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JP5623998B2 - Carbon fiber composite material, method for producing the same, and liner for prosthetic device - Google Patents

Carbon fiber composite material, method for producing the same, and liner for prosthetic device Download PDF

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JP5623998B2 JP2011187313A JP2011187313A JP5623998B2 JP 5623998 B2 JP5623998 B2 JP 5623998B2 JP 2011187313 A JP2011187313 A JP 2011187313A JP 2011187313 A JP2011187313 A JP 2011187313A JP 5623998 B2 JP5623998 B2 JP 5623998B2
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Description

本発明は、カーボンナノファイバーを用いた炭素繊維複合材料及びその製造方法並びに義肢補綴装置用ライナーに関する。   The present invention relates to a carbon fiber composite material using carbon nanofibers, a method for producing the same, and a liner for a prosthetic limb prosthesis.

本発明者他が先に提案した炭素繊維複合材料の製造方法によれば、エラストマーを用いることで、これまで困難とされていたカーボンナノファイバーの分散性を改善し、エラストマーにカーボンナノファイバーを均一に分散させることができた(例えば、特許文献1参照)。このような炭素繊維複合材料の製造方法によれば、エラストマーとカーボンナノファイバーを混練し、剪断力によって凝集性の強いカーボンナノファイバーの分散性を向上させている。より具体的には、エラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、粘性を有するエラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、エラストマーの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合し、この状態で、分子長が適度に長く、分子運動性の高い(弾性を有する)エラストマーとカーボンナノファイバーとの混合物に強い剪断力が作用すると、エラストマーの変形に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性によるエラストマーの復元力によって、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、エラストマー中に分散していた。このように、マトリックスへのカーボンナノファイバーの分散性を向上させることで、高価なカーボンナノファイバーを効率よく複合材料のフィラーとして用いることができるようになった。   According to the method for producing a carbon fiber composite material previously proposed by the present inventors, the use of an elastomer improves the dispersibility of the carbon nanofiber, which has been considered difficult so far, and makes the carbon nanofiber uniform in the elastomer. (See, for example, Patent Document 1). According to such a method for producing a carbon fiber composite material, an elastomer and carbon nanofibers are kneaded, and dispersibility of carbon nanofibers having high cohesiveness is improved by shearing force. More specifically, when the elastomer and the carbon nanofiber are mixed, the viscous elastomer penetrates into the carbon nanofiber, and a specific part of the elastomer has high activity of the carbon nanofiber due to chemical interaction. In this state, when a strong shearing force is applied to a mixture of an elastomer having high molecular mobility (elasticity) and carbon nanofibers, the carbon nanofibers are deformed as the elastomer is deformed. The fibers also moved, and the aggregated carbon nanofibers were separated and dispersed in the elastomer by the restoring force of the elastomer due to elasticity after shearing. Thus, by improving the dispersibility of the carbon nanofibers in the matrix, expensive carbon nanofibers can be used efficiently as fillers for composite materials.

シリコーンゴムは、一般に生理的な不活性さや耐熱性等に優れているため、自動車部品分野、医療関連機器分野、食品関連機器分野及び事務機器分野等で幅広く使用されている。しかしながら、シリコーンゴムは、反発弾性や耐圧縮永久ひずみ性に優れるが、引張強さや引裂き強さなどの力学的性質が他の汎用ゴムに比べて劣る傾向があった。医療関連機器分野においては、例えば、義肢補綴装置が装着されるライナーにシリコーンゴムが用いられていた(例えば、特許文献2)。シリコーンゴムライナーは、残存四肢を被覆・保護し、補綴装置のソケットとの間の快適なクッション性を維持しつつ、着脱時にライナーが破損しない充分な補強が要求されている。   Silicone rubber is generally excellent in physiological inertness, heat resistance, and the like, and is therefore widely used in the fields of automobile parts, medical-related equipment, food-related equipment, and office equipment. However, silicone rubber is excellent in impact resilience and compression set resistance, but tends to be inferior in mechanical properties such as tensile strength and tear strength to other general-purpose rubber. In the medical-related equipment field, for example, silicone rubber has been used for a liner on which a prosthetic limb prosthesis is mounted (for example, Patent Document 2). The silicone rubber liner is required to be sufficiently reinforced so that the liner is not damaged during attachment and detachment while covering and protecting the remaining limbs and maintaining a comfortable cushion property with the socket of the prosthetic device.

特開2005−97525号公報JP 2005-97525 A 特開2004−160052号公報JP 2004-160052 A

本発明の目的は、カーボンナノファイバーが分散した炭素繊維複合材料及びその製造方法並びに義肢補綴装置用ライナーを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a carbon fiber composite material in which carbon nanofibers are dispersed, a method for producing the same, and a liner for a prosthetic device.

本発明にかかる炭素繊維複合材料の製造方法は、
シリコーンゴムに平均直径が0.4nm〜230nmのカーボンナノファイバーを混合して第1の混合物を得る工程(a)と、
前記第1の混合物をロール間隔が0.1mm以下のオープンロールで3分〜10分間混練して第2の混合物を得る工程(b)と、
前記第2の混合物をロール間隔が0.5mm以下のオープンロールで薄通しを行って炭素繊維複合材料を得る工程(c)と、
を含み、
前記工程(a)に用いるシリコーンゴムは、未硬化の状態での可塑度(JIS K6249可塑度試験法に準拠)が50以上800以下であり、
前記工程(b)における第1の混合物の温度は、0℃〜50℃であり、
前記工程(b)の第2の混合物を取り出す直前のロールのトルクは、前記工程(a)において第1の混合物を取り出す直前のロールのトルクの2倍以上10倍以下であることを特徴とする。
The method for producing a carbon fiber composite material according to the present invention includes:
A step (a) of obtaining a first mixture by mixing carbon nanofibers having an average diameter of 0.4 nm to 230 nm with silicone rubber;
A step (b) of kneading the first mixture with an open roll having a roll interval of 0.1 mm or less for 3 minutes to 10 minutes to obtain a second mixture;
Step (c) for obtaining a carbon fiber composite material by thinning the second mixture with an open roll having a roll interval of 0.5 mm or less;
Only including,
The silicone rubber used in the step (a) has an uncured plasticity (based on JIS K6249 plasticity test method) of 50 or more and 800 or less,
The temperature of the first mixture in the step (b) is 0 ° C to 50 ° C,
The torque of the roll immediately before taking out the second mixture in the step (b) is 2 to 10 times the torque of the roll immediately before taking out the first mixture in the step (a). .

本発明にかかる炭素繊維複合材料の製造方法によれば、弾性の小さなシリコーンゴムを用いても、カーボンナノファイバーの凝集体を解繊して分散させた炭素繊維複合材料を得ることができる。   According to the method for producing a carbon fiber composite material according to the present invention, a carbon fiber composite material in which aggregates of carbon nanofibers are disentangled and dispersed can be obtained even when silicone rubber having a small elasticity is used.

本発明にかかる炭素繊維複合材料の製造方法において、
前記工程(a)に用いるシリコーンゴムは、未硬化の状態での可塑度(JIS K6249可塑度試験法に準拠)が50以上800以下であることができる。
In the method for producing a carbon fiber composite material according to the present invention,
The silicone rubber used in the step (a) may have an uncured plasticity (based on JIS K6249 plasticity test method) of 50 or more and 800 or less.

本発明にかかる炭素繊維複合材料は、前記炭素繊維複合材料の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料の架橋体であって、
引張強さが1.5MPa〜3.5MPaであり、かつ、切断時伸びが200%〜280%であることを特徴とする。
The carbon fiber composite material according to the present invention is a crosslinked product of the carbon fiber composite material obtained by the method for producing the carbon fiber composite material,
The tensile strength is 1.5 MPa to 3.5 MPa, and the elongation at break is 200% to 280%.

