(57)【要約】【課題】炭素フィラーの嵩密度を容易に高めて炭素繊維複合材料を製造する方法を提供する。【解決手段】樹脂、金属またはセラミックスの単体または組み合わせから成るマトリクスと、円筒状または繊維状の炭素フィラーとを、混練することにより炭素繊維複合材料を生成する炭素繊維複合材料の製造方法において、炭素フィラーと揮発性溶媒とを混合した混合液から揮発性溶媒を除去することにより高嵩密度炭素フィラーを生成する工程を混練前に設け、マトリクスと高嵩密度炭素フィラーとを混練して炭素繊維複合材料を生成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂、金属またはセラミックスの単体またはこれらの組み合わせから成るマトリクスと、円筒状または繊維状の炭素フィラーとを、混練することにより炭素繊維複合材料を生成する炭素繊維複合材料の製造方法において、
前記炭素フィラーと揮発性溶媒とを混合し当該混合液から前記揮発性溶媒を除去することにより高嵩密度炭素フィラーを生成する工程を前記混練前に設け、前記マトリクスと前記高嵩密度炭素フィラーとを混練して炭素繊維複合材料を生成することを特徴とする炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記混練を経て得た前記炭素繊維複合材料を粉砕した後、当該粉砕物に前記高嵩密度フィラーを加えて混練する工程を付加することを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項３】
官能基の付加処理を前記炭素フィラーの表面に施したことを特徴とする請求項１または２に記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項４】
ろ過および／または加圧により前記揮発性溶媒の除去を行うことを特徴とする請求項１から３に記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記揮発性溶媒を除去することにより得られた前記高嵩密度炭素フィラーを加圧する工程を付加したことを特徴とする請求項１から４に記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とする炭素繊維複合材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂、金属またはセラミックス等から成るマトリクスと炭素フィラーとを混練することにより、炭素繊維複合材料を生成する炭素繊維複合材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
混練工程の前に炭素フィラーの嵩密度を高める方法は、従来から考えられているが、炭素フィラーをそのまま大きな容器に詰め、外部から圧力を加えることで嵩密度を高める方法が一般的である。
【０００３】
この種の製造方法としては、特開２００２−９７３７５号公報で開示される樹脂組成物の製造方法が知られており、図２は、繊維状炭素フィラーとマトリクスから複合材料を製造する場合の従来方法を示す図である。混練する場合には、マトリクスである樹脂や金属やセラミックスを秤量し、混練装置の混練対象物を投入する容器部に所望の配合比で繊維状炭素フィラーを、無加工で投入後に攪拌して混練する方法が一般に行われている。複合材料に充填される直径１μｍ以下の円筒状または繊維状の炭素フィラーは、一般的なマトリクスに対して嵩密度が桁違いに低く大きな容積となる。従って、フィラーの充填率を高める必要がある場合には、一度に混練できる炭素フィラー量の制約から炭素フィラーを分割して混練することになり、マトリクスに対して過度の繰返し投入や長時間の混練が行われるのが一般的である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−９７３７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した複合材料の製造方法には、次のような問題があった。第一に、炭素フィラーを押出し機に無加工で投入してマトリクスと混練する方法は、直径が１μｍ以下の円筒状または繊維状の炭素集合物では、充填するマトリクスに対して嵩密度が桁違いに低く、１桁以上もの大きな容積差があることから容易に混練することができない。
