(57)【要約】【課題】  カーボンナノファイバーが均一に分散された、炭素繊維複合材料およびその製造方法、炭素繊維複合成形品及びその製造方法、炭素繊維複合ガラス材料及びその製造方法、炭素繊維複合ガラス成形品及びその製造方法を提供することにある。【解決手段】  炭素繊維複合材料の製造方法は、カーボンナノファイバー４０に対して親和性を有する不飽和結合または基を有するエラストマー３０と、ガラス粒子５０と、を混合する工程と、ガラス粒子５０を含むエラストマー３０に、カーボンナノファイバー４０を剪断力によって分散させる工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エラストマーと、該エラストマーに分散された、ガラス粒子とカーボンナノファイバーと、を含み、
前記エラストマーは、前記カーボンナノファイバーに対して親和性を有する不飽和結合または基を有する、炭素繊維複合材料。
【請求項２】
請求項１において、
前記ガラス粒子は、前記エラストマー１００重量部に対して、１０〜３０００重量部である、炭素繊維複合材料。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記ガラス粒子は、前記カーボンナノファイバーの平均直径よりも大きな平均粒径を有する、炭素繊維複合材料。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記ガラス粒子の平均粒径は５００μｍ以下である、炭素繊維複合材料。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、分子量が５０００ないし５００万である、炭素繊維複合材料。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、二重結合、三重結合、α水素、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつを有する、炭素繊維複合材料。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって３０℃で測定した、未架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）が１００ないし３０００μ秒である、炭素繊維複合材料。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって３０℃で測定した、架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）が１００ないし２０００μ秒である、炭素繊維複合材料。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍである、炭素繊維複合材料。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の炭素繊維複合材料を所定の形状に成形した炭素繊維複合成形品。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれかに記載の炭素繊維複合材料を架橋した炭素繊維複合成形品。
【請求項１２】
請求項１ないし９のいずれかに記載の炭素繊維複合材料を架橋するとともに所望の形状に成形した炭素繊維複合成形品。
【請求項１３】
請求項１１または１２において、
前記炭素繊維複合成形品は、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって１５０℃で測定した、混合されたカーボンナノファイバー１体積％あたりに換算した、スピン−格子緩和時間（Ｔ１）が、前記エラストマー単体の場合より１ｍｓｅｃ以上低下する、炭素繊維複合成形品。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかの炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を粉末成形した炭素繊維複合ガラス材料。
【請求項１５】
請求項１ないし１３のいずれかの炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を、溶融ガラスに混入して鋳造した炭素繊維複合ガラス材料。
【請求項１６】
請求項１０ないし１３のいずれかの炭素繊維複合成形品に溶融ガラスを浸透させ、前記エラストマーを前記ガラスと置換した炭素繊維複合ガラス成形品。
【請求項１７】
カーボンナノファイバーに対して親和性を有する不飽和結合または基を有するエラストマーと、ガラス粒子と、を混合する工程と、
前記ガラス粒子を含む前記エラストマーに、前記カーボンナノファイバーを混合させ、かつ剪断力によって分散させる工程と、
を含む、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記ガラス粒子は、前記エラストマー１００重量部に対して、１０〜３０００重量部である、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項１９】
請求項１７または１８において、
前記ガラス粒子は、前記カーボンナノファイバーの平均直径よりも大きな平均粒径を有する、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２０】
請求項１７ないし１９のいずれかにおいて、
前記ガラス粒子の平均直径は５００μｍ以下である、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２１】
請求項１７ないし２０のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、分子量が５０００ないし５００万である、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２２】
請求項１７ないし２０のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、二重結合、三重結合、α水素、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつを有する、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２３】
請求項１７ないし２２のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって３０℃で測定した、未架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）が１００ないし３０００μ秒である、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２４】
請求項１７ないし２２のいずれかにおいて、
前記エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって３０℃で測定した、架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）が１００ないし２０００μ秒である、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２５】
請求項１７ないし２４のいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍである、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２６】
請求項１７ないし２５のいずれかにおいて、
前記エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法を用いて行われる、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２７】
請求項２６において、