本発明にかかる義肢補綴装置用ライナーは、円筒状のスリーブと、該スリーブの下端を閉塞する端部と、を含み、
前記スリーブ及び前記端部は、前記炭素繊維複合材料の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料の架橋体で形成されたことを特徴とする。
A liner for a prosthetic limb prosthesis according to the present invention includes a cylindrical sleeve and an end portion that closes a lower end of the sleeve,
Said sleeve and said end portion, characterized in that the formed crosslinked body of carbon fiber composite material obtained by the method of producing a carbon fiber composite material.

炭素繊維複合材料の製造方法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing method of a carbon fiber composite material. 炭素繊維複合材料の製造方法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing method of a carbon fiber composite material. 炭素繊維複合材料の製造方法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing method of a carbon fiber composite material. 炭素繊維複合材料の製造方法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing method of a carbon fiber composite material. 義肢補綴装置用ライナーの断面図である。It is sectional drawing of the liner for prosthetic limb prosthesis apparatuses. 炭素繊維複合材料の引裂き疲労試験を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the tear fatigue test of a carbon fiber composite material. 実施例1の破断面の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of a fracture surface of Example 1. FIG. 実施例1の破断面の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of a fracture surface of Example 1. FIG. 実施例1の破断面の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of a fracture surface of Example 1. FIG. 比較例2の破断面の電子顕微鏡写真である。4 is an electron micrograph of a fracture surface of Comparative Example 2. 比較例2の破断面の電子顕微鏡写真である。4 is an electron micrograph of a fracture surface of Comparative Example 2. 比較例2の破断面の電子顕微鏡写真である。4 is an electron micrograph of a fracture surface of Comparative Example 2.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の一実施の形態にかかる炭素繊維複合材料の製造方法は、シリコーンゴムに平均直径が0.4nm〜230nmのカーボンナノファイバーを混合して第1の混合物を得る工程(a)と、前記第1の混合物をロール間隔が0.1mm以下のオープンロールで3分〜10分間混練して第2の混合物を得る工程(b)と、前記第2の混合物をロール間隔が0.5mm以下のオープンロールで薄通しを行って炭素繊維複合材料を得る工程(c)と、を含み、前記工程(a)に用いるシリコーンゴムは、未硬化の状態での可塑度(JIS
K6249可塑度試験法に準拠)が50以上800以下であり、前記工程(b)における第1の混合物の温度は、0℃〜50℃であり、前記工程(b)の第2の混合物を取り出す直前のロールのトルクは、前記工程(a)において第1の混合物を取り出す直前のロールのトルクの2倍以上10倍以下であることを特徴とする。本発明の一実施の形態にかかる炭素繊維複合材料は、前記炭素繊維複合材料の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料の架橋体であって、引張強さが1.5MPa〜3.5MPaであり、かつ、切断時伸びが200%〜280%であることを特徴とする。本発明の一実施の形態にかかる義肢補
綴装置用ライナーは、円筒状のスリーブと、該スリーブの下端を閉塞する端部と、を含み、前記スリーブ及び前記端部は、前記炭素繊維複合材料の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料の架橋体で形成されたことを特徴とする。
The method for producing a carbon fiber composite material according to one embodiment of the present invention includes a step (a) of obtaining a first mixture by mixing carbon nanofibers having an average diameter of 0.4 nm to 230 nm with silicone rubber; The step (b) of obtaining the second mixture by kneading the first mixture with an open roll having a roll interval of 0.1 mm or less for 3 minutes to 10 minutes, and the second mixture having a roll interval of 0.5 mm or less a step of obtaining the carbon fiber composite material performing tight milling an open roll (c), seen including a silicone rubber used for the step (a), plasticity in the uncured state (JIS
K6249 plasticity test method) is 50 or more and 800 or less, the temperature of the first mixture in the step (b) is 0 ° C. to 50 ° C., and the second mixture in the step (b) is taken out. The torque of the roll immediately before is characterized by being 2 to 10 times the torque of the roll immediately before taking out the first mixture in the step (a) . A carbon fiber composite material according to an embodiment of the present invention is a crosslinked product of a carbon fiber composite material obtained by the method for producing a carbon fiber composite material, and has a tensile strength of 1.5 MPa to 3.5 MPa. And elongation at break is 200% to 280%. A liner for a prosthetic limb prosthesis according to an embodiment of the present invention includes a cylindrical sleeve and an end portion that closes a lower end of the sleeve, and the sleeve and the end portion are made of the carbon fiber composite material. It is characterized by being formed of a crosslinked product of a carbon fiber composite material obtained by the production method.

炭素繊維複合材料の製造方法に用いるシリコーンゴムは、ポリオルガノ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。シリコーンゴムは、ミラブル型シリコーンゴムであって、熱加硫型のシリコーンゴムを用いることができる。シリコーンゴムは、未硬化の状態での可塑度(JIS K6249可塑度試験法に準拠)が50以上800以下であることができる。可塑度は、いわゆるウィリアムス可塑度であって、25℃において平行板可塑度計(ウイリアムスプラストメータ)を使用して、JIS K6249「未硬化及び硬化シリコーンゴムの試験方法」に規定する可塑度試験法に準じて測定することができる。   The silicone rubber used in the method for producing the carbon fiber composite material can be a raw rubber of polyorganosiloxane, the main chain is composed of siloxane bonds, and the side chain is an alkyl such as methyl group, ethyl group, propyl group or butyl group. Group, cycloalkyl group such as cyclohexyl group, vinyl group, allyl group, butenyl group, alkenyl group such as hexenyl group, aryl group such as phenyl group, tolyl group, aralkyl group such as benzyl group, γ-phenylpropyl group, or A group in which some or all of the hydrogen atoms bonded to the carbon atoms of these groups are substituted with a halogen atom, a cyano group, or the like, for example, a chloromethyl group, a trifluoropropyl group, a cyanoethyl group, or the like can be included. The molecular structure of the silicone rubber can be linear, and can be linear with some branching. The silicone rubber is a millable silicone rubber, and a heat vulcanizing silicone rubber can be used. The silicone rubber can have an uncured plasticity (based on JIS K6249 plasticity test method) of 50 or more and 800 or less. The plasticity is a so-called Williams plasticity, and a plasticity test method defined in JIS K6249 “Testing method for uncured and cured silicone rubber” using a parallel plate plasticity meter (Williams Plastometer) at 25 ° C. It can measure according to.

炭素繊維複合材料の製造方法に用いるカーボンナノファイバーは、平均直径(繊維径)が0.4nm〜230nmである。さらに、カーボンナノファイバーは、平均直径(繊維径)が9nm〜110nmであることができ、特に9nm〜20nmまたは60nm〜110nmであることができる。カーボンナノファイバーは、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シリコーンゴムとの表面反応性が向上し、カーボンナノファイバーを解繊し、全体に分散させることができると、シリコーンゴムをカーボンナノファイバーによって少量でも効果的に補強することができる。特に、低粘度で可塑度の小さいシリコーンゴムの生ゴムは、カーボンナノファイバーを容易に分散させることができないので、カーボンナノファイバーの中でも比較的太い平均直径60nm〜110nmのカーボンナノファイバーを用いることでさらに分散性を向上させることができる。平均直径(繊維径)が0.4nm〜230nmであるカーボンナノファイバーを用いることで、シリコーンゴムを補強することができる。カーボンナノファイバーによって形成される微小セル構造は、カーボンナノファイバーが3次元に張り巡らされた網目構造によってマトリックス材料を囲むように形成されることができる。これまでの研究結果から1つのセルの最大径はおおよそカーボンナノファイバーの平均直径の2倍〜10倍程度になることが判っている。カーボンナノファイバーの平均直径は、電子顕微鏡による観察によって計測することができる。カーボンナノファイバーは、その表面におけるシリコーンゴムとの反応性を向上させるために、酸化処理することもできる。なお、本発明の詳細な説明においてカーボンナノファイバー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(カーボンナノファイバー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。   Carbon nanofibers used in the method for producing a carbon fiber composite material have an average diameter (fiber diameter) of 0.4 nm to 230 nm. Furthermore, the carbon nanofibers can have an average diameter (fiber diameter) of 9 nm to 110 nm, in particular 9 nm to 20 nm or 60 nm to 110 nm. Since carbon nanofibers have a relatively thin average diameter, the specific surface area is large, the surface reactivity with silicone rubber as a matrix is improved, and carbon nanofibers can be defibrated and dispersed throughout. Silicone rubber can be effectively reinforced with a small amount of carbon nanofibers. In particular, the raw rubber of silicone rubber having low viscosity and low plasticity cannot easily disperse carbon nanofibers. Therefore, by using carbon nanofibers having a relatively large average diameter of 60 nm to 110 nm among carbon nanofibers, Dispersibility can be improved. Silicone rubber can be reinforced by using carbon nanofibers having an average diameter (fiber diameter) of 0.4 nm to 230 nm. The micro cell structure formed by the carbon nanofibers can be formed so as to surround the matrix material by a network structure in which the carbon nanofibers are stretched in three dimensions. From past research results, it has been found that the maximum diameter of one cell is approximately twice to 10 times the average diameter of carbon nanofibers. The average diameter of the carbon nanofiber can be measured by observation with an electron microscope. The carbon nanofibers can be oxidized to improve the reactivity with the silicone rubber on the surface. In the detailed description of the present invention, the average diameter and the average length of the carbon nanofibers are, for example, 5,000 times or more from an electron microscope (the magnification can be appropriately changed depending on the size of the carbon nanofibers) and the diameters of 200 or more locations And the length can be measured and calculated as the arithmetic average value.

