JP2009532531A - カーボンナノチューブ強化ナノコンポジット - Google Patents

Abstract

ＭＷＮＴ（ここでＭＷＮＴは２層よりも多くの層を有する）及びＤＷＮＴの組み合わせが、ポリマーナノコンポジットの機械的性質を顕著に改善する。少量のＤＷＮＴによる強化（＜１ｗｔ％）がエポキシマトリクスナノコンポジットの曲げ強度を顕著に改善する。同量または同じ様な量のＭＷＮＴによる強化がエポキシマトリクスナノコンポジットの曲げ弾性率（剛性）を顕著に改善する。ＭＷＮＴ及びＤＷＮＴで共に強化したエポキシナノコンポジットの曲げ強度及び曲げ弾性率の両方は、同量のＤＷＮＴまたはＭＷＮＴのどちらかで強化したエポキシナノコンポジットと比較して、はるかに改善される。このエポキシ／ＤＷＮＴ／ＭＷＮＴナノコンポジットシステムにおいては、ＤＷＮＴの代わりにＳＷＭＴも機能し得る。エポキシに加えて、他の熱硬化性ポリマーも機能し得る。

Description

本願は、２００６年３月３１日出願の米国仮出願第６０／７８８２３４号、及び、２００６年６月２日出願の米国仮出願第６０／８１０３９４号の優先権を主張する。

飯島（Ｉｉｊｉｍａ）によって１９９１年に最初に発見されて以来、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ，ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）は重要な研究対象となっている（非特許文献１）。多くの研究者がこの新形状の炭素の顕著な物理的及び機械的性質について報告している。ＣＮＴの直径は典型的に、単層ＣＮＴ（ＳＷＮＴ，ｓｉｎｇｌｅ ｗａｌｌ ＣＮＴ）に対して０．５〜１．５ｎｍであり、二層ＣＮＴ（ＤＷＮＴ，ｄｏｕｂｌｅ ｗａｌｌ ＣＮＴ）に対して１〜３ｎｍであり、多層ＣＮＴ（ＭＷＮＴ，ｍｕｌｔｉ ｗａｌｌ ＣＮＴ）に対して５ｎｍから１００ｎｍである。その固有の電子的特性及びダイヤモンドよりも高い熱伝導性に始まり、その剛性、強度及び弾性が現存する如何なる物質よりも優れているという機械的性質に至り、ＣＮＴは、全く新しい材料システムの開発に対する非常に大きな機会を提供する。特に、ＣＮＴの並外れた機械的性質（Ｅ＞１．０ＴＰａ、また、５０ＧＰａの引張強度）が低密度（１〜２．０ｇ／ｃｍ^３）と組み合わさっていることによって、ＣＮＴ強化材料の開発が魅力的なものとなる（非特許文献２）。ＣＮＴは地球上の既知の物質の中で最も強固である。ＭＷＮＴと比較すると、ＳＷＮＴ及びＤＷＮＴは、それらのより大きな表面積及びより高いアスペクト比によって、強化材料としてより有力である。表１に、ＳＷＮＴ、ＤＷＮＴ及びＭＷＮＴの表面積及びアスペクト比を挙げる。

Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、"Ｈｅｌｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ"、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、ｐ．５６ Ｅｒｉｃ Ｗ．Ｗｏｎｇ、Ｐａｕｌ Ｅ．Ｓｈｅｅｈａｎ、Ｃｈａｒｌｅｓ Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ、"Ｎａｎｏｂｅａｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ： Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ， Ｓｔｒｅｎｇｔｈ， ａｎｄ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ Ｎａｎｏｒｏｄｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ"、Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９９７年、第２７７巻、ｐ．１９７１

問題は、ＳＷＮＴ及びＤＷＮＴはどちらもＭＷＮＴよりも高価であるという点である。精製されたＭＷＮＴの価格が１〜１０ドル／ｇである一方で、精製されたＳＷＮＴ及びＤＷＮＴの価格はどちらも５００ドル／ｇもの高さになり得る。従って、ＭＷＮＴ強化ナノコンポジットはＳＷＮＴまたはＤＷＮＴ強化ナノコンポジットよりもずっと安価である。

