JP2018203914A - 複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリマーのマトリックス中に繊維状炭素ナノ構造体を良好に分散させてなる複合材料を製造する方法を提供する。【解決手段】ポリマーと繊維状炭素ナノ構造体とを含有する複合材料の製造方法であって、ポリマーと、繊維状炭素ナノ構造体と、有機溶媒とを含む組成物を、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気下で混練する工程を含む、複合材料の製造方法。なお、繊維状炭素ナノ構造体は、単層カーボンナノチューブを含むことが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、複合材料の製造方法に関し、特には、ポリマーと繊維状炭素ナノ構造体とを含有する複合材料の製造方法に関するものである。

従来、導電性や熱伝導性などに優れる材料として、樹脂やゴム等のポリマーにカーボン材料を配合してなる複合材料が使用されている。そして、近年では、導電性や熱伝導性の向上効果が高いカーボン材料として、繊維状炭素材料、特にはカーボンナノチューブ等の繊維状炭素ナノ構造体が注目されている。

ここで、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素ナノ構造体は、一本一本の特性は優れているものの、外径が小さいため、バルク材料として使用する際にファンデルワールス力によってバンドル化し易い（束になり易い）。そのため、ポリマーと繊維状炭素ナノ構造体とを含有する複合材料の製造においては、繊維状炭素ナノ構造体のバンドル構造体を解し（解繊し）、ポリマーのマトリックス中に繊維状炭素ナノ構造体を良好に分散させることが求められている。

そこで、例えば特許文献１では、カーボンナノチューブを含有する有機溶媒中に熱可塑性樹脂からなる成形体を浸漬し、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素の存在下でカーボンナノチューブを分散させつつ成形体表面に収着させることにより、カーボンナノチューブが表層部に均一に分散してなる、熱可塑性樹脂とカーボンナノチューブとの複合体を得ている。

特開２００６−８９４５号公報

しかし、特許文献１に記載の技術は、分散させたカーボンナノチューブを成形体表面に吸着させることにより表層部においてカーボンナノチューブが均一に分散した複合体を得るものであり、特許文献１に記載の技術では、内部までカーボンナノチューブを均一に分散させることができなかった。

そこで、本発明は、ポリマーのマトリックス中に繊維状炭素ナノ構造体を良好に分散させてなる複合材料を製造する方法を提供することを目的とする。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の複合材料の製造方法は、ポリマーと繊維状炭素ナノ構造体とを含有する複合材料の製造方法であって、ポリマーと、繊維状炭素ナノ構造体と、有機溶媒とを含む組成物を、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気下で混練する工程を含むことを特徴とする。このように、ポリマーと、繊維状炭素ナノ構造体と、有機溶媒とを含む組成物を、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気下で混練すれば、繊維状炭素ナノ構造体のバンドル構造体を解繊しつつ、ポリマーのマトリックス中に繊維状炭素ナノ構造体を良好に分散させることができる。

ここで、本発明の複合材料の製造方法では、前記ポリマーと前記有機溶媒とのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｐが２．０ＭＰａ^１／２以上１６．０ＭＰａ^１／２以下であることが好ましい。Ｒｐが上記範囲内であれば、繊維状炭素ナノ構造体のバンドル構造体を良好に解繊し、ポリマーのマトリックス中で繊維状炭素ナノ構造体を更に良好に分散させることができるからである。
なお、「ポリマーと有機溶媒とのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｐ」は、下記式（１）を用いて算出することができる。
Ｒｐ＝｛４×（δ_ｄ１−δ_ｄ２）^２＋（δ_ｐ１−δ_ｐ２）^２＋（δ_ｈ１−δ_ｈ２）^２｝^１／２・・・（１）
δ_ｄ１：ポリマーの分散項
δ_ｄ２：有機溶媒の分散項
δ_ｐ１：ポリマーの極性項
δ_ｐ２：有機溶媒の極性項
δ_ｈ１：ポリマーの水素結合項
δ_ｈ２：有機溶媒の水素結合項