炭素繊維複合材料におけるカーボンナノファイバーの配合量は、所望の特性に応じて適宜配合することができる。炭素繊維複合材料においてシリコーンゴム100質量部に対してカーボンナノファイバー5質量部以上100質量部以下を配合することができ、さらにカーボンナノファイバー10質量部以上60質量部以下を配合することができ、特にカーボンナノファイバー15質量部以上25質量部以下を配合することができる。炭素繊維複合材料においてシリコーンゴム100質量部に対して、カーボンナノファイバーが5質量部以上であると引裂き疲労耐久性を向上することができ、100質量部以下であれば加工することができる。また、炭素繊維複合材料には、カーボンナノファイバー以外にシリコーンゴムに一般に用いられている補強用充填材として例えばシリカ、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を用いることができる。ここで、「質量部」は、特に指定しない限り「phr」を示し、「phr」は、parts per hundred of resin or rubberの省略形であって、ゴム等に対する添加剤等の外掛百分率を表すものである。   The compounding quantity of the carbon nanofiber in a carbon fiber composite material can be mix | blended suitably according to a desired characteristic. In the carbon fiber composite material, 5 parts by mass or more and 100 parts by mass or less of carbon nanofibers can be blended with 100 parts by mass of silicone rubber, and further 10 parts by mass or more and 60 parts by mass or less of carbon nanofibers can be blended. In particular, 15 parts by mass or more and 25 parts by mass or less of carbon nanofibers can be blended. When the carbon nanofiber is 5 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the silicone rubber in the carbon fiber composite material, tear fatigue durability can be improved, and if it is 100 parts by mass or less, the carbon fiber can be processed. In addition to carbon nanofibers, carbon fiber composite materials may use, for example, metal oxides such as silica, alumina, magnesium oxide, and zinc oxide, and carbon black as reinforcing fillers that are generally used for silicone rubber. it can. Here, “parts by mass” indicates “phr” unless otherwise specified, and “phr” is an abbreviation for “parts per undred of resin or rubber”, and represents the percentage of external additives such as additives to rubber and the like. It is.

カーボンナノファイバーは、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(MWNT:マルチウォールカーボンナノチューブ)であり、平均直径が10nm〜20nmのカーボンナノファイバーとしては、例えばバイエルマテリアルサイエンス社のバイチューブ(Baytubes)C150P及びC70P並びにナノシル(Nanocyl)社のNC−7000などを挙げることができ、平均直径が60nm〜110nmのカーボンナノファイバーとしては、例えば保土谷化学工業社のNT−7などを挙げることができる。また、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。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 nanofibers are so-called multi-wall carbon nanotubes (MWNT: multi-wall carbon nanotubes) having a cylindrical shape formed by winding one sheet of graphite (graphene sheet) having a carbon hexagonal mesh surface, and an average diameter of 10 to 20 nm. Examples of carbon nanofibers include Baytubes C150P and C70P manufactured by Bayer MaterialScience, and NC-7000 manufactured by Nanocyl. Examples of carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm include For example, NT-7 of Hodogaya Chemical Co., Ltd. can be mentioned. A carbon material partially having a carbon nanotube structure can also be used. In addition to the name “carbon nanotube”, it may be called “graphite fibril nanotube” or “vapor-grown carbon fiber”.

カーボンナノファイバーは、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第1のカーボンナノファイバー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第1のカーボンナノファイバー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ファイバーを基板上に生成させる触媒担持反応法(Sub strate Reaction Method)等を用いることができる。平均直径が9nm〜20nmのカーボンナノファイバーは触媒担持反応法によって得ることができ、平均直径が60nm〜110nmのカーボンナノファイバーは浮遊流動反応法によって得ることができる。カーボンナノファイバーの直径は、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。平均直径が9nm〜20nmのカーボンナノファイバーは、窒素吸着比表面積が10m/g〜500m/gであることができ、さらに100m/g〜350m/gであることができ、特に、150m/g〜300m/gであることができる。 Carbon nanofibers can be obtained by a vapor deposition method. The vapor phase growth method is also referred to as catalytic chemical vapor deposition (CCVD), in which a gas such as hydrocarbon is pyrolyzed in the presence of a metal catalyst to vaporize the first carbon nano-particles that have not been treated. A method of manufacturing a fiber. The vapor phase growth method will be described in more detail. For example, an organic compound such as benzene or toluene is used as a raw material, an organic transition metal compound such as ferrocene or nickelcene is used as a metal catalyst, and these are used together with a carrier gas at a high temperature such as 400 ° C. Introduced into a reactor set at a reaction temperature of ~ 1000 ° C and floated or generated the first carbon nanofiber on the reactor wall. A catalyst-supported reaction method (Substrate Reaction Method) in which metal-containing particles supported on ceramics are brought into contact with a carbon-containing compound at a high temperature to generate carbon nanofibers on a substrate can be used. Carbon nanofibers having an average diameter of 9 nm to 20 nm can be obtained by a catalyst-supporting reaction method, and carbon nanofibers having an average diameter of 60 nm to 110 nm can be obtained by a floating flow reaction method. The diameter of the carbon nanofiber can be adjusted by, for example, the size of the metal-containing particles and the reaction time. Carbon nanofibers having an average diameter of 9nm~20nm may nitrogen adsorption specific surface area of 10m 2 / g~500m 2 / g, can be more 100m 2 / g~350m 2 / g, in particular, it can be a 150m 2 / g~300m 2 / g.

炭素繊維複合材料の製造方法
本発明の一実施の形態にかかる炭素繊維複合材料の製造方法は、シリコーンゴムに平均直径が0.4nm〜230nmのカーボンナノファイバーを混合して第1の混合物を得る工程(a)と、第1の混合物をロール間隔が0.1mm以下のオープンロールで3分〜10分間混練して第2の混合物を得る工程(b)と、第2の混合物をロール間隔が0.5mm以下のオープンロールで薄通しを行って炭素繊維複合材料を得る工程(c)と、を含むことを特徴とする。シール部材の製造方法について図1〜図4を用いて詳細に説明する。
The manufacturing method of a carbon fiber composite material The manufacturing method of the carbon fiber composite material concerning one embodiment of this invention mixes carbon nanofiber with an average diameter of 0.4 nm-230 nm to silicone rubber, and obtains a 1st mixture. Step (a), Step (b) of kneading the first mixture with an open roll having a roll interval of 0.1 mm or less for 3 minutes to 10 minutes to obtain a second mixture, and the second mixture having a roll interval of And a step (c) of obtaining a carbon fiber composite material by thinning with an open roll of 0.5 mm or less. The manufacturing method of a sealing member is demonstrated in detail using FIGS. 1-4.

