(57)【要約】【課題】  熱膨張を０ｐｐｍ／℃以上の範囲に制御でき、熱膨張係数の異方性を抑制でき、かつ低比重で安価な樹脂複合材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明の樹脂複合材料は、熱膨張係数において異方性のない若しくは異方性の小さい樹脂又は熱膨張係数において異方性のある樹脂を異方性のない若しくは異方性の小さい樹脂に変化させた樹脂と、少なくとも特定の温度範囲で異方性のない負熱膨張性を示す負熱膨張材料と、熱膨張係数において異方性がなく負熱膨張材料の熱膨張係数と樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示しかつ負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子とが混練されてなる。また本発明の樹脂複合材料の製造方法は、上記樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子を混練する工程を備える。異方性のある樹脂に添加剤を混練する工程と樹脂に負熱膨張材料及び無機粒子を混練する工程とは同時に又は順次に行う。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂と、少なくとも特定の温度範囲で異方性のない負熱膨張性を示す負熱膨張材料と、熱膨張係数において異方性がなく、前記負熱膨張材料の熱膨張係数と前記樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示し、かつ負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子とが混練されてなる樹脂複合材料。
【請求項２】
前記樹脂と前記無機粒子との結合性を強める分散剤をさらに含む請求項１に記載の樹脂複合材料。
【請求項３】
前記負熱膨張材料は、マンガン窒化物である請求項１又は２に記載の樹脂複合材料。
【請求項４】
前記無機粒子は、低膨張ガラス等のセラミックス粒子である請求項１〜３のいずれか一項に記載の樹脂複合材料。
【請求項５】
前記負熱膨張材料及び前記無機粒子は、メジアン径を２０μｍ以下、最大粒子径を６０μｍ以下とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の樹脂複合材料。
【請求項６】
熱膨張係数において異方性のある樹脂と、前記樹脂の熱膨張係数を制御して異方性のない又は異方性の小さい樹脂に変化させる少なくとも２種類の添加剤と、少なくとも特定の温度範囲で異方性のない負熱膨張性を示す負熱膨張材料と、熱膨張係数において異方性がなく、前記負熱膨張材料の熱膨張係数と前記樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示し、かつ前記負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子とが混練されてなる樹脂複合材料。
【請求項７】
熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂中に、少なくとも特定の温度範囲で異方性のない負熱膨張性を示す負熱膨張材料、及び、熱膨張係数において異方性がなく、前記負熱膨張材料の熱膨張係数と前記樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示し、かつ負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子を配合する工程と、前記樹脂、前記負熱膨張材料及び前記無機粒子を混練する工程と、を備える樹脂複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記負熱膨張材料及び前記無機粒子を配合する前記工程の前に、熱膨張係数において異方性のある樹脂に対し、熱膨張係数の異方性を制御する少なくとも２種類の添加剤を配合する工程と、前記異方性のある樹脂及び前記添加剤を混練して熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂を得る工程と、をさらに備える請求項７に記載の樹脂複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂複合材料及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車部品、事務用機器等の全体重量および構成部品の軽量化が求められる産業において、金属製の機械部品に替えて、軽量で製造コストの安い樹脂製の機械部品を用いることが検討されている。