また、本発明の複合材料の製造方法では、前記繊維状炭素ナノ構造体と前記有機溶媒とのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｃが４．０ＭＰａ^１／２以上１５．０ＭＰａ^１／２以下であることが好ましい。Ｒｃが上記範囲内であれば、繊維状炭素ナノ構造体のバンドル構造体を良好に解繊し、ポリマーのマトリックス中で繊維状炭素ナノ構造体を更に良好に分散させることができるからである。
なお、「繊維状炭素ナノ構造体と有機溶媒とのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｃ」は、下記式（２）を用いて算出することができる。
Ｒｃ＝｛４×（δ_ｄ３−δ_ｄ２）^２＋（δ_ｐ３−δ_ｐ２）^２＋（δ_ｈ３−δ_ｈ２）^２｝^１／２・・・（２）
δ_ｄ２：有機溶媒の分散項
δ_ｄ３：繊維状炭素ナノ構造体の分散項
δ_ｐ２：有機溶媒の極性項
δ_ｐ３：繊維状炭素ナノ構造体の極性項
δ_ｈ２：有機溶媒の水素結合項
δ_ｈ３：繊維状炭素ナノ構造体の水素結合項

なお、ハンセン溶解度パラメータの定義および計算方法は、下記の文献に記載されている。Ｃｈａｒｌｅｓ Ｍ． Ｈａｎｓｅｎ著、「Ｈａｎｓｅｎ Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ： Ａ Ｕｓｅｒｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、ＣＲＣプレス、２００７年。

また、ハンセン溶解度パラメータの文献値が未知の分散媒については、コンピュータソフトウェア（Ｈａｎｓｅｎ Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ Ｐｒａｃｔｉｃｅ（ＨＳＰｉＰ））を用いることによって、その化学構造から簡便にハンセン溶解度パラメータを推算することができる。
具体的には、例えば、ＨＳＰｉＰバージョン３を用い、データベースに登録されている有機溶媒についてはその値を用い、登録されていない有機溶媒については推算値を用いればよい。

また、本発明の複合材料の製造方法では、前記ポリマーが、フッ素ゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリスチレンおよびポリカーボネートからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。上記ポリマーを使用すれば、繊維状炭素ナノ構造体を更に良好に分散させることができるからである。

更に、本発明の複合材料の製造方法では、前記有機溶媒が、テトラヒドロフラン、メチルエチルケトン、シクロヘキサン、イソプロピルアルコールおよびトルエンからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。上記有機溶媒を使用すれば、繊維状炭素ナノ構造体を更に良好に分散させることができるからである。

また、本発明の複合材料の製造方法では、前記繊維状炭素ナノ構造体が単層カーボンナノチューブを含むことが好ましい。単層カーボンナノチューブを含む繊維状炭素ナノ構造体は、導電性や熱伝導性などの特性に優れているからである。

そして、本発明の複合材料の製造方法では、前記繊維状炭素ナノ構造体のＢＥＴ比表面積が６００ｍ^２／ｇ以上であることが好ましい。ＢＥＴ比表面積が６００ｍ^２／ｇ以上の繊維状炭素ナノ構造体は、導電性や熱伝導性などの特性に優れているからである。

なお、「ＢＥＴ比表面積」とは、ＢＥＴ法を用いて測定した窒素吸着比表面積を指す。

本発明の複合材料の製造方法によれば、ポリマーのマトリックス中に繊維状炭素ナノ構造体が良好に分散した複合材料を得ることができる。

複合材料中のカーボンナノチューブの解繊状態を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、（ａ）は実施例１の複合材料中のカーボンナノチューブの解繊状態を示し、（ｂ）は比較例１の複合材料中のカーボンナノチューブの解繊状態を示す。 複合材料中のカーボンナノチューブの解繊状態を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、（ａ）は実施例２の複合材料中のカーボンナノチューブの解繊状態を示し、（ｂ）は比較例２の複合材料中のカーボンナノチューブの解繊状態を示す。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
ここで、本発明の複合材料の製造方法は、繊維状炭素ナノ構造体およびポリマーを含有する複合材料を製造する際に用いられる。そして、本発明の複合材料の製造方法により製造した複合材料は、特に限定されることなく、例えば後述する成形体の製造方法を用いて成形体を製造する際に用いることができる。

（複合材料の製造方法）
本発明の複合材料の製造方法は、ポリマーと繊維状炭素ナノ構造体とを含有する複合材料の製造方法である。そして、本発明の複合材料の製造方法は、ポリマーと、繊維状炭素ナノ構造体と、有機溶媒とを含む組成物を、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気下で混練する工程を含む。なお、本発明の複合材料の製造方法は、混練後に、少なくとも二酸化炭素および二酸化炭素に溶解した有機溶媒を除去し、有機溶媒の除去が不十分な場合には任意に有機溶媒を除去する工程を更に含んでいてもよい。

