(57)【要約】【課題】本発明は、ポリマー複合材料に係り、特にＣＮＴ／ポリマー複合材料に関する。【解決手段】本発明に係るＣＮＴ／ポリマー複合材料は、少なくとも一層のポリマー層と、少なくとも一層のＣＮＴ／ポリマー層と、を含む。前記ＣＮＴ／ポリマー層は、ポリマー材料と、該ポリマー材料の内に分布させた複数のカーボンナノチューブと、を含む。前記ＣＮＴ／ポリマー層は、第一表面と、該第一表面に対向する第二表面を備える。前記ＣＮＴ／ポリマー層の第一表面及び第二表面の少なくとも一方は、隣接する前記ポリマー層と結合されている。前記複数のカーボンナノチューブはそれぞれ架橋して、カーボンナノチューブのネットワークを形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一層のポリマー層と、少なくとも一層のＣＮＴ／ポリマー層と、を含み、
前記ＣＮＴ／ポリマー層は、ポリマー材料と、該ポリマー材料の内に分布させた複数のカーボンナノチューブと、を含み、
前記ＣＮＴ／ポリマー層は、第一表面と、該第一表面に対向する第二表面を備え、
前記ＣＮＴ／ポリマー層の第一表面及び第二表面の少なくとも一方は、隣接する前記ポリマー層と結合されていて、
前記複数のカーボンナノチューブはそれぞれ架橋して、カーボンナノチューブのネットワークを形成していることを特徴とするＣＮＴ／ポリマー複合材料。
【請求項２】
前記ポリマー材料は、ポリメタクリル酸メチル、アクリル酸ポリエチレン、ポリアクリル酸ブチル、スチレン樹脂、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリル又はそれらの化合物のいずれか一種であることを特徴とする、請求項１に記載のＣＮＴ／ポリマー複合材料。
【請求項３】
前記複数のカーボンナノチューブが前記ＣＮＴ／ポリマー層に均一に分布されていることを特徴とする、請求項１に記載のＣＮＴ／ポリマー複合材料。
【請求項４】
前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記ＣＮＴ／ポリマー層の第一表面及び／又は第二表面から露出していることを特徴とする、請求項１に記載のＣＮＴ／ポリマー複合材料。
【請求項５】
前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料は、複数のポリマー層と、複数のＣＮＴ／ポリマー層と、を含み、
前記複数のポリマー層と前記複数のＣＮＴ／ポリマー層とは、交互に積層されるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のＣＮＴ／ポリマー複合材料。
【請求項６】
前記ポリマー複合材料の厚さは、０．０２ｍｍ〜２ｍｍにされていることを特徴とする、請求項１に記載のＣＮＴ／ポリマー複合材料。
【請求項７】
前記ＣＮＴ／ポリマー層の厚さは１μｍ〜１００μｍにされていることを特徴とする、請求項１に記載のＣＮＴ／ポリマー複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリマー複合材料に係り、特にＣＮＴ／ポリマー複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）は１９９１年に飯島によって発見され（非特許文献１を参照）、２１世紀における重要な新素材の１つであると期待されている。ＣＮＴは機械・電気・熱特性に優れていることから、エレクトロニクス、バイオ、エネルギー、複合材料等、広範な分野での応用が期待されている。非特許文献１に掲載されて以来、ＣＮＴをフィラーとした高分子基複合材料（ＣＮＴ／Ｐｏｌｙｍｅｒ複合材料）の機械、熱、電気特性の向上を目指し研究が盛んに行われている。ＣＮＴ／ポリマー複合材料には、電磁波遮蔽・吸収や帯電防止などの特徴がある。
【非特許文献１】Ｉｉｊｉｍａ、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年１１月７日、第３５４巻、ｐ．５６−５８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、ＣＮＴは、長軸方向に沿ってのみ熱伝導性・導電性がよく、短軸に沿っては熱伝導性・導電性があまりないという欠点がある。通常、ＣＮＴがランダムかつ不均一にポリマー基質の内に埋め込まれるように設置されるので、隣接するＣＮＴと十分に架橋できず、ＣＮＴの熱伝導・導電の効果を十分に揮発することができない。従って、従来のＣＮＴ／ポリマー複合材料においては、短距離で同じ方向に沿った熱伝導・導電のパスが形成できないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記問題を解決するために、本発明は良好な熱伝導性・導電性があるＣＮＴ／ポリマー複合材料を提供する。