しかしながら、樹脂製の機械部品は、金属製の機械部品と比べて、強度が低い、耐熱温度が低い、熱膨張係数が大きいといった問題がある。また、材料によっては吸湿性があり膨張する、熱膨張に異方性があるといった問題もある。そのため、同一装置内で樹脂製の機械部品が金属製の機械部品とともに組み込まれて使用されると、両者の熱膨張率の違いから、装置の温度上昇によって樹脂製の機械部品が大きく膨張して金属製の機械部品と接触して摩耗現象が発生し、早期に樹脂製の機械部品が消耗してしまうという問題が生じていた。こうした現象は、従来、事務用機器内の樹脂製ギヤ等に頻発する問題であった。また、半導体製造装置部品等の超精密部品として単独で用いられる機械部品では、そもそも熱膨張が望まれておらず、樹脂製の機械部品を採用する上で機械部品の熱膨張係数が大きな問題となっていた。そこで、このような一般的な樹脂の特性を改善した樹脂材料が求められている。
【０００３】
強度及び耐熱温度に関しては、エンジニアリングプラスチック材料又はスーパーエンジニアリングプラスチック材料といった強度及び耐熱温度を高めた材料が開発されている。また、吸湿性に関しては、樹脂の物性を変化させて吸湿性を小さくした変性樹脂材料が開発されている。
【０００４】
さらに、熱膨張に関しては、特許文献１に示すような特定の温度範囲において負熱膨張率を有するマンガン窒化物（負熱膨張材料）が開発されており、このマンガン窒化物を樹脂等に混練することで、熱膨張を抑制（低下）又はゼロにした複合材料が開発されている。マンガン窒化物の組成は一律ではなく、種々の組成が開発されており、それらの特性は、負熱膨張を示す温度範囲と負熱膨張率が異なる特性を有する。また、マンガン窒化物は、熱膨張係数において異方性が存在しないことが確かめられている。このマンガン窒化物の粉体を混練した樹脂を母体とする複合材料により、同一装置内での熱膨張率の違いによる樹脂製の機械部品の摩耗の問題が解消され、また、熱膨張が望まれない環境下において使用される機械部品への適用が促進されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特２０１２−１４０３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、マンガン窒化物の紛体は硬度が大きいため、溶融樹脂中に、本発明の出願時に市販のマンガン窒化物の粉体を混練すると短時間で混練機械が摩耗してしまう問題が生じていた。また、マンガン窒化物は非常に高価なため、熱膨張係数を抑制又はゼロにするために多くのマンガン窒化物を使用すると、製造された樹脂複合材料が高価なものとなってしまい汎用性が見いだせないという問題があった。さらに、マンガン窒化物の比重は、一般的な樹脂の比重に対して大きいため、熱膨張係数を抑制又はゼロにするために構成比率として大きなマンガン窒化物を使用すると、製造された樹脂複合材料の比重が大きくなり、同一の形状において軽量化が望まれる部品への汎用性が乏しいといった問題があった。また、熱膨張係数の小さな樹脂複合材料を用いた機械部品が実現できても、樹脂の熱膨張係数が成形方向によって異なる異方性が存在すると、熱膨張係数の異方性に起因して熱膨張が大きくなる方向では樹脂製の機械部品の摩耗量が大きくなり、機械部品の消耗を早める結果につながっていた。こうした材料を用いると、精密成型部品に関して、異方性のない金属部品の寸法精度を同じレベルで保つことができなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、熱膨張係数を０ｐｐｍ／℃以上の範囲に制御でき、熱膨張係数の異方性を抑制でき、かつ低比重で安価な樹脂複合材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の樹脂複合材料は、熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂と、少なくとも特定の温度範囲で異方性のない負熱膨張性を示す負熱膨張材料と、熱膨張係数において異方性がなく、負熱膨張材料の熱膨張係数と樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示し、かつ負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子とが混練されてなる。
【０００９】
