(57)【要約】【課題】高分子材料配合物自体を改良することにより、電磁誘導加熱を用いて発熱可能とすることで、従来の加熱方法では応用不能であった広範な用途に用いることのできる優れた電磁誘導加熱用配合物を提供する。【解決手段】高分子材料中にカーボンナノチューブおよび／または気相成長カーボンファイバーを含有し、電磁誘導加熱により発熱する電磁誘導加熱用配合物である。高分子材料は好ましくはゴム材料であるか、またはポリスチレン若しくはポリアミドである。体積抵抗率が１．０×１００Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、カーボンナノチューブまたは気相成長カーボンファイバーの配合量が５〜５０重量％であることが好ましい。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子材料中にカーボンナノチューブおよび／または気相成長カーボンファイバーを含有し、電磁誘導加熱により発熱することを特徴とする電磁誘導加熱用配合物。
【請求項２】
前記高分子材料がゴム材料である請求項１記載の電磁誘導加熱用配合物。
【請求項３】
前記高分子材料がポリスチレンまたはポリアミドである請求項１記載の電磁誘導加熱用配合物。
【請求項４】
体積抵抗率が１．０×１００Ω・ｃｍ以下である請求項１〜３のうちいずれか一項記載の電磁誘導加熱用配合物。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブおよび／または気相成長カーボンファイバーの配合量が５〜５０重量％である請求項１〜４のうちいずれか一項記載の電磁誘導加熱用配合物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁誘導加熱（以下、単に「ＩＨ加熱」とも称する）用配合物（以下、単に「配合物」とも称する）に関し、詳しくは、高分子材料を主体とする配合物であって、電磁誘導加熱により発熱することが可能な電磁誘導加熱用配合物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高分子配合物を加熱する方法としては、伝熱や熱放射、電磁波加熱（いわゆる電子レンジ）などが知られている。これに対し、金属に関し古くから知られている加熱法として、電磁誘導加熱がある。この電磁誘導加熱は、従来より金属切削部品の焼入れ方法として広く普及しており、また、近年、家庭用調理器に応用されて普及し始めている。
【０００３】
電磁誘導加熱の高分子材料の分野における適用に関しては、最近、ゴム工業用途向けに、ゴムと鉄板とを積層してなる形態を有する免震ゴムの加硫工程における利用が報告されている。この報告によれば、電磁誘導加熱を用いることにより、積層された鉄板を直接加熱することができ、温度ムラなくかつ短時間に、積層ゴムの内部まで加熱することが可能である（神戸製鋼（株）：ゴム協会誌に記載）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の高分子配合物の加熱方法のうち、伝熱または熱放射では、高分子配合物の外部から熱を伝えて加熱することになる。そのため、複雑な形状をした高分子製品や大規模な高分子製品を加熱する場合、例えば、大型のゴム製品を加熱加硫するような場合には、高分子内部の温度分布が著しく大きくなって、安定した製品性能を得るためには技術的な工夫が必要となるという問題があった。また、これらの加熱方法では、内部まで完全に加熱することが必要な場合には莫大な時間とエネルギーが必要となり、さらに、そもそも伝熱や熱放射により物を加熱する方法では、必要な部位だけを必要な温度まで短時間で加熱することが困難であるので、エネルギー的に無駄が多くなるという難点があった。
【０００５】
また、電磁波加熱では、伝熱や熱放射とは異なり高分子を直接加熱することはできるものの、一部分でも金属により被覆された部分を有するような高分子製品の場合には、金属部分が発火するおそれがあることから、適用することができないという難点があった。
【０００６】
