JP7699989B2 - Carbon fiber composite material and method for producing the same - Google Patents
Carbon fiber composite material and method for producing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP7699989B2 JP7699989B2 JP2021124213A JP2021124213A JP7699989B2 JP 7699989 B2 JP7699989 B2 JP 7699989B2 JP 2021124213 A JP2021124213 A JP 2021124213A JP 2021124213 A JP2021124213 A JP 2021124213A JP 7699989 B2 JP7699989 B2 JP 7699989B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- silicone rubber
- carbon nanotubes
- composite material
- fiber composite
- carbon fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Description
本発明は、カーボンナノチューブを含む炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon fiber composite material containing carbon nanotubes and a method for producing the carbon fiber composite material.
シリコーンゴムは低温から高温まで幅広い温度範囲で特性の変化が少ないため、他のゴムに比べて使用温度範囲が非常に広いことが特徴であるが、力学的強度が低いという課題がある。そこで、補強材としてシリカ粒子の代わりにカーボンナノチューブをシリコーンゴムに配合し、さらに、シランカップリング剤等を用いてカーボンナノチューブとシリコーンゴム分子との接着強度を上げることで、通常のシリカ粒子の配合では到達できない引張強さ及び引張疲労耐久性を向上した炭素繊維複合材料の開発に成功した(特許文献1)。 Silicone rubber has a very wide temperature range compared to other rubbers because its properties change little over a wide temperature range from low to high temperatures. However, it has the problem of low mechanical strength. Therefore, by blending carbon nanotubes instead of silica particles into silicone rubber as a reinforcing material, and further increasing the adhesive strength between the carbon nanotubes and the silicone rubber molecules using a silane coupling agent, etc., a carbon fiber composite material with improved tensile strength and tensile fatigue durability that cannot be achieved by blending ordinary silica particles was successfully developed (Patent Document 1).
また、シリコーンゴムに少量のカーボンナノチューブを配合することで、ゴムとしての柔軟性と損失正接(tanδ)の値が大きい炭素繊維複合材料が提案されている(特許文献2)。 In addition, a carbon fiber composite material has been proposed that has high rubber flexibility and loss tangent (tan δ) by blending a small amount of carbon nanotubes into silicone rubber (Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1の炭素繊維複合材料は、柔軟性が低く、高硬度であるため用途に制限があり、特許文献2の炭素繊維複合材料は、柔軟性に優れるものの低硬度になると裂けやすい傾向がある。
However, the carbon fiber composite material of
そこで、本発明は、低硬度でありながら引裂き強さに優れる炭素繊維複合材料及び炭素繊維複合材料の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a carbon fiber composite material that has low hardness but excellent tear strength, and a method for producing the carbon fiber composite material.
本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。 The present invention has been made to solve at least some of the problems described above, and can be realized in the following aspects or application examples.
[1]本発明に係る炭素繊維複合材料の一態様は、
架橋したシリコーンゴム中にカーボンナノチューブを含む炭素繊維複合材料であって、
前記カーボンナノチューブ及びその界面相が第1シリコーンゴム領域を囲むことによって形成されるセル構造と、複数の前記セル構造が連続して第2シリコーンゴム領域を囲むように環状に形成される連続構造と、を含み、
前記炭素繊維複合材料の断面において前記連続構造は、1μm2当たりの前記カーボンナノチューブの本数が2本を超える領域であり、
前記断面において前記第2シリコーンゴム領域は、面積が0.1μm2以上10μm
2
以下であり、かつ、1μm2当たりの前記カーボンナノチューブの本数が2本以下の領域であり、
前記第2シリコーンゴム領域が占める面積の総和は、45%以上80%以下であり、
前記第2シリコーンゴム領域の最大幅は、0.1μm以上6μm以下であることを特徴とする。
[1] One embodiment of the carbon fiber composite material according to the present invention is
A carbon fiber composite material containing carbon nanotubes in a crosslinked silicone rubber,
a cellular structure formed by the carbon nanotubes and their interphase surrounding a first silicone rubber region, and a continuous structure in which a plurality of the cellular structures are continuously formed in an annular shape so as to surround a second silicone rubber region,
In a cross section of the carbon fiber composite material, the continuous structure is a region in which the number of the carbon nanotubes per 1 μm2 exceeds two,
In the cross section, the second silicone rubber region has an area of 0.1 μm2 or more and 10 μm2 or less , and the number of the carbon nanotubes per 1 μm2 is two or less,
the total area occupied by the second silicone rubber region is 45% or more and 80% or less;
The second silicone rubber region has a maximum width of 0.1 μm or more and 6 μm or less .
[2]上記炭素繊維複合材料の一態様において、
前記連続構造の幅は、0.01μm~5μmであることができる。
[ 2 ] In one embodiment of the carbon fiber composite material,
The width of the continuous structure may be between 0.01 μm and 5 μm.
[3]上記炭素繊維複合材料の一態様において、
前記カーボンナノチューブの平均直径は、2nm~30nmであることができる。
[ 3 ] In one embodiment of the carbon fiber composite material,
The carbon nanotubes may have an average diameter of 2 nm to 30 nm.
[4]上記炭素繊維複合材料の一態様において、
前記カーボンナノチューブは、前記シリコーンゴム100質量部に対して0.5質量部~7.0質量部含むことができる。
[ 4 ] In one embodiment of the carbon fiber composite material,
The carbon nanotubes may be included in an amount of 0.5 parts by mass to 7.0 parts by mass based on 100 parts by mass of the silicone rubber.
[5]上記炭素繊維複合材料の一態様において、
JIS K6253に基づく硬度が65度~78度であることができる。
[ 5 ] In one embodiment of the carbon fiber composite material,
The hardness based on JIS K6253 may be 65 degrees to 78 degrees.
[6]上記炭素繊維複合材料の一態様において、
室温におけるJIS K6251に基づく引張試験の50%伸び時の応力が2.0MPa~5.0MPaであることができる。
[ 6 ] In one embodiment of the carbon fiber composite material,
The stress at 50% elongation in a tensile test based on JIS K6251 at room temperature may be 2.0 MPa to 5.0 MPa.
[7]上記炭素繊維複合材料の一態様において、
室温におけるJIS K6252に基づく引裂き試験の引裂き強さ(Tr)が45N/mm~65N/mmであることができる。
[ 7 ] In one embodiment of the carbon fiber composite material,
The tear strength (Tr) at room temperature in a tear test based on JIS K6252 can be 45 N/mm to 65 N/mm.
[8]本発明に係る炭素繊維複合材料の製造方法の一態様は、
シリコーンゴムにカーボンナノチューブを混合して混合物を得る第1混合工程と、
前記混合物をロール間隔が0mmを超え0.5mm以下に設定されかつロール温度が0℃~50℃に設定されたオープンロールに投入して薄通しして第1複合ゴムを得る第1混練工程と、
前記第1複合ゴムにシリコーンゴムをさらに混合して第2複合ゴムを得る第2混合工程と、
前記第2複合ゴムをロール間隔が0mmを超え0.5mm以下に設定されかつロール温度が0℃~50℃に設定されたオープンロールに投入して薄通しして炭素繊維複合材料を得る第2混練工程と、
を含み、
前記カーボンナノチューブの平均直径は、2nm~30nmであり、
前記第1混合工程は、100質量部のシリコーンゴムに対して3質量部~15質量部の前記カーボンナノチューブを混合し、
前記第2混合工程は、前記第2複合ゴムがシリコーンゴム100質量部に対して前記カーボンナノチューブ0.5質量部~7質量部となるようにシリコーンゴムを混合することを特徴とする。
[ 8 ] One embodiment of the method for producing a carbon fiber composite material according to the present invention is
a first mixing step of mixing the silicone rubber with the carbon nanotubes to obtain a mixture;
a first kneading step of feeding the mixture into open rolls having a roll gap set to more than 0 mm and not more than 0.5 mm and a roll temperature set to 0° C. to 50° C., and kneading the mixture thinly to obtain a first composite rubber;
a second mixing step of further mixing a silicone rubber with the first composite rubber to obtain a second composite rubber;
a second kneading step in which the second composite rubber is fed into an open roll having a roll gap set to more than 0 mm and not more than 0.5 mm and a roll temperature set to 0° C. to 50° C., and thin-kneaded to obtain a carbon fiber composite material;
Including,
The carbon nanotubes have an average diameter of 2 nm to 30 nm;
The first mixing step includes mixing 3 parts by mass to 15 parts by mass of the carbon nanotubes with 100 parts by mass of silicone rubber;
The second mixing step is characterized in that the silicone rubber is mixed so that the second composite rubber contains 0.5 to 7 parts by mass of the carbon nanotubes per 100 parts by mass of the silicone rubber .