ＭＷＮＴ（ここでＭＷＮＴは２層よりも多くの層を有する）及びＤＷＮＴの組み合わせが、ポリマーナノコンポジットの機械的性質を顕著に改善する。少量のＤＷＮＴによる強化（＜１ｗｔ％）がエポキシマトリクスナノコンポジットの曲げ強度を顕著に改善する。同量または同じ様な量のＭＷＮＴによる強化がエポキシマトリクスナノコンポジットの曲げ弾性率（剛性）を顕著に改善する。ＭＷＮＴ及びＤＷＮＴで共に強化したエポキシナノコンポジットの曲げ強度及び曲げ弾性率の両方は、同量のＤＷＮＴまたはＭＷＮＴのどちらかで強化したエポキシナノコンポジットと比較して、はるかに改善される。このエポキシ／ＤＷＮＴ／ＭＷＮＴナノコンポジットシステムにおいては、ＤＷＮＴの代わりにＳＷＭＴも機能し得る。エポキシに加えて、他の熱硬化性ポリマーも機能し得る。

本発明の一実施形態に対して、本発明をより良く例示するためにこの実施形態の詳細な例を与える。

エポキシ樹脂（ビスフェノールＡ）を日本のアリサワ（Ａｒｉｓａｗａ）社から入手した。同社から、エポキシナノコンポジットを硬化させるために用いられる硬化剤（ジシアンジアミド）を入手した。ＤＷＮＴ及びＭＷＮＴを、ベルギーのＮａｎｏｃｙｌ社から入手した。これらのＣＮＴはアミノ（‐ＮＨ_２）官能基で官能化されていた。アミノ官能基ＣＮＴは、ＣＮＴとエポキシ分子チェアとの間の結合を改善するのに役立ち、ナノコンポジットの機械的性質を更に改善することができる。しかしながら、元の状態のＣＮＴまたは、他の方法（カルボキシル官能基等）によって官能化させたＣＮＴも機能し得る（例えば、日本のアルケマ（Ａｒｋｅｍａ）社製のペレット（製品名：ＲＩＬＳＡＮ ＢＭＶ−Ｐ２０ ＰＡ１１））。粘土は、米国のＳｏｕｔｈｅｒｎ Ｃｌａｙ社製であった（製品名：Ｃｌｏｉｓｉｔｅ（登録商標）シリーズ９３Ａ）。これは、三元アンモニウム塩で修飾された天然のモンモリロナイト（ｍｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅ）である。エラストマーは、米国のＫｒａｔｏｎ社から購入したスチレン／エチレンブチレン／スチレン（ＳＥＢＳ）であった（製品名：Ｇ１６５７）。

図１は、エポキシ／ＣＮＴナノコンポジットを製造するプロセスフローの概略図を示す。全ての原料を真空オーブン内で７０℃で少なくも１６時間乾燥させて、湿気を完全に取り除いた。ＣＮＴをアセトン１０１中に入れて、マイクロ流体マシーン（ｍｉｃｒｏ−ｆｌｕｉｄｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ）（Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ社から購入可能）によって、拡散させた（ステップ１０２）。マイクロ流体マシーンは、正確に定められたミクロンサイズのチャネル内に超高速で衝突する高圧流を用いる。そのせん断及び衝撃の組み合わさった力が製品に作用して、一様な分散を生じさせる。ＣＮＴ／アセトンはゲル１０３とされ、アセトン溶媒中に良く分散したＣＮＴがもたらされる。しかしながら、超音波処理プロセス等の他の方法も機能し得る。溶液中にＣＮＴを分散させるために、界面活性剤を使用してもよい。その後、ステップ１０４でＣＮＴ／アセトンゲルにエポキシを加えて、エポキシ／ＣＮＴ／アセトン溶液１０５を生成した。これに、バス内で７０℃で１時間にわたる超音波処理プロセス（ステップ１０６）が続いて、エポキシ／ＣＮＴ／アセトン懸濁液１０７を生成した。ステップ１０８において、ステップ１０８において、７０℃で三十分間にわたる１４００回転／分の速度での撹拌器による混合プロセスを用いて、ＣＮＴをエポキシ中に更に分散させて、エポキシ／ＣＮＴ／アセトンゲル１０９を生成した。その後、ステップ１１０で硬化剤を、４．５ｗｔ％の比率でエポキシ／ＣＮＴ／アセトンゲル１０９に加えて、これに続いて、７０℃で１時間撹拌した。ステップ１１２において、真空オーブン内で７０℃で少なくとも４８時間にわたって、結果物であるゲル１１１のガス抜きを行った。その後、材料１１３をテフロン（登録商標）のモールド内に注いで、１６０℃で２時間にわたって硬化させた。この見本の機械的性質（曲げ強度及び曲げ弾性率）を、研磨プロセス１１５の後に特性評価した。

