复合材料的评价方法和制造方法、以及复合材料

文档序号:1894883 发布日期:2021-11-26 浏览:4次 >En<

阅读说明:本技术 复合材料的评价方法和制造方法、以及复合材料 (Method for evaluating composite material, method for producing composite material, and composite material ) 是由 高木一贵 于 2020-05-25 设计创作,主要内容包括:本发明提供一种以简便的方法定量评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态的技术。本发明的复合材料的评价方法是含有聚合物和纤维状碳纳米结构体的复合材料的评价方法,包括以下工序:工序(A),在非活性气体环境下加热复合材料,从复合材料中除去聚合物成分,得到聚合物去除体;工序(B),在含氧环境下进行聚合物去除体的热重分析,测定聚合物去除体的质量随时间的变化;工序(C),根据在工序(B)中得到的聚合物去除体的质量变化与经过时间的关系,评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态。(The present invention provides a technique for quantitatively evaluating the state of fibriform carbon nanostructure in a composite material by a simple method. The method for evaluating a composite material of the present invention is a method for evaluating a composite material containing a polymer and a fibrous carbon nanostructure, and comprises the steps of: a step (A) in which the composite material is heated in an inert gas atmosphere to remove the polymer component from the composite material, thereby obtaining a polymer-removed body; a step (B) of performing thermogravimetric analysis of the polymer-removed body in an oxygen-containing atmosphere and measuring a change with time in the mass of the polymer-removed body; and (C) evaluating the state of defibration of the fibrous carbon nanostructure in the composite material from the relationship between the change in mass of the polymer-removed product obtained in the step (B) and the elapsed time.)

复合材料的评价方法和制造方法、以及复合材料

技术领域

本发明涉及复合材料、复合材料的评价方法和制造方法,特别涉及含有聚合物和纤维状碳纳米结构体的复合材料及其评价方法和制造方法。

背景技术

一直以来,作为导电性、导热性和机械特性等优异的材料,使用了在树脂、橡胶等聚合物中配合碳材料而成的复合材料。而且,近年来,作为对导电性、导热性和机械特性的提高效果高的碳材料,纤维状碳材料,特别是碳纳米管等纤维状碳纳米结构体备受瞩目。

在此,碳纳米管等纤维状碳纳米结构体虽然每一根的特性优异,但是由于外径小,作为松散材料(Bulk Material)使用时容易因范德华力而被束型化(易成为束),作为松散材料的性能提高效果并不高。因此,在制造含有聚合物和纤维状碳纳米结构体的复合材料时,要求解开(解纤)纤维状碳纳米结构体的束结构体,使纤维状碳纳米结构体在聚合物的基体(Matrix)中良好地分散。

而且,作为对纤维状碳纳米结构体的束结构体进行解纤的方法,已知有使用珠磨机、分散器、均质器和超声波分散机等分散机使纤维状碳纳米结构体在分散介质中分散来得到分散液的方法;对包含聚合物和纤维状碳纳米结构体的聚合物组合物施加剪切力来实施解纤处理的方法(例如参考专利文献1)。

此外,例如,如专利文献1记载的那样,在含有聚合物和纤维状碳纳米结构体的复合材料中,纤维状碳纳米结构体的解纤程度通过测定复合材料自身的物性(例如导电性等)来评价。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2008-274060号公报。

发明内容

发明要解决的问题

在此,在包含实施了解纤处理的纤维状碳纳米结构体的复合材料中,在得不到期望的性能的情况下,其原因可认为是由于解纤处理不足和过度的解纤处理对纤维状碳纳米结构体造成了损伤。但是,在上述现有的通过测定复合材料自身的物性来评价纤维状碳纳米结构体的解纤程度的方法中,无法准确地把握复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态,无法判断是由于解纤处理不足和过度的解纤处理对纤维状碳纳米结构体造成了损伤中的哪一种原因导致无法得到期望的性能。因此,在上述现有技术中,存在例如在制造复合材料时调节纤维状碳纳米结构体的解纤处理条件的操作变得繁杂等问题。

此外,对于这样的问题,还可以考虑例如使用电子显微镜观察复合材料中的纤维状碳纳米结构体的状态的方法,但是使用电子显微镜的方法不仅操作繁杂,还存在不能定量评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态的问题。

因此,需要一种以简便的方法定量评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态的技术。

此外,还需要一种高效地制造纤维状碳纳米结构体良好地分散了的复合材料的技术以及纤维状碳纳米结构体良好地分散了的复合材料。

用于解决问题的方案

本发明人为了解决上述问题而进行了深入研究。然后,本发明人发现,对于含有聚合物和纤维状碳纳米结构体的复合材料,在除去聚合物成分后使剩余的纤维状碳纳米结构体燃烧时的燃烧时间与复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤程度相关联,从而完成了本发明。

