JP2006335986A - 複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 気相成長炭素繊維の配合比を抑制しても十分に高い導電性が発現し、しかも、成型品表面の摺動性をも改善可能な複合材料を提供すること。
【解決手段】 本発明の複合材料は、プラスチックをマトリクスとして、マトリクス中に気相成長炭素繊維と樹脂粉末とを分散させてなる。気相成長炭素繊維は、直径が０．１〜０．５μｍ、アスペクト比が１００〜３０００、嵩密度が０．０２〜０．１５ｇ／ｃｃで、複合材料中に５〜３０重量％含有されている。また、樹脂粉末は、フッ素樹脂粉末、ポリアセタール樹脂粉末、およびポリアミド樹脂粉末の中から選ばれるいずれか１種または２種以上で、平均粒子径が０．５〜５００μｍで、複合材料中に５〜５０重量％含有されている。さらに、複合材料の体積抵抗率は１×１０^-1〜１×１０⁶Ω・ｃｍとされている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、導電性および摺動性の双方に優れた複合材料に関する。

従来、導電性を有する複合材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のプラスチックからなるマトリクスに、カーボンブラック、カーボン繊維、金属粉等の導電性フィラーを配合して導電性を付与したものが知られている。しかし、この種の複合材料に、高い導電性（特に、体積抵抗率１×１０⁶Ω・ｃｍ以下）を付与するには、相当な量の導電性フィラーを添加する必要があることから、マトリクスとなるプラスチック本来の物性に悪影響を与え、プラスチック本来の物性が反映された複合材料を得ることができなくなるという欠点があった。そのため、導電性フィラーの配合量を少なくしても、十分に高い導電性が発現する複合材料が望まれていた。

こうした問題に対し、下記特許文献１では、直径１μｍ以下の繊維状カーボンを熱可塑性樹脂中に分散させる技術が提案され、これにより、少量の導電性フィラーでも十分な導電性を付与できることが示唆されている（例えば、特許文献１［請求項１］、段落［００１５］等参照）。また、同特許文献１には、直径１μｍ以下の繊維状カーボンの例として、気相成長カーボン繊維が挙げられている（例えば、特許文献１段落［０００９］等参照）。
特開２００３−３４２４７４号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の導電性材料でも、十分な導電性を確保することは、必ずしも容易なことではなかった。
より具体的には、例えば、上記特許文献１の段落［００１３］には、高せん断速度下で混練することにより、導電性を改善できる旨が開示されているが、高せん断速度下で混練する環境がない場合、このような混練工程を採用することはできなかった。

また、導電性フィラーとして気相成長炭素繊維を用いる場合、気相成長炭素繊維は、製造に手間がかかることから比較的製造コストが高く、そのような気相成長炭素繊維を大量に配合すると、得られる複合材料の製造コストも高くなるため、この複合材料を用いて製造される最終製品の価格が高騰するという欠点もあった。

さらに、この種の複合材料は、接点やその他の摺動面を持つ部品を形成する際に用いられることがあるが、マトリクスとなるプラスチックの中には、動摩擦係数が比較的高くて摺動性に劣るものも多く、導電性の向上と同時に摺動性の改善も求められていた。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、気相成長炭素繊維の配合比を抑制しても十分に高い導電性が発現し、しかも、成型品表面の摺動性をも改善可能な複合材料を提供することにある。

以下、上記目的を達成するために本発明において採用した特徴的構成について説明する。
本発明の複合材料は、プラスチックをマトリクスとして、前記マトリクス中に気相成長炭素繊維と樹脂粉末とを分散させてなる複合材料であり、前記気相成長炭素繊維は、直径が０．１〜０．５μｍ、アスペクト比が１００〜３０００、嵩密度が０．０２〜０．１５ｇ／ｃｃで、前記複合材料中に５〜３０重量％含有されており、前記樹脂粉末は、フッ素樹脂粉末、ポリアセタール樹脂粉末、およびポリアミド樹脂粉末の中から選ばれるいずれか１種または２種以上で、平均粒子径が０．５〜５００μｍで、前記複合材料中に５〜５０重量％含有されており、前記複合材料の体積抵抗率が１×１０^-1〜１×１０⁶Ω・ｃｍであることを特徴とする。