前記オープンロール法は、２本のロールの表面速度比が１．０５ないし３．００である、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２８】
請求項１７ないし２５のいずれかにおいて、
前記エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、ロータ間隙が１ｍｍ以下の密閉式混練法によって行われる、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２９】
請求項１７ないし２５のいずれかにおいて、
前記エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、スクリュー間隙が０．３ｍｍ以下の多軸押出し混練法によって行われる、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項３０】
請求項１７ないし２９のいずれかにおいて、
前記エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、０ないし５０℃で行われる、炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項３１】
請求項１７ないし２９のいずれかに記載の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料を、所望の形状に成形する工程をさらに有する、炭素繊維複合成形品の製造方法。
【請求項３２】
請求項１７ないし２９のいずれかに記載の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料を、架橋する工程をさらに有する、炭素繊維複合成形品の製造方法。
【請求項３３】
請求項１７ないし２９のいずれかに記載の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料を、所望の形状を有する成形金型内で架橋するとともに成形する工程をさらに有する、炭素繊維複合成形品の製造方法。
【請求項３４】
請求項１７ないし３３のいずれかに記載の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を粉末成形する、炭素繊維複合ガラス材料の製造方法。
【請求項３５】
請求項１７ないし３３のいずれかに記載の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を、溶融ガラスに混入して所望の形状を有する鋳型内で鋳造する工程をさらに有する、炭素繊維複合ガラス材料の製造方法。
【請求項３６】
請求項３１ないし３３のいずれかに記載の製造方法によって得られた炭素繊維複合成形品に、溶融ガラスを浸透させて前記エラストマーを前記溶融ガラスと置換する工程をさらに有する、炭素繊維複合ガラス成形品の製造方法。
【請求項３７】
請求項３１ないし３３のいずれかに記載の製造方法によって得られた炭素繊維複合成形品の上方にガラス塊を配置する工程と、
前記ガラス塊を加熱し溶融させることで溶融ガラスとするとともに、前記炭素繊維複合成形品中の前記エラストマーを気化させ、前記溶融ガラスを浸透させて該エラストマーと置換する工程と、
をさらに有する、炭素繊維複合ガラス成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維複合材料及びその製造方法、炭素繊維複合成形品及びその製造方法、炭素繊維複合ガラス材料及びその製造方法、炭素繊維複合ガラス成形品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンナノファイバーを用いた複合材料が注目されている。このような複合材料は、カーボンナノファイバーを含むことで、機械的強度などの向上が期待されている。
【０００３】
また、ガラス繊維を強化繊維として用いた繊維強化複合ガラス材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、カーボンナノファイバーは相互に強い凝集性を有するため、複合材料の基材にカーボンナノファイバーを均一に分散させることが非常に困難とされている。そのため、現状では、所望の特性を有するカーボンナノファイバーの複合材料を得ることが難しく、また、高価なカーボンナノファイバーを効率よく利用することができない。
【０００５】
また、ガラスは、紫外線や赤外線を吸収する機能も要求されている。特に赤外線を吸収させた場合、ガラス自体の温度が上昇してしまうという不具合があった。
【特許文献１】特開平５−９０４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の目的は、カーボンナノファイバーが均一に分散された炭素繊維複合材料およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、カーボンナノファイバーが均一に分散された炭素繊維複合成形品及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、カーボンナノファイバーが均一に分散された炭素繊維複合ガラス材料及びその製造方法を提供することにある。さらに、本発明の目的は、カーボンナノファイバーが均一に分散された炭素繊維複合ガラス成形品及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる炭素繊維複合材料は、エラストマーと、該エラストマーに分散された、ガラス粒子とカーボンナノファイバーと、を含み、
前記エラストマーは、前記カーボンナノファイバーに対して親和性を有する不飽和結合または基を有する。
【０００８】
本発明の炭素繊維複合材料においては、後述する理由によって基材であるエラストマーにカーボンナノファイバーがさらに均一に分散されたものとなる。特に分散されにくいとされていた直径が約３０ｎｍ以下のカーボンナノファイバーや、湾曲繊維状のカーボンナノファイバーであっても、エラストマー中に均一に分散されたものとなる。
【０００９】
本発明におけるエラストマーは、ゴム系エラストマーあるいは熱可塑性エラストマーのいずれであってもよい。また、ゴム系エラストマーの場合、エラストマーは架橋体あるいは未架橋体のいずれであってもよい。原料エラストマーとしては、ゴム系エラストマーの場合、未架橋体が用いられる。熱可塑性エラストマーの内、特にエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）は、カーボンナノファイバーが分散されにくいが、本発明においては、ガラス粒子によるカーボンナノファイバーの分散効果によって均一に分散させることができる。
【００１０】
また、本発明にかかる炭素繊維複合材料を架橋して得られた炭素繊維複合成形品及び架橋しないで得られた炭素繊維複合成形品は、炭素繊維複合材料と同様に、ガラス粒子によってカーボンナノファイバーが均一に分散されたものとなる。
【００１１】
本発明にかかる炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を粉末成形した炭素繊維複合ガラス材料は、カーボンナノファイバーが均一に分散されたものとなる。
【００１２】
また、本発明にかかる炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を溶融ガラスに混入して鋳造した炭素繊維複合ガラス材料は、炭素繊維複合材料と同様に、ガラス粒子によってカーボンナノファイバーが均一に分散されたものとなる。
【００１３】
さらに、本発明にかかる炭素繊維複合成形品に溶融ガラスを浸透させ、エラストマーをガラスと置換した炭素繊維複合ガラス成形品は、炭素繊維複合材料と同様に、ガラス粒子によってカーボンナノファイバーが均一に分散されたものとなる。特に、溶融ガラスに接触した炭素繊維複合成形品は、溶融ガラスによってエラストマーが熱分解させながら浸透するため、カーボンナノファイバーが均一に分散した状態のまま溶融ガラスが凝固したガラスに置換され、鋳造することができる。炭素繊維複合成形品において、エラストマー１００重量部に対してガラス粒子１０〜３０００重量部、好ましくは１００〜１０００重量部である。ガラス粒子が１０重量部以下であると、毛細管現象が小さく、溶融ガラスの浸透速度が遅いので、生産性及びコスト面で採用が難しい。また、ガラス粒子が３０００重量部以上であると、炭素繊維複合材料を製造する際に、エラストマーへ含浸させにくくなる。