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。 Below, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the embodiments described below do not unduly limit the content of the present invention described in the claims. Furthermore, not all of the configurations described below are necessarily essential components of the present invention.
1.炭素繊維複合材料
本発明の一実施の形態にかかる炭素繊維複合材料は、架橋したシリコーンゴム中にカーボンナノチューブを含む炭素繊維複合材料であって、前記カーボンナノチューブ及びその界面相が第1シリコーンゴム領域を囲むことによって形成されるセル構造と、複数の前記セル構造が連続して第2シリコーンゴム領域を囲むように環状に形成される連続構造と、を含む。
1. Carbon Fiber Composite Material A carbon fiber composite material according to one embodiment of the present invention is a carbon fiber composite material containing carbon nanotubes in cross-linked silicone rubber, and includes a cell structure formed by the carbon nanotubes and their interfacial phase surrounding a first silicone rubber region, and a continuous structure in which a plurality of the cell structures are continuously formed in a ring shape so as to surround a second silicone rubber region.
炭素繊維複合材料は、カーボンナノチューブが解繊された状態で全体に分散している。炭素繊維複合材料は、カーボンナノチューブの凝集塊が存在しない。凝集塊が存在すると破壊の起点となり、機械的強度の低下を招くからである。 In carbon fiber composite materials, carbon nanotubes are dispersed throughout in a defibrated state. Carbon fiber composite materials do not contain agglomerates of carbon nanotubes. If agglomerates exist, they can become the starting point of fracture, resulting in a decrease in mechanical strength.
炭素繊維複合材料は、JIS K6253に基づく硬度が65度~78度であることができる。カーボンナノチューブの補強効果を有しながら、78度以下の比較的低硬度を実現することにより、シリコーンゴム製品における炭素繊維複合材料の適用範囲・用途・市場を拡大することができる。 The carbon fiber composite material can have a hardness of 65 to 78 degrees based on JIS K6253. By achieving a relatively low hardness of 78 degrees or less while retaining the reinforcing effect of carbon nanotubes, it is possible to expand the range of applications, uses, and markets for carbon fiber composite materials in silicone rubber products.
炭素繊維複合材料は、室温におけるJIS K6251に基づく引張試験の50%伸び時の応力が2.0MPa~5.0MPaであることができる。炭素繊維複合材料の50%伸び時の応力が2.0MPa以上であることにより、瞬間的な伸び変形に対する抵抗性に優れるため、材料破壊を抑制することができる。また、炭素繊維複合材料は、室温におけるJIS K6251に基づく引張試験の50%伸び時の応力が2.2MPa~4.5MPaであることがより好ましい。 The carbon fiber composite material may have a stress of 2.0 MPa to 5.0 MPa at 50% elongation in a tensile test based on JIS K6251 at room temperature. When the stress of the carbon fiber composite material at 50% elongation is 2.0 MPa or more, it has excellent resistance to instantaneous elongation deformation, and material destruction can be suppressed. It is more preferable that the stress of the carbon fiber composite material at 50% elongation in a tensile test based on JIS K6251 at room temperature is 2.2 MPa to 4.5 MPa.
炭素繊維複合材料は、室温におけるJIS K6252に基づく引裂き試験の引裂き強さ(Tr)が45N/mm~65N/mmであることができる。室温における炭素繊維複合材料の引裂き強さが45N/mm以上であることにより、機械的強度に優れる。このため、炭素繊維複合材料は、成形における脱型時の破損を抑制することができる。また、炭素繊維複合材料は、室温におけるJIS K6252に準拠した引裂き試験における引裂き強さが48N/mm~61N/mmであることがより好ましい。 The carbon fiber composite material may have a tear strength (Tr) of 45 N/mm to 65 N/mm in a tear test based on JIS K6252 at room temperature. When the tear strength of the carbon fiber composite material is 45 N/mm or more at room temperature, the material has excellent mechanical strength. This makes it possible to suppress breakage of the carbon fiber composite material when it is demolded during molding. It is more preferable that the carbon fiber composite material has a tear strength of 48 N/mm to 61 N/mm in a tear test based on JIS K6252 at room temperature.
次に、炭素繊維複合材料を構成する材料について説明する。 Next, we will explain the materials that make up carbon fiber composite materials.
1.1.シリコーンゴム
シリコーンゴムとしては特に限定されないが、オルガノポリシロキサンの生ゴムであることができ、主鎖がシロキサン結合で構成され、側鎖にメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等のアルキル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基、ビニル基、アリル
基、ブテニル基、ヘキセニル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基等のアリール基、ベンジル基、γ-フェニルプロピル基等のアラルキル基、又はこれらの基の炭素原子に結合した水素原子の一部又は全部をハロゲン原子、シアノ基などで置換した基、例えば、クロロメチル基、トリフルオロプロピル基、シアノエチル基などを持つことができる。シリコーンゴムの分子構造は、直鎖状であることができ、一部分岐を有した直鎖状であることができる。
1.1. Silicone rubber Silicone rubber is not particularly limited, but may be organopolysiloxane raw rubber, the main chain of which is composed of siloxane bonds, and the side chain may have alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl, and butyl groups, cycloalkyl groups such as cyclohexyl groups, alkenyl groups such as vinyl, allyl, butenyl, and hexenyl groups, aryl groups such as phenyl and tolyl groups, aralkyl groups such as benzyl and γ-phenylpropyl groups, or groups in which some or all of the hydrogen atoms bonded to the carbon atoms of these groups have been substituted with halogen atoms, cyano groups, etc., such as chloromethyl groups, trifluoropropyl groups, and cyanoethyl groups. The molecular structure of silicone rubber may be linear, or may be linear with some branches.
シリコーンゴムには、公知の架橋剤を用いることができ、例えば、架橋形態として縮合型反応、付加型反応、過酸化物反応を用いることができ、過酸化物架橋が好ましい。シリコーンゴムを架橋剤で架橋することによって、耐熱性や耐薬品性に優れた炭素繊維複合材料を製造することができる。 A known crosslinking agent can be used for silicone rubber. For example, a condensation reaction, an addition reaction, or a peroxide reaction can be used as the crosslinking form, with peroxide crosslinking being preferred. By crosslinking silicone rubber with a crosslinking agent, a carbon fiber composite material with excellent heat resistance and chemical resistance can be produced.
また、シリコーンゴムとしては、シリカが予め配合されているシリコーンゴムコンパウンドを含む。市販されているシリコーンゴムは、通常シリカが配合されている。シリコーンゴムは低温から高温まで幅広い温度で優れた特性を有することが特徴であるが、物理的強度が低いため、予めシリカ粒子が配合されたコンパウンドが一般的である。 Silicone rubber also includes silicone rubber compounds that already contain silica. Commercially available silicone rubber usually contains silica. Silicone rubber is characterized by its excellent properties over a wide range of temperatures, from low to high, but because it has low physical strength, compounds that already contain silica particles are generally used.
1.2.カーボンナノチューブ
カーボンナノチューブは、平均直径(繊維径)が2nm~30nmであることができ、さらに9nm~20nmであることができる。このようなカーボンナノチューブは、その平均直径が比較的細いため、比表面積が大きく、マトリックスであるエラストマーとの表面反応性が向上し、エラストマー中におけるカーボンナノチューブの分散不良を改善しやすい傾向がある。カーボンナノチューブは、直径が2nm以上であれば市場で入手可能であり、30nm以下であれば引裂き強さ、加熱後の抗張積維持に優れるという効果を有する。カーボンナノチューブは、その表面のエラストマーとの反応性を向上させるために、公知の活性化処理を施すことができる。カーボンナノチューブの平均直径は、電子顕微鏡による観察によって計測することができる。なお、本発明の詳細な説明においてカーボンナノチューブの平均直径及び平均長さは、電子顕微鏡による例えば5,000倍の撮像(カーボンナノチューブのサイズによって適宜倍率は変更できる)から200箇所以上の直径及び長さを計測し、その算術平均値として計算して得ることができる。
1.2. Carbon nanotubes Carbon nanotubes can have an average diameter (fiber diameter) of 2 nm to 30 nm, and can further be 9 nm to 20 nm. Such carbon nanotubes have a relatively small average diameter, so that they have a large specific surface area, and the surface reactivity with the elastomer matrix is improved, and the poor dispersion of the carbon nanotubes in the elastomer tends to be improved. Carbon nanotubes with a diameter of 2 nm or more are commercially available, and those with a diameter of 30 nm or less have the effect of being excellent in tear strength and tensile product retention after heating. Carbon nanotubes can be subjected to a known activation treatment in order to improve the reactivity of their surface with the elastomer. The average diameter of the carbon nanotubes can be measured by observation with an electron microscope. In the detailed description of the present invention, the average diameter and average length of the carbon nanotubes can be obtained by measuring the diameter and length at 200 or more points from an image taken with an electron microscope at, for example, 5,000 times (the magnification can be changed appropriately depending on the size of the carbon nanotubes), and calculating the arithmetic average value.