即,本发明的目的在于有利地解决上述问题,本发明的复合材料的评价方法是含有聚合物和纤维状碳纳米结构体的复合材料的评价方法,其特征在于包括以下工序:工序(A),在非活性气体环境下加热上述复合材料,从复合材料中除去聚合物成分,得到聚合物去除体;工序(B),在含氧环境下进行上述聚合物去除体的热重分析,测定聚合物去除体的质量随时间的变化;工序(C),根据在上述工序(B)中得到的聚合物去除体的质量变化与经过时间的关系,评价上述复合材料中的上述纤维状碳纳米结构体的解纤状态。这样如果在从复合材料中除去聚合物成分得到聚合物去除体后、在含氧环境下进行聚合物去除体的热重分析、根据聚合物去除体的质量变化与经过时间的关系来评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态,则能够以简便的方法定量评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

在此,本发明的复合材料的评价方法优选所述工序(C)包括以下工序:工序(c1),根据在上述工序(B)中得到的聚合物去除体的质量变化与经过时间,得到微分热重曲线;工序(c2),求出上述微分热重曲线在即将出现微分热重曲线的最终峰前取极小值的经过时间T1;工序(c3),求出直到上述经过时间T1处的聚合物去除体的质量M1减少至规定比例所需要的时间;根据上述所需要的时间,评价上述复合材料中的上述纤维状碳纳米结构体的解纤状态。如果求出直到经过时间T1处的聚合物去除体的质量M1减少至规定比例所需要的时间,根据该所需要的时间评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态,则能够更加正确地评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

在此,在本发明的复合材料的评价方法中,优选在上述工序(c3)中求出直到聚合物去除体的质量减少至M1×0.10所需要的时间。如果使用在工序(c3)中求出的直到聚合物去除体的质量减少至M1×0.10所需要的时间,则能够更加正确地评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

另外,在本发明的复合材料的评价方法中,也可以在上述工序(c3)中求出直到聚合物去除体的质量减少至M1×0.50所需要的时间。

此外,本发明的目的在于有利地解决上述问题,本发明的复合材料的制造方法的特征在于,其是经过对纤维状碳纳米结构体实施解纤处理的工序来制造含有聚合物和纤维状碳纳米结构体的复合材料的方法,包括以下工序:工序(α),使用上述任一种复合材料的评价方法对制造的复合材料评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态;工序(β),基于上述工序(α)得到的评价结果,在上述纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围外的情况下,变更上述解纤处理的条件,使纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围内。这样如果使用上述复合材料的评价方法评价纤维状碳纳米结构体,基于得到的评价结果变更解纤处理的条件,则能够高效地制造纤维状碳纳米结构体良好地分散了的复合材料。

而且,本发明的复合材料的特征在于,其含有聚合物和纤维状碳纳米结构体,使用上述复合材料所形成的厚度150μm的片在非活性气体环境下,在600℃的条件除去上述片中的聚合物成分,得到聚合物去除体,然后将环境从非活性气体切换至空气,在测定上述聚合物去除体的质量随时间的变化时,直到经过时间T1处的聚合物去除体的质量M1减少至M1×0.10所需要的时间为250秒以下,上述经过时间T1是根据聚合物去除体的质量变化与经过时间所得到的微分热重曲线在即将出现最终峰前取极小值的经过时间。这样在作为厚度150μm的片进行热重分析时,直到聚合物去除体的质量M1减少至M1×0.10所需要的时间为250秒以下的复合材料,纤维状碳纳米结构体良好地分散,能够发挥优异的物性。

在此,本发明的复合材料能够使用含氟聚合物作为上述聚合物。

此外,本发明的复合材料优选上述纤维状碳纳米结构体包含单层碳纳米管。如果纤维状碳纳米结构体包含单层碳纳米管,则能够发挥更优异的物性。

进而,本发明的复合材料优选上述单层碳纳米管的G/D比为1以上且4以下。如果单层碳纳米管的G/D比为1以上且4以下,则能够发挥更优异的物性。

而且,本发明的复合材料优选上述单层碳纳米管的平均直径为1.5nm以上且5nm以下,更优选为2nm以上且4nm以下。如果单层碳纳米管的平均直径在上述数值范围内,则能够发挥更优异的物性。

发明效果

根据本发明的复合材料的评价方法,能够以简便的方法定量评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

此外,根据本发明的复合材料的制造方法,能够高效地制造纤维状碳纳米结构体良好地分散了的复合材料。

进而,根据本发明,能够得到纤维状碳纳米结构体良好地分散了的复合材料。

附图说明

图1的(a)~(c)是分别示出对复合材料1~3的聚合物去除体进行热重分析的结果的图。

图2的(a)和(b)是分别示出直到复合材料1~3的聚合物去除体的质量减少至M1×0.10所需要的时间和减少至M1×0.50所需要的时间、与复合材料的物性的关系的图。

具体实施方式

以下,对本发明的实施方式进行详细说明。

在此,本发明的复合材料的评价方法可在对含有纤维状碳纳米结构体和聚合物的复合材料评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态时使用。此外,本发明的复合材料的制造方法可在制造含有纤维状碳纳米结构体和聚合物的复合材料时使用。而且,本发明的复合材料能够在制造例如带、管、衬垫、垫片、油封等各种成型体时使用,没有特别限定。

(复合材料的评价方法)