【００１４】
このようにカーボンナノファイバーが分散したガラスをマトリクスとする炭素繊維複合ガラス材料及び炭素繊維複合ガラス成形品は、強度の向上、軽量化、耐熱性や耐摩耗性の向上などが得られる。
【００１５】
本発明にかかる炭素繊維複合材料の製造方法は、カーボンナノファイバーに対して親和性を有する不飽和結合または基を有するエラストマーと、ガラス粒子と、を混合する工程と、
前記ガラス粒子を含む前記エラストマーに、前記カーボンナノファイバーを混合させ、かつ剪断力によって分散させる工程と、
を含む。
【００１６】
本発明の製造方法によれば、エラストマーの不飽和結合または基が、カーボンナノファイバーの活性な部分、特にカーボンナノファイバーの末端のラジカルと結合することにより、カーボンナノファイバーの凝集力を弱め、その分散性を高めることができる。さらに、ガラス粒子を含むエラストマーを用いることで、カーボンナノファイバーを剪断力で分散させる際に、ガラス粒子のまわりにエラストマーの乱流状態の流動が発生する。この流動によって、本発明の炭素繊維複合材料は、基材であるエラストマーにカーボンナノファイバーがさらに均一に分散されたものとなる。特に分散されにくいとされていた直径が約３０ｎｍ以下のカーボンナノファイバーや、湾曲繊維状のカーボンナノファイバーであっても、エラストマー中に均一に分散されたものとなる。
【００１７】
前記エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、
（ａ）ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法、
（ｂ）ロータ間隙が１ｍｍ以下の密閉式混練法、
（ｃ）スクリュー間隙が０．３ｍｍ以下の多軸押出し混練法、などを用いて行うことができる。
【００１８】
また、本発明にかかる炭素繊維複合材料を、架橋する工程をさらに有する炭素繊維複合成形品の製造方法は、前述したようにカーボンナノファイバーが均一に分散された炭素繊維複合材料を架橋することによって、ガラス粒子によってカーボンナノファイバーを均一に分散させることができた炭素繊維複合成形品を得ることができる。なお、前記架橋する工程を所望の成形金型内で成形するとともに行うことで、カーボンナノファイバーを均一に分散させた所望の形状を有する炭素繊維複合成形品を得ることができる。また、本発明にかかる炭素繊維複合材料を、架橋せずに所望の形状に成形する工程をさらに有する炭素繊維複合成形品の製造方法は、カーボンナノファイバーを均一に分散させることができた炭素繊維複合成形品を得ることができる。
【００１９】
本発明にかかる炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を粉末成形する、炭素繊維複合ガラス材料の製造方法は、カーボンナノファイバーが均一に分散した炭素繊維複合ガラス材料を得ることができる。
【００２０】
また、本発明にかかる炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を、溶融ガラスに混入して所望の形状を有する鋳型内で鋳造する工程をさらに有する炭素繊維複合ガラス材料の製造方法は、カーボンナノファイバーが均一に分散した炭素繊維複合ガラス材料を得ることができる。
【００２１】
さらに、本発明にかかる炭素繊維複合成形品の上方にガラス塊を配置する工程と、前記ガラス塊を加熱し溶融させることで溶融ガラスとするとともに、前記炭素繊維複合成形品中の前記エラストマーを気化させ、前記溶融ガラスと置換する工程と、をさらに有する、炭素繊維複合ガラス成形品の製造方法は、カーボンナノファイバーが均一に分散された炭素繊維複合ガラス成形品を得ることができる。特に炭素繊維複合成形品において、エラストマー１００重量部に対してガラス粒子１０〜３０００重量部、好ましくは１００〜１０００重量部である。ガラス粒子が１０重量部以下であると、毛細管現象が小さく、溶融ガラスの浸透速度が遅いので、生産性及びコスト面で採用が難しい。また、ガラス粒子が３０００重量部以上であると、炭素繊維複合材料を製造する際に、エラストマーへ含浸させにくくなる。また、炭素繊維複合成形品は、未架橋のままで成形されていると、エラストマーの分解が容易であって溶融ガラスの浸透が早いので、好ましい。
【００２２】
また、本発明にかかる炭素繊維複合ガラス材料及び炭素繊維複合ガラス成形品は、材料中に分散したカーボンナノファイバーによって赤外線などの光を吸収することができる。さらに、本発明にかかる炭素繊維複合ガラス材料及び炭素繊維複合ガラス成形品は、カーボンナノファイバーによってガラス単体における低熱伝導率を改善し、このような光の吸収によって発生した熱を外部へ逃がすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料は、エラストマーと、該エラストマーに分散された、ガラス粒子とカーボンナノファイバーと、を含む。
【００２５】
また、本発明にかかる炭素繊維複合成形品は、前記炭素繊維複合材料を架橋してもしくは未架橋で成形することで得られる。
【００２６】
本発明にかかる本発明にかかる炭素繊維複合ガラス材料は、炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を粉末成形することで得られる。
【００２７】
また、本発明にかかる炭素繊維複合ガラス材料は、炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を溶融ガラスに混入して鋳造することで得られる。
【００２８】
さらに、本発明にかかる炭素繊維複合ガラス成形品は、前記炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品に溶融ガラスを浸透させ、エラストマーをガラスと置換することで得られる。
【００２９】
本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料の製造方法は、カーボンナノファイバーに対して親和性を有する不飽和結合または基を有するエラストマーと、ガラス粒子と、を混合する工程と、前記ガラス粒子を含む前記エラストマーに、前記カーボンナノファイバーを混合させ、かつ剪断力によって分散させる工程と、を含む。
【００３０】
また、本発明にかかる炭素繊維複合成形品の製造方法は、前記炭素繊維複合材料を、所望の形状に成形する工程をさらに有する。また、本発明にかかる炭素繊維複合成形品の製造方法は、前記炭素繊維複合材料を、架橋するとともに成形する工程をさらに有する。
【００３１】
本発明にかかる炭素繊維複合ガラス材料の製造方法は、炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を粉末成形する工程をさらに有する。
【００３２】
また、本発明にかかる炭素繊維複合ガラス材料の製造方法は、炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品と溶融ガラスを鋳型内で鋳造する工程をさらに有する。
【００３３】
さらに、本発明にかかる炭素繊維複合ガラス成形品の製造方法は、前記炭素繊維複合成形品の上方にガラス塊を配置する工程と、前記ガラス塊を加熱し溶融させることで溶融ガラスとするとともに、前記炭素繊維複合成形品中の前記エラストマーを気化させ、前記溶融ガラスと置換する工程と、をさらに有する。
【００３４】
エラストマーは、例えば、カーボンナノファイバーと親和性が高いことの他に、分子長がある程度の長さを有すること、柔軟性を有すること、などの特徴を有することが望ましい。また、エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、できるだけ高い剪断力で混練されることが望ましい。