【０００６】
第二に、炭素フィラーのマトリクスに対する充填率を高める必要がある場合には、マトリクスの混練装置への過度な繰返し投入、もしくは加熱を伴う長時間の混練が行われ、混練時の熱的、機械的な作用によりマトリクス材料の分解や構造変化が進行することで材料の特性を劣化させ、初期混練時の材料特性を維持することができない。
【０００７】
第三に、マトリクスと炭素フィラーとを混練する作業において、炭素フィラーの集合物は嵩密度が低いことから炭素フィラーを大容積状態で取り扱う必要があるため、収納する容器や場所が大規模化したり、炭素フィラーの飛散や浮遊に対する安全衛生対策が必要となる。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、炭素フィラーの嵩密度を容易に高めて炭素繊維複合材料を製造する方法、および本方法を用いて製造される複合材料の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１に記載の炭素繊維複合材料の製造方法は、樹脂、金属またはセラミックスの単体またはこれらの組み合わせから成るマトリクスと、円筒状または繊維状の炭素フィラーとを、混練することにより炭素繊維複合材料を生成する炭素繊維複合材料の製造方法において、前記炭素フィラーと揮発性溶媒とを混合した混合液から前記揮発性溶媒を除去することにより高嵩密度炭素フィラーを生成する工程を前記混練前に設け、前記マトリクスと前記高嵩密度炭素フィラーとを混練して炭素繊維複合材料を生成する方法を採用している。
【００１０】
請求項２に記載の炭素繊維複合材料の製造方法は、請求項１に記載の炭素繊維複合材料の製造方法において、前記混練を経て得た前記炭素繊維複合材料を粉砕した後、当該粉砕物に前記高嵩密度フィラーを加えて混練する工程を付加する方法を採用している。
【００１１】
請求項３に記載の炭素繊維複合材料の製造方法は、請求項１または２に記載の炭素繊維複合材料の製造方法において、官能基の付加処理を前記炭素フィラーの表面に施す方法を採用している。
【００１２】
請求項４に記載の炭素繊維複合材料の製造方法は、請求項１から３に記載の炭素繊維複合材料の製造方法において、ろ過および／または加圧により前記揮発性溶媒の除去を行う方法を採用している。
【００１３】
請求項５に記載の炭素繊維複合材料の製造方法は、請求項１から４に記載の炭素繊維複合材料の製造方法において、前記揮発性溶媒を除去することにより得られた前記高嵩密度炭素フィラーを加圧する工程を付加する方法を採用している。
【００１４】
請求項６に記載の炭素繊維複合材料は、請求項１から５のいずれかに記載の方法により製造された材料である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る好適な実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１６】
図１は、図２の炭素繊維複合材料を製造する一般的な方法と異なり、炭素フィラーの嵩密度を高める工程Ｂを混練Ｃの前に取り入れた複合材料の製造方法を示した図である。この工程Ｂの方法では、以下のように実施する。
【００１７】
気相成長法で生成された平均直径１５０ｎｍ、嵩密度  ０．０２〜０．０４ｇ／ｃｍ３の繊維状炭素（昭和電工製ＶＧＣＦ）５ｇを有機溶媒のエチルアルコール
１００ｍｌを攪拌により混合し、乾燥機で６０℃の対流がある雰囲気中で８時間放置して溶媒を蒸発させ、０．１％以下まで除去した。その時の嵩密度の結果を表１に示す。
【００１８】
また、同繊維状炭素：５ｇを水１００ｍｌに界面活性剤ポリオキシエチレンアルキルアミン（花王製アミート１０５）２ｍｌを添加した水性溶媒と混合し、乾燥機で７０℃の対流がある雰囲気中に２４時間放置することで溶媒を蒸発させて除去した。残留した界面活性剤の重量を除いた繊維状炭素の嵩密度の結果を表１に示す。
【００１９】
また、上述の実施では、繊維状炭素の量に対し、混合に必要となる有機溶媒や水溶性溶媒の容量を示すものであるが、溶媒容量を抑える目的で過剰な量で上述と同様に実施しても、繊維状炭素の嵩密度の結果は同等である。
【００２０】
この場合、溶媒の量が増えるに従って、蒸発による除去方法だけでは乾燥時間が長くなる問題が生じるが、溶媒と攪拌した繊維状炭素フィラーは、時間の経過とともに凝集して容器内に沈殿し、過剰な分量の溶媒と分離する。このことから、上部上澄みの溶媒を汲み取ることで溶媒の除去を短時間で行うことができる。