図1〜図4は、本発明の一実施形態にかかるオープンロール法によるシール部材の製造方法を模式的に示す図である。   1-4 is a figure which shows typically the manufacturing method of the sealing member by the open roll method concerning one Embodiment of this invention.

図1〜図4に示すように、2本ロールのオープンロール2における第1のロール10と第2のロール20とは、所定の間隔d、例えば0.5mm〜1.5mmの間隔で配置され、図1〜図4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 FIGS. 1-4, the 1st roll 10 and the 2nd roll 20 in the open roll 2 of 2 rolls are arrange | positioned by the predetermined space | interval d, for example, the space | interval of 0.5 mm-1.5 mm. 1 to 4, it rotates in the direction indicated by the arrow at the rotational speeds V1 and V2 by forward rotation or reverse rotation.

まず、図1に示すように、生ゴムのシリコーンゴム30を第1のロール10に巻き付ける。シリコーンゴム30は、可塑度が小さくがかろうじて第1のロール10に巻き付けることができる。   First, as shown in FIG. 1, a raw rubber silicone rubber 30 is wound around the first roll 10. The silicone rubber 30 has a small plasticity and can be barely wound around the first roll 10.

次に、図2に示すように、工程(a)は、第1のロール10に巻き付けられたシリコーンゴム30のバンク34に、カーボンナノファイバー80及び必要に応じて図示していない充填剤を投入し、混合して第1の混合物を得る。この混練におけるシリコーンゴム30の温度は、例えば0℃〜50℃であることができ、さらに10℃〜20℃であることができる。工程(a)において、シリコーンゴム30は可塑度が小さいため、混練してもカーボンナノファイバーは小さな凝集塊のまま全体に分散するだけであって、カーボンナノファイバーの凝集塊を解繊することがほとんどできていない。工程(a)における混練は、例えば、目視でシリコーンゴムにカーボンナノファイバーが入り込む程度の混練であることができる。工程(a)は、オープンロール法に限定されず、例えば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。   Next, as shown in FIG. 2, in the step (a), carbon nanofibers 80 and a filler (not shown) are loaded into the bank 34 of the silicone rubber 30 wound around the first roll 10 as necessary. And mixing to obtain a first mixture. The temperature of the silicone rubber 30 in this kneading can be, for example, 0 ° C. to 50 ° C., and further can be 10 ° C. to 20 ° C. In the step (a), since the silicone rubber 30 has a low plasticity, the carbon nanofibers are only dispersed as a whole even if kneaded, and the carbon nanofiber aggregates can be defibrated. Almost not done. The kneading in the step (a) can be, for example, kneading such that the carbon nanofibers enter the silicone rubber visually. The step (a) is not limited to the open roll method, and for example, a closed kneading method or a multi-screw extrusion kneading method can be used.

次に、図3に示すように、工程(b)は、第1のロール10と第2のロール20とのロール間隔dを、0.1mm以下の間隔に設定し、第1の混合物35を第1のロール10に巻き付け、3分〜10分間混練して第2の混合物を得る。工程(b)のロール間隔dは、0.1mm以下であり、オープンロールのサイズや混合物の加工量によって加工が可能な0〜0.1mmの範囲で適宜調整することができる。工程(b)の混練時間は、3分〜10分間であり、さらに4分〜8分間であることができ、特に4分〜6分間であることができる。この混練における第1の混合物35の温度は、0℃〜50℃である。さらに、この混練における第1の混合物35の温度は、10℃〜20℃であることができる。カーボンナノファイバー80が混合されたことで第1の混合物35は生ゴムのシリコーンゴム30に比べて可塑度が大きくなり、工程(b)を行うことによって徐々に弾性を増すことができる。工程(b)において第2の混合物を取り出す直前のロールのトルクは、工程(a)において第1の混合物を取り出す直前のロールのトルクよりも高くすることができる。工程(b)の第2の混合物を取り出す直前のロールのトルクは、工程(a)において第1の混合物を取り出す直前のロールのトルクの2倍以上10倍以下である。さらに、工程(b)の第2の混合物を取り出す直前のロールのトルクは、工程(a)において第1の混合物を取り出す直前のロールのトルクの3倍以上10倍以下であることができる。工程(b)においてロールのトルクが十分に高くなるまで追加の混練りを行うことによって第2の混合物の強度を向上させることができ、第2の混合物の弾性を向上させることができる。また、工程(b)において狭いロール間隔dによって混練りを行うことで、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し、このシリコーンゴム分子のフリーラジカルとカーボンナノファイバーとが結びつきやすくなると推測できる。なお、ロールのトルクは、オープンロールにおけるロールにかかる負荷であり、一般にオープンロールは常時トルクが計測され表示されている。 Next, as shown in FIG. 3, in the step (b), the roll interval d between the first roll 10 and the second roll 20 is set to an interval of 0.1 mm or less, and the first mixture 35 It is wound around the first roll 10 and kneaded for 3 to 10 minutes to obtain a second mixture. The roll interval d in the step (b) is 0.1 mm or less, and can be appropriately adjusted in the range of 0 to 0.1 mm that can be processed depending on the size of the open roll and the processing amount of the mixture. The kneading time in the step (b) is 3 minutes to 10 minutes, can be further 4 minutes to 8 minutes, and particularly 4 minutes to 6 minutes. The temperature of the first mixture 35 in the kneading is 0 ° C. to 50 ° C.. Et al., Temperature of the first mixture 35 in the kneading may be 10 ° C. to 20 ° C.. By mixing the carbon nanofibers 80, the first mixture 35 has higher plasticity than the raw rubber silicone rubber 30, and the elasticity can be gradually increased by performing the step (b). The torque of the roll immediately before taking out the second mixture in step (b) can be higher than the torque of the roll immediately before taking out the first mixture in step (a). Roll torque immediately before taking out the second mixture of step (b), Ru der 10 times or less than 2 times the roll torque immediately before taking out the first mixture in step (a). Et al is a roll torque immediately before taking out the second mixture of step (b) can in step (a) is not more than 10 times more than three times the roll torque immediately before taking out the first mixture . By performing additional kneading until the torque of the roll becomes sufficiently high in the step (b), the strength of the second mixture can be improved, and the elasticity of the second mixture can be improved. Further, by kneading with a narrow roll interval d in the step (b), the silicone rubber molecular chain is appropriately cut to generate free radicals, and the free radicals of the silicone rubber molecules and the carbon nanofibers are easily combined. I can guess. The roll torque is a load applied to the roll in the open roll, and generally the open roll is always measured and displayed.

さらに、図4に示すように、工程(c)は、第1のロール10と第2のロール20とのロール間隔dを、例えば0.5mm以下、より好ましくは0〜0.5mmの間隔に設定し、第2の混合物36をオープンロール2に投入して薄通しを行なう。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。このように狭いロール間から押し出された炭素繊維複合材料50は、シリコーンゴムの弾性による復元力で図4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ファイバーが大きく移動する。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される。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、第2の混合物36及炭素繊維複合材料50の実測温度も0〜50℃に調整されることができる。   Further, as shown in FIG. 4, in the step (c), the roll interval d between the first roll 10 and the second roll 20 is set to, for example, 0.5 mm or less, more preferably 0 to 0.5 mm. After setting, the second mixture 36 is put into the open roll 2 for thinning. For example, the thinning can be performed about 1 to 10 times. The carbon fiber composite material 50 pushed out between the narrow rolls as described above is greatly deformed as shown in FIG. 4 due to the restoring force due to the elasticity of the silicone rubber, and the carbon nanofibers move together with the silicone rubber. The carbon fiber composite material 50 obtained through thinning is rolled with a roll and dispensed into a sheet having a predetermined thickness. In this thinning process, in order to obtain as high a shearing force as possible, the roll temperature is set to a relatively low temperature of, for example, 0 to 50 ° C., more preferably 5 to 30 ° C., and the second mixture 36 and The actually measured temperature of the carbon fiber composite material 50 can also be adjusted to 0 to 50 ° C.