【００３５】
（ａ）まず、エラストマーについて説明する。
【００３６】
エラストマーは、分子量が好ましくは５０００ないし５００万、さらに好ましくは２万ないし３００万である。エラストマーの分子量がこの範囲であると、エラストマー分子が互いに絡み合い、相互につながっているので、エラストマーは、凝集したカーボンナノファイバーの相互に侵入しやすく、したがってカーボンナノファイバー同士を分離する効果が大きい。エラストマーの分子量が５０００より小さいと、エラストマー分子が相互に充分に絡み合うことができず、後の工程で剪断力をかけてもカーボンナノファイバーを分散させる効果が小さくなる。また、エラストマーの分子量が５００万より大きいと、エラストマーが固くなりすぎて加工が困難となる。
【００３７】
エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって、３０℃で測定した、未架橋体におけるネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）が好ましくは１００ないし３０００μ秒、より好ましくは２００ないし１０００μ秒である。上記範囲のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）を有することにより、エラストマーは、柔軟で充分に高い分子運動性を有することができる。このことにより、エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合したときに、エラストマーは高い分子運動によりカーボンナノファイバー相互の隙間に容易に侵入することができる。スピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）が１００μ秒より短いと、エラストマーが充分な分子運動性を有することができない。また、スピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）が３０００μ秒より長いと、エラストマーが液体のように流れやすくなり、カーボンナノファイバーを分散させることが困難となる。
【００３８】
また、エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって３０℃で測定した、架橋体における、ネットワーク成分のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）が１００ないし２０００μ秒であることが好ましい。その理由は、上述した未架橋体と同様である。すなわち、上記の条件を有する未架橋体を本発明の製造方法によって架橋化すると、得られる架橋体のＴ２ｎはおおよそ上記範囲に含まれる。
【００３９】
パルス法ＮＭＲを用いたハーンエコー法によって得られるスピン−スピン緩和時間は、物質の分子運動性を表す尺度である。具体的には、パルス法ＮＭＲを用いたハーンエコー法によりエラストマーのスピン−スピン緩和時間を測定すると、緩和時間の短い第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）を有する第１の成分と、緩和時間のより長い第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）を有する第２の成分とが検出される。第１の成分は高分子のネットワーク成分（骨格分子）に相当し、第２の成分は高分子の非ネットワーク成分（末端鎖などの枝葉の成分）に相当する。そして、第１のスピン−スピン緩和時間が短いほど分子運動性が低く、エラストマーは固いといえる。また、第１のスピン−スピン緩和時間が長いほど分子運動性が高く、エラストマーは柔らかいといえる。
【００４０】
パルス法ＮＭＲにおける測定法としては、ハーンエコー法でなくてもソリッドエコー法、ＣＰＭＧ法（カー・パーセル・メイブーム・ギル法）あるいは９０゜パルス法でも適用できる。ただし、本発明にかかる炭素繊維複合材料は中程度のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２）を有するので、ハーンエコー法が最も適している。一般的に、ソリッドエコー法および９０゜パルス法は、短いＴ２の測定に適し、ハーンエコー法は、中程度のＴ２の測定に適し、ＣＰＭＧ法は、長いＴ２の測定に適している。
【００４１】
エラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバー、特にその末端のラジカルに対して親和性を有する不飽和結合または基を有するか、もしくは、このようなラジカルまたは基を生成しやすい性質を有する。かかる不飽和結合または基としては、二重結合、三重結合、α水素、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつであることができる。
【００４２】
カーボンナノファイバーは、通常、側面は炭素原子の６員環で構成され、先端は５員環が導入されて閉じた構造となっているが、構造的に無理があるため、実際上は欠陥を生じやすく、その部分にラジカルや官能基を生成しやすくなっている。本実施の形態では、エラストマーの主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバーのラジカルと親和性（反応性または極性）が高い不飽和結合や基を有することにより、エラストマーとカーボンナノファイバーとを結合することができる。このことにより、カーボンナノファイバーの凝集力にうち勝ってその分散を容易にすることができる。
【００４３】
エラストマーとしては、天然ゴム（ＮＲ）、エポキシ化天然ゴム（ＥＮＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ，ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロブチルゴム（ＣＩＩＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、エポキシ化ブタジエンゴム（ＥＢＲ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＣＥＯ）、ウレタンゴム（Ｕ）、ポリスルフィドゴム（Ｔ）などのエラストマー類；オレフィン系（ＴＰＯ）、ポリ塩化ビニル系（ＴＰＶＣ）、ポリエステル系（ＴＰＥＥ）、ポリウレタン系（ＴＰＵ）、ポリアミド系（ＴＰＥＡ）、スチレン系（ＳＢＳ）、などの熱可塑性エラストマー；およびこれらの混合物を用いることができる。本発明者の研究によって、特にエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ，ＥＰＤＭ）においてカーボンナノファイバーを分散させにくいことが判っている。
【００４４】
（ｂ）次に、ガラス粒子について説明する。
【００４５】
ガラス粒子は、エラストマー中に混合し、分散させておいて、カーボンナノファイバーを混合させるときにカーボンナノファイバーをさらに良好に分散させるものである。ガラス粒子としては、市販されているガラス粒子を適宜用いることができるが、例えばSiO2/B2O3系、SiO2/ZnO/B2O3系、SiO2/PbO/B2O3系、SiO2/PbO/Al2O3/B2O3系、SiO2/PbO/ZnO/B2O3系、SiO2/BaO/B2O3系、SiO2/BaO/Al2O3系、SiO2/BaO/Li2O3系、SiO2/MgO/Al2O3系、SiO2/BaO/B2O3系、SiO2/ZnO/Li2O3系、SiO2/ZnO/SnO/P2O5系、SiO2/R2O/B2O3系、SiO2/RO系などのガラス粒子や、Na、Kc、Caなどのアルカリガラス、Ti、Fe、Ni、Coなどの成分を含むガラスを用いることができる。ガラス粒子は、使用するカーボンナノファイバーの平均直径よりも大きい平均粒径であることが好ましい。また、ガラス粒子の平均粒径は５００μｍ以下、好ましくは１〜３００μｍである。鋳造工程で浸透法を用いる場合には、ガラス粒子の量は、エラストマー１００重量部に対して、１０〜３０００重量部、好ましくは１００〜１０００重量部である。ガラス粒子が１０重量部以下であると、毛細管現象が小さく、溶融ガラスの浸透速度が遅いので、生産性及びコスト面で採用が難しい。また、ガラス粒子が３０００重量部以上であると、炭素繊維複合材料を製造する際に、エラストマーへ含浸させにくくなる。また、ガラス粒子の形状は、球形粒状に限らず、混合時にガラス粒子のまわりに乱流状の流動が発生する形状であれば平板状、りん片状であってもよい。