本発明の樹脂複合材料は、原料となる樹脂に、負熱膨張材料を混練するため、熱膨張を抑制することができる。加えて、原料となる樹脂に、負熱膨張材料の熱膨張係数と樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示しかつ負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子を混練している。これにより、樹脂に負熱膨張材料のみを加えた樹脂複合材料と比べて、熱膨張を抑制しつつも、より低比重で安価な樹脂複合材料を得ることができる。また、樹脂に混練する負熱膨張材料及び無機粒子はともに熱膨張係数において異方性のない材料であるため、基本となる樹脂の異方性がゼロもしくは小さな値であれば、熱膨張係数において異方性のない樹脂複合材料を得ることができる。
【００１０】
好ましい実施形態の樹脂複合材料は、樹脂と無機粒子との結合性を強める分散剤をさらに含む。
【００１１】
このような構成とすることで、負熱膨張材料及び無機粒子の持つ大きな値のヤング率を有効に作用させることができ、樹脂複合材料の熱膨張係数をより低く抑えることができる。また、少ない負熱膨張材料で熱膨張係数を抑えた樹脂複合材料を得ることができ、より低比重で安価な樹脂複合材料を得ることができる。
【００１２】
さらに好ましい実施形態の樹脂複合材料では、負熱膨張材料はマンガン窒化物であり、無機粒子は低膨張ガラス等のセラミックス粒子である。
【００１３】
さらに好ましい実施形態の樹脂複合材料では、負熱膨張材料及び無機粒子は、メジアン径を２０μｍ以下、最大粒子径を６０μｍ以下とする。
【００１４】
このような構成とすることで、樹脂に負熱膨張材料及び無機粒子を混練する際に混練機械がほとんど摩耗することがなくなり、樹脂複合材料の熱膨張を抑制するのに十分な量の負熱膨張材料及び無機粒子を混練することができる。
【００１５】
本発明の別の態様の樹脂複合材料は、熱膨張係数において異方性のある樹脂と、樹脂の熱膨張係数を制御して異方性のない又は異方性の小さい樹脂に変化させる少なくとも２種類の添加剤と、少なくとも特定の温度範囲で異方性のない負熱膨張性を示す負熱膨張材料と、熱膨張係数において異方性がなく、負熱膨張材料の熱膨張係数と樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示し、かつ負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子とが混練されてなる。
【００１６】
本発明の樹脂複合材料は、熱膨張係数において異方性のある樹脂であっても、樹脂の熱膨張係数を制御可能な添加剤を混練することで、熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂に変化させることができる。その上で、熱膨張係数を変化させた樹脂に、負熱膨張材料を混練するため、熱膨張を抑制することができる。加えて、原料となる樹脂に、熱膨張係数において異方性がなく、負熱膨張材料の熱膨張係数と樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示し、かつ負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子とが混練されてなる。これにより、樹脂に負熱膨張材料のみを加えた樹脂複合材料と比べて、熱膨張を抑制しつつも、より低比重で安価な樹脂複合材料を得ることができる。また、樹脂は熱膨張係数において異方性のない又は小さい樹脂に変化しており、樹脂に混練する負熱膨張材料及び無機粒子はともに熱膨張係数において異方性のない材料であるため、熱膨張係数において異方性のない樹脂複合材料を得ることができる。
【００１７】
本発明の樹脂複合材料の製造方法は、熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂中に、少なくとも特定の温度範囲で異方性のない負熱膨張性を示す負熱膨張材料、及び、熱膨張係数において異方性がなく、負熱膨張材料の熱膨張係数と樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示し、かつ負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子を配合する工程と、樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子を混練する工程とを備える。
【００１８】
また、本発明の樹脂複合材料の製造方法は、負熱膨張材料及び無機粒子を配合する上記工程の前に、熱膨張係数において異方性のある樹脂に対し、熱膨張係数の異方性を制御する少なくとも２種類の添加剤を配合する工程と、異方性のある樹脂及び添加剤を混練して熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂を得る工程とをさらに備えることができる。