そして、本発明の複合材料の製造方法によれば、ポリマーおよび繊維状炭素ナノ構造体に加えて有機溶媒も含んでいる組成物を亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気下で混練しているので、繊維状炭素ナノ構造体のバンドル構造体を解繊しつつ、ポリマーのマトリックス中に繊維状炭素ナノ構造体を良好に分散させることができる。

＜組成物＞
本発明の複合材料の製造方法において混練される組成物は、ポリマーと、繊維状炭素ナノ構造体と、有機溶媒とを含み、任意に、複合材料の用途に応じた各種添加剤を更に含有していてもよい。なお、組成物は、特に限定されることなく、例えば上述した成分を既知の方法で混合して調製することができる。また、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素に溶解する有機溶媒や添加剤を用いると、複合材料に不要な有機溶媒や添加剤は二酸化炭素と共に除去することができる。

［ポリマー］
ここで、ポリマーとしては、特に限定されることなく、例えば、任意のゴム、樹脂またはそれらの混合物を用いることができる。
具体的には、ゴムとしては、特に限定されることなく、例えば、天然ゴム；フッ化ビニリデン系ゴム（ＦＫＭ）、テトラフルオロエチレン−プロピレン系ゴム（ＦＥＰＭ）、テトラフルオロエチレン−パープルオロビニルエーテル系ゴム（ＦＦＫＭ）などのフッ素ゴム；ブタジエンゴム（ＢＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、水素化スチレン−ブタジエンゴム（Ｈ−ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）などのジエンゴム；シリコーンゴム；等が挙げられる。
また、樹脂としては、特に限定されることなく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂；ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのアクリル樹脂；ポリスチレン（ＰＳ）；ポリカーボネート（ＰＣ）；等が挙げられる。

上述した中でも、ポリマーとしては、フッ化ビニリデン系ゴム（ＦＫＭ）、テトラフルオロエチレン−プロピレン系ゴム（ＦＥＰＭ）、テトラフルオロエチレン−パープルオロビニルエーテル系ゴム（ＦＦＫＭ）などのフッ素ゴム；ニトリルゴム（ＮＢＲ）；水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）；ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂；ポリメタクリル酸メチルなどのアクリル樹脂；ポリスチレン；ポリカーボネート；が好ましく、ＦＫＭ、ＦＥＰＭ、Ｈ−ＮＢＲ、ＰＴＦＥ、ＰＭＭＡ、ＰＳおよびＰＣがより好ましい。これらのポリマーを使用すれば、繊維状炭素ナノ構造体を更に良好に分散させることができるからである。
なお、これらのポリマーは、１種単独で、または、２種以上を混合して用いることができる。

［繊維状炭素ナノ構造体］
繊維状炭素ナノ構造体としては、特に限定されることなく、例えば、カーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」と称することがある。）等の円筒形状の炭素ナノ構造体や、炭素の六員環ネットワークが扁平筒状に形成されてなる炭素ナノ構造体等の非円筒形状の炭素ナノ構造体を用いることができる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

上述した中でも、繊維状炭素ナノ構造体としては、ＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体を用いることがより好ましい。ＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体を使用すれば、少ない配合量であっても複合材料および成形体の特性（例えば、導電性、熱伝導性、強度など）を向上させることができるからである。

ここで、ＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体は、ＣＮＴのみからなるものであってもよいし、ＣＮＴと、ＣＮＴ以外の繊維状炭素ナノ構造体との混合物であってもよい。
そして、繊維状炭素ナノ構造体中のＣＮＴとしては、特に限定されることなく、単層カーボンナノチューブおよび／または多層カーボンナノチューブを用いることができるが、ＣＮＴは、単層から５層までのカーボンナノチューブであることが好ましく、単層カーボンナノチューブであることがより好ましい。カーボンナノチューブの層数が少ないほど、配合量が少量であっても複合材料および成形体の特性（例えば、導電性、熱伝導性、強度など）が向上するからである。

また、繊維状炭素ナノ構造体の平均直径は、１ｎｍ以上であることが好ましく、６０ｎｍ以下であることが好ましく、３０ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であることが更に好ましい。繊維状炭素ナノ構造体の平均直径を上記範囲内とすれば、複合材料および成形体の特性（例えば、導電性、熱伝導性、強度など）十分に向上させることができる。
ここで、本発明において、「繊維状炭素ナノ構造体の平均直径」は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像上で、例えば、２０本の繊維状炭素ナノ構造体について直径（外径）を測定し、個数平均値を算出することで求めることができる。