【００４６】
（ｃ）次に、カーボンナノファイバーについて説明する。
【００４７】
カーボンナノファイバーは、平均直径が０．５ないし５００ｎｍであることが好ましく、炭素繊維複合材料の強度を向上させるためには０．５ないし３０ｎｍであることがさらに好ましい。さらに、カーボンナノファイバーは、ストレート繊維状であっても、湾曲繊維状であってもよい。
【００４８】
カーボンナノファイバーの配合量は、特に限定されず、用途に応じて設定できる。本実施の形態の炭素繊維複合材料は、架橋体エラストマー、未架橋体エラストマーあるいは熱可塑性ポリマーをそのままエラストマー系材料として用いることができ、あるいはガラスの複合材料の原料として用いることができる。本実施の形態の炭素繊維複合材料をガラスの複合材料の原料として用いるときは、カーボンナノファイバーを０．０１〜５０重量％の割合で含むことができる。かかるガラスの複合材料の原料は、ガラスにカーボンナノファイバーを混合する際に、カーボンナノファイバーの供給源としてのいわゆるマスターバッチとして用いることができる。
【００４９】
カーボンナノファイバーとしては、例えば、いわゆるカーボンナノチューブなどが例示できる。カーボンナノチューブは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造を有する。すなわち、カーボンナノチューブは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有する炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブといった名称で称されることもある。
【００５０】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。
【００５１】
アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得る方法である。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。
【００５２】
レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面に、ＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面を溶融・蒸発させて、単層カーボンナノチューブを得る方法である。
【００５３】
気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、より具体的には、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などが例示できる。
【００５４】
カーボンナノファイバーは、エラストマーと混練される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００５５】
（ｄ）次に、エラストマーにガラス粒子とカーボンナノファイバーを混合させ、かつ剪断力によって分散させる工程について説明する。
【００５６】
本実施の形態では、エラストマーにガラス粒子とカーボンナノファイバーを混合させる工程として、ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール法を用いた例について述べる。
【００５７】
図１は、２本のロールを用いたオープンロール法を模式的に示す図である。図１において、符号１０は第１のロールを示し、符号２０は第２のロールを示す。第１のロール１０と第２のロール２０とは、所定の間隔ｄ、好ましくは１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．１ないし０．５ｍｍの間隔で配置されている。第１および第２のロールは、正転あるいは逆転で回転する。図示の例では、第１のロール１０および第２のロール２０は、矢印で示す方向に回転している。第１のロール１０の表面速度をＶ１、第２のロール２０の表面速度をＶ２とすると、両者の表面速度比（Ｖ１／Ｖ２）は、１．０５ないし１．２であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。まず、第１，第２のロール１０，２０が回転した状態で、第２のロール２０に、エラストマー３０を巻き付けると、ロール１０，２０間にエラストマーがたまった、いわゆるバンク３２が形成される。このバンク３２内にガラス粒子５０を加えて、さらに第１，第２のロール１０，２０を回転させることにより、エラストマー３０と、ガラス粒子５０と、を混合する工程が行われる。ついで、このエラストマー３０とガラス粒子５０とが混合されたバンク３２内にカーボンナノファイバー４０を加えて、第１、第２のロール１０，２０を回転させる。さらに、第１，第２ロール１０，２０の間隔を狭めて前述した間隔ｄとし、この状態で第１，第２ロール１０，２０を所定の表面速度比で回転させる。これにより、エラストマー３０に高い剪断力が作用し、この剪断力によって凝集していたカーボンナノファイバーが１本づつ引き抜かれるように相互に分離し、エラストマー３０に分散される。さらに、ロールによる剪断力はエラストマー内に分散されたガラス粒子のまわりに乱流状の流動を発生させる。この複雑な流動によってカーボンナノファイバーはさらにエラストマー３０に分散される。なお、ガラス粒子５０の混合前に、エラストマー３０とカーボンナノファイバー４０とを先に混合すると、カーボンナノファイバー４０にエラストマー３０の動きが拘束されてしまうため、ガラス粒子５０を混合することが難しくなる。したがって、エラストマー３０にカーボンナノファイバー４０を加える前にガラス粒子５０を混合する工程を行うことが好ましい。
【００５８】
また、この工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合は、好ましくは０ないし５０℃、より好ましくは５ないし３０℃の比較的低い温度で行われる。オープンロール法を用いた場合には、ロールの温度を上記の温度に設定することが望ましい。第１，第２ロール１０，２０の間隔ｄは、もっとも狭めた状態においてもガラス粒子５０の平均粒径よりも広く設定することで、エラストマー３０中のカーボンナノファイバー４０の分散を良好に行うことができる。
【００５９】
このとき、本実施の形態のエラストマーは、上述した特徴、すなわち、エラストマーの分子形態（分子長）、分子運動、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用などの特徴を有することによってカーボンナノファイバーの分散を容易にするので、分散性および分散安定性（カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと）に優れた炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品を得ることができる。より具体的には、エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、分子長が適度に長く、分子運動性の高いエラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、エラストマーの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合する。この状態で、エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物に強い剪断力が作用すると、エラストマーの移動に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、エラストマー中に分散されることになる。そして、一旦分散したカーボンナノファイバーは、エラストマーとの化学的相互作用によって再凝集することが防止され、良好な分散安定性を有することができる。