一方、ＩＨ加熱によれば、加熱可能な材料部分だけを直接加熱することができ、上記伝熱等の方法に比して消費エネルギーを低く抑えて、効率的に加熱を行うことが可能である。しかしながら、ＩＨ加熱は、その原理上金属材料等の限定された対象物に対してしか適用できないので、高分子材料の分野においては、上記したようなごく限られた用途についてしか用いられていないのが現状であった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、高分子材料配合物自体を改良することにより、電磁誘導加熱を用いて発熱可能とすることで、従来の加熱方法では応用不能であった広範な用途に用いることのできる優れた電磁誘導加熱用配合物を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、高分子材料を主成分とする配合物中に特定の材料を添加することにより、該配合物に対し電磁誘導加熱を行った際に有意な発熱が生ずることを見出して、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、上記課題を解決するために、本発明の電磁誘導加熱用配合物は、高分子材料中にカーボンナノチューブおよび／または気相成長カーボンファイバーを含有し、電磁誘導加熱により発熱することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、前記高分子材料がゴム材料であるか、またはポリスチレン若しくはポリアミドであることが好適である。また、本発明の電磁誘導加熱用配合物は、好適には体積抵抗率が１．０×１００Ω・ｃｍ以下であり、カーボンナノチューブまたは気相成長カーボンファイバーの配合量が５〜５０重量％である。
【００１１】
本発明の電磁誘導加熱用配合物は、カーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」とも称する）および／または気相成長カーボンファイバーを配合したことにより、高分子材料を主体とした配合物でありながらＩＨ加熱により発熱させることができるという、従来にない特質を有するものである。かかるＣＮＴを高分子組成物に配合した系に関しては、例えば、特開２０００−３０２９７０号公報等に記載があるが、この公報中に記載された技術は伝熱特性に優れた熱伝導性シートに関するものであり、本発明に係る電磁誘導加熱に関する記載は一切なされていない。また、気相成長カーボンファイバーと高分子材料を組み合わせた技術としては、例えば、特開平５−１６１７３６号公報および特開２００２−１５９０９０号公報等に記載があるが、いずれにおいても本発明に係る電磁誘導加熱については言及されていない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の配合物に用いることのできる高分子材料には特に制限はなく、汎用の樹脂材料、ゴム材料等の広範な材料を用いることができる。例えば、樹脂材料としては、ポリスチレン、ポリアミド、例えば、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６１０、ナイロン６／６６等、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレートのようなポリエステルなどを挙げることができる。また、ゴム材料としては、天然ゴム（ＮＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリロニトリル・ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、アクリロニトリル・スチレン・ブタジエンゴム（ＮＳＢＲ）などを挙げることができる。これら各種材料は、単独で用いてもよく、２種以上を適宜混合して用いることも可能である。
【００１３】
本発明の配合物は、上記高分子材料中に、少なくともカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）および／または気相成長カーボンファイバーを含有する。
ＣＮＴとは、直径数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の炭素原子からなる構造体であり、通常のカーボンファイバー（ＣＦ）（平均直径５μｍ〜、長さ１００μｍ程度）の１０−３倍のオーダーの、ごく微細なチューブ状構造を有する。ＣＮＴはアスペクト比が１０１〜１０３のオーダーであるために、引っ張り強度が、例えば４５ＧＰａ程度と極めて高く、また、円筒を構成する六員環の繰り返し構造の現れ方によって金属的な特性と半導体的な特性とのいずれかの電気特性を有し、例えば、電流密度が１ＧＡ／ｃｍ２程度と、超伝導体の１０ＭＡ／ｃｍ２と比べても遥かに高い値を有するなど、機械的にも電気的にも優れた特性を備えている。
【００１４】
本発明において用いるＣＮＴとしては、長さや直径等に特に制限はなく、いかなるものを用いてもよいが、好ましくは、長さ０．１〜３０μｍ、直径２〜６０ｎｍ程度であり、好適アスペクト比は２０〜２０００である。十分明らかにはなっていないが、高分子材料との組み合わせで、好適な範囲の長さや直径、アスペクト比等を有するＣＮＴを選択することにより、後述する得られる配合物のマイクロメートルオーダーの構造に反映される電磁誘導特性の相違が生ずるとも考えられる。
【００１５】