本発明において、マトリクスとなるプラスチックは、特に限定されないが、いくつか例を挙げれば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル等を使用することができる。

また、気相成長炭素繊維は、直径が０．１〜０．５μｍ、アスペクト比が１００〜３０００、嵩密度が０．０２〜０．１５ｇ／ｃｃのものを用い、複合材料中での含量は５〜３０重量％とする。直径については、０．１μｍを下回っても０．５μｍを上回っても気相成長炭素繊維がだまになりやすく、分散不良の原因となる。また、直径が０．１μｍを下回ると、気相成長炭素繊維の配合量が少ない場合に粗密が発生しやすくなる。アスペクト比については、１００を下回ると、十分な導電パスを形成することが困難になる傾向があり、一方、３０００を下回ると、繊維同士のからみあいにより分散不良が生じやすくなる傾向がある。嵩密度については、０．０２〜０．１５ｇ／ｃｃのものが好適であり、含量については、５重量％を下回ると、十分な導電パスを形成することが困難になる傾向があり、一方、３０重量％を上回ると、マトリクスとなるプラスチック本来の物性が損なわれ、例えば脆性が高くなる等の弊害を生じやすくなる。

また、樹脂粉末は、フッ素樹脂粉末、ポリアセタール樹脂粉末、およびポリアミド樹脂粉末の中から選ばれるいずれか１種または２種以上で、平均粒子径が０．５〜５００μｍのものを用い、複合材料中での含量は５〜５０重量％とする。フッ素樹脂粉末、ポリアセタール樹脂粉末、およびポリアミド樹脂粉末の中から、いずれの樹脂粉末を選ぶかは、少なくともマトリクスとなるプラスチックとは異なるものが選ばれ、望ましくは、プラスチックが、樹脂粉末を形成する樹脂の融点または軟化点よりも低い温度条件下で成形可能なプラスチックとなるように、プラスチックとの関係で樹脂粉末が選ばれる。フッ素樹脂粉末、ポリアセタール樹脂粉末、およびポリアミド樹脂粉末は、この中から選ばれるいずれか１種を単独で用いてもよいし、２種以上をブレンドしてもよい。平均粒子径については、０．５μｍを下回ると、導電性を向上させる効果が低下する傾向があり、一方、５００μｍを上回ると、成型品表面の平滑性が損なわれやすくなる傾向がある。含量については、５重量％を下回ると、導電性を向上させる効果が低下する傾向があり、一方、５０重量％を上回ると、マトリクスとなるプラスチック本来の物性が損なわれ、例えば脆性が高くなる等の弊害を生じやすくなる。

さらに、複合材料の体積抵抗率は１×１０^-1〜１×１０⁶Ω・ｃｍとされる。なお、体積抵抗率はさらに低ければ望ましいが、マトリクスとなるプラスチック本来の性能を確保しつつ体積抵抗率を１×１０^-1Ω・ｃｍ未満にすることは容易ではない。また、体積抵抗率が１×１０⁶Ω・ｃｍより大きいものは、分散不良その他の要因により、本発明特有の性能が十分に発現していない可能性があるので、混練時の温度条件や時間条件その他を見直すことで、体積抵抗率を１×１０⁶Ω・ｃｍ以下にすることができる。

このように構成された複合材料によれば、樹脂粉末が、マトリクス中に気相成長炭素繊維のみを配合した場合よりも、複合材料の導電性を向上させるので、気相成長炭素繊維の配合量を抑制しても、体積抵抗率１×１０^-1〜１×１０⁶Ω・ｃｍの優れた導電性を確保することができる。また、マトリクスとなるプラスチックのみに比べ、気相成長炭素繊維を配合した方が成型品表面の動摩擦係数が低下し、しかも、マトリクスとなるプラスチックのみに比べ、フッ素樹脂粉末、ポリアセタール樹脂粉末、およびポリアミド樹脂粉末の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を配合した方が成型品表面の動摩擦係数が低下すので、これら双方を配合することにより、成型品表面の摺動性をきわめて高くすることができる。