本发明的复合材料的评价方法是评价含有聚合物和纤维状碳纳米结构体的复合材料的方法。而且,本发明的复合材料的评价方法的特征在于包括以下工序:工序(A),从复合材料中除去聚合物成分,得到聚合物去除体;工序(B),进行聚合物去除体的热重分析,测定聚合物去除体的质量随时间的变化;工序(C),根据聚合物去除体的质量变化与经过时间的关系,评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

这样如果根据聚合物去除体的质量变化与经过时间的关系来评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态,则能够以简便的方法定量评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

另外,根据聚合物去除体的质量变化与经过时间的关系能够评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态的理由尚不明确,推测是因为纤维状碳纳米结构体越进行解纤,表面积会变得越大,在含氧环境下进行热重分析时越容易燃烧(即质量减少的速度变快)。

<复合材料>

作为评价对象的复合材料包含聚合物和纤维状碳纳米结构体,还可以任意含有与复合材料的用途相对应的各种添加剂。另外,复合材料能够通过例如使用已知的方法混合上述成分来制备,没有特别限定。

[聚合物]

在此,作为聚合物能够使用例如任意的橡胶、树脂或它们的混合物,没有特别限定。

具体而言,作为橡胶,可举出例如:天然橡胶;偏氟乙烯系橡胶(FKM)、四氟乙烯-丙烯系橡胶(FEPM)、四氟乙烯-全氟乙烯基醚系橡胶(FFKM)等氟橡胶;丁二烯橡胶(BR)、异戊二烯橡胶(IR)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、氢化苯乙烯-丁二烯橡胶(H-SBR)、腈橡胶(NBR)、氢化腈橡胶(H-NBR)等二烯橡胶,硅橡胶等,没有特别限定。

此外,作为树脂,可举出例如:聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)等氟树脂,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等丙烯酸树脂,聚苯乙烯(PS),聚碳酸酯(PC),环烯烃聚合物(COP)等,没有特别限定。

另外,上述聚合物能够单独使用一种或混合使用两种以上。

[纤维状碳纳米结构体]

作为纤维状碳纳米结构体,能够使用例如:碳纳米管(以下有时称作“CNT”)等圆筒状的碳纳米结构体、碳的六元环网络形成扁平筒状而成的碳纳米结构体等非圆筒状的碳纳米结构体,没有特别限定。这些可以单独使用一种,也可以并用两种以上。

在上述之中,作为纤维状碳纳米结构体,更优选使用包含CNT的纤维状碳纳米结构体。这是因为如果使用包含CNT的纤维状碳纳米结构体,则即使配合量少也能够使复合材料的特性(例如导电性、导热性、强度等)提高。

在此,包含CNT的纤维状碳纳米结构体可以仅由CNT构成,也可以是CNT和除CNT以外的纤维状碳纳米结构体的混合物。

而且,作为纤维状碳纳米结构体中的CNT,能够使用单层碳纳米管和/或多层碳纳米管,没有特别限定,CNT优选为单层至5层的碳纳米管,更优选为单层碳纳米管。这是因为碳纳米管的层数越少,则即使配合量少,复合材料的特性(例如导电性、导热性、强度等)也会提高。

此外,纤维状碳纳米结构体的平均直径优选为1nm以上,更优选为1.5nm以上,进一步优选为2nm以上,优选为30nm以下,更优选为10nm以下,进一步优选为5nm以下,特别优选为4nm以下。如果使纤维状碳纳米结构体的平均直径在上述范围内,则能够充分提高复合材料的特性(例如导电性、导热性、强度等)。

在此,在本发明中,“纤维状碳纳米结构体的平均直径”能够通过如下的方式求出:在透射型电子显微镜(TEM)图像上,对例如20根纤维状碳纳米结构体测定直径(外径),算出个数平均值。

此外,作为纤维状碳纳米结构体,优选使用直径的标准偏差(σ:样本标准偏差)乘3的值(3σ)与平均直径(Av)的比(3σ/Av)大于0.20且小于0.80的纤维状碳纳米结构体,更优选使用3σ/Av大于0.25的纤维状碳纳米结构体,进一步优选3σ/Av大于0.50的纤维状碳纳米结构体。此外,作为纤维状碳纳米结构体,也能够使用上述比(3σ/Av)大于0.20且小于0.60的纤维状碳纳米结构体。如果使用3σ/Av大于0.20且小于0.80的纤维状碳纳米结构体,则能够进一步提高复合材料的性能。

另外,纤维状碳纳米结构体的平均直径(Av)和标准偏差(σ)可以通过变更纤维状碳纳米结构体的制造方法、制造条件来进行调节,也可以通过组合多种以不同的制法得到的纤维状碳纳米结构体来进行调节。

而且,作为纤维状碳纳米结构体,通常使用如下的纤维状碳纳米结构体:取如上所述测定的直径作为横轴、其频数作为纵轴进行作图,在使用高斯法进行近似时,呈正态分布。

此外,纤维状碳纳米结构体的平均长度优选为10μm以上,更优选为50μm以上,进一步优选为80μm以上,优选为600μm以下,更优选为550μm以下,进一步优选为500μm以下。如果使纤维状碳纳米结构体的平均长度在上述范围内,则能够充分提高复合材料的特性(例如导电性、导热性、强度等)。