【００１９】
これらの製造方法を用いることにより、上記した熱膨張を抑制しつつも、低比重で安価な樹脂複合材料を得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る樹脂複合材料及びその製造方法によれば、熱膨張係数を０ｐｐｍ／℃以上の範囲に制御でき、熱膨張係数の異方性を抑制でき、かつ低比重で安価な樹脂複合材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例１の樹脂複合材料の熱膨張係数を示す図である。
【図２】実施例３の樹脂複合材料の熱膨張係数を示す図である。
【図３】異方性のある樹脂の熱膨張係数の変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１実施形態］
以下、本発明を実施するための第１実施形態について説明する。第１実施形態では、熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂を原料とした樹脂複合材料及びその製造方法について説明する。
【００２３】
（樹脂）
本実施形態における樹脂は、熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂で、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等が挙げられる。ＰＥＥＫ、ＰＡＩ、ＰＣ、ＰＯＭは、スーパーエンジニアリングプラスチック又はエンジニアリングプラスチックと呼ばれる材料で、強度及び耐熱性が高く、吸湿性の小さい材料である。
【００２４】
（負熱膨張材料）
負熱膨張材料は、少なくとも特定の温度範囲で異方性のない負熱膨張性を示すものである。例えば、タングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ８）、マンガン窒化物（Ｍｎ３ＸＮ、Ｘ＝種々の金属）、ビスマスニッケル酸化物（Ｂｉ０．９５Ｌａ０．０５ＮｉＯ３）等が挙げられる。これらの負熱膨張材料は、単体で熱膨張係数の異方性が存在しないことが確かめられている。
【００２５】
（無機粒子）
無機粒子は、原料となる樹脂よりも低い熱膨張係数を示しかつ負熱膨張材料よりも高い熱膨張係数を示し、熱膨張係数において異方性がなく、負熱膨張材料より低比重で安価な材料である。例えば、ジルコニア、アルミナ、炭化ケイ素、低膨張ガラス等のセラミックス粒子が挙げられる。
【００２６】
（分散剤）
分散剤は、界面活性剤でもあり、樹脂と結合し、同時に負熱膨張材料及び無機粒子とも結合するものである。つまり、樹脂と負熱膨張材料及び無機粒子との結合性を強めるものである。分散剤は、樹脂に応じて最適なものを選択することができる。
【００２７】
分散剤は、製造される樹脂複合材料において、樹脂と無機粒子とが十分に結合される場合は、特に用いる必要がない。分散剤を用いると、樹脂複合材料において、樹脂単体が伸縮しようとする場合に、負熱膨張材料及び無機粒子の熱膨張の違いを有効に樹脂に伝達することができる。すなわち、樹脂複合材料に混練される各材料が持つヤング率が樹脂の熱膨張又は熱収縮を有効に制御する働きをする。分散剤の効果が大きいほど樹脂の熱膨張又は熱収縮の制御特性は大きく、分散剤の効果は樹脂複合材料に混練される各材料のヤング率の有効な挙動に影響を及ぼす。
【００２８】
（樹脂複合材料の製造方法）
原料として、熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子を用意する。樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子は、それぞれ１種類又は複数種類を用意する。
【００２９】
負熱膨張材料及び無機粒子は、ボールミル等の粉砕機を用いて粒度を小さくする。このとき、負熱膨張材料及び無機粒子の大きさは、メジアン径を２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下とし、最大粒子径を６０μｍ以下、好ましくは４０μｍ以下とする。
【００３０】
樹脂を溶融し、溶融樹脂中に、粒子径を所定の大きさとした負熱膨張材料及び無機粒子を配合する。そして、混練機械によって、樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子を混練して樹脂複合材料を製造する。
【００３１】