したがって、この複合材料によれば、導電性フィラーとして、比較的高価な気相成長炭素繊維を利用しているにもかかわらず、気相成長炭素繊維の配合比を低減できる分だけ、複合材料の製造コストを低減でき、複合材料を使って製造される最終製品を安価に提供できるようになる。しかも、気相成長炭素繊維の配合比を低減できれば、マトリクスとなるプラスチック本来の物性も損なわれにくくなるので、プラスチック本来の物性を活かした成型品を得ることができる。さらに、成型品表面の摺動性をきわめて高くすることができるので、接点やその他の摺動面を持つ部品を形成するための材料として好適なものとなる。

なお、上述の通り、前記プラスチックは、前記樹脂粉末を形成する樹脂の融点または軟化点よりも低い温度条件下で成形可能なプラスチックであると好ましいが、より具体的には、前記プラスチックが、前記樹脂粉末を形成する樹脂の融点または軟化点よりも２０℃以上低い温度条件下で成形可能なプラスチックであると望ましく、中でも、前記プラスチックが、前記樹脂粉末を形成する樹脂の融点または軟化点よりも５０℃以上低い温度条件下で成形可能なプラスチックであると、より一層望ましい。

このように構成された複合材料によれば、マトリクスとなるプラスチックを熔融または軟化させる、あるいは、マトリクスとなるプラスチックの前駆体を重合または架橋するなどの方法により、複合材料の成形を行う際に、樹脂粉末を形成する樹脂の融点または軟化点よりも低い温度条件下で成形を行うことができるので、成形時の熱で樹脂粉末となる樹脂粉末を熔融させることがなく、より確実に樹脂粉末を機能させることができる。

なお、以上説明した本発明の複合材料は、様々な用途に用いることができるが、いくつかの例を挙げれば、例えば、家電、自動車、建築関連製品におけるＥＭＣ対策部材、静電気対策部材、熱対策部材などを製造する際に好適であり、特に、これら複数の機能を兼ね備えた複合部材を構成する場合に用いると、きわめて効果的である。

次に、本発明の実施形態について、より具体的な例を挙げて説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態においては、以下に説明するような複合材料の試料を作製した。

まず、マトリクスとなるプラスチックとして、ポリプロピレン（出光興産株式会社製、商品名：ＩＤＥＭＩＴＳＵ ＰＰ、品番：Ｊ−３０２１ＧＲ、融点：１２５℃；以下、ＰＰと略称する。）を使用した。また、気相成長炭素繊維としては、直径０．１〜０．５μｍ、アスペクト比１００〜３０００、嵩密度０．０２〜０．１５ｇ／ｃｃのもの（昭和電工株式会社製、商品名：ＶＧＣＦ（登録商標））を使用した。また、樹脂粉末として、ポリテトラフルオロエチレン粉末（旭硝子株式会社製、商品名：Ｆｌｕｏｎ（登録商標）ＰＴＦＥ、品番：Ｌ１６９Ｊ、融点３３２℃、平均粒子径１７μｍ；以下、ＰＴＦＥ粉末と略称する。）を使用した。

そして、これらの材料をラボプラストミル（株式会社東洋精機製作所製、４Ｃ１５０型）にて混練した。混練時の温度条件は、ＰＰの融点よりも高く、且つ、ＰＴＦＥ粉末の融点よりも低い１４５℃に設定し、ルーダー回転数１５ｒｐｍで、ルーダーを回転させるモーターのトルクが平衡状態になった時間を終了時間として、ＰＰ、ＰＴＦＥ、気相成長炭素繊維の順に添加しながら混練した。混練を終えたコンポジット材は、粗粉加工し、プレス機にて１９０℃、約０.４ＭＰａの圧力で成形を行った。