另外,在本发明中,“纤维状碳纳米结构体”的平均长度能够通过如下的方式求出:在扫描型电子显微镜(SEM)图像上,对例如20根纤维状碳纳米结构体测定长度,算出个数平均值。

进而,纤维状碳纳米结构体通常长径比大于10。另外,纤维状碳纳米结构体的长径比能够通过如下的方式求出:使用扫描型电子显微镜或透射型电子显微镜,对随机选择的20根纤维状碳纳米结构体的直径和长度进行测定,算出长度与直径之比(长度/直径)的平均值。

此外,纤维状碳纳米结构体的BET比表面积优选为600m2/g以上,更优选为800m2/g以上,优选为2000m2/g以下,更优选为1800m2/g以下,进一步优选为1600m2/g以下。如果纤维状碳纳米结构体的BET比表面积为600m2/g以上,则能够以少的配合量充分提高复合材料的特性(例如导电性、导热性、强度等)。此外,如果纤维状碳纳米结构体的BET比表面积为2000m2/g以下,则能够使纤维状碳纳米结构体良好地分散。

此外,纤维状碳纳米结构体优选根据吸附等温线得到的t-曲线呈上凸的形状,作为该纤维状碳纳米结构体,更优选未实施开口处理。另外,“t-曲线”能够通过在利用氮气吸附法测定的纤维状碳纳米结构体的吸附等温线中,将相对压力变换为氮气吸附层的平均厚度t(nm)来得到。即,根据将氮气吸附层的平均厚度t相对于相对压力P/P0绘制的已知的标准等温线,求出对应于相对压力的氮气吸附层的平均厚度t,进行上述转换,由此得到纤维状碳纳米结构体的t-曲线(de Boer等人提出的t-曲线法)。

在此,在表面具有细孔的物质中,氮气吸附层的生长分为以下(1)~(3)的过程。而且,根据下述的(1)~(3)的过程,t-曲线的斜率会发生变化。

(1)氮分子在整个表面形成单分子吸附层的过程

(2)多分子吸附层的形成和伴随其的在细孔内的毛细管凝聚填充过程

(3)在细孔被氮充满、外观上为非多孔的表面形成多分子吸附层的过程

而且,呈上凸形状的t-曲线在氮气吸附层的平均厚度t小的区域,曲线位于经过原点的直线上,与此相对,当t变大时,曲线位于从该直线向下偏移的位置。在具有该t-曲线形状的纤维状碳纳米结构体中,纤维状碳纳米结构体的内部比表面积相对于总比表面积的比例大,表示构成纤维状碳纳米结构体的碳纳米结构体中形成有多个开口。

另外,纤维状碳纳米结构体的t-曲线的弯曲点优选为满足0.2≤t(nm)≤1.5的范围,更优选为0.45≤t(nm)≤1.5的范围,进一步优选为0.55≤t(nm)≤1.0的范围。如果纤维状碳纳米结构体的t-曲线的弯曲点在该范围内,则能够以少的配合量提高复合材料的特性(例如导电性、导热性、强度等)。

另外,“弯曲点的位置”为上述(1)过程的近似直线A与上述(3)过程的近似直线B的交点。

进而,纤维状碳纳米结构体优选根据t-曲线得到的内部比表面积S2与总比表面积S1的比(S2/S1)为0.05以上且0.30以下。如果纤维状碳纳米结构体的S2/S1的值在该范围内,则能够以少的配合量提高复合材料的特性(例如导电性、导热性、强度等)。

在此,纤维状碳纳米结构体的总比表面积S1和内部比表面积S2能够根据其t-曲线求出。具体而言,首先,根据(1)过程的近似直线的斜率能够求出总比表面积S1,根据(3)过程的近似直线的斜率能够求出外部比表面积S3。然后,通过从总比表面积S1减去外部比表面积S3,能够算出内部比表面积S2。

另外,纤维状碳纳米结构体的吸附等温线的测定、t-曲线的制作、以及基于t-曲线的解析算出总比表面积S1和内部比表面积S2能够使用例如市售的测定装置“BELSORP(注册商标)-mini”(日本BEL(株)制)进行。

进而,作为纤维状碳纳米结构体优选的包含CNT的纤维状碳纳米结构体在使用拉曼分光法进行评价时,优选具有径向呼吸模式(Radial Breathing Mode,RBM)的峰。另外,仅由三层以上的多层碳纳米管构成的纤维状碳纳米结构体的拉曼光谱中不存在RBM。

此外,包含CNT的纤维状碳纳米结构体优选拉曼光谱中的G带峰强度与D带峰强度的比(G/D比)为1以上且4以下。如果G/D比为1以上且4以下,则能够进一步提高复合材料的性能。

另外,包含CNT的纤维状碳纳米结构体能够使用电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法(CVD法)等已知的CNT合成方法制造,没有特别限定。具体而言,包含CNT的纤维状碳纳米结构体能够按照例如如下的方法高效地制造:在表面具有碳纳米管制造用的催化剂层的基材上供给原料化合物和载气,利用化学气相沉积法(CVD法)合成CNT,此时使体系内存在微量的氧化剂(催化剂活化物质),由此使催化剂层的催化剂活性飞跃性地提高(超级生长(Super Growth)法;参考国际公开第2006/011655号)。在基材上生成的上述纤维状碳纳米结构体能够从基材剥离以原有状态(as-grown)使用。另外,以下有时将通过超级生长法得到的碳纳米管称作“SGCNT”。