カーボンナノチューブは、炭素六角網面のグラファイトの1枚面(グラフェンシート)を巻いて筒状にした形状を有するいわゆる多層カーボンナノチューブ(MWCNT:マルチウォールカーボンナノチューブ)及び単層カーボンナノチューブ(SWCNT:シングルウォールカーボンナノチューブ)の少なくとも一方であり、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。カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブ及び単層カーボンナノチューブを含んでもよい。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、気相成長炭素繊維といった名称で称されることもある。 Carbon nanotubes are at least one of so-called multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and single-walled carbon nanotubes (SWCNT), which have a shape formed by rolling up one surface (graphene sheet) of carbon hexagonal mesh graphite into a cylindrical shape, and carbon materials partially having a carbon nanotube structure can also be used. Carbon nanotubes may include multi-walled carbon nanotubes and single-walled carbon nanotubes. In addition to the name carbon nanotubes, they are also called graphite fibril nanotubes and vapor-grown carbon fibers.
カーボンナノチューブは、気相成長法によって得ることができる。気相成長法は、触媒気相合成法(Catalytic Chemical Vapor Deposition:CCVD)とも呼ばれ、炭化水素等のガスを金属系触媒の存在下で気相熱分解させて未処理のカーボンナノチューブを製造する方法である。より詳細に気相成長法を説明すると、例えば、ベンゼン、トルエン等の有機化合物を原料とし、フェロセン、ニッケルセン等の有機遷移金属化合物を金属系触媒として用い、これらをキャリアーガスとともに高温例えば400℃~1000℃の反応温度に設定された反応炉に導入し、浮遊状態あるいは反応炉壁にカーボンナノチューブを生成させる浮遊流動反応法(Floating Reaction Method)や、あらかじめアルミナ、酸化マグネシウム等のセラミックス上に担持された金属含有粒子を炭素含有化合物と高温で接触させてカーボンナノチュ
ーブを基板上に生成させる触媒担持反応法(Substrate Reaction Method)等を用いることができる。例えば、平均直径が9nm~20nmのカーボンナノチューブは触媒担持反応法によって得ることができ、これより太いカーボンナノチューブは浮遊流動反応法によって得ることができる。カーボンナノチューブの直径は、例えば金属含有粒子の大きさや反応時間などで調節することができる。
Carbon nanotubes can be obtained by a vapor phase growth method, also known as catalytic chemical vapor deposition (CCVD), which is a method for producing raw carbon nanotubes by pyrolyzing a gas such as a hydrocarbon in the presence of a metal catalyst. To explain the vapor phase growth method in more detail, for example, a floating reaction method is used in which an organic compound such as benzene or toluene is used as a raw material, and an organic transition metal compound such as ferrocene or nickelcene is used as a metal-based catalyst, and these are introduced into a reactor set at a high reaction temperature, for example, 400°C to 1000°C, together with a carrier gas, to generate carbon nanotubes in a floating state or on the reactor wall, or a substrate reaction method is used in which metal-containing particles previously supported on ceramics such as alumina or magnesium oxide are contacted with a carbon-containing compound at high temperature to generate carbon nanotubes on a substrate. For example, carbon nanotubes with an average diameter of 9 nm to 20 nm can be obtained by the catalyst support reaction method, and carbon nanotubes thicker than this can be obtained by the floating reaction method. The diameter of the carbon nanotubes can be adjusted, for example, by the size of the metal-containing particles and the reaction time.
カーボンナノチューブの配合量は、例えば要求される硬度に応じて調整することができ、シリコーンゴム100質量部に対して0.5質量部~7.0質量部含むことができる。また、カーボンナノチューブは、シリコーンゴム100質量部に対し、2質量部~5質量部を配合することがより好ましく、3質量部~5質量部を配合することがさらに好ましい。カーボンナノチューブが7.0質量部以下であれば、炭素繊維複合材料はコスト競争力に優れることができると共に伸びや柔軟性を維持したままゴム硬度を78度以下に調整しやすく、しかもカーボンナノチューブによる補強により引裂き強さに優れることができる。また、カーボンナノチューブは、0.5質量部以上をシリコーンゴム100質量部に配合し解繊した状態で複合化することによって、後述する微小なセル構造及び連続構造を炭素繊維複合材料中に形成し、補強効果を発揮する。 The amount of carbon nanotubes can be adjusted according to the required hardness, for example, and can be 0.5 to 7.0 parts by mass per 100 parts by mass of silicone rubber. It is more preferable to mix 2 to 5 parts by mass of carbon nanotubes, and even more preferable to mix 3 to 5 parts by mass of carbon nanotubes, per 100 parts by mass of silicone rubber. If the amount of carbon nanotubes is 7.0 parts by mass or less, the carbon fiber composite material can be cost-competitive, and the rubber hardness can be easily adjusted to 78 degrees or less while maintaining elongation and flexibility, and the tear strength can be excellent due to the reinforcement by the carbon nanotubes. In addition, by mixing 0.5 parts by mass or more of carbon nanotubes with 100 parts by mass of silicone rubber and compounding them in a defibrated state, a microcellular structure and continuous structure, which will be described later, are formed in the carbon fiber composite material, thereby exerting a reinforcing effect.
1.3.その他の配合剤
シリコーンゴムに対して、ゴムの一般的な配合剤として用いられている例えばシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化亜鉛などの金属酸化物、カーボンブラックなどの補強剤、タルク、クレー、グラファイト、けい酸カルシウム等の充填剤、ステアリン酸、パルミチン酸、パラフィンワックス等の加工助剤、老化防止剤、可塑剤、カップリング剤等を必要に応じて適宜添加して用いることができる。カーボンブラックやグラファイトは、炭素繊維複合材料の力学的補強としての効果はほとんどないが、混練加工性の向上などが期待できる。
1.3. Other compounding agents General compounding agents used in rubber, such as metal oxides such as silica, alumina, magnesium oxide, and zinc oxide, reinforcing agents such as carbon black, fillers such as talc, clay, graphite, and calcium silicate, processing aids such as stearic acid, palmitic acid, and paraffin wax, antioxidants, plasticizers, and coupling agents, can be added to silicone rubber as needed. Carbon black and graphite have almost no effect on the mechanical reinforcement of carbon fiber composite materials, but are expected to improve kneading processability.
本実施形態に用いるカップリング剤は、チタネート系カップリング剤、シラン系カップリング剤、アルミネート系カップリング剤及びジルコネート系カップリング剤からなる群から選ばれる1種類以上であることができる。 The coupling agent used in this embodiment can be one or more types selected from the group consisting of titanate-based coupling agents, silane-based coupling agents, aluminate-based coupling agents, and zirconate-based coupling agents.
シラン系カップリング剤としては、信越化学工業社、東レ社、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアル社等のものを用いることができ、例えば、シラン系-1:3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、シラン系-2:3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、シラン系-3:3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン等を用いることができる。 Silane coupling agents that can be used include those manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Toray Industries, Inc., Momentive Performance Materials, Inc., etc., such as silane-1:3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, silane-2:3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, and silane-3:3-mercaptopropyltrimethoxysilane.
チタネート系カップリング剤、アルミネート系カップリング剤及びジルコネート系カップリング剤としては、味の素社やKENRICH社等のものを用いることができ、チタネート系としては例えばテトラ(2,2ジアリルオキシメチル)ブチル、ジ(ジトリデシル)フォスファイトチタネート等を用いることができ、アルミネート系としては例えばアルキルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート等を用いることができ、ジルコネート系としてはテトラ(2,2ジアリルオキシメチル)ブチル、ジ(ジトリデシル)フォスファイトジルコネート等を用いることができる。 Titanate-based coupling agents, aluminate-based coupling agents, and zirconate-based coupling agents can be those manufactured by Ajinomoto Co., Ltd., KENRICH Co., Ltd., etc., and examples of titanate-based agents that can be used include tetra(2,2-diallyloxymethyl)butyl and di(ditridecyl)phosphite titanate, examples of aluminate-based agents that can be used include alkylacetoacetate aluminum diisopropylate, and examples of zirconate-based agents that can be used include tetra(2,2-diallyloxymethyl)butyl and di(ditridecyl)phosphite zirconate.