【０００５】
本発明に係るＣＮＴ／ポリマー複合材料は、少なくとも一層のポリマー層と、少なくとも一層のＣＮＴ／ポリマー層と、を含む。前記ＣＮＴ／ポリマー層は、ポリマー材料と、該ポリマー材料の内に分布させた複数のカーボンナノチューブと、を含む。前記ＣＮＴ／ポリマー層は、第一表面と、該第一表面に対向する第二表面を備える。前記ＣＮＴ／ポリマー層の第一表面及び第二表面の少なくとも一方は、隣接する前記ポリマー層と結合されている。前記複数のカーボンナノチューブはそれぞれ架橋して、カーボンナノチューブのネットワークを形成している。
【０００６】
前記ポリマー材料は、ポリメタクリル酸メチル、アクリル酸ポリエチレン、ポリアクリル酸ブチル、スチレン樹脂、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリル又はそれらの化合物のいずれか一種であることが好ましい。
【０００７】
前記複数のカーボンナノチューブが均一に前記ＣＮＴ／ポリマー層に分布されている。
【０００８】
前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記ＣＮＴ／ポリマー層の第一表面及び／又は第二表面から露出している。
【０００９】
さらに、前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料は、複数のポリマー層と、複数のＣＮＴ／ポリマー層と、を含む。この場合、前記複数のポリマー層と前記複数のＣＮＴ／ポリマー層とは、交互に積層されるように構成されている。
【００１０】
前記ポリマー複合材料の厚さは、０．０２ｍｍ〜２ｍｍにされることが好ましい。
【００１１】
前記ＣＮＴ／ポリマー層の厚さは１μｍ〜１００μｍにされることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
従来技術と比べて、本発明によるＣＮＴ／ポリマー複合材料は良好な導電性及び熱伝導性を有する。本発明によるＣＮＴ／ポリマー複合材料の導電率は１２０Ｓ／ｍになり、通常のＣＮＴ／ポリマー複合材料よりも二倍高くなる。また、本実施例によるＣＮＴ／ポリマー複合材料は、複数のカーボンナノチューブの隙間がポリマー材料で十分に充填され、隣接するカーボンナノチューブが安定に接続され、カーボンナノチューブと前記ポリマー材料とを緊密に結合させることができる。また、本発明によれば、多層のＣＮＴ／ポリマー複合材料が製造される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係るＣＮＴ／ポリマー複合材料について詳しく説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１を参照すると、本実施例に係るＣＮＴ／ポリマー複合材料１０は、薄膜状に形成されている。該ＣＮＴ／ポリマー複合材料１０は、ＣＮＴ／ポリマー層１２と、ポリマー層１４と、を含む。該ＣＮＴ／ポリマー層１２は、ポリマー材料１１０と、複数のカーボンナノチューブ１２０と、を含む。ここで、該複数のカーボンナノチューブ１２０は、前記ポリマー材料１１０の内に埋め込まれている。前記ＣＮＴ／ポリマー層１２は、第一表面１８と、該第一表面１８に対向する第二表面１６と、を有する。前記ＣＮＴ／ポリマー層１２の第一表面１８は、例えば、ポリマー結合によって直接前記ポリマー層１４に付着している。
【００１５】
前記ポリマー材料１１０及び前記ポリマー層１４は、ポリメタクリル酸メチル（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ，ＰＭＭＡ）、アクリル酸ポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  Ａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリアクリル酸ブチル（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌ  Ａｃｒｙｌａｔｅ）、スチレン樹脂（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ポリブタジエン（Ｐｏｌｙｂｕｔａｄｉｅｎｅ）、ポリアクリロニトリル（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）又はそれらの化合物のいずれか一種である。
【００１６】