而且,通过超级生长法制造的纤维状碳纳米结构体可以仅由SGCNT构成,也可以除SGCNT之外还包含例如非圆筒状的碳纳米结构体等其它碳纳米结构体。

而且,复合材料中所包含的纤维状碳纳米结构体的量没有特别限定,例如,相对于100质量份的聚合物,优选为0.01质量份以上,更优选为0.5质量份以上,优选为10质量份以下,更优选为5质量份以下。如果纤维状碳纳米结构体的量为上述下限值以上,则能够充分提高复合材料的特性(例如导电性、导热性、强度等)。此外,如果纤维状碳纳米结构体的量为上述上限值以下,则能够使纤维状碳纳米结构体良好地分散。

[添加剂]

作为添加剂,能够举出:分散剂、抗氧化剂、热稳定剂、光稳定剂、紫外线吸收剂、交联剂、颜料、着色剂、发泡剂、抗静电剂、阻燃剂、润滑剂、软化剂、增粘剂、增塑剂、脱模剂、防臭剂、香料等,没有特别限定。

<工序(A)>

在工序(A)中,在非活性气体环境下加热复合材料,从复合材料中除去聚合物成分,得到聚合物去除体。这样如果在非活性气体环境中加热复合材料,则能够在维持纤维状碳纳米结构体的解纤状态的情况下使聚合物成分分解而除去。

[非活性气体]

在此,作为非活性气体,能够使用例如氮气、氩气、氖气、氦气、二氧化碳等,没有特别限定。其中,作为非活性气体,优选使用氮气。

[加热]

在非活性气体环境中的复合材料的加热能够使用任意的装置进行,没有特别限定,优选使用热重分析装置进行。这是因为如果使用热重分析装置,则能够在单个热重分析装置内在工序(A)之后连续实施工序(B),并且能够根据重量变化的数据把握聚合物成分的除去情况。

而且,加热复合材料的温度和时间只要是能够在非活性气体环境中分解聚合物成分、且纤维状碳纳米结构体在非活性气体环境中不发生变性或分解的温度,则没有特别限定,能够根据聚合物的种类设定任意的温度和时间。

具体而言,加热复合材料的温度例如优选为500℃以上,更优选为600℃以上,优选为700℃以下。

[聚合物去除体]

在工序(A)中得到的聚合物去除体通常以与复合材料中几乎相同的状态包含纤维状碳纳米结构体。另外,聚合物去除体可以包含通过加热而碳化的聚合物、复合材料可任意含有的添加剂。

<工序(B)>

在工序(B)中,在空气环境等含氧环境下进行聚合物去除体的热重分析,测定聚合物去除体的质量随时间的变化。

具体而言,在工序(B)中,在温度一定的含氧环境下进行聚合物去除体的热重分析,测定聚合物去除体的质量随时间的变化。

在此,优选在使用热重分析装置进行工序(A)之后,将在工序(A)中使用的非活性气体环境置换为含氧环境后进行工序(B)。

此外,进行聚合物去除体的热重分析的温度只要是能够使纤维状碳纳米结构体在含氧环境中燃烧的温度,则没有特别限定,优选为500℃以上,更优选为600℃以上,此外,优选为700℃以下。当上述温度小于500℃时,测定会耗费时间。此外,当上述温度大于700℃时,燃烧速度变快,纤维状碳纳米结构体的解纤状态的评价精度可能会降低。

<工序(C)>

在工序(C)中,根据在工序(B)中得到的聚合物去除体的质量变化与经过时间的关系,评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态。另外,在工序(C)中,可以根据在工序(B)中的热重分析得到的聚合物去除体的质量和经过时间的值制作热重曲线,使用该热重曲线评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态,也可以不制作热重曲线,根据聚合物去除体的质量和经过时间的值评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

具体而言,在工序(C)中,利用纤维状碳纳米结构体越进行解纤、表面积变得越大越容易燃烧(即,燃烧时的质量减少速度越快),根据聚合物去除体的质量的减少量与该质量减少所需的时间评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态。更详细而言,质量减少所需的时间越长,则能够评价纤维状碳纳米结构体越没有进行解纤,质量减少所需的时间越短,则能够评价纤维状碳纳米结构体越进行解纤。

在此,聚合物去除体中能够包含在工序(A)中碳化的聚合物、添加剂等除纤维状碳纳米结构体以外的成分。而且,在聚合物去除体中包含除纤维状碳纳米结构体以外的成分的情况下,在工序(B)中进行聚合物去除体的热重分析时,聚合物去除体的质量随时间的变化中也会包含除纤维状碳纳米结构体以外的成分的质量变化。因此,从在工序(C)中以更高精度评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态的观点出发,工序(C)优选包括以下的工序(c1)~(c3)。