表２は、エポキシ／ＣＮＴナノコンポジットを製造するための図１のプロセスフローを用いて製造したエポキシの機械的性質（曲げ強度及び曲げ弾性率）を示す。図２に示されるように、同じ積載量のＣＮＴにおいて、エポキシ／ＤＷＮＴの曲げ強度は、エポキシ／ＭＷＮＴの曲げ強度よりも高い。一方、図３に示されるように、同じ積載量のＣＮＴにおいて、エポキシ／ＤＷＮＴの曲げ弾性率は、エポキシ／ＭＷＮＴの曲げ弾性率よりも低い。エポキシ／ＤＷＮＴ（０．５ｗｔ％）／ＭＷＮＴ（０．５ｗｔ％）の曲げ強度及び曲げ弾性率は両方とも、エポキシ／ＤＷＮＴ（１ｗｔ％）のものよりも高い。

エポキシ／ＣＮＴナノコンポジットの製造方法を例示する。 エポキシナノコンポジットの曲げ強度を示すグラフを例示する。 エポキシナノコンポジットの曲げ弾性率を示すグラフを例示する。

Claims (13)

1. 熱硬化性樹脂を含むコンポジット材料であって、該コンポジット材料の曲げ強度及び曲げ弾性率の両方が増大する濃度で二層カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）及び多層ＣＮＴを備えたコンポジット材料の製造方法。
2. 二層ＣＮＴ及び多層ＣＮＴの前記濃度が前記コンポジット材料の曲げ強度及び曲げ弾性率の両方を増大させるように最適化されている、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記コンポジット材料が、０．０１〜４０ｗｔ％の二層ＣＮＴ含有量を有する、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記コンポジット材料が。０．０１〜２０ｗｔ％の二層ＣＮＴ含有量を有する、請求項２に記載の製造方法。
5. ６０〜９９．９８ｗｔ％の熱硬化性樹脂含有量と、０．０１〜２０ｗｔ％のＭＷＮＴ含有量と、０．０１〜２０ｗｔ％のＤＷＮＴ含有量とを有するコンポジット。
6. 前記熱硬化性樹脂がエポキシを含む、請求項５に記載のコンポジット。
7. 前記ＭＷＮＴ及び前記ＤＷＮＴが、精製されているかまたは精製されておらず、金属、半導体または絶縁体である、請求項５に記載のコンポジット。
8. 特定の組の性質を備えたカーボンナノチューブコンポジットを製造するために、カーボンナノチューブの直径の関数として、該コンポジットに加えるカーボンナノチューブの量を変化させる、カーボンナノチューブコンポジットの製造方法。
9. 前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである、請求項８に記載の製造方法。
10. 前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである、請求項８に記載の製造方法。
11. 前記コンポジット内の二層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの比率を、特定の組の性質を得るために変化させる、請求項８に記載の製造方法。
12. 前記コンポジットが熱硬化性樹脂を更に含む、請求項１１に記載の製造方法。
13. 前記コンポジットがエポキシを更に含む、請求項１１に記載の製造方法。

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