前記カーボンナノチューブ１２０は、単層カーボンナノチューブ（Ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＳＷＮＴ）及び／又は多層カーボンナノチューブ（Ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＭＷＮＴ）であり、長さが１μｍ〜１０００μｍにされている。前記複数のカーボンナノチューブ１２０は、均一ではあるが無秩序に前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料１２に分散されているので、各々の前記カーボンナノチューブ１２０はそれぞれ一本以上のカーボンナノチューブに架橋される（カーボンナノチューブ１２０の一部分に接続されれば十分であり、全体に接続されることは必要でない）。前記複数のカーボンナノチューブ１２０からなるカーボンナノチューブのネートワークにおいては、前記ＣＮＴ／ポリマー層１２の前記第二表面１６に平行な横軸方向に沿って、複数の熱伝導・導電のパスが形成されている。さらに、他の電気素子と良好に接続させるために、前記複数のカーボンナノチューブ１２０の、前記第二表面１６に接近する端部を前記ＣＮＴ／ポリマー層１２の前記第二表面１６から露出させるように設ける。
【００１７】
実用上の条件に応じて、前記ポリマー層１４及び前記ＣＮＴ／ポリマー層１２の厚さを調整することができる。本実施例において、前記ＣＮＴ／ポリマー層１２の厚さは１μｍ〜１００μｍにされている。前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料１０の厚さは、０．０２ｍｍ〜２ｍｍにされている。
【００１８】
次に、前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料１０の製造方法について詳しく説明する。
【００１９】
第一ステップでは、カーボンナノチューブ膜と、高分子溶液のプレポリマーと、を準備する。前記カーボンナノチューブ膜は、ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブアレイ、又は次の方法によって得られるものである。まず、ＣＶＤ法による複数のカーボンナノチューブをジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）溶液に入れて混合させる。次に、超音波振動法で前記複数のカーボンナノチューブを前記ＤＭＦ溶液に均一に分散させる。最後、前記ＤＭＦ溶液を気化させて前記カーボンナノチューブ膜が得られる。
【００２０】
本実施例において、前記高分子溶液のプレポリマーとしては、ポリメタクリル酸メチル（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ，ＰＭＭＡ）溶液が利用される。該ＰＭＭＡ溶液は、次のようにして得られる。まず、９３〜９９．９８ｗｔ％のメタクリル酸メチル（Ｍｅｔｈｙｌ  Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ，ＭＭＡ）ポリマーと、０．０２〜２ｗｔ％の開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル（Ａｚｏｂｉｓｉｓｏｂｕｔｙｒｏｎｉｔｒｉｌｅ，ＡＩＢＮ）と、０〜５ｗｔ％の助剤であるフタル酸ジブチル（Ｄｉｂｕｔｙｌ  Ｐｈｔｈａｌａｔｅ，ＤＢＰ）と、を混合して混合溶液を形成する。次に、前記混合溶液を８０〜９５℃に加熱すると同時に、５〜３０分間攪拌して、該混合溶液がグリセロール状の高分子溶液のプレポリマーとなるまで加熱処理を行なう。最後、該グリセロール状の高分子溶液のプレポリマーを空気の雰囲気に置いて自然に冷やす。
【００２１】
ここで、前記ポリマーは、ＭＭＡポリマーに限らず、アクリル酸エチル（Ｅｔｈｙｌ  Ａｃｒｙｌａｔｅ）、アクリル酸ブチル（Ｂｕｔｙｌ  Ａｃｒｙｌａｔｅ）、フェニルエチレン（Ｐｈｅｎｙｌｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ブタジエン（Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ）などのいずれか一種を利用することもできる。前記開始剤としては、ベンゾトリアゾール−１−イル−オキシ−トリス（ジメチルアミノ）−ホスホニウムヘキサフルオロホスフェイト（Ｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｏｌ−１−ｙｌ−ｘｙ−ｔｒｉｓ（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）−Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ  ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏ  ｐｈｏｓｐｈａｔｅ，ＢＯＰ）又はＡＩＢＮが利用される。