具体而言,工序(C)优选包括以下工序:工序(c1),根据在工序(B)中得到的聚合物去除体的质量变化与经过时间,得到微分热重曲线;工序(c2),求出微分热重曲线在即将出现微分热重曲线的与纤维状碳纳米结构体的燃烧相对应的峰之前取极小值的经过时间T1;工序(c3),求出直到经过时间T1处的聚合物去除体的质量M1减少至规定比例所需要的时间;根据所需要的时间,评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

在微分热重曲线中,经过时间T1之后的聚合物去除体的质量变化仅对应于纤维状碳纳米结构体的质量变化。因此,如果求出直到经过时间T1处的聚合物去除体的质量M1减少至规定比例所需要的时间、根据所需要的时间评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态,则能够降低聚合物去除体所包含的除纤维状碳纳米结构体以外的成分的影响,以更高精度评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

另外,通常,在微分热重曲线中,微分热重曲线的最终峰是与纤维状碳纳米结构体的燃烧相对应的峰。

在此,微分热重曲线可通过例如将在工序(B)中得到的聚合物去除体的质量变化与经过时间进行拟合、将得到的聚合物去除体的热失重曲线对时间取微分来得到。具体而言,微分热重曲线可通过例如将在工序(B)中得到的聚合物去除体的质量变化与经过时间使用如下所示的Double Boltzmann函数进行拟合、将得到的聚合物去除体的热失重曲线对时间取微分来得到,没有特别限定。

[数学式1]

此外,规定的比例能够为例如M1×0.10、M1×0.50,没有特别限定。即,直到经过时间T1处的聚合物去除体的质量M1减少至规定比例所需要的时间能够为例如直到聚合物去除体的质量M1减少90%的时间、直到聚合物去除体的质量M1减少50%的时间。

其中,规定的比例优选为M1×0.10。如果使用直到聚合物去除体的质量减少至M1×0.10所需要的时间,则能够更加正确地评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

另外,从降低聚合物去除体所包含的除纤维状碳纳米结构体以外的成分的影响、以更高精度评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态的观点出发,在本发明的复合材料的评价方法中,也可以将从复合材料中除去了纤维状碳纳米结构体的参考试样(仅由除纤维状碳纳米结构体以外的成分构成的试样)在与工序(B)相同的条件下进行热重分析,在工序(C)中,使用从聚合物去除体的质量减去参考试样的质量的值来评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

(复合材料的制造方法)

本发明的复合材料的制造方法是使用本发明的复合材料的评价方法对制造的复合材料评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态,基于该评价结果优化制造复合材料时的纤维状碳纳米结构体的解纤处理条件,由此高效地制造纤维状碳纳米结构体良好地分散了的复合材料。而且,本发明的复合材料的制造方法的特征在于,其是经过对纤维状碳纳米结构体实施解纤处理的工序来制造含有聚合物和纤维状碳纳米结构体的复合材料的方法,包括以下工序:工序(α),使用上述本发明的复合材料的评价方法对制造的复合材料评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态;工序(β),基于工序(α)得到的评价结果,在纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围外的情况下,变更解纤处理的条件,使纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围内。

<复合材料的制备>

在此,复合材料只要是经过对纤维状碳纳米结构体实施解纤处理的工序的材料,则没有特别限定,能够使用任意的方法制备。具体而言,复合材料能够使用例如如下方法等来制备:(1)在存在有机溶剂的条件下或不存在有机溶剂的条件下混炼聚合物、纤维状碳纳米结构体和作为任意成分的添加剂,由此一边解纤纤维状碳纳米结构体一边制备复合材料的方法;(2)在可以包含聚合物和/或添加剂的液体中解纤纤维状碳纳米结构体,在得到的分散液不包含聚合物的情况下添加聚合物,然后从分散液中除去液体(分散介质)来制备复合材料的方法。

另外,作为聚合物、纤维状碳纳米结构体和添加剂,能够使用与上述“(复合材料的评价方法)”中记载的相同的聚合物、纤维状碳纳米结构体和添加剂,因此以下省略说明。此外,作为有机溶剂能够使用例如:异丙醇、四氢呋喃、甲乙酮等极性有机溶剂;以及环己烷、甲苯等非极性有机溶剂,没有特别限定。进而,作为分散介质,能够使用水、上述有机溶剂或它们的混合物。

此外,混炼能够使用例如双轴混炼机、开放式辊、班伯里混炼机、加压型捏合机等进行,没有特别限定。

进而,液体中的纤维状碳纳米结构体的解纤能够使用例如超声波分散机、均质器、薄膜旋转型高速混合机、珠磨机、湿式喷射磨等进行,没有特别限定。

<工序(α)>

在工序(α)中,使用上述本发明的复合材料的评价方法对制备的复合材料评价纤维状碳纳米结构体的解纤状态。这样如果使用本发明的复合材料的评价方法对制备的复合材料进行抽样评价,则能够在工序(β)中优化解纤处理的条件。

<工序(β)>

在工序(β)中,基于工序(α)得到的评价结果,在纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围外的情况下,变更解纤处理的条件,使纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围内。