なお、本発明において、混練前の組成物中に含まれている繊維状炭素ナノ構造体は、通常、複数本が絡まり合ってバンドル構造体を形成している。そして、バンドル構造体の直径（バンドル径）は、特に限定されることなく、例えば０．１μｍ以上である。

また、繊維状炭素ナノ構造体としては、平均直径（Ａｖ）に対する、直径の標準偏差（σ：標本標準偏差）に３を乗じた値（３σ）の比（３σ／Ａｖ）が０．２０超０．６０未満の繊維状炭素ナノ構造体を用いることが好ましく、３σ／Ａｖが０．２５超の繊維状炭素ナノ構造体を用いることがより好ましく、３σ／Ａｖが０．５０超の繊維状炭素ナノ構造体を用いることが更に好ましい。３σ／Ａｖが０．２０超０．６０未満の繊維状炭素ナノ構造体を使用すれば、製造される複合材料および成形体の性能を更に向上させることができる。
なお、繊維状炭素ナノ構造体の平均直径（Ａｖ）および標準偏差（σ）は、繊維状炭素ナノ構造体の製造方法や製造条件を変更することにより調整してもよいし、異なる製法で得られた繊維状炭素ナノ構造体を複数種類組み合わせることにより調整してもよい。

そして、繊維状炭素ナノ構造体としては、前述のようにして測定した直径を横軸に、その頻度を縦軸に取ってプロットし、ガウシアンで近似した際に、正規分布を取るものが通常使用される。

また、繊維状炭素ナノ構造体は、平均長さが、１０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましく、８０μｍ以上であることがさらに好ましく、６００μｍ以下であることが好ましく、５５０μｍ以下であることがより好ましく、５００μｍ以下であることがさらに好ましい。繊維状炭素ナノ構造体の平均長さを上記範囲内とすれば、複合材料および成形体の特性（例えば、導電性、熱伝導性、強度など）十分に向上させることができる。
なお、本発明において、「繊維状炭素ナノ構造体」の平均長さは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像上で、例えば、２０本の繊維状炭素ナノ構造体について長さを測定し、個数平均値を算出することで求めることができる。

更に、繊維状炭素ナノ構造体は、通常、アスペクト比が１０超である。なお、繊維状炭素ナノ構造体のアスペクト比は、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を用いて、無作為に選択した繊維状炭素ナノ構造体２０本の直径および長さを測定し、直径と長さとの比（長さ／直径）の平均値を算出することにより求めることができる。

また、繊維状炭素ナノ構造体は、ＢＥＴ比表面積が、６００ｍ^２／ｇ以上であることが好ましく、８００ｍ^２／ｇ以上であることがより好ましく、２０００ｍ^２／ｇ以下であることが好ましく、１８００ｍ^２／ｇ以下であることがより好ましく、１６００ｍ^２／ｇ以下であることが更に好ましい。繊維状炭素ナノ構造体のＢＥＴ比表面積が６００ｍ^２／ｇ以上であれば、少ない配合量で複合材料および成形体の特性（例えば、導電性、熱伝導性、強度など）を十分に高めることができる。また、繊維状炭素ナノ構造体のＢＥＴ比表面積が２０００ｍ^２／ｇ以下であれば、繊維状炭素ナノ構造体を含む組成物を混練した際にバンドル構造体を良好に解繊することができる。

また、繊維状炭素ナノ構造体は、吸着等温線から得られるｔ−プロットが上に凸な形状を示すことが好ましい。なお、「ｔ−プロット」は、窒素ガス吸着法により測定された繊維状炭素ナノ構造体の吸着等温線において、相対圧を窒素ガス吸着層の平均厚みｔ（ｎｍ）に変換することにより得ることができる。すなわち、窒素ガス吸着層の平均厚みｔを相対圧Ｐ／Ｐ０に対してプロットした、既知の標準等温線から、相対圧に対応する窒素ガス吸着層の平均厚みｔを求めて上記変換を行うことにより、繊維状炭素ナノ構造体のｔ−プロットが得られる（de Boerらによるｔ−プロット法）。