工程(a)〜工程(c)において、第1のロール10の表面速度をV1、第2のロール20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であることができる。このような表面速度比を用いることにより、特に工程(b)及び工程(c)において所望の剪断力を得ることができる。   In the steps (a) to (c), when the surface speed of the first roll 10 is V1, and the surface speed of the second roll 20 is V2, the surface speed ratio (V1 / V2) of both in thin passage is: It can be 1.05 to 3.00, and can further be 1.05 to 1.2. By using such a surface velocity ratio, a desired shear force can be obtained particularly in the step (b) and the step (c).

こうして得られた炭素繊維複合材料は、パルス法NMRを用いてハーンエコー法によって150℃、観測核がHで測定した、無架橋体における、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)は100〜9000μ秒であり、第2のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fnn)は0〜0.2であることができ、特に、第2のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率(fnn)は0であることができる。炭素繊維複合材料の150℃で測定したT2n及びfnnは、シリコーンゴム分子の分子運動性を表わしており、マトリックスであるシリコーンゴムにカーボンナノファイバーが均一に分散されていることを表すことができる。つまり、シリコーンゴムにカーボンナノファイバーが均一に分散されているということは、シリコーンゴムの分子がカーボンナノファイバーによって拘束されている状態であるともいえる。この状態では、カーボンナノファイバーによって拘束を受けたシリコーンゴムの分子の運動性は、カーボンナノファイバーの拘束を受けない場合に比べて小さくなる。また、パルスNMRを用いた反転回復法によって測定されたスピン−格子緩和時間(T1)は、第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)と共に物質の分子運動性を表す尺度である。そのため、炭素繊維複合材料の第1のスピン−スピン緩和時間(T2n)及びスピン−格子緩和時間(T1)は、カーボンナノファイバーを含まないシリコーンゴム単体の場合より短くなり、特にカーボンナノファイバーが均一に分散することでより短くなる。 The carbon fiber composite material thus obtained had a first spin-spin relaxation time (T2n) of 100 in a non-crosslinked body measured at 150 ° C. by a Hahn echo method using pulsed NMR and at 1 H of the observation nucleus. The component fraction (fnn) of the component having the second spin-spin relaxation time can be 0-0.2, in particular, the component having the second spin-spin relaxation time. The component fraction (fnn) can be zero. T2n and fnn measured at 150 ° C. of the carbon fiber composite material represent the molecular mobility of the silicone rubber molecule, and can represent that the carbon nanofibers are uniformly dispersed in the silicone rubber as a matrix. In other words, the fact that the carbon nanofibers are uniformly dispersed in the silicone rubber can be said to be in a state where the molecules of the silicone rubber are restrained by the carbon nanofibers. In this state, the mobility of the silicone rubber molecules constrained by the carbon nanofibers is smaller than that when not constrained by the carbon nanofibers. Further, the spin-lattice relaxation time (T1) measured by the inversion recovery method using pulsed NMR is a scale representing the molecular mobility of the substance together with the first spin-spin relaxation time (T2n). Therefore, the first spin-spin relaxation time (T2n) and the spin-lattice relaxation time (T1) of the carbon fiber composite material are shorter than those of the silicone rubber alone that does not include carbon nanofibers, and the carbon nanofibers are particularly uniform. It becomes shorter by dispersing in

工程(c)におい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ファイバー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、シリコーンゴム中に分散される。特に、第2の混合物は、工程(b)でロールのトルクが十分に高くなるまで混練することでシリコーンゴム分子がカーボンナノファイバーに拘束された結果として弾性が向上するため、弾性と、粘性と、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用と、を有することができ、工程(c)においてカーボンナノファイバーを分散させることができる。そして、カーボンナノファイバーの分散性および分散安定性(カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと)に優れた炭素繊維複合材料を得ることができる。   Due to the shearing force obtained in the step (c), a high shearing force acts on the silicone rubber, so that the aggregated carbon nanofibers are separated from each other so as to be pulled out one by one into the silicone rubber molecule, and into the silicone rubber. Distributed. In particular, the second mixture is improved in elasticity as a result of the silicone rubber molecules being restrained by the carbon nanofibers by kneading until the torque of the roll is sufficiently high in step (b). And chemical interaction with the carbon nanofibers, and the carbon nanofibers can be dispersed in the step (c). And the carbon fiber composite material excellent in the dispersibility and dispersion stability of carbon nanofiber (it is hard to re-aggregate carbon nanofiber) can be obtained.

より具体的には、オープンロールでシリコーンゴムとカーボンナノファイバーとを混合すると、粘性を有するシリコーンゴムがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、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ファイバーの活性の高い部分と結合する。カーボンナノファイバー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ファイバーも移動し、工程(b)において特に弾性が向上されていることによって、工程(c)において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ファイバーが分離されて、シリコーンゴム中に分散されることになる。本実施の形態によれば、炭素繊維複合材料が狭いロール間から押し出された際に、工程(b)によって得られた第2の混合物の弾性による復元力で炭素繊維複合材料はロール間隔より厚く変形する。その変形は、強い剪断力の作用した炭素繊維複合材料をさらに複雑に流動させ、カーボンナノファイバー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ファイバーは、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。   More specifically, when silicone rubber and carbon nanofibers are mixed with an open roll, viscous silicone rubber penetrates into the carbon nanofibers, and a specific part of the silicone rubber is carbonized by chemical interaction. It binds to the highly active part of the nanofiber. If the activity of the surface of the carbon nanofiber is moderately high, it can be particularly easily bonded to silicone rubber molecules. Next, when a strong shearing force acts on the silicone rubber, the carbon nanofibers also move with the movement of the silicone rubber molecules, and the elasticity is particularly improved in the step (b). The agglomerated carbon nanofibers are separated and dispersed in the silicone rubber by the restoring force of the silicone rubber due to the elasticity of. According to this embodiment, when the carbon fiber composite material is extruded from between narrow rolls, the carbon fiber composite material is thicker than the roll interval due to the restoring force due to the elasticity of the second mixture obtained by the step (b). Deform. The deformation can be presumed to cause the carbon fiber composite material subjected to a strong shear force to flow more complicatedly and disperse the carbon nanofibers in the silicone rubber. The carbon nanofibers once dispersed are prevented from reaggregating due to chemical interaction with the silicone rubber, and can have good dispersion stability.

シリコーンゴムにカーボンナノファイバーを剪断力によって分散させる工程は、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ファイバーを分離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。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された炭素繊維複合材料に、架橋剤を混合することができ、架橋して架橋体の炭素繊維複合材料とすることができる。シリコーンゴムの架橋は、公知の架橋剤によって架橋することができ、例えばパーオキサイドによって行うことができる。   The step of dispersing the carbon nanofibers in the silicone rubber by a shearing force is not limited to the open roll method, and a closed kneading method or a multiaxial extrusion kneading method can also be used. In short, in this step, it is sufficient that a shearing force capable of separating the aggregated carbon nanofibers can be applied to the silicone rubber. In particular, the open roll method is preferable because it can measure and manage not only the roll temperature but also the actual temperature of the mixture. A cross-linking agent can be mixed with the carbon fiber composite material that has been dispensed before, during, or after passing through the silicone rubber and carbon nanotubes, and the cross-linked carbon fiber composite material can be cross-linked. Can do. The silicone rubber can be crosslinked with a known crosslinking agent, for example, with peroxide.