具体而言,例如在工序(α)中评价复合材料时,在与使用本发明的复合材料的评价方法评价处于期望范围的解纤状态的复合材料的情况相比聚合物去除体的质量减少所需的时间长的情况下,判断为解纤不充分,这时变更解纤处理的条件,使纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围内。具体而言,延长解纤处理的时间、或增加解纤处理的强度等。

此外,例如在工序(α)中评价复合材料时,在与使用本发明的复合材料的评价方法评价处于期望范围的解纤状态的复合材料的情况相比聚合物去除体的质量减少所需的时间短的情况下,判断为解纤过度,这时变更解纤处理的条件,使纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围内。具体而言,缩短解纤处理的时间、或降低解纤处理的强度等。

在此,期望范围的解纤状态能够为复合材料可以发挥期望物性的范围,没有特别限定。

另外,在工序(α)中评价复合材料的结果是纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围内的情况下,可以不变更解纤处理的条件而继续制造复合材料,也可以在纤维状碳纳米结构体的解纤状态在期望范围内的范围内变更解纤处理的条件。

(复合材料)

本发明的复合材料包含聚合物和纤维状碳纳米结构体,还可以任意含有与复合材料的用途相对应的各种添加剂。另外,作为聚合物、纤维状碳纳米结构体和添加剂,能够举出与上述“(复合材料的评价方法)”中记载的相同的聚合物、纤维状碳纳米结构体和添加剂,因此以下省略说明。

而且,本发明的复合材料的特征在于,在制成厚度150μm的片、使用本发明的复合材料的评价方法在规定的条件下进行评价时,得到规定的评价结果。具体而言,将本发明的复合材料制成厚度150μm的片,在非活性气体环境下在600℃的条件除去片中的聚合物成分,得到聚合物去除体后,将环境从非活性气体切换至空气,测定聚合物去除体的质量随时间的变化,此时,得到以下的评价结果:

在将根据聚合物去除体的质量变化与经过时间所得到的微分热重曲线在即将出现最终峰前取极小值的经过时间T1处的聚合物去除体的质量设为M1时,直到聚合物去除体的质量从M1减少至M1×0.10所需要的时间为250秒以下。此外,上述所需要的时间能够为60秒以上。

另外,作为非活性气体,能够使用与上述“(复合材料的评价方法)”中记载的相同的非活性气体,因此以下省略说明。

这样在使用规定的方法和条件进行评价时直到聚合物去除体的质量从M1减少至M1×0.10所需要的时间为250秒以下的复合材料,纤维状碳纳米结构体良好地分散,能够发挥优异的物性。此外,直到聚合物去除体的质量从M1减少至M1×0.10所需要的时间为上述下限值以上的复合材料,纤维状碳纳米结构体适度地解纤,能够发挥优异的物性。

另外,上述复合材料能够通过例如如下方式制备,没有特别限定:从包含分散介质、纤维状碳纳米结构体的束体、溶解于分散介质的聚合物且束体的平均直径(DB)为20nm以上且600nm以下的分散液中除去分散介质。

另外,作为分散介质,能够使用与上述“(复合材料的制造方法)”中记载的相同的分散介质。此外,分散介质的除去能够使用干燥、真空干燥、减压干燥、利用非活性气体的流通进行干燥等已知的干燥方法进行。

在此,分散液能够通过使用分散媒介(dispersion media)对聚合物、分散介质、纤维状碳纳米结构体进行分散处理来制备。尤其优选分散液通过使聚合物溶于分散介质得到聚合物溶解溶液后、使用分散媒介对聚合物溶解溶液和纤维状碳纳米结构体进行分散处理来制备。

另外,使用分散媒介的分散处理能够通过使用例如珠磨机等已知的湿式媒介分散装置来优选地进行。而且,构成分散媒介的材质能够为例如玻璃、氧化铝、锆石(氧化锆/二氧化硅系陶瓷)、氧化锆、钢等,没有特别限定。

此外,分散媒介的维氏硬度优选为600kgf/mm2以上,更优选为800kgf/mm2以上,进一步优选为1000kgf/mm2以上,优选为1500kgf/mm2以下,更优选为1300kgf/mm2以下。

进而,分散媒介的填充率优选为40体积%以上,更优选为50体积%以上,优选为80体积%以下,更优选为70体积%以下,进一步优选为60体积%以下。

而且,分散媒介的平均直径优选为0.1mm以上,更优选为0.3mm以上,优选为1.5mm以下,更优选为1mm以下,进一步优选为0.8mm以下。

实施例

以下,使用具体的例子对本发明进行说明,但本发明不限定于这些例子。另外,在以下的说明中,只要没有特别说明,表示量的“%”和“份”为质量基准。

(复合材料1的制备和评价)

在900g的作为分散介质的甲乙酮中加入100g的作为聚合物的FKM(偏氟乙烯系橡胶、Chemours Company制,商品名“Viton GBL-600S”),在温度20℃搅拌12小时,使聚合物溶解,得到聚合物溶解溶液。