このとき、樹脂と、負熱膨張材料及び無機粒子との結合性を高めるため、必要に応じて分散剤を配合してもよい。その場合、溶融樹脂中に、負熱膨張材料及び無機粒子とともに分散剤を配合し、混練機械によって、樹脂、負熱膨張材料、無機粒子及び分散剤を混練して樹脂複合材料を製造する。分散剤を混合することで、分散剤を混合しない場合と比較して、同目的の熱膨張係数の樹脂複合材料を得るために混合する負熱膨張材料の混合分量を低下させることができる。
【００３２】
次に、実施例によって本実施形態をさらに詳しく説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
実施例１では、樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子に次に示す材料を用いた。
・樹脂：ポリカーボネート（三菱ガス化学（株）製、ＡＬＴＥＳＴＥＲ  Ｓ３０００、熱膨張係数６６ｐｐｍ／℃、比重１．２）
・負熱膨張材料： マンガン窒化物（（株）高純度化学製、スマーテックＭ、熱膨張係数−４０ｐｐｍ／℃、比重７．０）
・無機粒子：低膨張結晶化ガラス粉末（鳴海製陶（株）製、Ｎ−０、熱膨張係数−０．４ｐｐｍ／℃、比重２．５、メジアン径７．６５μｍ、最大粒子径６０μｍ）
負熱膨張材料については、粒子径が大きいため、粉砕機を用いて粒子径を小さくした。粒子径は、メジアン径を１０μｍ以下、最大粒子径を５０μｍとした。
【００３４】
配合比率は、樹脂が４８．０体積％、負熱膨張材料が４９．０体積％、無機粒子が３．０体積％とした。この樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子を混練して樹脂複合材料を製造した。製造された樹脂複合材料の熱膨張係数を計測した結果を図１に示す。
【００３５】
図１に示すように、−１０℃〜３５℃において、熱膨張係数が１２±２ｐｐｍ／℃の樹脂複合材料が得られた。
【００３６】
（実施例２）
実施例２では、実施例１に用いた樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子に加え、次に示す分散剤を用いた。
・分散剤：ポリカーボネート添加剤（大阪ガスケミカル（株）製、ＳＩ−３０−１０）
【００３７】
配合比率は、樹脂が５０．０体積％、負熱膨張材料が３７．５体積％、無機粒子が１２．５体積％、分散剤が０．５ｐｈｒとした。この樹脂、負熱膨張材料、無機粒子及び分散剤を混練して樹脂複合材料を製造した。
【００３８】
製造された樹脂複合材料の熱膨張係数を計測すると、測定温度１５℃において、ＭＤ方向の熱膨張係数が１１．４ｐｐｍ／℃、ＴＤ方向の熱膨張係数が１３．１ｐｐｍ／℃であった。すなわち、１５℃において、熱膨張係数が１２±２ｐｐｍ／℃の樹脂複合材料が得られた。実施例１に基づくと、マンガン窒化物の負熱膨張性を示す特定の温度範囲において一定の熱膨張係数が得られていることから、実施例２においても、マンガン窒化物の負熱膨張性を示す特定の温度範囲において、熱膨張係数が１２±２ｐｐｍ／℃の樹脂複合材料が得られていると推測される。なお、ＭＤ方向とは、成形時の１方向、例えば樹脂を射出成形する場合の樹脂の流れ方向であり、ＴＤ方向とは、流れ方向に直交する方向である。
【００３９】
次に、無機粒子及び分散剤を用いずに熱膨張係数が１２±２ｐｐｍ／℃となる樹脂複合材料と比較して、樹脂複合材料の製造費用及び重量について検証する。上記実施例１及び実施例２と同様、樹脂としてはポリカーボネート、負熱膨張材料としてはマンガン窒化物を用いる。比較例の樹脂複合材料は、上記樹脂と上記負熱膨張材料とを混練して製造する。
【００４０】
無機粒子及び分散剤を含まない場合、樹脂複合材料の熱膨張係数は、以下の式に従う複合則（rule of mixture）に従って算出できる。
【００４１】
式：正味熱膨張係数＝（（樹脂の体積％×樹脂の熱膨張係数）＋（負熱膨張材料の体積％×負熱膨張材料の熱膨張係数））/１００。ただし各熱膨張係数の単位をｐｐｍ/℃とする。
【００４２】
上記式に基づいて、比較例の樹脂複合材料の配合比率を算出すると、樹脂が４９．１体積％、負熱膨張材料が５０．９体積％となる。
【００４３】
本発明の出願時点における、樹脂、マンガン窒化物、低膨張結晶化ガラス粉末及び分散剤の単位重量当たりの市場価格は、樹脂を１とすると表１の比率となる。また、それぞれの材料の比重は、表１のとおりとなる。
【００４４】
【表１】
2019183064.tif 000002
【００４５】