シール部材は、炭素繊維複合材料を一般に採用されるシリコーンゴムの成形加工例えば、射出成形法、トランスファー成形法、プレス成形法、押出成形法、カレンダー加工法などによって所望の形状例えば無端状に成形することで得ることができる。シール部材は、架橋された炭素繊維複合材料からなることができる。   The sealing member is formed into a desired shape, for example, an endless shape by a molding process of silicone rubber, which is generally employed, such as an injection molding method, a transfer molding method, a press molding method, an extrusion molding method, a calendering method, etc. Can be obtained. The seal member can be made of a crosslinked carbon fiber composite material.

本実施の形態にかかる炭素繊維複合材料の製造方法において、通常、シリコーンゴムの加工で用いられる配合剤を加えることができる。配合剤としては公知のものを用いることができる。配合剤としては、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤などを挙げることができる。これらの配合剤は、混合の過程の適切な時期にシリコーンゴムに投入することができる。架橋剤としては、パーオキサイドを用いることができ、例えばカーボンナノファイバーをシリコーンゴムへ混合する前、カーボンナノファイバーと一緒、あるいはカーボンナノファイバーとシリコーンゴムを混合した後に投入することができ、例えばスコーチ防止のために架橋剤は薄通し後の未架橋の炭素繊維複合材料に配合することができる。   In the method for producing a carbon fiber composite material according to the present embodiment, a compounding agent that is usually used in the processing of silicone rubber can be added. A well-known thing can be used as a compounding agent. Examples of the compounding agent include a crosslinking agent, a vulcanizing agent, a vulcanization accelerator, a vulcanization retarder, a softening agent, a plasticizer, a curing agent, a reinforcing agent, a filler, an antiaging agent, and a coloring agent. it can. These compounding agents can be added to the silicone rubber at an appropriate time during the mixing process. As the cross-linking agent, peroxide can be used, for example, before carbon nanofibers are mixed with silicone rubber, together with carbon nanofibers, or after carbon nanofibers and silicone rubber are mixed, In order to prevent this, the crosslinking agent can be blended into the uncrosslinked carbon fiber composite material after passing through.

このように成形された炭素繊維複合材料は、シリコーンゴムをカーボンナノファイバーによって補強することによって、剛性を含む引張試験特性を向上させ、シリコーンゴムの欠点でもあった引き裂き強さも向上することができる。炭素繊維複合材料の架橋体は、例えば、23±2℃、引張速度500mm/minでJIS K6251に基づいて引張試験において、引張強さが1.5MPa〜3.5MPaであり、かつ、切断時伸びが200%〜280%であることができ、さらに、引張強さが1.8MPa〜3.2MPaであり、かつ、切断時伸びが230%〜270%であることができ、特に、引張強さが2.0MPa〜3.0MPaであり、かつ、切断時伸びが240%〜260%であることができる。また、炭素繊維複合材料は、引き裂き疲労試験においては、破断するまでの寿命(引張り回数)が長くなることができる。引き裂き疲労試験は、材料の耐摩耗性の評価としても用いることができる。   The carbon fiber composite material formed in this way can reinforce the silicone rubber with carbon nanofibers, thereby improving the tensile test characteristics including rigidity, and also improving the tear strength, which was a drawback of the silicone rubber. The cross-linked carbon fiber composite material has, for example, a tensile strength of 1.5 MPa to 3.5 MPa in a tensile test based on JIS K6251 at 23 ± 2 ° C. and a tensile speed of 500 mm / min, and elongation at break. Can be 200% to 280%, furthermore, the tensile strength can be 1.8 MPa to 3.2 MPa, and the elongation at break can be 230% to 270%. Is 2.0 MPa to 3.0 MPa, and the elongation at break is 240% to 260%. Further, the carbon fiber composite material can have a long life (the number of pulls) until it breaks in the tear fatigue test. The tear fatigue test can also be used as an evaluation of the wear resistance of a material.

また、カーボンナノファイバーの周囲には、シリコーンゴムの一部が混練中に分子鎖切断され、それによって生成されたフリーラジカルがカーボンナノファイバーの表面をアタックして吸着したシリコーンゴム分子の凝集体と考えられる界面相が形成される。界面相は、例えばエラストマーとカーボンブラックとを混練した際にカーボンブラックの周囲に形成されるバウンドラバーに類似するものと考えられる。このような界面相は、カーボンナノファイバーを被覆して保護し、また、カーボンナノファイバーを所定量以上配合することで界面相同士が連鎖した界面相に囲まれてナノメートルサイズに分割されたシリコーンゴムの小さなセルを形成すると推定される。このような小さなセルが炭素繊維複合材料の全体にほぼ均質に形成されることで、単に2つの材料を複合したことによる効果を超えた効果を期待することができる。   In addition, around the carbon nanofibers, a part of the silicone rubber is broken during molecular kneading, and free radicals generated thereby attack the surface of the carbon nanofibers and adsorb the silicone rubber molecule aggregates. Possible interface phases are formed. The interfacial phase is considered to be similar to a bound rubber formed around carbon black when, for example, an elastomer and carbon black are kneaded. Such an interfacial phase is coated and protected with carbon nanofibers, and a silicone that is divided into nanometer sizes surrounded by an interfacial phase in which interfacial phases are chained together by blending a predetermined amount or more of carbon nanofibers. Estimated to form small cells of rubber. By forming such small cells almost uniformly throughout the carbon fiber composite material, it is possible to expect an effect that exceeds the effect of simply combining the two materials.

さらに、本発明の一実施形態によって得られた炭素繊維複合材料は、義肢補綴装置用のライナーに使用可能である。上述のように、この炭素繊維複合材料は、優れた引張特性、引裂き強さ及び引裂き疲労寿命特性を有しているから特にライナーに有用である。以下に、炭素繊維複合材料で成形した義肢補綴用のライナーについて説明する。   Furthermore, the carbon fiber composite material obtained by one Embodiment of this invention can be used for the liner for prosthetic device prosthesis. As described above, this carbon fiber composite material is particularly useful for a liner because it has excellent tensile properties, tear strength, and tear fatigue life properties. Below, the liner for prosthetic limb prostheses shape | molded with the carbon fiber composite material is demonstrated.

ライナー200は、残存四肢が挿入される円筒状のスリーブ210と、スリーブ210の下端を閉塞するドーム状の端部212と、端部212の中央先端部から外方へ突出する金具214と、を含む。スリーブ210及び端部212は、図示しない義肢補綴用装置の比較的固い材料で作られたソケットに挿入することができ、残存四肢とソケットとの間で快適なクッション性を有することができる。金具214は、図示しない義肢補綴装置の結合部材と結合することができる。スリーブ210及び端部212は、シリコーンゴムをマトリックス材料とした炭素繊維複合材料の架橋体によって形成することができる。ライナー200は、炭素繊維複合材料を用いることにより、優れた反発弾性や耐圧縮永久ひずみ性を有するとともに、引張強さや引裂き強さにも優れることができる。   The liner 200 includes a cylindrical sleeve 210 into which the remaining limbs are inserted, a dome-shaped end portion 212 that closes the lower end of the sleeve 210, and a metal fitting 214 that protrudes outward from the central front end portion of the end portion 212. Including. The sleeve 210 and the end portion 212 can be inserted into a socket made of a relatively hard material of a prosthetic device (not shown), and can have a comfortable cushion between the remaining limbs and the socket. The metal fitting 214 can be coupled to a coupling member of a prosthetic limb prosthesis device (not shown). The sleeve 210 and the end portion 212 can be formed by a crosslinked body of carbon fiber composite material using silicone rubber as a matrix material. By using a carbon fiber composite material, the liner 200 can have excellent resilience and compression set resistance, as well as excellent tensile strength and tear strength.

上記のように、本発明の実施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。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail as described above, those skilled in the art can easily understand that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.

(1)実施例1〜2及び比較例1〜2のサンプルの作製
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(1) Preparation of Samples of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to these.