ここで、表面に細孔を有する物質では、窒素ガス吸着層の成長は、次の（１）〜（３）の過程に分類される。そして、下記の（１）〜（３）の過程によって、ｔ−プロットの傾きに変化が生じる。
（１）全表面への窒素分子の単分子吸着層形成過程
（２）多分子吸着層形成とそれに伴う細孔内での毛管凝縮充填過程
（３）細孔が窒素によって満たされた見かけ上の非多孔性表面への多分子吸着層形成過程

そして、上に凸な形状を示すｔ−プロットは、窒素ガス吸着層の平均厚みｔが小さい領域では、原点を通る直線上にプロットが位置するのに対し、ｔが大きくなると、プロットが当該直線から下にずれた位置となる。かかるｔ−プロットの形状を有する繊維状炭素ナノ構造体は、繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積に対する内部比表面積の割合が大きく、繊維状炭素ナノ構造体を構成する炭素ナノ構造体に多数の開口が形成されていることを示している。

なお、繊維状炭素ナノ構造体のｔ−プロットの屈曲点は、０．２≦ｔ（ｎｍ）≦１．５を満たす範囲にあることが好ましく、０．４５≦ｔ（ｎｍ）≦１．５の範囲にあることがより好ましく、０．５５≦ｔ（ｎｍ）≦１．０の範囲にあることが更に好ましい。繊維状炭素ナノ構造体のｔ−プロットの屈曲点がかかる範囲内にあれば、少ない配合量で複合材料および成形体の特性（例えば、導電性、熱伝導性、強度など）を高めることができる。
なお、「屈曲点の位置」は、前述した（１）の過程の近似直線Ａと、前述した（３）の過程の近似直線Ｂとの交点である。

更に、繊維状炭素ナノ構造体は、ｔ−プロットから得られる全比表面積Ｓ１に対する内部比表面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）が０．０５以上０．３０以下であるのが好ましい。繊維状炭素ナノ構造体のＳ２／Ｓ１の値がかかる範囲内であれば、少ない配合量で複合材料および成形体の特性（例えば、導電性、熱伝導性、強度など）を高めることができる。
ここで、繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積Ｓ１および内部比表面積Ｓ２は、そのｔ−プロットから求めることができる。具体的には、まず、（１）の過程の近似直線の傾きから全比表面積Ｓ１を、（３）の過程の近似直線の傾きから外部比表面積Ｓ３を、それぞれ求めることができる。そして、全比表面積Ｓ１から外部比表面積Ｓ３を差し引くことにより、内部比表面積Ｓ２を算出することができる。

因みに、繊維状炭素ナノ構造体の吸着等温線の測定、ｔ−プロットの作成、および、ｔ−プロットの解析に基づく全比表面積Ｓ１と内部比表面積Ｓ２との算出は、例えば、市販の測定装置である「ＢＥＬＳＯＲＰ（登録商標）−ｍｉｎｉ」（日本ベル（株）製）を用いて行うことができる。

更に、繊維状炭素ナノ構造体として好適なＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体は、ラマン分光法を用いて評価した際に、Ｒａｄｉａｌ Ｂｒｅａｔｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ（ＲＢＭ）のピークを有することが好ましい。なお、三層以上の多層カーボンナノチューブのみからなる繊維状炭素ナノ構造体のラマンスペクトルには、ＲＢＭが存在しない。

また、ＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体は、ラマンスペクトルにおけるＤバンドピーク強度に対するＧバンドピーク強度の比（Ｇ／Ｄ比）が０．５以上５．０以下であることが好ましい。Ｇ／Ｄ比が０．５以上５．０以下であれば、製造される複合材料および成形体の性能を更に向上させることができる。

なお、ＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体は、特に限定されることなく、アーク放電法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）などの既知のＣＮＴの合成方法を用いて製造することができる。具体的には、ＣＮＴを含む繊維状炭素ナノ構造体は、例えば、カーボンナノチューブ製造用の触媒層を表面に有する基材上に原料化合物およびキャリアガスを供給し、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によりＣＮＴを合成する際に、系内に微量の酸化剤（触媒賦活物質）を存在させることで、触媒層の触媒活性を飛躍的に向上させるという方法（スーパーグロース法；国際公開第２００６／０１１６５５号参照）に準じて、効率的に製造することができる。なお、以下では、スーパーグロース法により得られるカーボンナノチューブを「ＳＧＣＮＴ」と称することがある。
そして、スーパーグロース法により製造された繊維状炭素ナノ構造体は、ＳＧＣＮＴのみから構成されていてもよいし、ＳＧＣＮＴに加え、例えば、非円筒形状の炭素ナノ構造体等の他の炭素ナノ構造体を含んでいてもよい。