【００２１】
また、溶媒の除去を行う方法として、自重のみによる状態で繊維状炭素を分離可能なスポンジ状フィルターを使用して溶媒を除去することにより、エチルアルコール乾燥時間８時間を約４時間に、水性溶媒においても２４時間を約６時間に、それぞれ時間短縮することが可能となり、しかも繊維状炭素集合体の嵩密度も同等なレベルに高めることが可能である。
【００２２】
更に、フィルターを使用した溶媒除去において、およそ５ｋｇｆ／ｃｍ２の加圧を伴った溶媒除去により、エチルアルコールで２時間以内、水性溶媒で６時間以内というように乾燥時間の大幅な短縮が可能であり、繊維状炭素集合体の嵩密度も同等なレベルに高めることができる。
【００２３】
上述と同様な方法で、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、アセトン、メチルエチルケトン、ブタノール、酢酸エチル、トルエンの有機性溶媒、ＩＰＡとエチルアルコールとの混合有機性溶媒、エチルアルコールと水との混合性溶媒、水とアルコールとの混合溶媒に界面活性剤のポリオキシエチレンオレイルエーテル（花王製エマルゲン４０４）、ポリカルボン酸系（花王製ポイズ５３２Ａ）等を添加した溶媒でも実施することができる。
【００２４】
繊維状炭素の嵩密度を高めるために使用する前記溶媒に関しては、気化し易く、分離せずに機械的な手段を用いて繊維状炭素と混合可能な溶媒であれば、長時間安定した分散状態が保てなくても使用することができる。
【００２５】
この溶媒としては、有機性溶媒、異なる有機性溶媒を組合わせた混合性有機溶媒、水と有機溶媒とを混合した混合溶媒、界面活性剤を添加した水性溶媒、またはこれらいずれかの溶媒に界面活性剤を添加した溶媒を使用することができる。使用可能な水溶性の界面活性剤としては、ポリアクリル酸系や、ポリカルボン酸エステル、ポリカルボン酸アンモニウム等のポリカルボン酸系のものがある。
【００２６】
上述の実施の形態では、気相成長法で生成された平均直径１５０ｎｍ嵩密度０．０２〜０．０４ｇ／ｃｍ３の繊維状炭素（昭和電工製ＶＧＣＦ）を使用しているが、直径が小さくなるにつれて集合体としての嵩密度は低下し、溶媒中での凝集性が高まる傾向にあることは一般的なことであり、混合時にある程度分散状態が保てる直径１μｍ以下の繊維状炭素であれば上述の溶媒を使用することができる。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
また、上述の実施の形態では、繊維状炭素と溶媒の混合を目的として、溶媒に界面活性剤を添加する方法で親和性を高めているが、溶媒混合前に繊維状炭素の表面に溶媒との親和性を高めるための官能基付加処理が行われていても同様な結果が得られる。
【００２９】
熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂４５ｇをマトリクスとし、嵩密度を高める前の未加工の繊維状炭素７．９ｇおよび嵩密度を高めた上記繊維状炭素７．９ｇをそれぞれフィラーとして１５０ｍｌの容器で混練と脱泡を行い、同硬化条件で炭素フィラー重量比率１５重量％の複合材料をそれぞれ成形し材料特性を測定した結果を表２に示す。
【００３０】
高嵩密度化によって、炭素フィラーおよびエポキシ樹脂の複合材料の引張強度および電気抵抗率は、ほとんど違いが無い。このため、繊維状炭素の高嵩密度化によるフィラーとして特性は、何ら影響を受けていないことが分かる。
【００３１】
また、混練に際し、未加工の炭素フィラーの容量は、約２００ｍｌであることから１５０ｍｌの容器内で混練する場合には、最低２回、炭素フィラーを分けて投入する必要があるのに対し、嵩密度を高めた炭素フィラーの容量は半分以下であることから、１回の炭素フィラー充填により混練を実施することが可能である。以上のことからも、炭素フィラーを分ける工程の削減や炭素フィラー収納容器を小型化することで作業効率と設備の小規模化を実現することができる。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