【００６０】
また、エラストマー中に所定量のガラス粒子が含まれていることで、ガラス粒子のまわりに発生するエラストマーの乱流のような幾通りもの複雑な流動によって、個々のカーボンナノファイバー同士を引き離す方向にも剪断力が働くことになる。したがって、直径が約３０ｎｍ以下のカーボンナノファイバーや湾曲繊維状のカーボンナノファイバーであっても、個々に化学的相互作用によって結合したエラストマー分子のそれぞれの流動方向へ移動するため、エラストマー中に均一に分散されることになる。
【００６１】
エラストマーにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、上記オープンロール法に限定されず、既に述べた密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。要するに、この工程では、凝集したカーボンナノファイバーを分離できる剪断力をエラストマーに与えることができればよい。
【００６２】
上述したエラストマーにガラス粒子とカーボンナノファイバーとを分散させて両者を混合させる工程（混合・分散工程）によって得られた炭素繊維複合材料は、架橋剤によって架橋させて成形するか、もしくは架橋させずに成形することができる。このときの成形方法は、例えば圧縮成形工程や押出成形工程などを行って炭素繊維複合成形品を得ることができる。圧縮成形工程は、例えばガラス粒子とカーボンナノファイバーとが分散した炭素繊維複合材料を、所定温度（例えば１７５℃）に設定された所望形状を有する成形金型内で所定時間（例えば２０分）加圧状態で成形する工程を有する。
【００６３】
エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合・分散工程において、あるいは続いて、通常、ゴムなどのエラストマーの加工で用いられる配合剤を加えることができる。配合剤としては公知のものを用いることができる。配合剤としては、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤などを挙げることができる。
【００６４】
（ｅ）次に、上記方法によって得られた炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品について述べる。
【００６５】
本実施の形態の炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品は、基材であるエラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されている。このことは、エラストマーがカーボンナノファイバーによって拘束されている状態であるともいえる。この状態では、カーボンナノファイバーによって拘束を受けたエラストマー分子の運動性は、カーボンナノファイバーの拘束を受けない場合に比べて小さくなる。そのため、本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品の第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）、第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）及びスピン−格子緩和時間（Ｔ１）は、カーボンナノファイバーを含まないエラストマー単体の場合より短くなる。特に、ガラス粒子を含むエラストマーにカーボンナノファイバーを混合した場合には、カーボンナノファイバーを含むエラストマーの場合より、第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）が短くなる。なお、架橋体（炭素繊維複合成形品）におけるスピン−格子緩和時間（Ｔ１）は、カーボンナノファイバーの混合量に比例して変化する。
【００６６】
また、エラストマー分子がカーボンナノファイバーによって拘束された状態では、以下の理由によって、非ネットワーク成分（非網目鎖成分）は減少すると考えられる。すなわち、カーボンナノファイバーによってエラストマーの分子運動性が全体的に低下すると、非ネットワーク成分は容易に運動できなくなる部分が増えて、ネットワーク成分と同等の挙動をしやすくなること、また、非ネットワーク成分（末端鎖）は動きやすいため、カーボンナノファイバーの活性点に吸着されやすくなること、などの理由によって、非ネットワーク成分は減少すると考えられる。そのため、第２のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率（ｆｎｎ）は、カーボンナノファイバーを含まないエラストマー単体の場合より小さくなる。特に、ガラス粒子を含むエラストマーにカーボンナノファイバーを混合した場合には、カーボンナノファイバーを含むエラストマーの場合より、さらに第２のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率（ｆｎｎ）は小さくなる。
【００６７】
以上のことから、本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品は、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって得られる測定値が以下の範囲にあることが望ましい。
【００６８】
すなわち、未架橋体（炭素繊維複合材料）において、１５０℃で測定した、第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）は１００ないし３０００μ秒であり、第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）は存在しないかあるいは１０００ないし１００００μ秒であり、さらに第２のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率（ｆｎｎ）は０．２未満であることが好ましい。
【００６９】
また、架橋体（炭素繊維複合成形品）において、１５０℃で測定した、第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）は１００ないし２０００μ秒であり、第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）は存在しないかあるいは１０００ないし４０００μ秒であり、前記第２のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率（ｆｎｎ）は０．０８未満であることが好ましい。
【００７０】
また、本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品は、パルス法ＮＭＲを用いたハーンエコー法によって得られる測定値が以下の範囲にあることが望ましい。すなわち、カーボンナノファイバー１体積％あたりの架橋体（炭素繊維複合成形品）の１５０℃で測定したスピン−格子緩和時間（Ｔ１）変化量（ΔＴ１）が、エラストマー単体の場合より１ｍｓｅｃ以上低下することが好ましく、さらに好ましくは２〜１５ｍｓｅｃ低下することが好ましい。
【００７１】
パルス法ＮＭＲを用いたハーンエコー法により測定されたスピン−格子緩和時間（Ｔ１）は、スピン−スピン緩和時間（Ｔ２）とともに物質の分子運動性を表す尺度である。具体的には、エラストマーのスピン−格子緩和時間が短いほど分子運動性が低く、エラストマーは固いといえ、そしてスピン−格子緩和時間が長いほど分子運動性が高く、エラストマーは柔らかいといえる。