そして、組成物中に含まれている繊維状炭素ナノ構造体の量は、特に限定されることなく、例えば、ポリマー１００質量部当たり、０．０１質量部以上であることが好ましく、０．５質量部以上であることがより好ましく、１０質量部以下であることが好ましく、５質量部以下であることがより好ましい。繊維状炭素ナノ構造体の量が上記下限値以上であれば、複合材料および成形体の特性（例えば、導電性、熱伝導性、強度など）十分に向上させることができる。また、繊維状炭素ナノ構造体の量が上記上限値以下であれば、繊維状炭素ナノ構造体を含む組成物を混練した際にバンドル構造体を良好に解繊することができる。

［有機溶媒］
有機溶媒としては、特に限定されることなく、任意の有機溶媒を用いることができる。なお、組成物が有機溶媒を含まない場合には、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素がポリマーに溶解した効果により、混練時に繊維状炭素ナノ構造体のバンドル構造体がゆっくりと解繊され、有機溶媒を含む場合に比べて解繊され難くなるため、得られる複合材料において、ポリマーのマトリックス中で繊維状炭素ナノ構造体の良好な分散が得られない。

中でも、有機溶媒としては、イソプロピルアルコール、テトラヒドロフラン、メチルエチルケトンなどの極性有機溶媒、および、シクロヘキサン、トルエンなどの非極性有機溶媒を用いることが好ましい。これらの有機溶媒を使用すれば、繊維状炭素ナノ構造体を更に良好に分散させることができるからである。
なお、これらの有機溶媒は、１種単独で、または、２種以上を混合して用いることができる。

そして、組成物中に含まれている有機溶媒の量は、特に限定されることなく、例えば、ポリマー１００質量部当たり、１．０質量部以上であることが好ましく、２．５質量部以上であることがより好ましく、２０００質量部以下であることが好ましく、９００質量部以下であることがより好ましい。有機溶媒の量が上記範囲内であれば、繊維状炭素ナノ構造体を含む組成物を混練した際にバンドル構造体を良好に解繊することができる。

−ハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｐ−
ここで、上記有機溶媒と、上述したポリマーとは、ハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｐ（単位：ＭＰａ^１／２）が、２．０以上であることが好ましく、２．８以上であることがより好ましく、１６．０以下であることが好ましく、９．０以下であることがより好ましい。Ｒｐが上記範囲内であれば、組成物の混練時に繊維状炭素ナノ構造体のバンドル構造体を良好に解繊し、ポリマーのマトリックス中で繊維状炭素ナノ構造体を更に良好に分散させることができる。

−ハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｃ−
また、上記有機溶媒と、上述した繊維状炭素ナノ構造体とは、ハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｃ（単位：ＭＰａ^１／２）が、４．０以上であることが好ましく、５．５以上であることがより好ましく、１５．０以下であることが好ましく、６．５以下であることがより好ましい。Ｒｃが上記範囲内であれば、組成物の混練時に繊維状炭素ナノ構造体のバンドル構造体を良好に解繊し、ポリマーのマトリックス中で繊維状炭素ナノ構造体を更に良好に分散させることができる。

［添加剤］
添加剤としては、特に限定されることなく、分散剤、酸化防止剤、熱安定剤、光安定剤、紫外線吸収剤、架橋剤、顔料、着色剤、発泡剤、帯電防止剤、難燃剤、滑剤、軟化剤、粘着付与剤、可塑剤、離型剤、防臭剤、香料などを挙げることができる。
なお、これらの添加剤は、混練前の組成物に配合することなく、組成物を混練して複合材料を調製した後、溶融混練等を用いて当該複合材料に直接配合してもよい。

＜混練＞
本発明の複合材料の製造方法において、上述した組成物の混練は、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気下で行う。
なお、混練時には、高い浸透性を示す亜臨界二酸化炭素または超臨界二酸化炭素の存在下で上述した組成物にせん断力が付与されるため、例えばボールミルなどを用いてバンドル構造体を破壊する場合などと比較して、繊維状炭素ナノ構造体の損傷を抑制しつつバンドル構造体を良好に解繊できると推察される。

［亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気］
ここで、「亜臨界状態の二酸化炭素」とは、圧力が二酸化炭素の臨界圧力（７．３８ＭＰａ（絶対圧））以上であり、且つ、温度が二酸化炭素の臨界温度（３１．１℃）未満である液体状態の二酸化炭素、または、圧力が二酸化炭素の臨界圧力未満であり、且つ、温度が二酸化炭素の臨界温度以上である液体状態の二酸化炭素、或いは、温度および圧力が共に二酸化炭素の臨界点未満ではあるが上記液体状態の二酸化炭素に近い状態の二酸化炭素をいう。
また、「超臨界状態の二酸化炭素」とは、圧力が二酸化炭素の臨界圧力以上であり、且つ、温度が二酸化炭素の臨界温度以上である状態の二酸化炭素をいう。

そして、組成物の混練を行う亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気の圧力（絶対圧）は、特に限定されることなく、例えば５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下とすることができる。
また、組成物の混練を行う亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気の温度は、特に限定されることなく、例えば２５℃以上２００℃以下とすることができる。

［混練操作］
上述した組成物を亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素の存在下で混練する方法には、特に制限はない。例えば、同方向回転二軸混練機構などの混練機構および背圧調整弁を備える混練機内に、ポリマーと、繊維状炭素ナノ構造体と、有機溶媒と、任意の添加剤とを投入し、或いは、それらを予備混合してなる混合物を投入し、混練温度まで昇温した後、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素を系内に供給して混練することができる。
なお、混練速度（混練スクリューの回転速度）は、特に限定されることなく、例えば、３０ｒｐｍ以上２００ｒｐｍ以下とすることができる。また、混練時間は、特に限定されることなく、例えば、３０分以上５時間以下とすることができる。

＜二酸化炭素等の除去＞
混練が終了した後は、背圧調整弁を用いて系内を減圧してから複合材料を回収することができる。なお、減圧時には、系内から二酸化炭素が除去され、任意に組成物に含まれていた有機溶媒の一部または全部も除去され得る。
なお、回収した複合材料は、任意に乾燥して複合材料中に残存している有機溶媒を更に除去してもよい。

（成形体の製造方法）
本発明の複合材料の製造方法により製造した複合材料を用いた成形体の製造方法は、特に限定されることなく、ベルト、ホース、ガスケット、パッキン、オイルシールなどの種々の成形体を製造する際に用いることができる。そして、この成形体の製造方法は、本発明の複合材料の製造方法を用いて製造した複合材料を成形する工程を含むことを特徴とする。

ここで、複合材料の成形は、特に限定されることなく、例えば、射出成形、押出成形、プレス成形、ロール成形などの任意の成形方法を用いて行うことができる。

そして、この成形体の製造方法では、上述した複合材料を使用しているので、ポリマーのマトリックス中に繊維状炭素ナノ構造体が良好に分散してなる、導電性、熱伝導性、強度などの各種特性に優れる成形体を得ることができる。

以下、本発明について実施例を用いて更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
中立のニーディングブロックが配置されたバッチ式の同方向回転二軸混練機に、ポリマーとしてのテトラフルオロエチレン−プロピレン系ゴム（ＦＥＰＭ）１００質量部と、有機溶媒としてのテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）４０質量部と、繊維状炭素ナノ構造体としてのＳＧＣＮＴ（ゼオンナノテクノロジー社製、製品名「ＺＥＯＮＡＮＯ ＳＧ１０１」、単層ＣＮＴ、平均直径：３．５ｎｍ、平均長さ：４００μｍ、ＢＥＴ比表面積：１０５０ｍ^２／ｇ）３．０質量部とを仕込み、６０℃まで昇温した後、圧力１５ＭＰａの二酸化炭素を供給し、超臨界状態の二酸化炭素雰囲気下で２時間混練（回転速度：６０ｒｐｍ）した。そして、混練終了後、背圧調整弁を用いて系内を減圧し、複合材料を得た。
なお、ＦＥＰＭとＴＨＦとのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｐは７．５ＭＰａ^１／２であり、ＳＧＣＮＴとＴＨＦとのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｃは６．３ＭＰａ^１／２であった。
また、得られた複合材料をテトラヒドロフランに１日以上浸漬してポリマーを溶解させた後、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製のフィルター（孔径：０．５μｍ）でろ過してＳＧＣＮＴを取り出した。そして、取り出したＳＧＣＮＴを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて未蒸着で観察および撮影した。得られたＳＥＭ写真を図１（ａ）に示す。