ＣＮＴは、プラズマＣＶＤ（化学気相成長）法、熱ＣＶＤ法、表面分解法、流動気相合成法、アーク放電法などにより合成されるものを適宜用いることができる。単層ナノチューブおよび多層ナノチューブのいずれでも用いることができ、単層の場合の１バンドルのチューブ数、多層の場合のチューブ層数等にも特に制限はない。市販品としては、例えば、ハイペリオン社製や、米国マテリアルズテクノロジーズリサーチ社（ＭＴＲ（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ）Ｌｔｄ．）製のＣＮＴを用いることができる。
【００１６】
また、本発明に係る気相成長カーボンファイバーは、通常のカーボンファイバー（ＣＦ）（平均直径５μｍ〜、長さ１００μｍ程度）の１０−２〜１０−１倍程度のオーダーの微細な繊維状（年輪状）構造体であるため、カーボンファイバーを添加する場合よりも分散性等の問題を生じにくく、かつ、同様の性能向上効果を得ることができる利点がある。この気相成長カーボンファイバーを高分子材料中に含有させた場合にも、ＣＮＴの場合と同様の電磁誘導特性を発現させることができる。
【００１７】
気相成長カーボンファイバーとしては、特に制限されず、適宜必要性能に応じた繊維径、繊維長、アスペクト比のものを用いることができるが、好適には、平均直径が０．０５〜０．５μｍ、特には０．１〜０．４μｍの範囲であり、平均長さが１〜５０μｍ、特には５〜３０μｍの範囲であるものを用いる。また、比表面積が５〜５０ｍ２／ｇ、特には８〜３０ｍ２／ｇの範囲であるものを用いることが好ましい。具体的には、市販品として、例えば、昭和電工（株）製の気相法炭素繊維　ＶＧＣＦ（登録商標）を用いることができる。
【００１８】
ＣＮＴおよび／または気相成長カーボンファイバーの配合量は、好ましくは５〜５０重量％、より好ましくは１０〜３０重量％である。配合量が５重量％未満であるとＩＨ加熱により十分な発熱を得ることができず、一方、配合量５０重量％を超えても、もはやそれ以上の効果を得ることはできないことに加え、高分子本来の特性や高分子配合物としての取扱い性等を損なってしまう。
【００１９】
また、一定の電磁誘導条件下では、同じＣＮＴや気相成長カーボンファイバーの配合量であっても、体積抵抗率が小さい配合物ほど単位時間あたりの発熱量が多くなることから、本発明の配合物は、１．０×１００Ω・ｃｍ以下、特には１．０×１０−１Ω・ｃｍ以下の体積抵抗率を有することが好ましい。体積抵抗率が１．０×１００Ω・ｃｍを超えると、ＣＮＴや気相成長カーボンファイバーの配合量との関係もあるが、ＩＨ加熱による発熱が十分には得られず、好ましくない。
【００２０】
さらに、同じＣＮＴまたは気相成長カーボンファイバーの配合量でも、高分子の種類によって、得られる配合物の構造内におけるＣＮＴまたは気相成長カーボンファイバーのマイクロメートルオーダーの分散状態に相違が生ずる。具体的には、ＣＮＴまたは気相成長カーボンファイバーが網状に分散しているものと、糸球状に分散しているものとがあり、得られている知見の限りでは、糸球状に分散している配合物の方が体積抵抗率が小さく、一定の電磁誘導条件下での発熱量も大きいと考えられる。
【００２１】
本発明の配合物には、上記以外の添加物を適宜用いることが可能である。樹脂材料の場合には、樹脂材料の分野で通常用いられている添加剤を、ゴム材料の場合にはゴム業界で通常用いられる添加剤を、夫々適宜選択して用いることができ、特に制限はない。
【００２２】
本発明のＩＨ加熱用配合物は、上記のような高分子材料中にＣＮＴまたは気相成長カーボンファイバーを含有してなる構成を有することにより、ＩＨ加熱により発熱するという特質を有する。従って、本発明の配合物は、この加熱原理を用いることにより、従来になく広範な用途に適用することが可能である。例えば、ＩＨ加熱によるゴム組成物の加硫成形やプラスチックスの溶融、溶融射出、押出成形等が可能となり、エネルギー的に効率的な加熱方法を提供することができる。
【００２３】
また、ＩＨ加熱が可能な本発明の配合物と、ＩＨ加熱できない通常の高分子配合物とを組み合わせて用いることにより、複合高分子成形体の部分溶融を行うことが可能となり、リサイクルやリユース目的だけでなく、様々な新しい応用が考えられる。例えば、以下に挙げるような用途が考えられる。
【００２４】
▲１▼いわゆるロストワックスによる複雑な形状の高分子成形体の加工などへの応用である。
【００２５】
▲２▼シール材料に本発明の配合物を用いることで、ＩＨ加熱によりシール部だけを遠隔操作的に溶かして破ることが可能である。ガラス瓶などＩＨ加熱により発熱しない容器の蓋として本発明の配合物を用いれば、内容物や液の発熱を引き起こすことなく、本発明の配合物からなる蓋のみを遠隔操作的に溶融して、これを破ることができる。
【００２６】