【００７２】
本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品は、動的粘弾性の温度依存性測定における流動温度が、原料エラストマー単体の流動温度より２０℃以上高温であることが好ましい。本実施の形態の炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品は、エラストマーにガラス粒子とカーボンナノファイバーとが良好に分散されている。このことは、上述したように、エラストマーがカーボンナノファイバーによって拘束されている状態であるともいえる。この状態では、エラストマーは、カーボンナノファイバーを含まない場合に比べて、その分子運動が小さくなり、その結果、流動性が低下する。このような流動温度特性を有することにより、本実施の形態の炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品は、動的粘弾性の温度依存性が小さくなり、その結果、優れた耐熱性を有する。
【００７３】
本実施の形態の炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品は、既述したように、エラストマー系材料として用いることができ、複合ガラス材料の原料として用いることができる。カーボンナノファイバーは、通常、相互に絡み合って媒体に分散しにくい性質を有する。しかし、本実施の形態の炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品を複合ガラス材料の原料として用いると、カーボンナノファイバーがエラストマーに既に分散した状態で存在するので、この原料とガラスなどの媒体とを混合することでカーボンナノファイバーを媒体に容易に分散することができる。
【００７４】
（ｆ）次に、炭素繊維複合ガラス材料及び炭素繊維複合ガラス成形品を得る工程について説明する。
【００７５】
炭素繊維複合ガラス材料及び炭素繊維複合ガラス成形品を得る工程は、上記実施の形態で得られた炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品を用いて、例えば、以下のような各種の成形方法を採用することができる。
【００７６】
炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品を粉末成形する工程によって実施することができる。具体的には、例えば上記実施の形態で得られた炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品をそのまま、もしくは冷凍粉砕して炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品の粒子を、型内で圧縮し、焼結温度例えば７００℃で焼成して炭素繊維複合ガラス材料及び炭素繊維複合ガラス成形品を得ることができる。したがって、本実施の形態における粉末成形は、金属の成形加工における粉末成形と同様であり、いわゆる粉末冶金を含み、また粉末原料を用いた場合のみならず複合エラストマーのような場合、あらかじめ予備圧縮成形を施してブロック状とした原料をも含む。
【００７７】
また、炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品と、複合ガラス材料のマトリクスとなる他のガラスの粒子とを湿式混合した後、同様にして焼結して炭素繊維複合ガラス材料及び炭素繊維複合ガラス成形品を得ることもできる。この場合、溶剤中の他のガラス粒子に炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品を混ぜる（湿式混合）ことが望ましい。
【００７８】
さらに、冷凍粉砕して炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合成形品の粒子と、他のガラスの粒子と、を混合、例えばドライブレンドした後、型内で圧縮成形された後、焼結法によって炭素繊維複合ガラス材料及び炭素繊維複合ガラス成形品を得ることができる。
【００７９】
このような粉末成形によって製造された炭素繊維複合ガラス材料及び炭素繊維複合ガラス成形品は、カーボンナノファイバーをガラス中に分散させることができる。この工程で用いられる他のガラスの粒子は、炭素繊維複合材料を得るために用いられたガラスの粒子と同じ材質が好ましいが、粒子の大きさは粉末成形によって得られる複合ガラスの用途などによって適宜選択することができる。
【００８０】
炭素繊維複合ガラス材料の鋳造工程は、上記実施の形態で得られた炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品を、例えば溶融ガラスに混入して所望の形状を有する鋳型内で鋳造する工程によって実施することができる。このような鋳造法においては、溶融ガラスの中に炭素繊維複合成形品を混合させたまま鋳型内で凝固させ、炭素繊維複合ガラス材料もしくは炭素繊維複合ガラス成形品を成形する。なお、この鋳造工程において、炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品のエラストマーは、溶融ガラスの熱によって分解され、除去される。
【００８１】
溶融ガラスは、炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品にあらかじめ混合されたガラス粒子と同一のガラスを含むことで、ガラス粒子との濡れ性を向上させ、製品である炭素繊維複合ガラス材料もしくは炭素繊維複合ガラス成形品における強度を向上させることができる。
【００８２】
上述したような粉末成形や鋳造における炭素繊維複合材料または炭素繊維複合成形品の分解されたエラストマーは、ガストラップ装置などによりトラップして、除去される。
【００８３】
本実施の形態では、炭素繊維複合成形品に溶湯を浸透させるいわゆる非加圧浸透法を用いて鋳造する工程について、図２及び図３を用いて詳細に説明する。
【００８４】
図２及び図３は、非加圧浸透法によって炭素繊維複合ガラス成形品を製造する装置の概略構成図である。上記実施の形態で得られた炭素繊維複合成形品は、例えば最終製品の形状を有する成形金型内で加熱・圧縮成形された炭素繊維複合成形品４を使用することができる。炭素繊維複合成形品４は、架橋されていないことが好ましい。架橋されていないことで、溶融ガラスの浸透速度が速くなるためである。図２において、密閉された容器１内には、あらかじめ成形された炭素繊維複合成形品４（例えば架橋されていないエラストマー３０にガラス粒子５０及びカーボンナノファイバー４０を混入）が入れられる。その炭素繊維複合成形品４の上方にガラス塊５を配置される。次に、容器１に内蔵された図示せぬ加熱手段によって、容器１内に配置された炭素繊維複合成形品４及びガラス塊５をガラスの融点以上に加熱する。加熱されたガラス塊５は、溶融してガラスの溶湯となる。また、ガラスの溶湯に接触した炭素繊維複合成形品４中のエラストマー３０は、分解されて気化し、エラストマー３０が分解されてできた空所にガラスの溶湯が浸透する。エラストマーが分解された際に発生したガスは、ガストラップ装置２によってトラップして除去する。
【００８５】
本実施の態様の炭素繊維複合成形品４としては、エラストマー３０が分解されてできた空所が毛細管現象によってガラスの溶湯をより早く全体に浸透させることができる。ガラスの溶湯は、ガラス粒子５０間に毛細管現象によって浸透し炭素繊維複合成形品の内部まで完全にガラスの溶湯が満たされる。そして、容器１の加熱手段による加熱を停止させ、混合材料４中に浸透した溶融ガラスを冷却・凝固させ、図３に示すようなカーボンナノファイバー４０が均一に分散された炭素繊維複合ガラス成形品６を製造することができる。鋳造工程に用いられる炭素繊維複合成形品４は、あらかじめ鋳造工程で使用される溶融ガラスと同じ種類のガラス粒子を用いて成形されていることが好ましい。このようにすることで、溶融ガラスとガラス粒子とが混ざりやすく均質なガラスを得られる。
