で３０分間混合し、さらに、真空下、７０℃で３時間攪拌することにより、複合材料形成用組成物を得た。
この複合材料形成用組成物を、テフロン（登録商標）製のモールド（６０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍ）上に塗布し、１００℃で２時間加熱し、さらに、１５０℃で４時間加熱して硬化させ、フィルム状の複合材料を得た。【００９９】
（比較例１）
ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブの代わりに、ＰＢＩで被覆していないカーボンナノチューブを用いること以外は、実施例１と同様にして複合材料形成用組成物を調製し、これを用いてフィルム状の複合材料を得た。【０１００】
（比較例２）
ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブの代わりに、低圧ＲＦプラズマシステムにて酸素プラズマ処理を行ったカーボンナノチューブを用いること以外は、実施例１と同様にして複合材料形成用組成物を調製し、これを用いてフィルム状の複合材料を得た。【０１０１】
実施例１および各比較例で調製した複合材料形成用組成物について、光学顕微鏡による観察を行った。その光学顕微鏡写真を図２に示す。図２（ａ）は、実施例１で調製した複合材料形成用組成物の光学顕微鏡写真であり、その挿入図は、顕微鏡を通さずに撮影した複合材料形成用組成物の写真である。図２（ｂ）は、比較例１で調製した複合材料形成用組成物の光学顕微鏡写真であり、図２（ｃ）は、比較例２で調製した複合材料形成用組成物の光学顕微鏡写真である。図２（ｄ）は、右から順に、ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブ、酸素プラズマ処理を行ったカーボンナノチューブ、いずれの処理も行っていないカーボンナノチューブを、それぞれN,N-ジメチルアセトアミドに分散して調製した分散液の写真である。図２（ａ）〜（ｃ）中のスケールバーの幅は２００μｍに相当する。
図２（ａ）と（ｂ）を比較してわかるように、比較例１で調製した複合材料形成用組成物では凝集体が顕著に認められるのに対して、実施例１で調製した複合材料形成用組成物では、凝集体が全く観察されず、ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブがエポキシ樹脂中に均一に分散していることを確認することができた。また、その分散状態が、カーボンナノチューブに酸素プラズマ処理を行って濡れ性を改善した比較例２の複合材料形成用組成物（図２（ｃ））と類似することから、実施例１の複合材料形成用組成物で分散状態が改善されたのは、カーボンナノチューブに被覆したＰＢＩがエポキシ樹脂に対する濡れ性を改善したためであることが示唆された。【０１０２】
また、実施例１および各比較例で製造した複合材料について、引張試験を行って測定した応力−ひずみ曲線を図３に示し、引張強度およびヤング率の測定値を表１に示す。また、実施例１および比較例２で製造した複合材料の引張試験後の破断面を、走査型電子顕微鏡を用いて撮影した写真（ＳＥＭ写真）を図４に示す。図４（ｃ）は、比較例２で製造した複合材料の破断面を倍率２５００倍で撮影したＳＥＭ写真であり、図４（ｄ）は、比較例２で製造した複合材料の破断面を倍率１５０００倍で撮影したＳＥＭ写真であり、図４（ｅ）は、実施例１で製造した複合材料の破断面を倍率２５００倍で撮影したＳＥＭ写真であり、図４（ｆ）は、実施例１で製造した複合材料の破断面を倍率１５０００倍で撮影したＳＥＭ写真である。図４（ｄ）、（ｆ）の挿入図は、各複合材料の試験片が引張試験により破断した後の様子を示す模式図である。図４（ｃ）〜（ｆ）中のスケールバーの幅は５μｍに相当する。【０１０３】
【表１】
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【０１０４】
表１に示したように、ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブを用いた実施例１の複合材料は、カーボンナノチューブをそのまま用いた比較例１の複合材料、カーボンナノチューブに酸素プラズマ処理を行った比較例２の複合材料に比べて、引張強度およびヤング率がともに高く、優れた機械的強度を有することがわかった。また、実施例１の複合材料の機械的強度が、比較例２の複合材料の機械的強度よりも高いことから、ＰＢＩはカーボンナノチューブの分散性を改善するだけでなく、カーボンナノチューブをエポキシ樹脂に結びつける接着剤として効果的に機能し、ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブとエポキシ樹脂の界面の荷重伝達を改善する効果も有することを確認することができた。
また、図４を見ると、比較例２で製造した複合材料には、その破断面に長軸長が長い長繊維構造が観察されるのに対して（図４（ｃ）、（ｄ））、実施例１で製造した複合材料の破断面には、短繊維しか認められず、長繊維構造は観察されなかった（図４（ｅ）、（ｆ））。この結果は、実施例１の複合材料では、比較例２の複合材料よりも荷重伝達が効率よく行われることを意味するものであり、このことからも、ＰＢＩの効果を確認することができた。【０１０５】
（実施例２）
以下のようにして、ＰｙＰＢＩで被覆された炭素繊維（ＰｙＰＢＩ被覆炭素繊維）を調製した。
炭素繊維をアセトンで洗浄してサイジング剤を除去した。N,N-ジメチルアセトアミド（２０ｍＬ）にＰｙＰＢＩ（１０ｍｇ）を溶解して調製したＰｙＰＢＩ溶液に、洗浄後の炭素繊維（１００ｍｇ）を投入して１時間攪拌した。混合物を濾過し、N,N-ジメチルアセトアミドで洗浄することにより、炭素繊維に結合していないＰｙＰＢＩを除去した。洗浄後の固体を、さらにメタノールで洗浄してジメチルアセトアミドを洗い流し、乾燥することにより、ＰｙＰＢＩ被覆炭素繊維を得た。
ここで、炭素繊維にＰｙＰＢＩが被覆されていることは、Ｘ線光電子分光分析によりＮ１ｓに由来するピークが観測されたことで確認した。
このようにして調製したＰｙＰＢＩ被覆炭素繊維を、ＰＢＩ被覆カーボンナノチューブの代わりに用いること以外は、実施例１と同様にして複合材料を得た。【０１０６】
（比較例３）
ＰｙＰＢＩ被覆炭素繊維の代わりに、ＰｙＰＢＩを被覆していない炭素繊維を用いること以外は、実施例２と同様にして複合材料を得た。
実施例２、比較例３で製造した複合材料について、フラグメンテーション試験を行い、界面せん断強度を求めた結果を表２に示す。【０１０７】
【表２】
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【０１０８】
表２に示したように、ＰｙＰＢＩ被覆炭素繊維を用いた実施例２の複合材料は、炭素繊維にＰｙＰＢＩを被覆していない比較例３の複合材料よりも高い界面せん断強度を有していた。このことから、炭素材料に炭素繊維を用い、第１の重合体にＰｙＰＢＩを用いた系においても、第１の重合体の機械的強度を改善する効果を確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明の複合材料形成用組成物によれば、機械的強度に優れた複合材料を形成することができる。このため、本発明の複合材料形成用組成物を用いれば、航空機をはじめとする様々な領域で、各種部材の機械的強度を上げることができる。このため、本発明は産業上の利用可能性が高い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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