第１実施形態では、図１（ａ）に示すように、気相成長炭素繊維の配合比を重量比で１０％に固定し、ＰＴＦＥ粉末の配合比を重量比で１０％（実施例１），３０％（実施例２），５０％（実施例３）と３通りに変更し、それぞれ残部をマトリクスとした３種の試料を作製した。また、比較のため、ＰＴＦＥ粉末は配合せず、気相成長炭素繊維の配合比を重量比で１０％、残りをマトリクスとした試料（比較例１）と、樹脂粉末および気相成長炭素繊維を双方とも配合しない試料（比較例２）も用意した。

次に、上記各試料の特性を、次のような方法で評価した。
各試料の表面抵抗および体積抵抗を、市販の抵抗率計（商品名：「ロレスタ−ＧＰ」および商品名：「ハイレスタＵＰ」、いずれも株式会社ダイアインスツルメンツ製）を用いて測定した。

また、各試料の熱伝導率を、市販の熱伝導率計（商品名：「迅速熱伝導率計ＱＴＭ−５００」、京都電子工業株式会社製）を用いて測定した。
さらに、各試料の平均動摩擦係数を、ボールオンディスク試験法（試験速度：０．１ｍ／ｓ、試験荷重：０．９８７ｋｇ、試験時間：３時間、試験距離：１０８０ｍ（実働１２００ｍ）、相手材：ＳＵＳ３０４）により測定した。

測定結果を、図１（ｂ）にまとめて示す。また、図２には、ＰＴＦＥ粉末の配合比を横軸にとり、体積抵抗を縦軸にとったグラフを示す。図３には、ＰＴＦＥ粉末の配合比を横軸にとり、熱伝導率を縦軸にとったグラフを示す。

図２から、気相成長炭素繊維の配合比が一定であるにもかかわらず、導電性のないＰＴＦＥ粉末を配合することにより、体積抵抗が低下することがわかる。また、図３から、ＰＴＦＥ粉末を配合することにより、熱伝導率も向上することがわかる。さらに、図１（ｂ）に示した平均動摩擦係数から、気相成長炭素繊維とＰＴＦＥ粉末の双方を配合することにより、格段に動摩擦係数が低下することがわかる。比較例１，２からは、気相成長炭素繊維のみの添加でもブランクより動摩擦係数が低下することがわかるが、実施例１〜３からはＰＴＦＥ粉末の添加によりさらに動摩擦係数が低下することがわかる。また、実施例１〜３を比較すると、ＰＴＦＥ粉末は少量の添加でもきわめて効果的であることがわかる。

以上説明した第１実施形態の複合材料は、マトリクスがＰＰからなるので、ＰＰ特有の特性に加え、導電性をも求められる部材を製造するための材料として好適なものである。
また、ＰＴＦＥ粉末の存在により、気相成長炭素繊維の配合比を低減しても十分に高い導電性を確保できるので、高価な気相成長炭素繊維の使用量を抑制でき、複合材料の製造コスト低減を図ることができる。しかも、気相成長炭素繊維の配合比を低減すれば、その分だけＰＰの配合比が高くなり、ＰＰの物性を活かした複合材料となる。

さらに、ＰＴＦＥ粉末の融点または軟化点が、ＰＰより高いので、ＰＰの融点または軟化点より高い温度条件で複合材料の成形を行う場合に、ＰＴＦＥ粉末の融点または軟化点より低い温度条件を設定して成形を行うことができ、これにより、ＰＴＦＥ粉末が熔融して過度にＰＰと熔け合うのを抑制することができ、ＰＴＦＥ粉末を有効に機能させることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態においては、第１実施形態の同じ手順で試料を作製したが、図４（ａ）に示すように、ＰＴＦＥ粉末の配合比を重量比で１０％、気相成長炭素繊維の配合比を重量比で３０％（実施例４）とし、それぞれ残部をマトリクスとした試料を作製し、この試料の特性を、第１実施形態と同様の方法で評価した。