【００８６】
また、ガラスの溶湯の浸透による流動がカーボンナノファイバーをガラス粒子内まで侵入させることになる。さらに、分解されたエラストマー分子のラジカルによってカーボンナノファイバーの表面が活性化して、ガラスの溶湯との濡れ性が向上する。このようにして得られた炭素繊維複合ガラス成形品は、ガラスのマトリクス内に均一に分散したカーボンナノファイバーを有する。
【００８７】
また、上記実施の形態においては非加圧浸透法について説明したが、浸透法であればこれに限らず例えば不活性ガスなどの雰囲気の圧によって加圧する加圧浸透法を用いることもできる。
【実施例】
【００８８】
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８９】
（実施例１〜３、比較例１、２）
（１）サンプルの作製
（ａ）未架橋サンプル（炭素繊維複合材料）の作製
第１の工程：ロール径が６インチのオープンロール（ロール温度１０〜２０℃）に、表１に示す所定量（１００ｇ）のエラストマー（１００重量部（ｐｈｒ））を投入して、ロールに巻き付かせた。エラストマーは、分子量３００万の天然ゴム（ＮＲ）を用いた。
【００９０】
第２の工程：エラストマーに対して、表１に示す量（重量部）のガラス粒子をエラストマーに投入した。このとき、ロール間隙を１．５ｍｍとした。
【００９１】
第３の工程：次に、ガラス粒子を含むエラストマーに対して、表１に示す量（重量部）のカーボンナノファイバー（表１では「ＣＮＴ」と記載する）をエラストマーに投入した。このとき、ロール間隙を１．５ｍｍとした。
【００９２】
第４の工程：カーボンナノファイバーを投入し終わったら、エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物をロールから取り出した。
【００９３】
第５の工程：ロール間隙を１．５ｍｍから０．３ｍｍと狭くして、混合物を投入して薄通しをした。このとき、２本のロールの表面速度比を１．１とした。薄通しは繰り返し１０回行った。
【００９４】
第６の工程：ロールを所定の間隙（１．１ｍｍ）にセットして、薄通しした混合物を投入し、分出しした。
【００９５】
このようにして、実施例１〜３の未架橋サンプルを得た。また、第２〜第４の工程を省いて、比較例１の未架橋サンプルを得た。
【００９６】
なお、実施例１〜３のガラス粒子としては、ガラス粒子は、平均粒径３０μｍのＳｉＯ２/ＰｂＯ/Ｂ２Ｏ３を用いた。カーボンナノファイバーは、直径（繊維径）が約１０〜２０ｎｍのものを用いた。
【００９７】
（ｂ）架橋サンプル（炭素繊維複合成形品）の作製
第１〜第５の工程は、未架橋サンプルと同様に行った。
【００９８】
第６の工程：ロールを所定の間隙（１．１ｍｍ）にセットして、薄通しした混合物を投入し、さらに所定量の架橋剤（２重量部）を混合物に投入した。その後、この混合物を分出しした。
【００９９】
第７の工程：金型サイズに切り取ったサンプルを金型にセットし、１００℃、１００ＭＰａにて、２０分間プレス架橋を行った。
【０１００】
このようにして、実施例１〜３の架橋サンプルを得た。
【０１０１】
（ｃ）炭素繊維複合ガラス材料の作製
前述の（ａ）実施例１〜３で得られた未架橋サンプル（炭素繊維複合材料）を型に入れ、１００℃、１００ＭＰａにて予備成形し、ブロック状の未架橋サンプル（炭素繊維複合成形品）を作成した。さらに、未架橋サンプル（炭素繊維複合成形品）を容器（炉）内に配置させ、その未架橋サンプルの上にガラス板を置き、大気中でガラスの融点（６００℃）で１時間保持した。ガラス板は溶融し、ガラスの溶湯となり、未架橋サンプルのエラストマーと置換するように溶融ガラスが浸透した。溶融ガラスを浸透させた後、これを自然放冷して凝固させ、カーボンブラック複合材料（ガラス基）を得た。熱によって分解されたエラストマーのガスは、ガストラップ装置でトラップして除去された。
【０１０２】
また、比較例１として、カーボンナノファイバー９９vol％とガラス粒子１vol％をドライブレンドして型に詰めて予備成形し、さらにガラス板を載せて大気中６００℃、１時間保持してガラスを浸透させ、比較例２のサンプルを得た。
【０１０３】
さらに、比較例２として、ガラス単体のガラス板を用いた。
【０１０４】
（２）Ｅ’（動的粘弾性率）、ＴＢ（引張強度）およびＥＢ（切断伸び）の測定
複合材料の架橋サンプルについて、Ｅ’、ＴＢおよびＥＢをＪＩＳ  Ｋ  ６５２１−１９９３によって測定した。これらの結果を表１に示す。
【０１０５】
（３）電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察
実施例１〜３の架橋サンプル及び実施例１〜３、比較例１，２の炭素繊維複合ガラス材料について、電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてマトリクス中におけるカーボンナノファイバーの分散状態を観察した。これらの結果を表1に、カーボンナノファイバーの凝集塊（黒点）がほとんど無いものには○印、カーボンナノファイバーの凝集塊（黒点）が多いものには×印で記入した。
【０１０６】
（４）曲げ強さの測定
実施例１〜３、比較例１，２の炭素繊維複合ガラス材料について、曲げ強さをＪＩＳ  Ｋ  ７１７１によって測定した。より詳細には、曲げ強さの測定は、試料形状が幅１０×長さ８０×厚さ４ｍｍ、支持台が試料の両端から１０ｍｍの位置になるように試料を配置し、曲げ速度１ｍｍ／ｍｉｎで３点曲げ試験を行い、最大応力を曲げ強さとした。
【０１０７】
【表１】
2005255788.tif 000003
【０１０８】
表１から、本発明の実施例１〜３によれば、以下のことが確認された。すなわち、架橋サンプルを用いたＥ’、ＴＢおよびＥＢの結果から、カーボンナノファイバーの配合量を増やすことにより、切断伸びを維持しながら動的粘弾性率および引張強度が向上し、カーボンナノファイバーにより補強効果が得られることが確認された。
【０１０９】
表１の結果から、比較例１はサンプルごとに曲げ強さのばらつきがあることがわかり、実施例１〜３は曲げ強さのばらつきが少ないことがわかった。
【０１１０】
また、実施例１〜３の架橋体サンプル及び炭素繊維複合ガラス材料を電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察した結果、カーボンナノファイバーの凝集はほとんど観察されず良好（表1の丸印）であった。比較例１の複合ガラス材料は、ガラス成形状態の観察では黒点が多く確認（表１の×印）された。
【０１１１】
以上のことから、本発明によれば、一般に基材への分散が非常に難しいカーボンナノファイバーがマトリクス材料（エラストマー及びガラス）中に均一に分散されることが明かとなった。また、ガラス粒子をエラストマーに混合させることで、カーボンナノファイバー特に３０ｎｍ以下の細いカーボンナノファイバーや湾曲して絡みやすいカーボンナノファイバーにおいても、十分に分散させることができることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本実施の形態で用いたオープンロール法によるエラストマーとカーボンナノファイバーとの混練法を模式的に示す図である。
【図２】非加圧浸透法によって炭素繊維複合ガラス材料を製造する装置の概略構成図である。
【図３】非加圧浸透法によって炭素繊維複合ガラス材料を製造する装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１  容器
２  ガストラップ装置
４  炭素繊維複合成形品
５  ガラス塊
６  炭素繊維複合ガラス成形品
１０  第１のロール
２０  第２のロール
３０  エラストマー
４０  カーボンナノファイバー
５０  ガラス粒子
【図１】
2005255788.tif 000004
【図２】
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【図３】
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