1.4.構造的特徴
炭素繊維複合材料について本発明者等が走査型電子顕微鏡を用いた計測を行った結果、硬度78度以下で機械的強度に優れる炭素繊維複合材料には共通する構造的特徴があることがわかった。
1.4 Structural Features The inventors of the present invention performed measurements of carbon fiber composite materials using a scanning electron microscope and found that carbon fiber composite materials with a hardness of 78 degrees or less and excellent mechanical strength have common structural features.
そこで、図1及び図2を用いて、炭素繊維複合材料50の構造的特徴について詳細に説
明する。図1は炭素繊維複合材料50の断面の画像90における構造を説明する模式図であり、図2は図1における破線の枠を拡大して示す図である。なお、画像90は、炭素繊維複合材料50の断面を撮影することで得られる写真であって、当該断面は凍結割断面であってもよいし、引張破断面であってもよい。また、画像90は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)によって観察し、撮影して得られる。
The structural features of the carbon
図1及び図2に示す炭素繊維複合材料50は、架橋したシリコーンゴム30中に複数のカーボンナノチューブ20を含む。カーボンナノチューブ20は、解繊された状態でシリコーンゴム30中に存在する。
The carbon
炭素繊維複合材料50は、カーボンナノチューブ20及びその界面相62が第1シリコーンゴム領域64を囲むことによって形成されるセル構造60と、複数のセル構造60が連続して第2シリコーンゴム領域72を囲むように環状に形成される連続構造70と、を含む。界面相62は、エラストマーとカーボンナノファイバーとの界面を含むカーボンナノファイバーの周囲に形成される、いわゆるバウンドラバーのようなものである。
The carbon
炭素繊維複合材料50の断面において連続構造70は、1μm2当たりのカーボンナノチューブ20の本数が2本を超える領域である。連続構造70は、カーボンナノチューブ20の本数が1μm2当たりの2本を超える密な状態であるため、カーボンナノチューブの周囲の界面相62同士が連続した状態を形成すると考えられる。そして、近接するカーボンナノチューブ20及び界面相62に囲まれた小さな体積を有するシリコーンゴム30が第1シリコーンゴム領域64となる。第1シリコーンゴム領域64は、セル構造60の一部となることで変形が抑制される。そして、連続構造70は、炭素繊維複合材料50の全体に立体的な網目構造を形成して炭素繊維複合材料50の変形を拘束するが、カーボンナノチューブ20の配合量が少ないため、炭素繊維複合材料50の柔軟性に与える影響は比較的少ない。そして、連続構造70が炭素繊維複合材料50の全体に形成されることにより、機械的強度、特に引裂き強さに優れることができる。
In the cross section of the carbon
連続構造70の幅は、0.01μm~5μmであることができ、さらに0.05μm~3μmであることができる。当該幅は、連続構造70を挟んで隣接する第2シリコーンゴム領域72同士の間隔であり、連続構造70と第2シリコーンゴム領域72の境界における複数の測定箇所のそれぞれにおける最短の間隔である。
The width of the
炭素繊維複合材料50の断面において第2シリコーンゴム領域72は、面積が0.1μm2以上であり、かつ、1μm2当たりの前記カーボンナノチューブの本数が2本以下の領域である。第2シリコーンゴム領域72は、第1シリコーンゴム領域64に比べて大きな面積を有する。そして、大きな面積の第2シリコーンゴム領域72におけるカーボンナノチューブ20の本数が2本以下であることにより、第2シリコーンゴム領域72は柔軟性に優れると考えられる。第2シリコーンゴム領域72と連続構造70を構成する第1シリコーンゴム領域64とは明確な境界を有するわけではなく、同じシリコーンゴム30から構成されるため相溶する。
In the cross section of the carbon
第2シリコーンゴム領域72の面積は、0.1μm2以上10μm2以下であることができる。第2シリコーンゴム領域72は連続構造70により囲まれた領域であるため当該面積が0.1μm2未満となることはない。また、当該面積が10μm2以下であることにより、炭素繊維複合材料50は機械的強度、特に引裂き強さに優れることができる。第2シリコーンゴム領域72の面積は、0.2μm2以上8μm以下2であることができ、0.2μm2以上6μm2以下であることができる。
The area of the second
炭素繊維複合材料50の断面における第2シリコーンゴム領域72が占める面積の総和は、45%以上80%以下であることができ、さらに当該面積の総和は、50%以上75%以下であることができる。また、第2シリコーンゴム領域72の最大幅は、0.1μm以上6μm以下であることができる。当該面積の総和が45%未満であると、連続構造70が発達して、硬度が上昇すると共に、柔軟性が低下する傾向がある。また、当該面積の総和が全体に占める割合が80%を超えると連続構造70が途切れる箇所が多くなり、カーボンナノチューブ20による補強性が低下する傾向がある。当該面積の総和の測定は、画像90における第2シリコーンゴム領域72の面積の総和として求めることができ、全体の面積は画像90の面積となる。
The total area occupied by the second
第2シリコーンゴム領域72は、画像編集ソフトウェアを用いて、画像90のカーボンナノチューブ20がある箇所に点を描き、1μm2当たりのカーボンナノチューブ20の本数が2本以下の領域を線で囲むように描くことで特定する。そして、画像90において第2シリコーンゴム領域72以外の領域が連続構造70として特定できる。第2シリコーンゴム領域72の面積等の測定に用いる画像90は、炭素繊維複合材料50のサンプルにおける断面の複数個所(例えば3か所)を撮影した複数枚の画像90を用いることが好ましい。画像90は、カーボンナノチューブ20が確認できる倍率で撮影したものであり、例えば1万倍である。
The second
2.炭素繊維複合材料の製造方法
炭素繊維複合材料の製造方法について図3~図8を用いて詳細に説明する。
2. Manufacturing Method of Carbon Fiber Composite Material The manufacturing method of the carbon fiber composite material will be described in detail with reference to FIGS.
図3は、本実施形態に係る炭素繊維複合材料の製造方法のフローチャートであり、図4~図8は、本実施形態に係る炭素繊維複合材料の製造方法を模式的に示す図である。 Figure 3 is a flowchart of the method for producing a carbon fiber composite material according to this embodiment, and Figures 4 to 8 are diagrams that show the schematic diagram of the method for producing a carbon fiber composite material according to this embodiment.
図3に示すように、炭素繊維複合材料の製造方法は、第1混合工程(S10)と、第1混練工程(S20)と、第2混合工程(S30)と、第2混練工程(S40)と、を含む。炭素繊維複合材料の製造方法は、さらに素練り工程及び/または成型工程を含んでもよい。 As shown in FIG. 3, the method for producing a carbon fiber composite material includes a first mixing step (S10), a first kneading step (S20), a second mixing step (S30), and a second kneading step (S40). The method for producing a carbon fiber composite material may further include a mastication step and/or a molding step.
図4~図8に示すように、本実施形態に係る炭素繊維複合材料の製造方法は、オープンロール100を用いた例について説明する。2本ロールのオープンロール100における第1のロール110と第2のロール120とは、所定のロール間隔d、例えば0.5mm~1.5mmの間隔で配置され、図4~図6において矢印で示す方向に回転速度V1,V2で正転あるいは逆転で回転する。
As shown in Figures 4 to 8, the method for producing a carbon fiber composite material according to this embodiment will be described by using an example of an
まず、図4に示すように、第1のロール110に巻き付けられたシリコーンゴム30の素練りを行ない、シリコーンゴム分子鎖を適度に切断してフリーラジカルを生成する。素練りによって生成されたシリコーンゴムのフリーラジカルがカーボンナノチューブと結びつきやすい状態となる。
First, as shown in FIG. 4, the
2.1.第1混合工程
次に、図5に示すように、第1混合工程(S10)は、第1のロール110に巻き付けられたシリコーンゴム30のバンク34に、カーボンナノチューブ20を混合して混合物36(図6)を得る。第1混合工程(S10)は、100質量部のシリコーンゴム30に対して3質量部~15質量部のカーボンナノチューブ20を混合することができる。カーボンナノチューブ20の解繊は、後述する通り適度な弾性と粘性により可能となる。シリコーンゴム30は元々弾性が低い材料であるが、カーボンナノチューブ20を3質量部以上含むことにより材料全体の弾性を向上させることができ、カーボンナノチューブ20の解繊を促進させることができる。また、カーボンナノチューブ20が多すぎると材料全体
の粘度が高くなりすぎて加工が難しくなるが、カーボンナノチューブ20が15質量部以下であれば、適度な粘度でカーボンナノチューブ20を解繊することができる。
2.1. First Mixing Step Next, as shown in FIG. 5, in the first mixing step (S10),
2.2.第1混練工程
次に、図6に示すように、第1混練工程(S20)は、混合物36をロール間隔dが0mmを超え0.5mm以下に設定されかつロール温度が0℃~50℃に設定されたオープンロール100に投入して薄通しして第1複合ゴム37を得る。
2.2. First kneading step Next, as shown in FIG. 6, in the first kneading step (S20), the
薄通しの回数は、例えば1回~10回程度行なうことができる。 The thin pass can be performed, for example, 1 to 10 times.