表１の市場価格の比率及び比重に基づいて、実施例１、実施例２及び比較例の配合比率で樹脂複合材料を作成した場合の１ｋｇ作成にかかる材料コスト（単純材料コスト）及び比重は、表２のとおりとなる。また、比重が低くなると単位重量の樹脂複合材料から多くの部品が製造できることになる。このことを踏まえて同一形状の１個の機械部品を製造するのにかかる材料コスト（実材料コスト）は、表２のとおりとなる。表２では、１２±２ｐｐｍ／℃の複合材を得ることを目的とした場合で示し、比較例を１とした比率にて単純材料コスト、比重、実材料コストを示す。
【００４６】
【表２】
2019183064.tif 000003
【００４７】
表２の単純材料コストで示すように、樹脂複合材料に混練させる負熱膨張材料の一部を無機粒子に代えることで、同じ熱膨張係数を有する樹脂複合材料を安価に製造できていることが分かる。また、表２に示すように、樹脂複合材料に混練させる負熱膨張材料の一部を無機粒子に代えることで、樹脂複合材料の比重が軽くなる。つまり、同一形状の機械部品を製造する場合、軽量の機械部品が製造できる。また、単位重量の樹脂複合材料から多くの機械部品を製造することもできるため、表２の実材料コストで示すように、同一形状の１個の機械部品を製造するのにかかる材料コストはさらに削減され、２重の経済効果を得られていることが分かる。
【００４８】
（実施例３）
実施例２の樹脂、負熱膨張材料、無機粒子及び分散剤を用いた。配合比率は、樹脂が５０．０体積％、負熱膨張材料が４１．２体積％、無機粒子が８．８体積％、分散剤が０．５ｐｈｒとした。この樹脂、負熱膨張材料、無機粒子及び分散剤を混練して樹脂複合材料を製造した。製造された樹脂複合材料の熱膨張係数を計測した結果を図２に示す。
【００４９】
図２に示すように、−１０℃〜３５℃において、熱膨張係数が０±２ｐｐｍ／℃の樹脂複合材料が得られた。
【００５０】
以上のように、第１実施形態の樹脂複合材料では、原料となる樹脂に、負熱膨張材料を混練するため、熱膨張を抑制することができる。加えて、原料となる樹脂および負熱膨張材料に、熱膨張係数において異方性がなく、負熱膨張材料の熱膨張係数と樹脂の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する低熱膨張性を示し、かつ負熱膨張材料より低比重で安価な１種類又は複数種類の無機粒子とを混練している。これにより、樹脂に負熱膨張材料のみを加えた樹脂複合材料と比べて、熱膨張を抑制しつつも、より低比重で安価な樹脂複合材料を得ることができる。また、樹脂に混練する負熱膨張材料及び無機粒子はともに熱膨張係数において異方性のない材料であるため、熱膨張係数において異方性のない樹脂複合材料を得ることができる。さらに樹脂複合材料の比重を低下させることができるため、同一重量の樹脂複合材料から多くの機械部品を得ることができ、より単価の安い機械部品を得ることができる。
【００５１】
また、樹脂複合材料に分散剤を含むことで、樹脂と無機粒子との結合が強まり、負熱膨張材料及び無機粒子の持つ大きな値のヤング率を有効に作用させることができる。その結果、より少ない負熱膨張材料で熱膨張係数を抑制した樹脂複合材料を製造することができ、より低比重で安価な樹脂複合材料を得ることができる。
【００５２】
また一般に、樹脂に添加できる添加粒子の割合は、粒子同士に大きな摩擦が生じない程度の５５体積％〜６０体積％である。さらに負熱膨張材料及び無機粒子による機械摩耗現象は、添加粒子の粒子径に依存する。本実施形態のように、負熱膨張材料及び無機粒子の粒子径を小さくすると、樹脂に添加する負熱膨張材料及び無機粒子同士の摩擦が抑制されるとともに、樹脂に負熱膨張材料及び無機粒子を混練するための混練機械と負熱膨張材料及び無機粒子との摩耗も抑制される。その結果、樹脂に負熱膨張材料及び無機粒子を混練できる量を添加可能な限界値まで増すことができ、樹脂複合材料の熱膨張を抑制するのに十分な量の負熱膨張材料及び無機粒子を混練することができる。すなわち、樹脂複合材料の熱膨張を十分に抑制することができる。
【００５３】
また、上記実施例１〜実施例３において、熱膨張係数が１２±２ｐｐｍ／℃と０±２ｐｐｍ／℃となる樹脂複合材料を示したが、上記の結果を応用し、樹脂、負熱膨張材料、無機粒子及び分散剤の配合比率を変更すると、０ｐｐｍ／℃以上、樹脂が物性として持つ熱膨張係数以下のいかなる任意の値の樹脂複合材料を得ることができる。つまり、樹脂製の機械部品が使用される環境に適した熱膨張係数を有する樹脂複合材料を製造することができる。例えば、樹脂製の機械部品が金属製の機械部品とともに使用される場合は、その金属製の機械部品の熱膨張係数と同等の熱膨張係数を有する樹脂複合材料を製造する。