前記助剤は、ＤＢＰ、ヘキサデシルトリメチル臭化アンモニウム（Ｈｅｘａｄｅｃｙｌ  Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ  Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｂｒｏｍｉｄｅ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ＰＭＭＡ、Ｃ１２−Ｃ１８の高級脂肪酸、シランカップリング剤（Ｓｉｌａｎｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ａｇｅｎｔ）、チタン酸カップリング剤（Ｔｉｔａｎａｔｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ａｇｅｎｔ）、アルミン酸カップリング剤（Ａｌｕｍｉｎａｔｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ａｇｅｎｔ）などのいずれか一種である。
【００２２】
第二ステップでは、前記カーボンナノチューブ膜を容器の底部に配置し、前記高分子溶液のプレポリマーを前記容器に注入する。所定の時間が経った後、前記高分子溶液のプレポリマーを前記カーボンナノチューブ膜の隙間に十分に充填させて、前記容器の底部にカーボンナノチューブ及び高分子溶液のプレポリマーの混合物を形成する。前記所定の時間は、０．５〜２時間に設定されることが好ましい。
【００２３】
第三ステップでは、前記高分子溶液のプレポリマーを重合させて、前記カーボンナノチューブ膜と複合させて、ＣＮＴ／ポリマー複合材料が得られる。
【００２４】
前記高分子溶液のプレポリマーを重合させた後、その一部分は前記カーボンナノチューブ膜のカーボンナノチューブと複合されてＣＮＴ／ポリマー層１２に形成されるが、他の部分は該ＣＮＴ／ポリマー層１２の上方にポリマー層１４として形成される。従って、前記カーボンナノチューブ膜のカーボンナノチューブと前記ポリマー材料とは緊密に結合される。前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料１０は、カーボンナノチューブ１２０及びポリマー材料１１０からなるＣＮＴ／ポリマー層１２と、ポリマー層１４と、を含む。
【００２５】
次に、前記高分子溶液のプレポリマーを重合させる工程について詳しく説明する。本実施例において、前記高分子溶液のプレポリマー及び前記カーボンナノチューブ膜が入った前記容器を、５０〜６０℃に加熱して、前記高分子溶液のプレポリマーを重合させると同時に、前記カーボンナノチューブ膜と１〜４時間複合させる。続いて、前記容器を９０〜１００℃に加熱して、前記高分子溶液のプレポリマーを重合させると同時に、前記カーボンナノチューブ膜と２時間複合させる。
【００２６】
前記高分子溶液のプレポリマーと前記カーボンナノチューブ膜とを複合させるステップにおいては、前記高分子溶液のプレポリマーを重合させた後、前記高分子溶液のプレポリマーと前記カーボンナノチューブ膜とがそれらの界面で複合反応を行うので、前記ポリマーと前記カーボンナノチューブとを緊密に結合させることができる。
【００２７】
また、高分子溶液のプレポリマーの量を調整することにより、厚さが異なる前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料を得ることができる。本実施例において、厚さが０．０２〜２ｍｍのＣＮＴ／ポリマー複合材料が形成される。
【００２８】
図２は、前記ＣＮＴ／ポリマー材料１０を正面から撮影したＳＥＭ写真である。図２に示すように、前記ＣＮＴ／ポリマー層１２の厚さが１０μｍ程度になる。図３は前記ＣＮＴ／ポリマー材料１０の温度が−１９６．１℃（７７Ｋ）の条件での電流−電圧曲線を示す図である。図４は前記ＣＮＴ／ポリマー材料１０の温度が２３．９℃（２９７Ｋ）の条件での電流−電圧曲線を示す図である。図５は前記ＣＮＴ／ポリマー材料１０の温度が１４６．９℃（４２０Ｋ）の条件での電流−電圧曲線を示す図である。図３〜図５に示すように、前記ＣＮＴ／ポリマー材料１０が異なる温度で作動しても、低い抵抗及び安定な性能を保持することをわかることができる。
【００２９】
（実施例２）