第1のロール110の表面速度をV1、第2のロール120の表面速度をV2とすると、薄通しにおける両者の表面速度比(V1/V2)は、1.05~3.00であることができ、さらに1.05~1.2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。
If the surface speed of the
このように狭いロール間から押し出された第1複合ゴム37は、シリコーンゴムの弾性による復元力で図6のように大きく変形し、その際にシリコーンゴムと共にカーボンナノチューブが大きく移動する。
The first
薄通しして得られた第1複合ゴム37は、ロールで圧延されて所定厚さのシート状に分出ししてもよい。
The first
この薄通しの工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、ロール温度を例えば0~50℃、より好ましくは5~30℃の比較的低い温度に設定して行われ、シリコーンゴムの実測温度も0~50℃に調整されることができる。 In this thin-threading process, in order to obtain the highest possible shear force, the roll temperature is set to a relatively low temperature, for example, 0 to 50°C, more preferably 5 to 30°C, and the actual temperature of the silicone rubber can also be adjusted to 0 to 50°C.
このようにして得られた剪断力により、シリコーンゴムに高い剪断力が作用し、凝集していたカーボンナノチューブがシリコーンゴム分子に1本ずつ引き抜かれるように相互に分離して解繊し、シリコーンゴム中に分散される。特に、シリコーンゴムは、弾性と、粘性と、カーボンナノチューブとの化学的相互作用と、を有するため、カーボンナノチューブを容易に分散することができる。そして、カーボンナノチューブの分散性及び分散安定性(カーボンナノチューブが再凝集しにくいこと)に優れた第1複合ゴム37を得ることができる。
The shear force thus obtained acts on the silicone rubber, and the aggregated carbon nanotubes are separated from each other and defibrated as if they are pulled out one by one into the silicone rubber molecules, and are dispersed in the silicone rubber. In particular, silicone rubber has elasticity, viscosity, and chemical interaction with the carbon nanotubes, so that the carbon nanotubes can be easily dispersed. Thus, a first
より具体的には、オープンロール100でシリコーンゴムとカーボンナノチューブとを混合すると、粘性を有するシリコーンゴムがカーボンナノチューブの相互に侵入し、かつ、シリコーンゴムの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノチューブの活性の高い部分と結合する。カーボンナノチューブの表面の活性が適度に高いと、特にシリコーンゴム分子と結合し易くなることができる。次に、シリコーンゴムに強い剪断力が作用すると、シリコーンゴム分子の移動に伴ってカーボンナノチューブも移動し、さらに剪断後の弾性によるシリコーンゴムの復元力によって、凝集していたカーボンナノチューブが分離されて、シリコーンゴム中に分散されることになる。
More specifically, when silicone rubber and carbon nanotubes are mixed on the
本実施の形態によれば、第1複合ゴム37が狭いロール間から押し出された際に、シリコーンゴムの弾性による復元力で第1複合ゴム37はロール間隔dより厚く変形する。その変形は、強い剪断力の作用した第1複合ゴム37をさらに複雑に流動させ、カーボンナノチューブをシリコーンゴム中に分散させると推測できる。そして、一旦分散したカーボンナノチューブは、シリコーンゴム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。
According to this embodiment, when the first
第1混練工程(S20)は、シリコーンゴムにカーボンナノチューブを剪断力によって解繊させることができれば、前記オープンロール法に限定されず、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チューブを分離して解繊できる剪断力をシリコーンゴムに与えることができればよい。特に、オープンロール法は、ロール温度の管理だけでなく、混合物の実際の温度を測定し管理することができるため、好ましい。 The first kneading step (S20) is not limited to the open roll method, and a closed kneading method or a multi-screw extrusion kneading method can also be used as long as the carbon nanotubes can be defibrated in the silicone rubber by shear force. In short, this step only requires that a shear force capable of separating and defibrating the aggregated carbon nanotubes can be applied to the silicone rubber. In particular, the open roll method is preferred because it allows not only the roll temperature to be controlled, but also the actual temperature of the mixture to be measured and controlled.
2.3.第2混合工程
次に、図7に示すように、第2混合工程(S30)は、第1のロール110に巻き付けられた第1複合ゴム37のバンク34にシリコーンゴム30をさらに混合して第2複合ゴム38(図8)を得る。第2混合工程(S30)は、第2複合ゴム38がシリコーンゴム100質量部に対してカーボンナノチューブ0.5質量部~7質量部となるようにシリコーンゴム30を混合することができる。
7, in the second mixing step (S30),
2.4.第2混練工程
次に、図8に示すように、第2混練工程(S40)は、第2複合ゴム38をロール間隔dが0mmを超え0.5mm以下に設定されかつロール温度が0℃~50℃に設定されたオープンロール100に投入して薄通しして炭素繊維複合材料50を得る。第2混練工程(S40)は、第1混練工程(S20)と同様に行うことができる。
8, in the second kneading step (S40), the second
カーボンナノチューブは第1複合ゴム37の中で既に解繊されて全体に均一な構造が発達しているため、第2混合工程(S30)だけでは追加のシリコーンゴム30と第1複合ゴム37とが完全に混ざらず、上述した通りの連続構造と、当該連続構造により囲まれた第2シリコーンゴム領域という特別な構造をとらない。しかし、第2混練工程(S40)を経ることにより炭素繊維複合材料50は、上述した通り連続構造と、当該連続構造により囲まれた第2シリコーンゴム領域という特別な構造を有することになる。
Since the carbon nanotubes have already been defibrated in the first
薄通しして得られた炭素繊維複合材料50は、ロールで圧延されて所定厚さのシート状に分出ししてもよい。
The carbon
第2混練工程(S40)から得られた炭素繊維複合材料50は、未架橋の状態であるので、架橋剤を混合した上で所定の温度で架橋及び成型することができる。なお、架橋剤はシリコーンゴムとカーボンナノチューブとの混合前、混合中、あるいは薄通し後の分出し前等に、適宜混合することができる。
The carbon
前記のように、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。したがって、このような変形例はすべて、本発明の範囲に含まれるものとする。 As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail, but it will be readily apparent to those skilled in the art that many modifications are possible that do not substantially depart from the novel features and effects of the present invention. Therefore, all such modifications are intended to be included within the scope of the present invention.
(1)サンプルの作製
実施例1~6及び比較例4,5のサンプルは、以下の工程によって作製した。
(1) Preparation of Samples The samples of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 4 and 5 were prepared by the following steps.
素練り工程: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及び表2に示す100質量部(phr)のシリコーンゴムを投入して、ロールに巻き付かせた(図4参照)。 Mastication process: 100 parts by weight (phr) of silicone rubber shown in Tables 1 and 2 was placed on an open roll with a roll diameter of 6 inches (roll temperature 10 to 20°C) and wound around the roll (see Figure 4).
第1混合工程:次に、シリコーンゴム100質量部に対してカーボンナノチューブ8質量部(表1及び表2では「CNT-1」、「CNT-2」、「CNT-3」と記載した)及びシランカップリング剤等の配合剤をシリコーンゴムに投入した(図5参照)。このと
き、ロール間隔dを1.5mmとした。カーボンナノチューブが混合されたシリコーンゴムの混合物をロールから取り出した。
First mixing step: Next, 8 parts by mass of carbon nanotubes (referred to as "CNT-1", "CNT-2" and "CNT-3" in Tables 1 and 2) per 100 parts by mass of silicone rubber and compounding agents such as a silane coupling agent were added to the silicone rubber (see FIG. 5). At this time, the roll distance d was set to 1.5 mm. The silicone rubber mixture with the carbon nanotubes mixed in was taken out from the rolls.