そうすると、その樹脂複合材料から製造された樹脂製の機械部品は、金属製の機械部品の熱膨張係数と同等となり、機械装置全体の熱膨張係数を揃えることができる。これにより、機械部品の使用環境の温度が変化しても、金属製の機械部品と樹脂製の機械部品との間で熱膨張又は熱収縮による隙間が生じたり接触したりせず、機械部品の摩耗による損傷を抑制することができる。また、例えばパラボラアンテナ部品、医療機器部品、半導体素子の封止部材等の熱膨張が望まれない環境下で使用される機械部品及び製品に対しては、樹脂複合材料の熱膨張係数を０ｐｐｍ／℃とすることで、特定の温度範囲で部品寸法が不変の樹脂製の機械部品又は製品を製造することができる。ただし、樹脂に対する負熱膨張材料の混合比の限界が樹脂複合材料全体の５５〜６０体積％であり、負熱膨張材料の熱膨張係数も負熱膨張材料の種類に応じて特定されるので、樹脂複合材料の熱膨張係数を０ｐｐｍ／℃とするためには、樹脂の熱膨張係数の上限が存在することになる。すなわち、樹脂と負熱膨張材料との組み合わせによっては必ずしも樹脂複合材料の熱膨張係数０ｐｐｍ／℃を実現できるものではないことは自明である。
【００５４】
［第２実施形態］
次に、本発明を実施するための第２実施形態について説明する。第２実施形態では、熱膨張係数において異方性のある樹脂を原料とした樹脂複合材料及びその製造方法について説明する。
【００５５】
（樹脂）
本実施形態における樹脂は、熱膨張係数において異方性のある樹脂で、例えば、液晶系ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、エポキシ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）樹脂、ポリアミド樹脂（ナイロン樹脂、ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）等が挙げられる。
【００５６】
（添加剤）
添加剤は、熱膨張係数において異方性のある樹脂の熱膨張係数を抑制して、熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂に変化させるものである。具体的には、熱膨張係数において異方性のある樹脂は、成形時の１方向、例えば樹脂を射出成形する場合の樹脂の流れ方向（ＭＤ方向）と、流れ方向に直交する方向（ＴＤ方向）とで熱膨張係数が異なる。そのような樹脂のＭＤ方向の熱膨張係数を主に制御する添加剤と、ＴＤ方向の熱膨張係数を主に制御する添加剤とを樹脂に配合して、樹脂本来の物性である熱膨張係数の値以下の値において、熱膨張係数において異方性をなくす又は異方性を小さな値にするものである。主にＭＤ方向の熱膨張係数を制御する添加剤としては、例えば、ガラス繊維、カーボン繊維等が挙げられる。また、主にＴＤ方向の熱膨張係数を制御する添加剤としては、例えば、ガラス粒子（繊維と共存することによって当該機能を有する）、ポリテトラフルオロエチレン（４フッ化エチレン：ＰＴＦＥ）、ミネラル等が挙げられる。
【００５７】
負熱膨張材料及び無機粒子は、第１実施形態で示したものが用いられる。また、分散剤は、第１実施形態で説明したように、樹脂に応じて最適なものを選択することができる。なお、第２実施形態においても、第１実施形態と同様、製造される樹脂複合材料において、樹脂と無機材料とが十分に結合される場合は、分散剤は特に用いる必要がない。
【００５８】
（樹脂複合材料の製造方法）
原料として、熱膨張係数において異方性のある樹脂、異方性のある樹脂の熱膨張係数を制御する添加剤、負熱膨張材料及び無機粒子を用意する。樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子は、それぞれ１種類又は複数種類を用意する。また、添加剤は、ＭＤ方向の熱膨張係数を制御するものを１種類又は複数種類、ＴＤ方向の熱膨張係数を制御するものを１種類又は複数種類、合計で少なくとも２種類を用意する。
【００５９】
負熱膨張材料及び無機粒子は、第１実施形態と同様に、ボールミル等の粉砕機を用いて粒度を小さくする。このとき、負熱膨張材料及び無機粒子の大きさは、メジアン径を２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下とし、最大粒子径を６０μｍ以下、好ましくは４０μｍ以下とする。
【００６０】