接着,对聚合物溶解溶液添加4g的作为包含单层CNT的纤维状碳纳米结构体的SGCNT(Zeon Nano Technology Co.,Ltd.制,产品名“ZEONANO SG101”,平均直径(DS):4nm,BET比表面积:1391m2/g,G/D比:3.2,未进行开口处理,t-曲线为上凸),使用搅拌机(PRIMIX制,LABOLUTION(注册商标),搅拌部:HOMOGENIZING DISPER)在温度20℃搅拌30分钟。进而,使用珠磨机(浅田铁工株式会社制,商品名“Nano Mill NM-G1.4L”,分散媒介:玻璃珠(分散媒介的维氏硬度:550kgf/mm2、分散媒介的填充率:80%,分散媒介的平均直径:2mm)),将加入了SGCNT的聚合物溶解溶液在温度44℃进行2个路径的分散处理(分散处理的条件:圆周速度8m/秒,排出量180g/分钟)。

然后,将得到的分散液滴加至4000g的甲醇,使其凝固,得到黑色固体。然后,将得到的黑色固体在60℃减压干燥12小时,得到复合材料1。

使用得到的复合材料1,如下所述地评价断裂时伸长率。

接着,从得到的复合材料1中量取4个300mg的块,用聚酰亚胺膜夹着配置于热压机的压制板上。然后,以压制压:4MPa、压制时间:20分钟、压制温度:200℃的条件进行热压,得到厚度0.15mm(150μm)的片(成型体)。

使用得到的片,如下所述地评价SGCNT的解纤状态。

<SGCNT的解纤状态>

使用热重分析装置(TA Instrument Japan株式会社制,产品名“DiscoveryTGA5500”),进行片的热重分析。

具体而言,在设置作为测定试样的片后,在氮气环境下,以升温速度:20℃/分钟升温至600℃,在600℃保持10分钟。接着,将温度保持在600℃,将环境从氮气环境切换至空气环境,在600℃保持20分钟。然后对切换至空气环境后,根据质量变化与经过时间制作热重曲线(热失重曲线)和微分热重曲线。制作的各曲线示于图1(a)。另外,使用DoubleBoltzmann函数将质量变化与经过时间进行拟合,制作热失重曲线,微分热重曲线通过将热失重曲线对时间取微分来制作。

然后,根据微分热重曲线求出在即将出现微分热重曲线的最终峰前取极小值的经过时间T1,根据热重曲线求出经过时间T1处的测定试样的质量M1。然后,分别求出直到M1减少至M1×0.10所需要的时间(减少90%的时间)和直到减少至M1×0.50所需要的时间(减少50%的时间)。结果示于表1。

<断裂时伸长率>

分别量取208g的得到的复合材料1、6g的2种氧化锌、9.84g的TAIC M-60(三菱Chemical公司制)、4g的Perhexa 25B40(日本油脂株式会社制),使用6英寸辊均匀地混炼,制作未交联复合物。将该未交联复合物放入预先进行了预热的150mm×150mm×2mm片成型用模具,以3MPa进行2次、10MPa进行1次撞击后,在10MPa加压,进行压缩交联成型,制作一次交联片。接着,从模具取出该一次交联片,放入预先预热至232℃的吉尔式烘箱内,加热处理2小时,制作二次交联片。

用哑铃状3号模具冲裁该二次交联片,得到试验片。然后,按照JIS K6251对得到的试验片测定23℃的断裂时伸长率。另外,断裂时伸长率是将初期(即拉伸片之前)作为100%的值。

此外,将片在空气环境下以230℃保持70小时后,与上述同样地进行,测定23℃的断裂时伸长率(热老化试验后)。

结果示于表1和图2(a)、(b)。

(复合材料2的制备和评价)

在对添加了SGCNT的聚合物溶解溶液进行分散处理时,将分散媒介变更为氧化锆珠(分散媒介的维氏硬度:1250kgf/mm2、分散媒介的填充率:80%、分散媒介的平均直径:1.5mm),以圆周速度12.5m/秒进行3个路径的分散处理,除此以外,与复合材料1同样地进行,制备复合材料2,进行评价。结果示于表1、图1(b)、图2(a)、(b)。

(复合材料3的制备和评价)

在对添加了SGCNT的聚合物溶解溶液进行分散处理时,将分散媒介变更为氧化锆珠(分散媒介的维氏硬度:1250kgf/mm2、分散媒介的填充率:80%、分散媒介的平均直径:0.3mm),以圆周速度12.5m/秒进行6个路径的分散处理,除此以外,与复合材料1同样地进行,制备复合材料3,进行评价。结果示于表1、图1(c)、图2(a)、(b)。

[表1]

根据表1和图2,可知在提高分散处理的强度、施加高剪切力的复合材料2、3中,减少90%的时间和减少50%的时间比复合材料1短,由此可知如果使用本发明的评价方法,则能够定量评价SGCNT的解纤状态。

此外,当对比复合材料2、3与复合材料1时,可知复合材料2、3不仅在刚制片后的伸长率优异、而且在加热后的伸长率也优异,SGCNT良好地分散。

产业上的可利用性

根据本发明的复合材料的评价方法,能够以简便的方法定量评价复合材料中的纤维状碳纳米结构体的解纤状态。

此外,根据本发明的复合材料的制造方法,能够高效地制造纤维状碳纳米结构体良好地分散了的复合材料。

进而,根据本发明,能够得到纤维状碳纳米结构体良好地分散了的复合材料。

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