第1混練工程:ロール間隔dを1.5mmから0.3mmと狭くして、混合物をロール温度10℃~20℃に設定したロールに投入して薄通しを行い、第1複合ゴムを得た(図6参照)。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5回行った。 First kneading process: The roll gap d was narrowed from 1.5 mm to 0.3 mm, and the mixture was fed into rolls whose roll temperatures were set to 10°C to 20°C, and thin passing was performed to obtain a first composite rubber (see Figure 6). At this time, the surface speed ratio of the two rolls was set to 1.1. Thin passing was repeated five times.
第2混合工程:ロール間隔dを0.3mmから1.5mmに変更して、第1複合ゴムをオープンロールに投入し、さらに表1の配合となるようにシリコーンゴムを混合して第2複合ゴムを得た(図7参照)。 Second mixing process: The roll distance d was changed from 0.3 mm to 1.5 mm, and the first composite rubber was fed into the open rolls. Silicone rubber was then mixed in to obtain the composition shown in Table 1 to obtain the second composite rubber (see Figure 7).
第2混練工程:ロール間隔dを1.5mmから0.3mmと狭くして、第2複合ゴムをオープンロールに投入して薄通しをし、炭素繊維複合材料を得た(図8参照)。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5回行った。 Second kneading process: The roll gap d was narrowed from 1.5 mm to 0.3 mm, and the second composite rubber was fed into the open rolls and thin-passed to obtain a carbon fiber composite material (see Figure 8). At this time, the surface speed ratio of the two rolls was set to 1.1. Thin-passing was repeated five times.
さらに、架橋剤として旭化成ワッカーシリコーン製、DS-8(2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルパーオキシ)ヘキサン)、含有量50%、シリコーンゴム100質量部に対して0.5質量部を炭素繊維複合材料に加え、ロールを所定の間隔(2.1mmから2.2mm)にセットして、未架橋の炭素繊維複合材料を分出しした。 Furthermore, DS-8 (2,5-dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexane) manufactured by Asahi Kasei Wacker Silicone was added as a crosslinking agent at a content of 50% (0.5 parts by mass per 100 parts by mass of silicone rubber) to the carbon fiber composite material, and the rolls were set at a predetermined interval (2.1 mm to 2.2 mm) to separate the uncrosslinked carbon fiber composite material.
比較例1,2は、カーボンナノチューブを配合しないので、上記素練り工程の後、架橋剤を投入して未架橋のサンプルを得た。また、比較例3は、上記第1混合工程でシリコーンゴム100質量部に対してカーボンナノチューブ3質量部を投入して混合し、上記第1混練工程を実行して得られた混合物に、架橋剤を加えて未架橋のサンプルを得た。 In Comparative Examples 1 and 2, carbon nanotubes were not blended, so a crosslinking agent was added after the mastication process to obtain an uncrosslinked sample. In Comparative Example 3, 3 parts by mass of carbon nanotubes were added to 100 parts by mass of silicone rubber in the first mixing process, and a crosslinking agent was added to the mixture obtained by carrying out the first kneading process to obtain an uncrosslinked sample.
成形工程:実施例1~6及び比較例1~5については、未架橋の炭素繊維複合材料(比較例1,2は未架橋のゴム組成物)を真空プレス機に投入し、170℃~180℃、5分~10分間プレス成形(1次架橋)した。 Molding process: For Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5, the uncrosslinked carbon fiber composite material (Comparative Examples 1 and 2 are uncrosslinked rubber compositions) was placed in a vacuum press and press molded (primary crosslinking) at 170°C to 180°C for 5 to 10 minutes.
さらに、炭素繊維複合材料をオーブンに移して、200℃、2時間2次架橋して、実施例1~6及び比較例1~5の架橋したシート状の炭素繊維複合材料サンプル(比較例1,2は架橋したゴム組成物サンプル)を得た。 The carbon fiber composite material was then transferred to an oven and subjected to secondary crosslinking at 200°C for 2 hours to obtain crosslinked sheet-like carbon fiber composite material samples of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5 (Comparative Examples 1 and 2 were crosslinked rubber composition samples).
実施例1~6の各サンプルは、ゴム硬度(Hs)が70度±5度程度になるように、カーボンナノチューブの配合量を調整した。比較例2のサンプルは、カーボンナノチューブを配合しない状態でゴム硬度が70度のものを用いた。 The amount of carbon nanotubes in each sample in Examples 1 to 6 was adjusted so that the rubber hardness (Hs) was about 70 degrees ± 5 degrees. The sample in Comparative Example 2 had a rubber hardness of 70 degrees without the addition of carbon nanotubes.
なお、表の配合欄におけるシリコーンゴム及び各種配合剤の詳細は以下の通りであった。 The details of the silicone rubber and various compounding ingredients in the compounding column of the table are as follows:
CNT-1:多層カーボンナノチューブ(平均直径15.3nm)、
CNT-2:多層カーボンナノチューブ(繊維径18.5nm)、
CNT-3:多層カーボンナノチューブ(繊維径17.0nm)、
シランカップリング剤:信越化学工業製、シランカップリング剤KMB-503(3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン)、
であった。
CNT-1: multi-walled carbon nanotube (average diameter 15.3 nm),
CNT-2: multi-walled carbon nanotube (fiber diameter 18.5 nm),
CNT-3: multi-walled carbon nanotube (fiber diameter 17.0 nm),
Silane coupling agent: Silane coupling agent KMB-503 (3-methacryloxypropyltrimethoxysilane), manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
It was.
実施例1~6及び比較例1~5の試験サンプルについて、以下に説明する各種試験を行い、試験結果を表1及び表2に示した。 The test samples of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5 were subjected to the various tests described below, and the test results are shown in Tables 1 and 2.
(2)基本特性試験
実施例及び比較例の各サンプルについて、ゴム硬度(Hs(JIS-A))をJIS K 6253に基づいて測定した。
(2) Basic Property Tests For each sample of the examples and comparative examples, rubber hardness (Hs (JIS-A)) was measured in accordance with JIS K 6253.
また、実施例及び比較例の各サンプルのJIS3号形ダンベル形状に打ち抜いた試験片について、島津製作所社製オートグラフAG-Xの引張試験機を用いて、23±2℃、引張速度500mm/minでJIS K6251に基づいて引張試験を行い、引張強さ(TS(MPa))、破断伸び(Eb(%))、50%伸び時の応力(M50(MPa))、及び100%伸び時の応力(M100(MPa))を測定した。測定結果は、表の各欄に示した。 Furthermore, for the test pieces punched out into a JIS No. 3 dumbbell shape for each sample of the examples and comparative examples, a tensile test was carried out in accordance with JIS K6251 at 23±2°C and a tensile speed of 500 mm/min using a Shimadzu Autograph AG-X tensile tester, and the tensile strength (TS (MPa)), breaking elongation (Eb (%)), stress at 50% elongation (M50 (MPa)), and stress at 100% elongation (M100 (MPa)) were measured. The measurement results are shown in each column of the table.
(3)引裂き試験
実施例及び比較例の各サンプルを、JIS K6252切込み無しのアングル形の試験片に打ち抜き、島津製作所社製オートグラフAG-Xを用いて、室温において、引張速度500mm/minでJIS K6252に準拠して引裂き試験を行い、列理及び反列理方向のサンプルについて、引裂き強さ(Tr(N/mm))を計算した。測定結果は、表の各欄に示した。
(3) Tear test Each sample of the examples and comparative examples was punched out into an angle-shaped test piece without a notch as specified in JIS K6252, and a tear test was carried out at room temperature at a tensile speed of 500 mm/min in accordance with JIS K6252 using an Autograph AG-X manufactured by Shimadzu Corporation, and the tear strength (Tr (N/mm)) was calculated for the samples in the grain and anti-grain directions. The measurement results are shown in each column of the table.