樹脂を溶融し、溶融樹脂中に、ＭＤ方向の熱膨張係数を制御する添加剤とＴＤ方向の熱膨張係数を制御する添加剤とを配合する。そして、混練機械によって、樹脂及び添加剤を混練し冷却固化する。一例として、異方性のある樹脂のポリアミド樹脂を例に挙げて詳述する。ポリアミド樹脂の一例では、単体では熱膨張係数がＭＤ方向で８０ｐｐｍ／℃、ＴＤ方向で１２０ｐｐｍ／℃である。このポリアミド樹脂に、ＭＤ方向の熱膨張係数を制御する添加剤とＴＤ方向の熱膨張係数を制御する添加剤とを混練することで、図３の第１工程として示すように、ＭＤ方向の熱膨張係数及びＴＤ方向の熱膨張係数を変化させる。これにより、ＭＤ方向の熱膨張係数とＴＤ方向の熱膨張係数とが同じ値となり、かつ、本来の樹脂（ポリアミド樹脂）の熱膨張係数よりも低い値となる熱膨張係数を示す中間段階の熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂を作成する。
【００６１】
その中間段階の樹脂を再び溶融し、溶融樹脂中に、第１実施形態と同様に、粒子径を所定の大きさとした負熱膨張材料及び無機粒子を配合する。そして、混練機械によって、樹脂、負熱膨張材料及び無機粒子を混練して樹脂複合材料を製造する。
【００６２】
このとき、第１実施形態と同様に、樹脂と負熱膨張材料及び無機粒子との結合性を高めるため、必要に応じて分散剤を配合してもよい。その場合、溶融樹脂中に、負熱膨張材料及び無機粒子とともに分散剤を配合し、混練機械によって、樹脂、負熱膨張材料、無機粒子及び分散剤を混練して樹脂複合材料を製造する。
【００６３】
また、別の製造方法として、次のようにして製造することもできる。上記したように、原料として、熱膨張係数において異方性のある樹脂、異方性のある樹脂の熱膨張係数を制御する添加剤、並びに、粒度を小さくした負熱膨張材料及び無機粒子を用意する。そして、樹脂を溶融し溶融樹脂中に、ＭＤ方向の熱膨張係数を制御する添加剤、ＴＤ方向の熱膨張係数を制御する添加剤、負熱膨張材料及び無機粒子を配合する。そして、混練機械によって、樹脂、添加剤、負熱膨張材料及び無機粒子を混練する。このようにしても、異方性のある樹脂から、熱膨張係数を０ｐｐｍ／℃以上に制御でき、熱膨張係数において異方性のない樹脂複合材料を得ることができる。この場合も、第１実施形態及び上記製造方法と同様に、樹脂と負熱膨張材料及び無機粒子との結合性を高めるため、必要に応じて分散剤を配合してもよい。その場合、溶融樹脂中に、添加剤、負熱膨張材料及び無機粒子とともに分散剤を配合し、混練機械によって、樹脂、添加剤、負熱膨張材料、無機粒子及び分散剤を混練して樹脂複合材料を製造する。
【００６４】
次に、実施例によって本実施形態をさらに詳しく説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６５】
（実施例４）
実施例４では、ポリアミド樹脂に添加剤としてガラス繊維が混練された市販の次に示す材料を用いた。
・デグッサ社製：ＢＸ９７２４及びＴ−ＧＦ３５
・ＢＸ９７２４：ＭＤ方向の熱膨張係数２２ｐｐｍ／℃、ＴＤ方向の熱膨張係数３８ｐｐｍ／℃、比重１．４８
・Ｔ−ＧＦ３５：ＭＤ方向の熱膨張係数３２ｐｐｍ／℃、ＴＤ方向の熱膨張係数３０ｐｐｍ／℃、比重１．４
【００６６】
配合比率は、ＢＸ９７２４が１１．１体積％、Ｔ−ＧＦ３５が８８．９体積％とした。このＢＸ９７２４及びＴ−ＧＦ３５を混練して中間段階の樹脂を製造した。この樹脂の熱膨張係数を計測した結果、ＭＤ方向及びＴＤ方向の熱膨張係数がともに３０．９ｐｐｍ／℃の樹脂が得られた。
【００６７】
以上のように、第２実施形態では、熱膨張係数において異方性のある樹脂であっても、樹脂の熱膨張係数を制御可能な添加剤を混練することで、熱膨張係数において異方性のない又は異方性の小さい樹脂に変化させることができる。その上で、熱膨張係数を変化させてできた樹脂に、第１実施形態と同様の方法で樹脂複合材料を製造することで、熱膨張を抑制しつつも、低比重で安価な樹脂複合材料を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の製造方法で得られる樹脂複合材料は、例えば、使用条件として許容温度内で適応できる機械装置等において金属製の機械部品の代替品として利用することができる。複合材料を射出成形するなどによって、金属製の機械部品と同等な精度を有しかつ金属製の機械部品より安価に製造できる上に、使用する環境に適応した熱膨張係数を制御できるため、金属製の機械部品と置き換えても摩耗等の問題も生じず、幅広い金属製の機械部品の代替品を製造する材料として利用可能である。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて様々に変更して実施することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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