（比較例１）
有機溶媒としてのテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を使用しなかった以外は実施例１と同様にして複合材料を調製した。そして、実施例１と同様にして複合材料中のＳＧＣＮＴの観察および撮影を行った。得られたＳＥＭ写真を図１（ｂ）に示す。

図１（ａ）および（ｂ）より、実施例１では、有機溶媒を使用しなかった比較例１と比較して、ＳＧＣＮＴが良好に解繊されており、ＦＥＰＭのマトリックス中にＳＧＣＮＴが良好に分散した複合材料が得られていることが分かる。

（実施例２）
中立のニーディングブロックが配置されたバッチ式の同方向回転二軸混練機に、ポリマーとしてのポリスチレン（ＰＳ）１００質量部と、有機溶媒としてのトルエン２．９質量部と、繊維状炭素ナノ構造体としてのＳＧＣＮＴ（ゼオンナノテクノロジー社製、製品名「ＺＥＯＮＡＮＯ ＳＧ１０１」、単層ＣＮＴ、平均直径：３．５ｎｍ、平均長さ：４００μｍ、ＢＥＴ比表面積：１０５０ｍ^２／ｇ）１．０質量部とを仕込み、１８０℃まで昇温した後、圧力１２ＭＰａの二酸化炭素を供給し、超臨界状態の二酸化炭素雰囲気下で２時間混練（回転速度：６０ｒｐｍ）した。そして、混練終了後、背圧調整弁を用いて系内を減圧し、複合材料を得た。
なお、ＰＳとトルエンとのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｐは８．３ＭＰａ^１／２であり、ＳＧＣＮＴとトルエンとのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｃは５．９ＭＰａ^１／２であった。
また、得られた複合材料をトルエンに１日以上浸漬してポリマーを溶解させた後、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製のフィルター（孔径：０．５μｍ）でろ過してＳＧＣＮＴを取り出した。そして、取り出したＳＧＣＮＴを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて未蒸着で観察および撮影した。得られたＳＥＭ写真を図２（ａ）に示す。

（比較例２）
有機溶媒としてのトルエンを使用しなかった以外は実施例２と同様にして複合材料を調製した。そして、実施例２と同様にして複合材料中のＳＧＣＮＴの観察および撮影を行った。得られたＳＥＭ写真を図２（ｂ）に示す。

図２（ａ）および（ｂ）より、実施例２では、有機溶媒を使用しなかった比較例２と比較して、ＳＧＣＮＴがより良好に解繊されており、ＰＳのマトリックス中にＳＧＣＮＴが良好に分散した複合材料が得られていることが分かる。

本発明の複合材料の製造方法によれば、ポリマーのマトリックス中に繊維状炭素ナノ構造体が良好に分散した複合材料を得ることができる。

Claims (7)

1. ポリマーと繊維状炭素ナノ構造体とを含有する複合材料の製造方法であって、
   ポリマーと、繊維状炭素ナノ構造体と、有機溶媒とを含む組成物を、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素雰囲気下で混練する工程を含む、複合材料の製造方法。
2. 前記ポリマーと前記有機溶媒とのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｐが２．０ＭＰａ^１／２以上１６．０ＭＰａ^１／２以下である、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
3. 前記繊維状炭素ナノ構造体と前記有機溶媒とのハンセン溶解度パラメータの距離Ｒｃが４．０ＭＰａ^１／２以上１５．０ＭＰａ^１／２以下である、請求項１または２に記載の複合材料の製造方法。
4. 前記ポリマーが、フッ素ゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリスチレンおよびポリカーボネートからなる群より選択される少なくとも１種である、請求項１〜３の何れかに記載の複合材料の製造方法。
5. 前記有機溶媒が、テトラヒドロフラン、メチルエチルケトン、シクロヘキサン、イソプロピルアルコールおよびトルエンからなる群より選択される少なくとも１種である、請求項１〜４の何れかに記載の複合材料の製造方法。
6. 前記繊維状炭素ナノ構造体が単層カーボンナノチューブを含む、請求項１〜５の何れかに記載の複合材料の製造方法。
7. 前記繊維状炭素ナノ構造体のＢＥＴ比表面積が６００ｍ^２／ｇ以上である、請求項１〜６の何れかに記載の複合材料の製造方法。