測定結果を、図４（ｂ）に示す。なお、図４（ｂ）には、上記第１実施形態で示した実施例１，比較例２についても併記してある。
図４（ｂ）に示した平均動摩擦係数から、気相成長炭素繊維とＰＴＦＥ粉末の双方を配合することにより、動摩擦係数が低下することがわかる。また、第２実施形態では、第１実施形態よりも試料の表面粗さが粗かったため、動摩擦係数が上下に変動しているが、その変動幅も気相成長炭素繊維とＰＴＦＥ粉末の双方を配合することによって狭くなっており、動摩擦係数の変動を抑制できることがわかる。

［第３実施形態］
第３実施形態では、上記第１実施形態で用いたＰＴＦＥ粉末に代えて、ポリアミド樹脂粉末（株式会社クラレ製、商品名：ジェネスタ（半芳香族ナイロン；ＰＡ９Ｔ）、品番：Ｎ１０００、融点：３０４℃、平均粒子径１００μｍ）を使用し、その他の製造条件、製造手順は第１実施形態と同様にして、試料を作製した。

この試料についても、第１実施形態と同様の特性評価試験を実施したところ、優れた導電性および熱伝導性を有することが確認された。また、動摩擦係数が小さく、優れた摺動性を有することが確認された。

［第４実施形態］
第４実施形態では、上記第１実施形態で用いたＰＴＦＥ粉末に代えて、ポリアセタール樹脂粉末（ポリプラスチックス株式会社製、商品名：ジュラコン、品番：Ｍ９０−４０、融点：１７５℃、平均粒子径３００μｍ）を使用し、その他の製造条件、製造手順は第１実施形態と同様にして、試料を作製した。

この試料についても、第１実施形態と同様の特性評価試験を実施したところ、優れた導電性および熱伝導性を有することが確認された。また、動摩擦係数が小さく、優れた摺動性を有することが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、マトリクスを形成するプラスチックとして、ポリプロピレンを例示したが、これら以外のプラスチックをマトリクスとしても、所期の複合材料を得ることができる。具体的な例を挙げれば、ポリエチレン、ポリアミド、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル等を使用することができる。

第１実施形態における各試料の配合比および特性評価の結果を示す一覧表。 第１実施形態における各試料の体積抵抗を示すグラフ。 第１実施形態における各試料の熱伝導率を示すグラフ。 第２実施形態における各試料の配合比および特性評価の結果を示す一覧表。

Claims (6)

1. プラスチックをマトリクスとして、前記マトリクス中に気相成長炭素繊維と樹脂粉末とを分散させてなる複合材料であり、
   前記気相成長炭素繊維は、直径が０．１〜０．５μｍ、アスペクト比が１００〜３０００、嵩密度が０．０２〜０．１５ｇ／ｃｃで、前記複合材料中に５〜３０重量％含有されており、
   前記樹脂粉末は、フッ素樹脂粉末、ポリアセタール樹脂粉末、およびポリアミド樹脂粉末の中から選ばれるいずれか１種または２種以上で、平均粒子径が０．５〜５００μｍで、前記複合材料中に５〜５０重量％含有されており、
   前記複合材料の体積抵抗率が１×１０^-1〜１×１０⁶Ω・ｃｍである
   ことを特徴とする複合材料。
2. 前記プラスチックが、前記樹脂粉末を形成する樹脂の融点または軟化点よりも低い温度条件下で成形可能なプラスチックである
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合材料。
3. 前記プラスチックが、前記樹脂粉末を形成する樹脂の融点または軟化点よりも２０℃以上低い温度条件下で成形可能なプラスチックである
   ことを特徴とする請求項２に記載の複合材料。
4. 前記プラスチックが、前記樹脂粉末を形成する樹脂の融点または軟化点よりも５０℃以上低い温度条件下で成形可能なプラスチックである
   ことを特徴とする請求項３に記載の複合材料。
5. 前記プラスチックが、ポリプロピレンであり、
   前記樹脂粉末が、ポリテトラフルオロエチレンからなる樹脂粉末である
   ことを特徴とする請求項４に記載の複合材料。
6. 前記プラスチックが、ポリプロピレンであり、
   前記樹脂粉末が、ポリアミドからなる樹脂粉末である
   ことを特徴とする請求項４に記載の複合材料。

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