工程(a):オープンロール(ロール温度10〜20℃、ロール間隔0.5mm〜1.0mm)に、シリコーンゴム(表1では「シリコーン」)を投入し、表1に示す配合に従って、カーボンナノファイバー(表1では「MWCNT−1」、「MWCNT−2」)をシリコーンゴムに投入し、10分間混合した後、第1の混合物をロールから取り出した。第1の混合物をロールから取り出す直前のロールのトルクは、0.3kNであった。   Step (a): Silicone rubber (“silicone” in Table 1) is introduced into an open roll (roll temperature: 10 to 20 ° C., roll interval: 0.5 mm to 1.0 mm). Fibers ("MWCNT-1" and "MWCNT-2" in Table 1) were put into silicone rubber and mixed for 10 minutes, and then the first mixture was taken out of the roll. The torque of the roll immediately before removing the first mixture from the roll was 0.3 kN.

工程(b):次に、その第1の混合物をオープンロール(ロール温度10〜20℃、ロール間隔0.1mm)に巻きつけ、5分間の混練りを行い、第2の混合物をロールから取り出した。第2の混合物をロールから取り出す直前のロールのトルクは、1.0kNであった。   Step (b): Next, the first mixture is wound around an open roll (roll temperature 10 to 20 ° C., roll interval 0.1 mm), kneaded for 5 minutes, and the second mixture is taken out of the roll. It was. The torque of the roll immediately before removing the second mixture from the roll was 1.0 kN.

工程(c):さらに、その第2の混合物をロール間隔0.1mmに設定したオープンロールで薄通しを繰り返し5回行なった。工程(a)〜(c)における、2本のロールの表面速度比を1.1とした。   Step (c): Further, the second mixture was repeatedly thinned five times with an open roll set at a roll interval of 0.1 mm. The surface speed ratio of the two rolls in steps (a) to (c) was 1.1.

薄通しして得られた未架橋の炭素繊維複合材料に、表1に示す配合に従って、架橋剤としてパーオキサイド(PO)を加えて混練し、分出ししたシートをプレス架橋(170℃/10分)、二次架橋(200℃/4時間)で成形して厚さ1mmの実施例1〜2のシート状の炭素繊維複合材料の架橋体サンプルを得た。なお、比較例1はシリコーンゴム単体を架橋した架橋体サンプルであり、比較例2は工程(b)を経ずに工程(a)と工程(c)とを実施して得られた炭素繊維複合材料の架橋体サンプルであった。   In accordance with the composition shown in Table 1, peroxide (PO) was added as a crosslinking agent and kneaded into the uncrosslinked carbon fiber composite material obtained through thinning, and the separated sheet was subjected to press crosslinking (170 ° C./10 minutes). ) And secondary cross-linking (200 ° C./4 hours) to obtain a cross-linked sample of sheet-like carbon fiber composite materials of Examples 1 and 2 having a thickness of 1 mm. Comparative Example 1 is a cross-linked sample obtained by cross-linking silicone rubber alone, and Comparative Example 2 is a carbon fiber composite obtained by performing Step (a) and Step (c) without going through Step (b). It was a cross-linked sample of the material.

表1において、実施例1〜2及び比較例1〜2の「シリコーンゴム」は、比重(23℃)が0.98、JIS K6249ウィリアムス可塑度(23℃、3分間)が96、加熱減量(150℃、24時間)3.0のジメチルビニルシリコーン生ゴム、「MWCNT−1」は高温熱処理して黒鉛化した平均直径67nmの多層カーボンナノチューブ、「MWCNT−2」は低温熱処理した平均直径67nmの多層カーボンナノチューブであった。   In Table 1, “silicone rubber” in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 has a specific gravity (23 ° C.) of 0.98, a JIS K6249 Williams plasticity (23 ° C., 3 minutes) of 96, and a heat loss ( (150 ° C., 24 hours) 3.0 dimethylvinylsilicone raw rubber, “MWCNT-1” is a multi-walled carbon nanotube having an average diameter of 67 nm graphitized by high-temperature heat treatment, “MWCNT-2” is a multi-walled carbon nanotube having an average diameter of 67 nm that has been heat-treated It was a carbon nanotube.

架橋剤を配合していない無架橋体の実施例1及び比較例1の炭素繊維複合材料のサンプルについて、パルス法NMRを用いてハーンエコー法及び反転回復法による測定を行った。この測定は、日本電子(株)製「JMN−MU25」を用いて行った。測定は、観測核がH、共鳴周波数が25MHz、90゜パルス幅が2μsecの条件で行い、ハーンエコー法のパルスシーケンス(90゜x−Pi−180゜x)にて、Piをいろいろ変えて減衰曲線を測定した。また、サンプルは、磁場の適正範囲までサンプル管に挿入して測定した。測定温度は、150℃であった。測定結果を表1にNMRとしてT1,T2n,fnnを示した。 About the sample of the carbon fiber composite material of Example 1 and the comparative example 1 of the non-crosslinked body which does not mix | blend the crosslinking agent, the measurement by the Hahn echo method and the inversion recovery method was performed using pulse method NMR. This measurement was performed using “JMN-MU25” manufactured by JEOL Ltd. The measurement was performed under the conditions of the observation nucleus of 1 H, the resonance frequency of 25 MHz, and the 90 ° pulse width of 2 μsec. The Pi was changed in various ways using the pulse sequence of the Hahn-echo method (90 ° x-Pi-180 ° x). The decay curve was measured. Further, the sample was measured by inserting it into a sample tube up to an appropriate range of the magnetic field. The measurement temperature was 150 ° C. The measurement results are shown in Table 1 as T1, T2n, and fnn as NMR.

(2)物理試験
実施例1〜2及び比較例1〜2の架橋体サンプルについて、ゴム硬度(Hs(JIS−E))をJIS K 6253に基づいて測定した。
(2) Physical test About the crosslinked body sample of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2, rubber hardness (Hs (JIS-E)) was measured based on JISK6253.

実施例1〜2及び比較例1〜2の架橋体サンプルをJIS6号形の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、50%応力(σ50(MPa))、100%応力(σ100(MPa))、引張強さ(TS(MPa))及び切断時伸び(Eb(%))を測定した。また、引張試験で破断した架橋体サンプルの破断面を電子顕微鏡で観察した。図7〜図9は実施例1の破断面であり、図10〜図12は比較例2の破断面であった。なお、電子顕微鏡の倍率は、図7及び図10が50倍、図8及び図11が1000倍、図9及び図12が2000倍であった。   About the test piece which pierced the bridge | crosslinking body sample of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 into the dumbbell shape of JIS6 type, 23 ± 2 degreeC using the Shimadzu Corporation autograph AG-X tensile tester. A tensile test was performed based on JIS K6251 at a tensile speed of 500 mm / min, 50% stress (σ50 (MPa)), 100% stress (σ100 (MPa)), tensile strength (TS (MPa)), and elongation at break. (Eb (%)) was measured. Moreover, the fracture surface of the crosslinked body sample fractured in the tensile test was observed with an electron microscope. 7 to 9 are fracture surfaces of Example 1, and FIGS. 10 to 12 are fracture surfaces of Comparative Example 2. FIG. The magnification of the electron microscope was 50 times in FIGS. 7 and 10, 1000 times in FIGS. 8 and 11, and 2000 times in FIGS. 9 and 12.

実施例1〜2及び比較例1〜2の架橋体サンプルをJIS K 6252切込み無しのアングル形試験片に打ち抜き、島津製作所社製オートグラフAG−Xを用いて、引張速度500mm/minでJIS K 6252に準拠して引裂き試験を行い、最大引裂き力(N)を測定し、その測定結果を試験片の厚さ1mmで除して、引裂き強さ(TR(N/mm))を測定した。   The crosslinked body samples of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were punched into angle-shaped test pieces without incision in JIS K 6252, and JIS K was used at a tensile speed of 500 mm / min using an autograph AG-X manufactured by Shimadzu Corporation. A tear test was performed according to 6252, the maximum tear force (N) was measured, and the measurement result was divided by the thickness of 1 mm of the test piece to measure the tear strength (TR (N / mm)).