▲３▼接着剤に本発明の配合物を用いることで、分解リサイクルの際に、ＩＨ加熱で接着層だけを加熱軟化、溶融することが可能である。既存の技術によっても、系全体を加熱して溶融破壊することは可能であるが、部品毎に分解することはできないため、本発明の配合物を用いることにより、作業性を極めて高めることができる。一方、接着加工の際にも、ＩＨ加熱により発熱しない材質の部材の接着の際に、本発明の配合物を用いた接着剤だけを溶融して、接着を行うことが可能である。
【００２７】
▲４▼薬品に本発明の配合物を用いることにより、例えば、体内において、本発明の配合物が存在する部位だけを遠隔的に加熱することが可能である。また、工業製品の製造において、不安定な薬品を本発明の配合物で包み、ＩＨ加熱で包みだけを溶かすことによって反応を開始させることも可能である。後者については、熱で直接溶かす方法が半導体用樹脂などにおいて提案されているが（日本化薬（株）：マテリアルステージ誌に記載）、本発明の配合物を用いる方法では伝熱を必要としないため、伝熱を避けたい系では特に有用である。
【００２８】
▲５▼微細なＩＨ電極を用いれば、本発明の配合物で構成された高分子製品に任意の加工を適切かつ効率的に施すことが可能である。
【００２９】
▲６▼前述したゴムと鉄板との積層からなる免震ゴムに本発明の配合物を適用することにより、その製造工程において、金属プレート部分だけでなくゴム部分を直接加熱することが可能となり、ゴム部分の加硫をより効率的に行うことができる。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例により本発明を説明する。
実施例１
ポリスチレン中にＣＮＴ（ハイペリオン社製）を２５重量部配合して混練し、配合物を調製した。この配合物の体積抵抗率は３．０×１０−１Ω・ｃｍであった。
【００３１】
実施例２
ナイロン６中にＣＮＴ（ハイペリオン社製）を２５重量部配合して混練し、配合物を調製した。この配合物の体積抵抗率は６．３×１０−１Ω・ｃｍであった。
【００３２】
実施例３
ポリスチレン中に気相成長カーボンファイバー（昭和電工（株）製）を２５重量部配合して混練し、配合物を調製した。この配合物の体積抵抗率は１２Ω・ｃｍであった。
【００３３】
比較例
ＮＢＲ（Ｎ２３０Ｓ、ＪＳＲ製）中にグラファイト（膨張黒鉛、日立化成（株）製）を３０重量部配合して混練し、配合物を調製した。この配合物の体積抵抗率は１０Ω・ｃｍ以上であった。
【００３４】
上記実施例および比較例にて得られた各配合物につき、２００Ｖ　１５０Ａの出力が可能な市販の電磁誘導加熱装置（（株）トクデン製）を実験装置として用いて、定格出力下における温度変化を測定した。得られた結果を図１のグラフに示す。図示するように、ＣＮＴまたは気相成長カーボンファイバーを配合した実施例では明確な発熱が確認できているのに対し、比較的電気伝導性が高いと思われるグラファイトを配合した比較例では発熱はほぼ確認されなかった。
【００３５】
また、実施例１および２の配合物の内部構造を撮影した電子顕微鏡写真を図２および図３に夫々示す。図示するように、高分子材料としてポリスチレンを用いた実施例１の配合物（図２）はマイクロメートルオーダーで糸球状の分散状態を呈している一方、高分子材料としてナイロン６を用いた実施例２の配合物（図３）はマイクロメートルオーダーで網状の分散状態を呈していた。
【００３６】
以上より、高分子材料に対しＣＮＴまたは気相成長カーボンファイバーを配合した配合物においてはＩＨ加熱により明白な発熱が生ずることが確かめられた。また、ＣＮＴまたは気相成長カーボンファイバーを同量配合した場合では、マイクロメートルオーダーでＣＮＴが糸球状に分散している配合物の方が体積抵抗率が小さく、同一電磁誘導条件下における発熱量も大きいことが分かった。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、高分子材料中にカーボンナノチューブおよび／または気相成長カーボンファイバーを配合したことにより電磁誘導加熱により発熱可能な配合物を得ることができ、これにより、従来の加熱方法では応用不能であった広範な用途に用いることのできる優れた電磁誘導加熱用配合物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例および比較例の配合物の電磁誘導加熱による発熱量の推移を示すグラフである。
【図２】実施例１の配合物の内部構造を示す電子顕微鏡写真である。
【図３】実施例２の配合物の内部構造を示す電子顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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