図３は、図１で示した繊維状炭素フィラーの嵩密度を高める工程を取り入れた複合材料の製造方法に対し、更に混練物の成形Ｄで生成された複合材料を粉砕し、繰返し炭素フィラーと混合する工程Ｅを加えたものを示した図であり、炭素フィラーの嵩密度を高める工程Ｂｐでは、混合液から溶媒を除去する工程Ｂ３の後に炭素フィラーを加圧する工程Ｂ４を加えた炭素繊維複合材料の製造方法と、その複合材料を使用して成形を行う工程を示した図である。
【００３４】
図３に示す製造方法は以下の通りである。気相成長法で生成された平均直径１５０ｎｍ、嵩密度０．０２〜０．０４ｇ／ｃｍ３の繊維状炭素（昭和電工製ＶＧＣＦ）を有機溶媒のエチルアルコールに混合し、乾燥機によって溶媒の約９０％以上を蒸発させ、炭素フィラー集合体の容積が混合前の容積に比べておよそ３分の１に減少した状態で加圧可能な容器に移し、炭素フィラー集合体に１軸方向から１８ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で加圧した後、残留溶媒分を乾燥機によって完全除去した炭素フィラーの嵩密度の結果を表１に示す。
【００３５】
また、ここでは溶媒が残留した状態で圧力を加えているが、溶媒を完全に乾燥した状態で同じ圧力を加えても嵩密度がほとんど変わらない。また、嵩密度が高められた状態では、飛散や浮遊がほとんど見られないことから作業性が良い。
【００３６】
また、嵩密度を高めた上記繊維状炭素０．５ｋｇをフィラーとし、熱可塑性樹脂であるポリカーボネイト２．０ｋｇをマトリクスとして押出し機に一度に投入して混練を行うことにより、炭素フィラーが２０重量％の配合比で複合材料を生成することができる。
【００３７】
また、押出し機の混練機能のレベルによって、炭素フィラーのマトリクス内での分散性が異なるが、分散性を高めるために複合材料を繰返し押出し機へ投入して炭素フィラーの充填量を増やすため、高嵩密度炭素フィラーを更に加えて繰返し押出し機に投入することができる。
【００３８】
更に、炭素フィラーのマトリクス内での分散性を高め、混練時に加わる熱的な作用によるマトリクス材料の分解と構造変化による特性劣化を軽減することを可能にする方法として、混練機から取り出される複合材料を粉砕機で粉砕、攪拌した後に混練機に投入する方法でも複合材料を製造することができる。
【００３９】
上述の混練に係る工程は、炭素フィラーのマトリクスへの充填や分散が目的であるが、同じ重量の炭素フィラーを充填する際に、嵩密度を高め、容量を軽減した炭素フィラーを使用することで、一度に充填できる限界量を増やすことが可能となり、マトリクス材料の特性劣化の軽減と作業効率の向上を図ることができる。
【００４０】
応用実施の形態として、嵩密度を高めた気相成長法で生成された平均直径１５０ｎｍ、嵩密度０．０２〜０．０４ｇ／ｃｍ３の繊維状炭素（昭和電工製ＶＧＣＦ）０．５ｋｇをフィラーとし、熱可塑性樹脂であるポリカーボネイト２．０ｋｇをマトリクスとして押出し機を使用して混練を行うことにより、炭素フィラー２０重量％の配合比で混練した複合材料を生成し、この複合材料から、押出し（射出）成形装置を用いて高さ方向に２分割した２ピースで構成される不図示の電子機器用ケースを成形することもできる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、直径が１μｍ以下の円筒状または繊維状の炭素をフィラーとする複合材料の製造において、充填するマトリクス対して嵩密度が桁違いに低くて大きな容積をもつ炭素フィラーを溶媒に混合し、それを除去する方法で嵩密度を容易に高め、効率良く混練することを可能にした。このため、炭素フィラーの高充填率複合材料の製造において課題であった混練装置への過剰な繰返し投入や長時間の混練を軽減し、混練時の熱的、機械的作用によるマトリクス材料の分解と構造変化による特性劣化が抑制され、マトリクスの材料特性を極力維持した状態での炭素フィラー高充填率化を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る炭素繊維複合材料の製造方法を示す図である。
【図２】従来の炭素繊維複合材料の製造方法を示す図である。
【図３】本発明の変更実施の形態に係る炭素繊維複合材料の製造方法を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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