(4)SEM計測
実施例及び比較例の引張試験後の各サンプルの破断面をSEMで1万倍に拡大して撮影した。実施例2のサンプルの引張破断面のSEMにより取得した画像90(写真)を図9に示した。各画像における白く細い糸状の部分及び白い点がカーボンナノチューブである。次に、図10に示すように、画像編集ソフトウェアを用いて、各画像90におけるカーボンナノチューブ20のある個所に点を描き、さらに1μm2当たりのカーボンナノチューブ20の本数が2本以下の領域を線で囲むように描くことで第2シリコーンゴム領域72を特定した。これにより、各画像90における第2シリコーンゴム領域72以外の領域が連続構造70として特定できた。また、サンプル毎に異なる3か所を撮影し3枚の画像90を得て、それぞれの画像90で同様に第2シリコーンゴム領域72と連続構造70を特定した。なお、実施例のサンプル中にカーボンナノチューブ20の凝集塊は確認されなかった。
(4) SEM Measurement The fracture surface of each sample after the tensile test of the Example and Comparative Example was photographed by SEM at 10,000 times magnification. FIG. 9 shows an image 90 (photograph) obtained by SEM of the tensile fracture surface of the sample of Example 2. The white thin thread-like parts and white dots in each image are carbon nanotubes. Next, as shown in FIG. 10, image editing software was used to draw dots at the locations of the
次に、各画像90において、第2シリコーンゴム領域72の最大幅(表では「最大幅」、μm)、第2シリコーンゴム領域72の面積(表では「面積」、μm2)、当該面積の総和が画像90全体に占める割合(表では「割合」、%)及び連続構造70の幅(表では「幅」、μm)を測定した。当該最大幅は、画像編集ソフトウェアを用いて各第2シリコーンゴム領域72の重心点を通り対向する外縁間を結ぶ最も長い直線を描いてその直線の長さを最大幅として測定し、全ての第2シリコーンゴム領域72の最大幅の最大値及び最小値を抽出した。当該面積は、画像編集ソフトウェアを用いて画像90における第2シリコーンゴム領域72の面積を測定し、その最大値及び最小値を抽出した。当該割合は、測定された当該面積の総和を画像90の面積で割ることにより求めた。当該幅は、画像編集ソフトウェアを用いて各画像90における隣接する第2シリコーンゴム領域72の外縁間に直線を複数描いて、当該直線の長さの最大値及び最小値を求めた。当該直線は、第2シリコーンゴム領域72の外縁における任意の点から隣接する第2シリコーンゴム領域72の外縁に向けて引いた直線の内最も短い直線である。結果は、表1及び表2に記載した。
Next, in each
表1及び表2によれば、実施例1~実施例6及び比較例1~比較例4のサンプルは、硬度が74度以下であった。比較例5は、硬度が91度であった。 According to Tables 1 and 2, the samples of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 had a hardness of 74 degrees or less. Comparative Example 5 had a hardness of 91 degrees.
表1及び表2によれば、実施例1~実施例6のサンプルは、50%伸び時の応力(M50)が2.2MPa以上の値を示し、100%伸び時の応力(M100)が2.7MPa以上の値を示した。比較例1~比較例4のサンプルは、50%伸び時の応力(M50)が1.9MPa以下の値を示し、100%伸び時の応力(M100)が2.1MPa以下の値を示し、比較例5のサンプルは、50%伸び時の応力(M50)及び100%伸び時の応力(M100)の値が実施例よりも大きな値であった。 According to Tables 1 and 2, the samples of Examples 1 to 6 showed a stress at 50% elongation (M50) of 2.2 MPa or more, and a stress at 100% elongation (M100) of 2.7 MPa or more. The samples of Comparative Examples 1 to 4 showed a stress at 50% elongation (M50) of 1.9 MPa or less, and a stress at 100% elongation (M100) of 2.1 MPa or less, and the sample of Comparative Example 5 showed a stress at 50% elongation (M50) and a stress at 100% elongation (M100) values greater than those of the Examples.
表1及び表2によれば、実施例1~実施例6のサンプルは、室温における引裂き強さ(Tr)が48.6N/mm以上であった。比較例1~比較例5のサンプルは、室温における引裂き強さが実施例よりも小さい値を示した。 According to Tables 1 and 2, the samples of Examples 1 to 6 had tear strengths (Tr) of 48.6 N/mm or more at room temperature. The samples of Comparative Examples 1 to 5 had tear strengths at room temperature that were smaller than those of the Examples.
表1及び表2によれば、実施例1~実施例6のサンプルは、第2シリコーンゴム領域72の面積が画像90に占める割合が52.3%~74.8%であった。比較例1,2のサ
ンプルは第2シリコーンゴム領域72が存在せず、比較例3~比較例5のサンプルは、第2シリコーンゴム領域72の面積が画像90に占める割合が33.6%~89.3%であった。
According to Tables 1 and 2, in the samples of Examples 1 to 6, the ratio of the area of the second
表1及び表2によれば、実施例1~実施例6のサンプルは、第2シリコーンゴム領域72の面積が0.24μm2~5.54μm2であった。比較例3,4のサンプルは0.92μm2~13.8μm2であり、比較例5のサンプルは第2シリコーンゴム領域72の面積が0.23μm2~1.85μm2であった。
According to Tables 1 and 2, the areas of the second
表1及び表2によれば、実施例1~実施例6のサンプルは、第2シリコーンゴム領域72の最大幅が0.50μm~4.42μmであった。比較例3,4のサンプルは第2シリコーンゴム領域72の最大幅が1.21μm~9.43μmであり、比較例5のサンプルは第2シリコーンゴム領域72の最大幅が0.37μm~2.55μmであった。
According to Tables 1 and 2, the samples of Examples 1 to 6 had a maximum width of the second
表1及び表2によれば、実施例1~実施例6のサンプルは、連続構造70の幅が0.05μm~2.70μmであった。比較例3,4のサンプルは連続構造70が存在せず、比較例5のサンプルは連続構造70の幅が1.13μm~6.70μmであった。
According to Tables 1 and 2, the width of the
20…カーボンナノチューブ、30…シリコーンゴム、34…バンク、36…混合物、37…第1複合ゴム、38…第2複合ゴム、50…炭素繊維複合材料、60…セル構造、62…界面相、64…第1シリコーンゴム領域、70…連続構造、72…第2シリコーンゴム領域、90…画像、100…オープンロール、110…第1のロール、120…第2のロール、d…ロール間隔、V1,V2…回転速度 20...carbon nanotubes, 30...silicone rubber, 34...bank, 36...mixture, 37...first composite rubber, 38...second composite rubber, 50...carbon fiber composite material, 60...cell structure, 62...interphase, 64...first silicone rubber region, 70...continuous structure, 72...second silicone rubber region, 90...image, 100...open roll, 110...first roll, 120...second roll, d...roll spacing, V1, V2...rotation speed
Claims (8)
前記カーボンナノチューブ及びその界面相が第1シリコーンゴム領域を囲むことによって形成されるセル構造と、複数の前記セル構造が連続して第2シリコーンゴム領域を囲むように環状に形成される連続構造と、を含み、
前記炭素繊維複合材料の断面において前記連続構造は、1μm2当たりの前記カーボンナノチューブの本数が2本を超える領域であり、
前記断面において前記第2シリコーンゴム領域は、面積が0.1μm2以上10μm 2 以下であり、かつ、1μm2当たりの前記カーボンナノチューブの本数が2本以下の領域であり、
前記第2シリコーンゴム領域が占める面積の総和は、45%以上80%以下であり、
前記第2シリコーンゴム領域の最大幅は、0.1μm以上6μm以下である、炭素繊維複合材料。 A carbon fiber composite material containing carbon nanotubes in a crosslinked silicone rubber,
a cellular structure formed by the carbon nanotubes and their interphase surrounding a first silicone rubber region, and a continuous structure in which a plurality of the cellular structures are continuously formed in an annular shape so as to surround a second silicone rubber region,
In a cross section of the carbon fiber composite material, the continuous structure is a region in which the number of the carbon nanotubes per 1 μm2 exceeds two,
In the cross section, the second silicone rubber region has an area of 0.1 μm2 or more and 10 μm2 or less , and the number of the carbon nanotubes per 1 μm2 is two or less,
the total area occupied by the second silicone rubber region is 45% or more and 80% or less;
A carbon fiber composite material , wherein the second silicone rubber region has a maximum width of 0.1 μm or more and 6 μm or less .
前記連続構造の幅は、0.01μm~5μmである、炭素繊維複合材料。 In claim 1 ,
The carbon fiber composite material, wherein the width of the continuous structure is 0.01 μm to 5 μm.
前記カーボンナノチューブの平均直径は、2nm~30nmである、炭素繊維複合材料。 In claim 1 or 2 ,
The carbon nanotubes have an average diameter of 2 nm to 30 nm.
前記カーボンナノチューブは、前記シリコーンゴム100質量部に対して0.5質量部~7.0質量部含む、炭素繊維複合材料。 In any one of claims 1 to 3 ,
The carbon nanotubes are contained in a carbon fiber composite material in an amount of 0.5 to 7.0 parts by mass per 100 parts by mass of the silicone rubber.