実施例1〜2及び比較例1〜2の架橋体サンプルを、図6に示すような10mm×幅4mm×厚さ1mmの短冊状の試験片100に打ち抜き、その試験片100の長辺の中心から幅方向へカミソリ刃によって深さ1mmの切込み106を入れ、SII社製TMA/SS6100試験機を用いて、試験片100の両端の短辺104,104付近をチャック110,110にて保持して、200℃の大気雰囲気中、周波数1Hzの条件で図6の矢印T方向に繰り返し引張荷重(0N/mm〜2N/mm)をかけて引裂き疲労試験を行い、試験片が破断するまでの引張回数((a)疲労(回))を測定した。   The crosslinked body samples of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 are punched into a strip-shaped test piece 100 having a size of 10 mm × width 4 mm × thickness 1 mm as shown in FIG. A razor blade is used to insert a notch 106 having a depth of 1 mm in the width direction, and the short sides 104 and 104 near both ends of the test piece 100 are held by chucks 110 and 110 using a TMA / SS6100 testing machine manufactured by SII. In a 200 ° C. air atmosphere, a tensile fatigue test is performed by repeatedly applying a tensile load (0 N / mm to 2 N / mm) in the direction of arrow T in FIG. ((A) Fatigue (times)) was measured.

各測定結果は、表2において、ゴム硬度は「Hs(JIS−E)」、50%応力は「σ50(MPa)」、100%応力は「σ100(MPa)」、引張強さは「TS(MPa)」、切断時伸びは「Eb(%)」、引裂き強さは「TR(N/mm)」、及び引裂き疲労寿命の回数は「(a)疲労(回)」と示した。   The measurement results are shown in Table 2. The rubber hardness is “Hs (JIS-E)”, the 50% stress is “σ50 (MPa)”, the 100% stress is “σ100 (MPa)”, and the tensile strength is “TS ( MPa) ”, elongation at break“ Eb (%) ”, tear strength“ TR (N / mm) ”, and number of tear fatigue lives“ (a) fatigue (times) ”.

表2によれば、50%応力(MPa)、100%応力(MPa)、引張強さ(MPa)、切断時伸び(%)、引裂き強さは(N/mm)及び引き裂き寿命(回)は、比較例2の架橋体サンプルが比較例1に比べて向上したが、実施例1,2の架橋体サンプルが比較例2よりもさらに向上した。実施例1の未架橋体サンプルのT2nは、比較例1の未架橋体サンプルのT2nよりも短かった。   According to Table 2, 50% stress (MPa), 100% stress (MPa), tensile strength (MPa), elongation at break (%), tear strength (N / mm) and tear life (times) are Although the crosslinked body sample of Comparative Example 2 was improved as compared with Comparative Example 1, the crosslinked body samples of Examples 1 and 2 were further improved than Comparative Example 2. T2n of the uncrosslinked body sample of Example 1 was shorter than T2n of the uncrosslinked body sample of Comparative Example 1.

図10〜図12における比較例2の破断面には、カーボンナノファイバーの凝集塊が多数観察でき、中には直径が20μm以上もある凝集塊が観察できた。これに対し、図7〜図9における実施例1の破断面には、カーボンナノファイバーの凝集塊は観察されず、カーボンナノファイバーが解繊された上で全体に分散していることが観察できた。   A large number of aggregates of carbon nanofibers were observed on the fracture surface of Comparative Example 2 in FIGS. 10 to 12, and aggregates having a diameter of 20 μm or more could be observed. On the other hand, on the fracture surface of Example 1 in FIGS. 7 to 9, no agglomerates of carbon nanofibers are observed, and it can be observed that the carbon nanofibers are defibrated and dispersed throughout. It was.

2 オープンロール、10 第1のロール、20 第2のロール、30 エラストマー、34 バンク、36 第2の混合物、50 炭素繊維複合材料、80 カーボンナノファイバー、V1,V2 回転速度、100 試験片、106 切り込み、110 チャック、150 プラットホーム、151 デリック編成、151a フック、151b 回転スイベル、151c ケリー、151d 回転テーブル、152 海、153 ドリル・ストリング、154 海底、155 地表、156 坑井、156a 坑底部、160 坑底機器編成、160’ ダウンホール装置、162 ドリルビット、164 回転操作システム、166 マッドモータ、168 掘削同時測定モジュール、170 掘削同時検層モジュール   2 Open roll, 10 1st roll, 20 2nd roll, 30 Elastomer, 34 bank, 36 2nd mixture, 50 carbon fiber composite material, 80 carbon nanofiber, V1, V2 rotational speed, 100 specimen, 106 Incision, 110 chuck, 150 platform, 151 derrick knitting, 151a hook, 151b swivel swivel, 151c kelly, 151d rotary table, 152 sea, 153 drill string, 154 seabed, 155 surface, 156 well, 156a bottom, 160 well Bottom equipment organization, 160 'downhole device, 162 drill bit, 164 rotary operation system, 166 mud motor, 168 simultaneous drilling measurement module, 170 simultaneous drilling logging module

Claims (4)

シリコーンゴムに平均直径が0.4nm〜230nmのカーボンナノファイバーを混練して第1の混合物を得る工程(a)と、
前記第1の混合物をロール間隔が0.1mm以下のオープンロールで3分〜10分間混練して第2の混合物を得る工程(b)と、
前記第2の混合物をロール間隔が0.5mm以下のオープンロールで薄通しを行って炭素繊維複合材料を得る工程(c)と、
を含み、
前記工程(a)に用いるシリコーンゴムは、未硬化の状態での可塑度(JIS K6249可塑度試験法に準拠)が50以上800以下であり、
前記工程(b)における第1の混合物の温度は、0℃〜50℃であり、
前記工程(b)の第2の混合物を取り出す直前のロールのトルクは、前記工程(a)において第1の混合物を取り出す直前のロールのトルクの2倍以上10倍以下である、炭素繊維複合材料の製造方法。
A step (a) of obtaining a first mixture by kneading carbon nanofibers having an average diameter of 0.4 nm to 230 nm with silicone rubber;
A step (b) of kneading the first mixture with an open roll having a roll interval of 0.1 mm or less for 3 minutes to 10 minutes to obtain a second mixture;
Step (c) for obtaining a carbon fiber composite material by thinning the second mixture with an open roll having a roll interval of 0.5 mm or less;
Only including,
The silicone rubber used in the step (a) has an uncured plasticity (based on JIS K6249 plasticity test method) of 50 or more and 800 or less,
The temperature of the first mixture in the step (b) is 0 ° C to 50 ° C,
The carbon fiber composite material , wherein the torque of the roll immediately before taking out the second mixture in the step (b) is 2 to 10 times the torque of the roll just before taking out the first mixture in the step (a). Manufacturing method.
請求項1において、
前記カーボンナノファイバーは、平均直径が60nm〜150nmである、炭素繊維複合材料の製造方法。
Oite to claim 1,
The said carbon nanofiber is a manufacturing method of a carbon fiber composite material whose average diameter is 60 nm-150 nm.
請求項1または2の炭素繊維複合材料の製造方法によって得られた炭素繊維複合材料の架橋体であって、
引張強さが1.5MPa〜3.5MPaであり、かつ、切断時伸びが200%〜280%である、炭素繊維複合材料。
A cross-linked carbon fiber composite material obtained by the method for producing a carbon fiber composite material according to claim 1 or 2 ,
A carbon fiber composite material having a tensile strength of 1.5 MPa to 3.5 MPa and an elongation at break of 200% to 280%.
円筒状のスリーブと、該スリーブの下端を閉塞する端部と、を含み、
前記スリーブ及び前記端部は、請求項1または2の炭素繊維複合材料の製造方法によっ
て得られた炭素繊維複合材料の架橋体で形成された、義肢補綴装置用ライナー。
A cylindrical sleeve, and an end closing the lower end of the sleeve,
A sleeve for a prosthetic limb prosthesis, wherein the sleeve and the end are formed of a cross-linked body of a carbon fiber composite material obtained by the method for producing a carbon fiber composite material according to claim 1 or 2 .
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