図６を参照すると、ＣＮＴ／ポリマー材料２０は、複数のＣＮＴ／ポリマー層２２と、複数のポリマー層２４と、を含む。各ＣＮＴ／ポリマー層２２は、ポリマー材料２１０と、複数のカーボンナノチューブ２２０と、を含む。ここで、該複数のカーボンナノチューブ２２０は、前記ポリマー材料２１０の内に埋め込まれている。前記複数のＣＮＴ／ポリマー層２２と前記複数のポリマー層２４とは、交互に積層して（即ち、隣接する層は同じ層でなく）一体になっている（即ち、隣接する層が相互に結合される）。従って、最上方及び最下方の層の以外に、各ＣＮＴ／ポリマー層２２はそれぞれ二層のポリマー層２４の間に挟まれている。勿論、各ポリマー層２４はそれぞれ二層のＣＮＴ／ポリマー層２２の間に挟まれているように設けることもできる。
【００３０】
前記複数のカーボンナノチューブ２２０は、均一ではあるが無秩序に前記ＣＮＴ／ポリマー層２２の内に分布され、各カーボンナノチューブ２２０はそれぞれ隣接するカーボンナノチューブ２２０に架橋されるので、前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料２０の内に複数の熱伝導・導電のパスが形成されている。
【００３１】
前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料２０の製造方法は、実施例１に係るＣＮＴ／ポリマー複合材料１０の製造方法とは次の点が異なる。前記ＣＮＴ／ポリマー層２２と前記ポリマー層２４とを結合させて一層のＣＮＴ／ポリマー複合材料層を形成した後、さらに、前記ポリマー層２４の第一表面（図示せず）にもう一層のカーボンナノチューブ膜を設置して高分子溶液のプレポリマーを注入して、実施例１の第三ステップにより前記カーボンナノチューブ膜と前記高分子溶液のプレポリマーとを複合させて、前記ＣＮＴ／ポリマー複合材料の表面にもう一つのＣＮＴ／ポリマー複合材料層が形成される。これを繰り返して、多層のＣＮＴ／ポリマー複合材料２０が得られる。
【００３２】
つまり、本実施例によるＣＮＴ／ポリマー複合材料は良好な導電及び熱伝導特性があり、その導電率が１２０Ｓ／ｍになり、通常のＣＮＴ／ポリマー複合材料より二倍高くなる。また、本実施例によるＣＮＴ／ポリマー複合材料は、複数のカーボンナノチューブの隙間がポリマー材料で十分に充填され、隣接するカーボンナノチューブが安定に接続され、カーボンナノチューブと前記ポリマー材料とを緊密に結合させることができる。
【００３３】
また、実施例２により得られる多層のＣＮＴアレイ／ポリマー複合膜は薄く、隣接するＣＮＴアレイ／ポリマー複合膜がそれぞれ絶縁するので、従来の複合材料及び熱可塑加工によるマスクに代えてコンデンサ又は電磁波遮蔽として利用できる。実用上の条件に応じて、本発明のＣＮＴ／ポリマー複合材料の厚さ及び寸法を調整することができる。例えば、本発明のＣＮＴ／ポリマー複合材料は、一層のＣＮＴ／ポリマー層及び一層のポリマー層からなる場合、高出力のコンデンサとして利用されるが、複数のＣＮＴ／ポリマー層及び複数のポリマー層からなる場合、電磁波遮蔽素子又は多層のコンデンサとして利用される。
【００３４】
本発明のＣＮＴ／ポリマー複合材料は所定のパターンに従って製造される。例えば、携帯便利性又は全体性のため、本発明のＣＮＴ／ポリマー複合材料は薄膜の形状に設けられることもできる。又は、本発明のＣＮＴ／ポリマー複合材料は大型の集積回路（ＩＣ）、さらに大型の電子部品として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１のＣＮＴ／ポリマー複合材料の模式図である。
【図２】本発明の実施例１のＣＮＴ／ポリマー複合材料の正面のＳＥＭ写真である。
【図３】本発明の実施例１のＣＮＴ／ポリマー複合材料が−１９６．１℃で作動する電流−電圧の曲線である。
【図４】本発明の実施例１のＣＮＴ／ポリマー複合材料が２３．９℃で作動する電流−電圧の曲線である。
【図５】本発明の実施例１のＣＮＴ／ポリマー複合材料が１４６．９℃で作動する電流−電圧の曲線である。
【図６】本発明の実施例２のＣＮＴ／ポリマー複合材料の模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０    ＣＮＴ／ポリマー複合材料
１１０  ポリマー材料
１２    ＣＮＴ／ポリマー層
１２０  カーボンナノチューブ
１４    ポリマー層
１６    第二表面
１８    第一表面
２０    ＣＮＴ／ポリマー複合材料
２１０  ポリマー材料
２２    ＣＮＴ／ポリマー層
２２０  カーボンナノチューブ
２４    ポリマー層
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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