JIS K6253に基づく硬度が65度~78度である、炭素繊維複合材料。 In any one of claims 1 to 4 ,
A carbon fiber composite material having a hardness of 65 degrees to 78 degrees based on JIS K6253.
室温におけるJIS K6251に基づく引張試験の50%伸び時の応力が2.0MPa~5.0MPaである、炭素繊維複合材料。 In any one of claims 1 to 5 ,
A carbon fiber composite material having a stress at 50% elongation of 2.0 MPa to 5.0 MPa in a tensile test based on JIS K6251 at room temperature.
室温におけるJIS K6252に基づく引裂き試験の引裂き強さ(Tr)が45N/mm~65N/mmである、炭素繊維複合材料。 In any one of claims 1 to 6 ,
A carbon fiber composite material having a tear strength (Tr) of 45 N/mm to 65 N/mm at room temperature in a tear test based on JIS K6252.
前記混合物をロール間隔が0mmを超え0.5mm以下に設定されかつロール温度が0℃~50℃に設定されたオープンロールに投入して薄通しして第1複合ゴムを得る第1混練工程と、
前記第1複合ゴムにシリコーンゴムをさらに混合して第2複合ゴムを得る第2混合工程と、
前記第2複合ゴムをロール間隔が0mmを超え0.5mm以下に設定されかつロール温度が0℃~50℃に設定されたオープンロールに投入して薄通しして炭素繊維複合材料を得る第2混練工程と、
を含み、
前記カーボンナノチューブの平均直径は、2nm~30nmであり、
前記第1混合工程は、100質量部のシリコーンゴムに対して3質量部~15質量部の前記カーボンナノチューブを混合し、
前記第2混合工程は、前記第2複合ゴムがシリコーンゴム100質量部に対して前記カーボンナノチューブ0.5質量部~7質量部となるようにシリコーンゴムを混合する、炭素繊維複合材料の製造方法。 a first mixing step of mixing the silicone rubber with the carbon nanotubes to obtain a mixture;
a first kneading step of feeding the mixture into open rolls having a roll gap set to more than 0 mm and not more than 0.5 mm and a roll temperature set to 0° C. to 50° C., and kneading the mixture thinly to obtain a first composite rubber;
a second mixing step of further mixing a silicone rubber with the first composite rubber to obtain a second composite rubber;
a second kneading step in which the second composite rubber is fed into an open roll having a roll gap set to more than 0 mm and not more than 0.5 mm and a roll temperature set to 0° C. to 50° C., and thin-kneaded to obtain a carbon fiber composite material;
Including,
The carbon nanotubes have an average diameter of 2 nm to 30 nm;
The first mixing step includes mixing 3 parts by mass to 15 parts by mass of the carbon nanotubes with 100 parts by mass of silicone rubber;
In the second mixing step, silicone rubber is mixed so that the second composite rubber contains 0.5 to 7 parts by mass of carbon nanotubes per 100 parts by mass of silicone rubber .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021124213A JP7699989B2 (en) | 2021-07-29 | 2021-07-29 | Carbon fiber composite material and method for producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021124213A JP7699989B2 (en) | 2021-07-29 | 2021-07-29 | Carbon fiber composite material and method for producing the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023019472A JP2023019472A (en) | 2023-02-09 |
| JP7699989B2 true JP7699989B2 (en) | 2025-06-30 |
Family
ID=85160583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021124213A Active JP7699989B2 (en) | 2021-07-29 | 2021-07-29 | Carbon fiber composite material and method for producing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7699989B2 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004339427A (en) | 2003-05-19 | 2004-12-02 | Fuiisa Kk | Silicone resin composition comprising carbon nanotube and method for producing the same |
| JP2012224816A (en) | 2011-04-22 | 2012-11-15 | Nissin Kogyo Co Ltd | Method for producing carbon fiber composite material, carbon fiber composite material and oil field apparatus |
| JP2013049752A (en) | 2011-08-30 | 2013-03-14 | Nissin Kogyo Co Ltd | Carbon fiber composite material, method for manufacturing the same, and liner for prosthetic limb device |
| WO2014088005A1 (en) | 2012-12-04 | 2014-06-12 | 日信工業株式会社 | Carbon fiber composite material, and method for producing carbon fiber composite material |
| JP2017082145A (en) | 2015-10-30 | 2017-05-18 | 日信工業株式会社 | Carbon fiber composite material and manufacturing method of carbon fiber composite material |
| JP2019065269A (en) | 2017-09-28 | 2019-04-25 | 日信工業株式会社 | Carbon fiber composite material and manufacturing method of carbon fiber composite material |
| CN110003657A (en) | 2019-04-18 | 2019-07-12 | 青岛科技大学 | Silicon rubber nano composite material and preparation method thereof with isolation structure |
-
2021
- 2021-07-29 JP JP2021124213A patent/JP7699989B2/en active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004339427A (en) | 2003-05-19 | 2004-12-02 | Fuiisa Kk | Silicone resin composition comprising carbon nanotube and method for producing the same |
| JP2012224816A (en) | 2011-04-22 | 2012-11-15 | Nissin Kogyo Co Ltd | Method for producing carbon fiber composite material, carbon fiber composite material and oil field apparatus |
| JP2013049752A (en) | 2011-08-30 | 2013-03-14 | Nissin Kogyo Co Ltd | Carbon fiber composite material, method for manufacturing the same, and liner for prosthetic limb device |
| WO2014088005A1 (en) | 2012-12-04 | 2014-06-12 | 日信工業株式会社 | Carbon fiber composite material, and method for producing carbon fiber composite material |
| JP2017082145A (en) | 2015-10-30 | 2017-05-18 | 日信工業株式会社 | Carbon fiber composite material and manufacturing method of carbon fiber composite material |
| JP2019065269A (en) | 2017-09-28 | 2019-04-25 | 日信工業株式会社 | Carbon fiber composite material and manufacturing method of carbon fiber composite material |
| CN110003657A (en) | 2019-04-18 | 2019-07-12 | 青岛科技大学 | Silicon rubber nano composite material and preparation method thereof with isolation structure |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023019472A (en) | 2023-02-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6623033B2 (en) | Carbon fiber composite material and method for producing carbon fiber composite material | |
| JP7808588B2 (en) | Method for fabricating composite matrices via incorporation of carbon nanotubes | |
| JP4427034B2 (en) | Carbon fiber composite material | |
| JP6415284B2 (en) | Carbon fiber composite material | |
| JPWO2017169482A1 (en) | Thermoplastic resin composition and method for producing thermoplastic resin composition | |
| WO2014088005A1 (en) | Carbon fiber composite material, and method for producing carbon fiber composite material | |
| JP2008223781A (en) | Piston seal member and disc brake using the piston seal member | |
| JP7559747B2 (en) | Elastomer composition and molded article | |
| JP6907447B2 (en) | Conductive silicone composition and silicone composites produced thereby | |
| JP7699989B2 (en) | Carbon fiber composite material and method for producing the same | |
| JP5171786B2 (en) | Carbon nanofiber aggregate, method for producing carbon nanofiber, and method for producing carbon fiber composite material | |
| JP6473588B2 (en) | Carbon fiber composite material and method for producing carbon fiber composite material | |
| JP6873360B2 (en) | Thermoplastic resin composition | |
| JP7010792B2 (en) | Carbon fiber composite material and method for manufacturing carbon fiber composite material | |
| JP5432974B2 (en) | Method for producing carbon fiber composite material and carbon fiber composite material | |
| JP5374047B2 (en) | Carbon fiber composite material | |
| JP2023020935A (en) | Carbon fiber composite material, and manufacturing method of carbon fiber composite material | |
| JP7675329B2 (en) | Carbon fiber composite material and its manufacturing method | |
| JP5798136B2 (en) | Method for producing thermoplastic resin composition and thermoplastic resin composition | |
| JP2015172148A (en) | Method for producing thermoplastic resin composition and thermoplastic resin composition | |
| JP7654532B2 (en) | Carbon fiber composite material and its manufacturing method | |
| JP7324492B2 (en) | Method for producing composition containing carbon nanotube and method for producing composite material | |
| JP2016023262A (en) | Method for producing thermoplastic resin composition and thermoplastic resin composition | |
| JP6630477B2 (en) | Method for producing carbon fiber composite material and carbon fiber composite material | |
| EP3778752A1 (en) | Uncrosslinked elastomer composition and crosslinked product of same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240417 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20241216 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20241224 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250207 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250520 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250618 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7699989 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |