JP4889962B2 - Conductive structure, method for producing the same, and separator for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、導電性構造体の製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、導電性充填材を含む結晶性熱可塑性樹脂複合材料からなり、該複合材料の結晶化度を高めることにより得られた優れた導電性、耐熱性を有する導電性構造体、および燃料電池用セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a conductive structure. More specifically, the present invention is composed of a crystalline thermoplastic resin composite material containing a conductive filler, and has an excellent electrical conductivity and heat resistance obtained by increasing the crystallinity of the composite material. And a method for manufacturing a fuel cell separator.
従来より、高い導電性が必要とされる用途には、金属や炭素材料等が主として用いられてきた。しかしながら、近年のエレクトロニクス、電気化学、エネルギー、輸送機器等の分野における導電性材料の用途の多様化に伴い、導電性材料の一種たる導電性樹脂組成物が果たすべき役割が大きくなってきた。その結果、導電性樹脂組成物は高性能化、高機能性化において目覚ましい発展を遂げて来た。その重要な要因として、高分子材料との複合化により成形加工性が大幅に向上したことが挙げられる。 Conventionally, metals and carbon materials have been mainly used for applications that require high electrical conductivity. However, with the recent diversification of uses of conductive materials in the fields of electronics, electrochemistry, energy, transportation equipment, etc., the role that conductive resin compositions as a kind of conductive materials should play has increased. As a result, the conductive resin composition has made remarkable progress in improving performance and functionality. An important factor is that molding processability is greatly improved by combining with a polymer material.
導電性樹脂組成物においては、機械的特性や成形性等を実質的に損わずに、効果的に導電性を発現させることが重要である。導電性が要求される用途としては、従来のものに加え、近年では特に回路基板、抵抗器、積層体、電極等の電子材料や、ヒーター、発熱装置部材、集塵フィルタエレメント、PTC素子、エレクトロニクス部品、または半導体部品等が挙げられる。これらの用途においては、導電性と共に高い耐熱性が要求される。 In the conductive resin composition, it is important to effectively develop conductivity without substantially impairing mechanical properties and moldability. Applications that require electrical conductivity include electronic materials such as circuit boards, resistors, laminates, and electrodes, heaters, heating devices, dust collection filter elements, PTC elements, electronics in recent years, in addition to conventional applications. A part, a semiconductor part, etc. are mentioned. In these applications, high heat resistance is required along with conductivity.
他面では、近年、環境問題、エネルギー問題等の観点から、燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素と酸素を利用して電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がないクリーンな発電装置である。この燃料電池の分野においても、導電性樹脂組成物が大きな役割を担うことができる。燃料電池は、その電解質の種類に応じて数種類に分類されるが、これらの中でも、固体高分子型燃料電池は低温で作動するため、自動車や民生用として最も有望である。このような燃料電池は、例えば、高分子固体電解質、ガス拡散電極、触媒、セパレータから構成された単セルを積層することによって、高出力の発電が達成できる。 In other aspects, in recent years, fuel cells have attracted attention from the viewpoint of environmental problems, energy problems, and the like. A fuel cell is a clean power generation device that uses hydrogen and oxygen to generate power by the reverse reaction of electrolysis and has no emissions other than water. Also in this fuel cell field, the conductive resin composition can play a major role. Fuel cells are classified into several types depending on the type of electrolyte. Among these, polymer electrolyte fuel cells are most promising for automobiles and consumer use because they operate at low temperatures. Such a fuel cell can achieve high output power generation by stacking, for example, single cells composed of a polymer solid electrolyte, a gas diffusion electrode, a catalyst, and a separator.
上記構成を有する燃料電池において、単セルを仕切るためのセパレータには、通常、燃料ガス(水素等)と酸化剤ガス(酸素等)を供給し、発生した水分(水蒸気)を排出するための流路(溝)が形成されている。それゆえに、セパレータにはこれらのガスを完全に分離できる高い気体不透過性と、内部抵抗を小さくするために高い導電性が要求される。
更には、このセパレータには、熱伝導性、耐久性、強度等に優れていることが要求される。
In the fuel cell having the above configuration, a separator for partitioning a single cell is usually supplied with a fuel gas (hydrogen, etc.) and an oxidant gas (oxygen, etc.), and a flow for discharging the generated moisture (water vapor). A path (groove) is formed. Therefore, the separator is required to have high gas impermeability capable of completely separating these gases and high conductivity in order to reduce the internal resistance.
Furthermore, the separator is required to have excellent thermal conductivity, durability, strength, and the like.
これらの要求を達成する目的で、従来より、この燃料電池用セパレータとしては、金属材料と炭素材料の両方から検討されてきた。これらの材料のうち、金属材料に関しては耐食性の問題から、表面に貴金属や炭素を被覆させる試みがされてきたが、充分な耐久性が得られず、更に被覆にかかるコストが問題になる。 In order to achieve these requirements, the fuel cell separator has conventionally been studied from both metallic materials and carbon materials. Among these materials, regarding metal materials, attempts have been made to coat noble metals and carbon on the surface due to the problem of corrosion resistance. However, sufficient durability cannot be obtained, and the cost of coating becomes a problem.
一方、炭素材料に関しても多く検討が成され、膨張黒鉛シートをプレス成形して得られた成形品、炭素焼結体に樹脂を含浸させ硬化させた成形品、熱硬化性樹脂を焼成して得られるガラス状カーボン、炭素粉末と樹脂を混合後成形した成形品等が燃料電池用セパレータ用材料の例として挙げられる。 On the other hand, many studies have been made on carbon materials, and a molded product obtained by press-molding an expanded graphite sheet, a molded product obtained by impregnating and curing a resin in a carbon sintered body, and a product obtained by firing a thermosetting resin. Examples of the fuel cell separator material include glassy carbon, molded products obtained by mixing carbon powder and resin, and the like.
例えば、特許文献1には、炭素質粉末に結合材を加えて加熱混合後CIP成形(Cold Isostatic Pressing;冷間等方圧加工法)し、次いで焼成、黒鉛化して得られた等方性黒鉛材に熱硬化性樹脂を含浸、硬化処理した後に、ガス流路の溝を切削加工によって彫るという煩雑な工程が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses an isotropic graphite obtained by adding a binder to carbonaceous powder, heating and mixing, then performing CIP molding (cold isostatic pressing), then firing and graphitizing. A complicated process is disclosed in which after a material is impregnated with a thermosetting resin and cured, the groove of the gas flow path is carved by cutting.
また、組成物の工夫によって、セパレータの高性能化が試みられてきた。例えば、特許文献2には、樹脂で被覆された炭素質粉末と、該被覆樹脂よりも高耐熱性の樹脂との複合化により、優れた機械的特性及び電気的特性を兼ね備えたセパレータが開示されている。
特許文献3には、低融点金属、金属粉末、熱可塑性プラスチック、及び熱可塑性エラストマーの混合物からなる樹脂組成物が開示されている。
In addition, attempts have been made to improve the performance of the separator by devising the composition. For example,
他面では、成形方法の工夫によって、高性能なセパレータを簡易な方法で製造する試みもなされている。例えば特許文献4には、予め金型を熱可塑性樹脂の融点以上の温度に昇温しておき、金型キャビティ内に導電性組成物を加熱状態で充填し、溶融して所定の圧力で均一圧縮して賦形し、金型に圧力をかけたまま、熱可塑性樹脂の熱変形温度より低い温度まで冷却するという導電性成形品の製造方法が開示されている。また、特許文献5及び6には、キャビティー表面温度を熱可塑性樹脂組成物の結晶化温度よりも50℃低い温度よりも高く、該組成物の融点よりも低い温度に設定し射出成形することを特徴とする高導電性樹脂成形品の成形方法が開示されている。
上述した特許文献に記載の従来の導電性樹脂組成物から成る種々の導電性構造体は、高い導電性を発現させるため、導電性充填材の充填量を大幅に増やす必要があるが、モールド成形性を保持するために樹脂の含有量を多くせざるを得ないため、充分に高い導電性を得ることができなかった。更に、高い導電性を得るために、構造体を1000〜3000℃の高温で長時間加熱を行う焼成の工程を含むと、製造に要する時間が長くなり、且つ、製造工程が煩雑となってコストが上昇してしまうという問題があった。 Various conductive structures made of the conventional conductive resin composition described in the above-mentioned patent document need to greatly increase the filling amount of the conductive filler in order to develop high conductivity. In order to maintain the properties, the resin content has to be increased, so that sufficiently high conductivity cannot be obtained. Furthermore, in order to obtain high conductivity, if the structure includes a baking process in which the structure is heated at a high temperature of 1000 to 3000 ° C. for a long time, the time required for the manufacturing becomes long and the manufacturing process becomes complicated and the cost is increased. There was a problem that would rise.
また、成形方法の工夫もなされているが、特許文献4のように金型全体の温度を大きく変化させる方法では、多くの時間やエネルギーが必要なので低コストで成形品を製造することが出来ない。さらには、無造作に金型温度を下げたのでは構造体に要求される導電性を達成することは出来ない。また、特許文献5及び6のようにキャビティー表面温度だけを変化させて成形することは効率的であるが、該表面温度を熱可塑性樹脂組成物の溶融温度より低い温度に設定すると、多量の導電性充填材を含有した、高熱伝導率で固化が非常に速い高導電性組成物を成形する場合は、賦形が完了するまでに樹脂の固化が開始されるので、寸法精度が良好な成形品を得ることが困難な場合が多い。 In addition, the molding method has been devised, but the method of changing the temperature of the entire mold as in Patent Document 4 requires a lot of time and energy, so that a molded product cannot be manufactured at low cost. . Furthermore, the electrical conductivity required for the structure cannot be achieved if the mold temperature is lowered at random. Further, as in Patent Documents 5 and 6, it is efficient to mold by changing only the cavity surface temperature, but when the surface temperature is set to a temperature lower than the melting temperature of the thermoplastic resin composition, a large amount of When molding a highly conductive composition that contains a conductive filler and has high thermal conductivity and very fast solidification, solidification of the resin starts before shaping is completed, so molding with good dimensional accuracy It is often difficult to obtain a product.
本発明の目的は、上述したような従来技術の欠点を解消した優れた導電性を有する導電性構造体の製造方法を提供することにある。また、寸法精度が高く導電性に優れた燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。 The objective of this invention is providing the manufacturing method of the electroconductive structure which has the outstanding electroconductivity which eliminated the fault of the prior art as mentioned above. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a fuel cell separator having high dimensional accuracy and excellent conductivity.
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、結晶性熱可塑性樹脂組成物からなる導電性構造体の結晶化度を高めることにより、簡便でコストが上昇しない方法で高い導電性を発現できることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は上記知見に基づくものであり、より詳しくは、本発明は、例えば以下に示す[1]〜[18]の事項を含む。 As a result of intensive research to solve the above problems, the present inventors have increased the crystallinity of a conductive structure composed of a crystalline thermoplastic resin composition, which is high in a simple and cost-effective manner. The inventors have found that conductivity can be expressed, and have completed the present invention. The present invention is based on the above findings. More specifically, the present invention includes, for example, the following items [1] to [18].
[1]
結晶性熱可塑性樹脂と導電性充填材とを少なくとも含有する結晶性熱可塑性樹脂複合材料からなる導電性構造体のモールド成形において、溶融した該複合材料の金型内での賦形が完了するまで、金型キャビティー表面温度を、該複合材料の結晶融解温度(Tm)と規定した時に(Tm+5)℃以上に保ち、賦形された後、該複合材料の結晶化温度をTCと規定した時に、金型キャビティー表面温度を、TC以上で、かつ(TC+15)℃以下として該複合材料を固化させることを特徴とする導電性構造体の製造方法。
[2]
導電性構造体を金型で加圧した状態、または導電性構造体の変形を防止する矯正板に導電性構造体を挟んで加圧した状態で、導電性構造体を固化することを特徴とする[1]に記載の導電性構造体の製造方法。
[3]
導電性構造体のモールド成形が、射出成形、射出圧縮成形、圧縮成形、スタンピング成形の中から選ばれるいずれかの成形方法であることを特徴とする[1]または[2]に記載の導電性構造体の製造方法。
[4]
結晶性熱可塑性樹脂複合材料がさらにエラストマーを含むことを特徴とする[1]から[3]のいずれか1項に記載の導電性構造体の製造方法。
[5]
結晶性熱可塑性樹脂、エラストマーおよびその他の高分子化合物をポリマー成分とし、該ポリマー成分と導電性充填材との合計を基準(100質量%)として、該ポリマー成分が40〜2質量%、導電性充填材が60〜98質量%であることを特徴とする[1]から[4]のいずれか1項に記載の導電性構造体の製造方法。
[6]
前記結晶性熱可塑性樹脂に含まれる少なくとも1成分がポリオレフィンであることを特徴とする[1]から[5]のいずれか1項に記載の導電性構造体の製造方法。
[7]
結晶性熱可塑性樹脂、エラストマーおよびその他の高分子化合物をあわせたポリマー成分が、水添スチレンブタジエンラバー、スチレン・エチレンブチレン・スチレン ブロックコポリマー、スチレン・エチレンプロピレン・スチレン ブロックコポリマー、オレフィン結晶・エチレンブチレン・オレフィン結晶 ブロックコポリマー、スチレン・エチレンブチレン・オレフィン結晶 ブロックコポリマー、スチレン・イソプレン・スチレン ブロックコポリマー及びスチレン・ブタジエン・スチレン ブロックコポリマーのいずれか1種または2種以上と、ポリオレフィンを少なくとも含有することを特徴とする[5]に記載の導電性構造体の製造方法。
[8]
結晶性熱可塑性樹脂、エラストマーおよびその他の高分子化合物をあわせたポリマー成分がポリ弗化ビニリデンと軟質アクリル樹脂とを少なくとも含むことを特徴とする[5]に記載の導電性構造体の製造方法。
[9]
前記導電性充填材が金属材料、炭素質材料、導電性高分子、金属被覆フィラーまたは金属酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする[1]から8のいずれか1項に記載の導電性構造体の製造方法。
[10]
前記導電性充填材が、0.05〜5質量%のホウ素を含む炭素質材料であることを特徴とする[1]から[9]のいずれか1項に記載の導電性構造体の製造方法。
[11]
前記導電性充填材が、気相法炭素繊維および/またはカーボンナノチューブを0.1〜50質量%(これらを含む導電性充填材全体が基準)含むことを特徴とする[1]から[10]のいずれか1項に記載の導電性構造体の製造方法。
[12]
気相法炭素繊維またはカーボンナノチューブが、0.05〜5質量%のホウ素を含むことを特徴とする請求項[11]に記載の導電性構造体の製造方法。
[13]
[1]から[12]のいずれか1項に記載の製造方法により製造され、かつ、X≧0.8×Y(式1)で表される関係を満たすことを特徴とする導電性構造体。
(但し、式1中、Xは導電性構造体の一部を試料とし、示差走査熱量計を用いて20℃/分の昇温速度で25℃から熱可塑性樹脂複合材料の結晶融解温度:Tmよりも60℃以上高い温度まで昇温した時に観測される結晶の融解熱を、試料の質量で割った値を表し、単位はJ/gである。また、Yは結晶性熱可塑性樹脂複合材料を試料とし、示差走査熱量計を用いて、Tmよりも60℃以上高い温度で10分間保持した後、5℃/分の冷却速度で25℃まで冷却し25℃で10分間保持した後、さらに20℃/分の昇温速度でTmよりも60℃以上高い温度まで昇温した時に観測される結晶の融解熱を、試料の質量で割った値を表し、単位はJ/gである。)
[14]
[13]に記載の導電性構造体を使用してなる燃料電池用セパレータ。
[1]
In the molding of a conductive structure made of a crystalline thermoplastic resin composite material containing at least a crystalline thermoplastic resin and a conductive filler, until the molding of the molten composite material in the mold is completed When the mold cavity surface temperature is defined as the crystal melting temperature (T m ) of the composite material, it is kept at (T m +5) ° C. or higher, and after shaping, the crystallization temperature of the composite material is adjusted to T C And a temperature of the mold cavity is not lower than T C and not higher than (T C +15) ° C., and the composite material is solidified.
[2]
The conductive structure is solidified in a state in which the conductive structure is pressed with a mold, or in a state in which the conductive structure is pressed between correction plates that prevent deformation of the conductive structure. The method for producing a conductive structure according to [1].
[3]
The conductive structure according to [1] or [2], wherein the molding of the conductive structure is any molding method selected from injection molding, injection compression molding, compression molding, and stamping molding. Manufacturing method of structure.
[4]
The method for producing a conductive structure according to any one of [1] to [3], wherein the crystalline thermoplastic resin composite material further contains an elastomer.
[5]
Crystalline thermoplastic resin, the elastomer and other polymer compounds as a polymer component, the total of the polymer component and a conductive filler as a reference (100 mass%), the polymer component is 40-2 wt%, conductivity The method for producing a conductive structure according to any one of [1] to [4], wherein the conductive filler is 60 to 98% by mass.
[6]
At least 1 component contained in the said crystalline thermoplastic resin is polyolefin, The manufacturing method of the electroconductive structure in any one of [1] to [5] characterized by the above-mentioned.
[7]
Polymer components including crystalline thermoplastic resins, elastomers and other polymer compounds are hydrogenated styrene butadiene rubber, styrene / ethylene butylene / styrene block copolymers, styrene / ethylene propylene / styrene block copolymers, olefin crystals / ethylene butylene, One or more of olefin crystal block copolymer, styrene / ethylene butylene / olefin crystal block copolymer, styrene / isoprene / styrene block copolymer and styrene / butadiene / styrene block copolymer, and at least polyolefin The method for producing a conductive structure according to [5] .
[8]
The method for producing a conductive structure according to [5], wherein the polymer component including the crystalline thermoplastic resin, elastomer and other polymer compound contains at least polyvinylidene fluoride and a soft acrylic resin.
[9]
Any one of [1] to [8], wherein the conductive filler is at least one selected from the group consisting of a metal material, a carbonaceous material, a conductive polymer, a metal-coated filler, or a metal oxide. The manufacturing method of the electroconductive structure as described in a term.
[10]
The method for producing a conductive structure according to any one of [1] to [9], wherein the conductive filler is a carbonaceous material containing 0.05 to 5% by mass of boron. .
[11]
[1] to [10], wherein the conductive filler contains 0.1 to 50% by mass of vapor grown carbon fiber and / or carbon nanotube (based on the whole conductive filler including these). The manufacturing method of the electroconductive structure of any one of these.
[12]
The method for producing a conductive structure according to claim [11], wherein the vapor-grown carbon fiber or the carbon nanotube contains 0.05 to 5% by mass of boron.
[ 13 ]
A conductive structure manufactured by the manufacturing method according to any one of [1] to [12] and satisfying a relationship represented by X ≧ 0.8 × Y (Formula 1) .
(However, in Formula 1, X represents a part of the conductive structure as a sample, and a differential melting calorimeter at a rate of temperature increase of 20 ° C./minute from 25 ° C. to the crystal melting temperature of the thermoplastic resin composite material: T This represents the value obtained by dividing the heat of fusion of the crystal observed when the temperature is raised to 60 ° C. higher than m by the mass of the sample, and the unit is J / g, and Y is a crystalline thermoplastic resin composite Using the material as a sample, using a differential scanning calorimeter, holding at 60 ° C. or higher than T m for 10 minutes, cooling to 25 ° C. at a cooling rate of 5 ° C./min, and holding at 25 ° C. for 10 minutes Furthermore, it represents a value obtained by dividing the heat of fusion of the crystal observed when the temperature is raised to a temperature 60 ° C. higher than Tm at a rate of temperature increase of 20 ° C./min divided by the mass of the sample, and the unit is J / g. is there.)
[ 14 ]
[13] A separator for a fuel cell using the conductive structure according to [13] .
上記した構成を有する本発明の製造方法により製造された導電性構造体は、導電性に優れ、且つ放熱性にも優れるため、従来実現が困難であった領域の材料、例えば、エレクトロニクス分野、電気製品、機械部品、車輌部品等の各種用途・部品に広く適用可能であり、特に燃料電池用セパレータとして非常に有用である。 Since the conductive structure manufactured by the manufacturing method of the present invention having the above-described structure is excellent in conductivity and heat dissipation, it is difficult to realize materials in areas that have been difficult to realize in the past, such as electronics, It can be widely applied to various uses and parts such as products, machine parts, and vehicle parts, and is particularly useful as a separator for fuel cells.
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「%」は、特に断らない限り質量基準とする。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings as necessary. In the following description, “parts” and “%” representing the quantity ratio are based on mass unless otherwise specified.
(結晶性熱可塑性樹脂複合材料)
本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料は、結晶性熱可塑性樹脂(A成分)と、導電性充填材(B成分)を少なくとも含む複合材料である。
(Crystalline thermoplastic resin composite material)
The crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention is a composite material containing at least a crystalline thermoplastic resin (A component) and a conductive filler (B component).
(導電性構造体)
本発明の導電性構造体とは当該結晶性熱可塑性樹脂複合材料が射出成形などにより一定の形状に賦形されたものをいう。もとの結晶性熱可塑性樹脂複合材料と組成的にはまったく同一であるが、成形時の熱履歴により、結晶化度などが異なる。
(Conductive structure)
The conductive structure of the present invention refers to a material obtained by shaping the crystalline thermoplastic resin composite material into a certain shape by injection molding or the like. Although the composition is exactly the same as the original crystalline thermoplastic resin composite material, the degree of crystallization differs depending on the thermal history during molding.
(ポリマー成分)
本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料には結晶性熱可塑性樹脂(A成分)以外に、エラストマー成分(C成分)や、非晶性熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などその他の高分子化合物を含んでいても良い。A成分、C成分、その他の高分子化合物をあわせてポリマー成分と呼ぶ。
(結晶性熱可塑性樹脂:A成分)
本発明の結晶性熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフッ化ビニリデンや四フッ化ポリエチレン等のフッ素樹脂、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルホン等の中から選ばれた1〜2種類以上の組み合わせが使用可能である。これらの中で、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマーが好ましい。また、大きな曲げ歪が得られ、耐加水分解性が高いという理由で、ポリプロピレンが特に好ましい。
(Polymer component)
In addition to the crystalline thermoplastic resin (component A), the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention contains other high molecular compounds such as an elastomer component (component C), an amorphous thermoplastic resin, and a thermosetting resin. It may be included. A component, C component, and other polymer compounds are collectively referred to as a polymer component.
(Crystalline thermoplastic resin: Component A)
The crystalline thermoplastic resin of the present invention is not particularly limited, but polyvinyl chloride, polyimide, liquid crystal polymer, polyether ether ketone, fluororesin such as polyvinylidene fluoride and tetrafluoropolyethylene, polyolefin such as polyethylene and polypropylene, One or more combinations selected from polyacetal, polyamide, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfone and the like can be used. Among these, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polyphenylene sulfide, and a liquid crystal polymer are preferable. Polypropylene is particularly preferred because large bending strain is obtained and hydrolysis resistance is high.
(エラストマー:C成分)
また、本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料には、エラストマー成分が含まれていても良い。エラストマーは、常温付近でゴム状弾性を有する高分子である。エラストマー成分としては特に限定されないが、例えば、アクリロニトリルブタジエンゴム、水素化ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエン三元共重合ゴム、エチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、ブタジエンゴム、ハイスチレンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴム、ポリエーテル系特殊ゴム、四フッ化エチレン・プロピレンゴム、エピクロロヒドリンゴム、ノルボルネンゴム、ブチルゴム、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、1,2−ポリブタジエン系熱可塑性エラストマー、フッ素系熱可塑性エラストマー、軟質アクリル樹脂等の中から選ばれた1〜2種類以上の組み合わが使用可能である。
(Elastomer: C component)
Further, the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention may contain an elastomer component. An elastomer is a polymer having rubber-like elasticity near normal temperature. The elastomer component is not particularly limited. For example, acrylonitrile butadiene rubber, hydrogenated nitrile rubber, styrene butadiene rubber, ethylene propylene rubber, ethylene propylene diene terpolymer rubber, ethylene butadiene rubber, fluoro rubber, isoprene rubber, silicone rubber, Acrylic rubber, butadiene rubber, high styrene rubber, chloroprene rubber, urethane rubber, polyether special rubber, ethylene tetrafluoride / propylene rubber, epichlorohydrin rubber, norbornene rubber, butyl rubber, styrene thermoplastic elastomer, olefin thermoplastic Elastomers, urethane thermoplastic elastomers, polyester thermoplastic elastomers, polyamide thermoplastic elastomers, 1,2-polybutadiene thermoplastic elastomers, Tsu Motokei thermoplastic elastomer, the Awa set of 1-2 or more selected from among such soft acrylic resin can be used.
本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料に含まれるエラストマーの含量としては、特に限定はされないが、ポリマー成分を基準(100質量%)として、0.01〜50質量%が好ましい。エラストマー成分が50質量%以上になると、この発明の効果が小さくなる。
さらに、この発明の効果が大きく現れ、高い曲げ歪と曲げ強度が同時に得られるという理由で、0.01〜30質量%が特に好ましい。
The content of the elastomer contained in the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 50% by mass based on the polymer component (100% by mass). When the elastomer component is 50% by mass or more, the effect of the present invention is reduced.
Furthermore, 0.01-30 mass% is especially preferable because the effect of this invention appears large and a high bending strain and bending strength are obtained simultaneously.
上記のエラストマーを含んだポリマー成分の中で好ましいのは、ポリプロピレン/スチレン系熱可塑性エラストマーブレンド、ポリフッ化ビニリデン/フッ素系エラストマーブレンド、ポリフッ化ビニリデン/軟質アクリル樹脂ブレンド、ポリフェニレンスルフィド/スチレン系熱可塑性エラストマーブレンド等が好ましい。さらにこの中でも、大きな曲げ歪が得られ、耐加水分解性が高いという観点から、ポリプロピレン/スチレン系熱可塑性エラストマーブレンド、ポリフェニレンスルフィド/スチレン系熱可塑性エラストマーブレンドが特に好ましい。 Among the polymer components containing the above-mentioned elastomer, polypropylene / styrene thermoplastic elastomer blends, polyvinylidene fluoride / fluorine elastomer blends, polyvinylidene fluoride / soft acrylic resin blends, polyphenylene sulfide / styrene thermoplastic elastomers are preferred. Blends and the like are preferred. Of these, polypropylene / styrene thermoplastic elastomer blends and polyphenylene sulfide / styrene thermoplastic elastomer blends are particularly preferred from the viewpoints of obtaining large bending strain and high hydrolysis resistance.
本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料に用いられるスチレン系熱可塑性エラストマーとしては、水添スチレンブタジエンラバー、スチレン・エチレンブチレン・スチレン ブロックコポリマー、スチレン・エチレンプロピレン・スチレン ブロックコポリマー、オレフィン結晶・エチレンブチレン・オレフィン結晶 ブロックコポリマー、スチレン・エチレンブチレン・オレフィン結晶 ブロックコポリマー、スチレン・イソプレン・スチレン
ブロックコポリマー、スチレン・ブタジエン・スチレン ブロックコポリマー等が挙げられる。中でも、結晶性熱可塑性樹脂中の分散性が良いという理由で、水添スチレンブタジエンラバー、スチレン・エチレンブチレン・スチレン ブロックコポリマー、スチレン・エチレンプロピレン・スチレン ブロックコポリマーが好ましい。
Examples of the styrenic thermoplastic elastomer used in the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention include hydrogenated styrene butadiene rubber, styrene / ethylene butylene / styrene block copolymer, styrene / ethylene propylene / styrene block copolymer, olefin crystal / ethylene butylene. • Olefin crystal block copolymer, styrene / ethylene butylene / olefin crystal block copolymer, styrene / isoprene / styrene block copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer, and the like. Of these, hydrogenated styrene butadiene rubber, styrene / ethylene butylene / styrene block copolymer, and styrene / ethylene propylene / styrene block copolymer are preferred because of their good dispersibility in the crystalline thermoplastic resin.
(非晶性熱可塑性樹脂)
また、本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料には、本発明の効果が失われない範囲で非晶性熱可塑性樹脂が含まれていても良い。そのような非晶性熱可塑性樹脂は特に限定されないが、例えば、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリシクロオレフィン等の中から選ばれた1〜2種類以上の組み合わが使用可能である。
(Amorphous thermoplastic resin)
In addition, the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention may contain an amorphous thermoplastic resin as long as the effects of the present invention are not lost. Such an amorphous thermoplastic resin is not particularly limited, and for example, one or more combinations selected from polystyrene, acrylic resin, polycarbonate, polycycloolefin and the like can be used.
さらに、本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料に用いる熱可塑性樹脂にはなるべく高分子量の樹脂を用いるのが、優れた曲げ特性が得られるという理由で好ましい。例えば、結晶性熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを用いる場合は、メルトフローレート(MFR)が10以下のポリプロピレンを用いるのが好ましい。特に好ましいのは、優れた曲げ歪と曲げ強度が両立すると言う理由で、MFRが2以下のポリプロピレン樹脂である。ここでMFRはJIS K 6921−2に準拠して、温度230℃、荷重2.16kgで測定した。 Furthermore, it is preferable to use a high molecular weight resin as much as possible as the thermoplastic resin used in the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention because excellent bending characteristics can be obtained. For example, when polypropylene is used as the crystalline thermoplastic resin, it is preferable to use polypropylene having a melt flow rate (MFR) of 10 or less. Particularly preferred is a polypropylene resin having an MFR of 2 or less because both excellent bending strain and bending strength are compatible. Here, MFR was measured at a temperature of 230 ° C. and a load of 2.16 kg according to JIS K 6921-2.
(その他成分)
この他ポリマー成分中には、必要に応じて、各種の添加剤、例えば、熱硬化性樹脂、モノマー、可塑剤、硬化剤、硬化開始剤、硬化助剤、溶剤、紫外線安定剤、酸化防止剤、熱安定剤、消泡剤、レベリング剤、離型剤、滑剤、撥水剤、増粘剤、低収縮剤、難燃剤、または親水性付与剤等から選ばれる成分を添加することができる。
(Other ingredients)
In addition to these polymer components, various additives, for example, thermosetting resins, monomers, plasticizers, curing agents, curing initiators, curing aids, solvents, UV stabilizers, antioxidants, as necessary. In addition, a component selected from a heat stabilizer, an antifoaming agent, a leveling agent, a mold release agent, a lubricant, a water repellent, a thickener, a low shrinkage agent, a flame retardant, or a hydrophilicity imparting agent can be added.
(ポリマー成分の製造方法)
本発明のA成分の製造方法は特に制限されないが、例えば、溶液法、エマルション法、溶融法等の物理的方法、あるいはグラフト重合法、ブロック重合法、IPN(相互入高分子網目)法等の化学的方法による製造法が挙げられる。
(Method for producing polymer component)
The production method of the component A of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include physical methods such as solution method, emulsion method, melting method, graft polymerization method, block polymerization method, IPN (interpenetrating polymer network) method and the like. The manufacturing method by a chemical method is mentioned.
異種ポリマーのブレンドによるポリマー成分の製造の場合は、多様性の点からは溶融法が好ましい。この溶融法の具体的な手法は特に制限されないが、ロール、ニーダー、バンバリーミキサー、押出機等の混練機械を用いてブレンドする方法等が挙げられる。 In the case of producing a polymer component by blending different polymers, the melting method is preferable from the viewpoint of diversity. The specific method of the melting method is not particularly limited, and examples thereof include a method of blending using a kneading machine such as a roll, a kneader, a Banbury mixer, and an extruder.
(導電性充填材:B成分)
本発明において、上記したA成分とともに結晶性熱可塑性樹脂複合材料を構成するB成分は、導電性充填材である限り特に制限されない。導電性の点からは、このB成分は、金属材料、炭素質材料、導電性高分子、金属被覆フィラー、または金属酸化物の中から選ばれた1ないし2種類以上の組み合わせが好ましい。より好ましくは、炭素質材料、および/または金属材料である。
(Conductive filler: B component)
In the present invention, the B component constituting the crystalline thermoplastic resin composite material together with the above-described A component is not particularly limited as long as it is a conductive filler. From the viewpoint of conductivity, the B component is preferably a combination of one or more selected from a metal material, a carbonaceous material, a conductive polymer, a metal-coated filler, or a metal oxide. More preferably, it is a carbonaceous material and / or a metal material.
(金属材料)
金属材料としては、導電性の点からは、Ni、Fe、Co、B、Pb、Cr、Cu、Al、Ti、Bi、Sn、W、P、Mo、Ag、Pt、Au、TiC、NbC、TiCN、TiN、CrN、TiB2、ZrB2、Fe2Bのいずれか1種類または2種類以上の複合材料であることが好ましい。更に、これらの金属材料を粉末状、あるいは繊維状に加工して使用することができる。
(Metal material)
As the metal material, from the viewpoint of conductivity, Ni, Fe, Co, B, Pb, Cr, Cu, Al, Ti, Bi, Sn, W, P, Mo, Ag, Pt, Au, TiC, NbC, It is preferably a composite material of one kind or two or more kinds of TiCN, TiN, CrN, TiB 2 , ZrB 2 , and Fe 2 B. Furthermore, these metal materials can be used after being processed into powder or fiber.
(炭素質材料)
炭素質材料としては、導電性の点からは、カーボンブラック、炭素繊維、アモルファスカーボン、膨張黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレンの中から選ばれた1ないし2種類以上の組み合わせが挙げられる。
(Carbonaceous material)
As the carbonaceous material, 1 to 2 selected from carbon black, carbon fiber, amorphous carbon, expanded graphite, artificial graphite, natural graphite, vapor grown carbon fiber, carbon nanotube, and fullerene from the viewpoint of conductivity. More than one type of combination can be mentioned.
更に、炭素材料の導電性向上の点からは、炭素質材料中にホウ素が0.05〜5質量%含まれることが好ましい。ホウ素量が0.05質量%未満では、目的とする高導電性の黒鉛粉末が得られない可能性が高くなる。他方、ホウ素量が5質量%を超えて含まれていても、炭素材料の導電性向上への寄与の程度が低下する傾向がある。炭素質材料に含まれるホウ素の量の測定方法は特に制限はなく、どのような測定方法でも測定できる。本発明では誘導型プラズマ発光分光分析法(以下、「ICP」と略す。)又は誘導型プラズマ発光分光質量分析法(以下、「ICP−MS」と略す。)により測定した値を用いる。具体的には試料に硫酸および硝酸を加え、マイクロ波加熱(230℃)して分解(ダイジェスター法)し、更に過塩素酸(HClO4)を加えて分解したものを水で希釈し、これをICP発光分析装置にかけて、ホウ素量を測定する。 Furthermore, it is preferable that 0.05-5 mass% of boron is contained in a carbonaceous material from the point of the electroconductivity improvement of a carbon material. If the amount of boron is less than 0.05% by mass, there is a high possibility that the desired highly conductive graphite powder will not be obtained. On the other hand, even if the amount of boron exceeds 5% by mass, the degree of contribution to the improvement of the conductivity of the carbon material tends to decrease. The method for measuring the amount of boron contained in the carbonaceous material is not particularly limited, and any measurement method can be used. In the present invention, a value measured by induction plasma emission spectrometry (hereinafter abbreviated as “ICP”) or induction plasma emission spectrometry / mass spectrometry (hereinafter abbreviated as “ICP-MS”) is used. Specifically, sulfuric acid and nitric acid are added to the sample, decomposed by microwave heating (230 ° C.) (Digester method), and further decomposed by adding perchloric acid (HClO 4 ) and diluted with water. Is applied to an ICP emission spectrometer to measure the amount of boron.
(ホウ素の含有方法)
ホウ素を含有させる方法としては、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ等の単品、あるいはそれらの1種以上の混合物にホウ素源として、B単体、B4C、BN、B203、H3B03等を添加し、よく混合して約2300〜3200℃で黒鉛化処理することによって、炭素質材料中にホウ素を含有させる方法を用いることができる。ホウ素化合物の混合が不均一な場合には、黒鉛粉末が不均一になるだけでなく、黒鉛化時に焼結する可能性が高くなる傾向がある。ホウ素化合物を均一に混合させるために、これらのホウ素源は50μm以下、好ましくは20μm以下程度の粒径を有する粉末にして、コークス等の粉末に混合することが好ましい。
(Method of containing boron)
As a method for containing boron, natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, carbon black, carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, carbon nanotube, or the like, or a mixture of at least one of them as a boron source, B alone , B 4 C, BN, B 2 0 3 , H 3 B0 3, etc. are added, mixed well, and graphitized at about 2300 to 3200 ° C. to contain boron in the carbonaceous material. be able to. If the boron compound is not uniformly mixed, not only the graphite powder becomes non-uniform, but also the possibility of sintering during graphitization tends to increase. In order to uniformly mix the boron compound, it is preferable that these boron sources have a particle size of about 50 μm or less, preferably about 20 μm or less, and are mixed with a powder such as coke.
ホウ素を添加しない場合、黒鉛化すると黒鉛化度(結晶化度)が下がり、格子間隔が大きくなり、高導電性の黒鉛粉末を得ることの困難性が増大する傾向がある。また、黒鉛中にホウ素および/またはホウ素化合物が混合されている限り、ホウ素の含有の形態は特に制限されないが、黒鉛結晶の層間に存在するもの、黒鉛結晶を形成する炭素原子の一部がホウ素原子に置換されたものも、より好適なものとして挙げられる。また、炭素原子の一部がホウ素原子に置換された場合のホウ素原子と炭素原子の結合は、共有結合、イオン結合等どのような結合様式であっても構わない。 When boron is not added, graphitization decreases the degree of graphitization (crystallinity), increases the lattice spacing, and increases the difficulty of obtaining highly conductive graphite powder. Further, as long as boron and / or boron compounds are mixed in graphite, the form of boron content is not particularly limited. Those substituted with atoms are also more preferred. In addition, the bond between the boron atom and the carbon atom when a part of the carbon atom is substituted with the boron atom may be any bond mode such as a covalent bond or an ionic bond.
(カーボンブラック)
上述した炭素質材料の一例であるカーボンブラックとしては、天然ガス等の不完全燃焼、アセチレンの熱分解により得られるケッチェンブラック、アセチレンブラック、炭化水素油や天然ガスの不完全燃焼により得られるファーネスカーボン、天然ガスの熱分解により得られるサーマルカーボン等が挙げられる。
(Carbon black)
Carbon black, which is an example of the carbonaceous material described above, includes furnaces obtained by incomplete combustion of natural gas, etc., ketjen black obtained by thermal decomposition of acetylene, acetylene black, hydrocarbon oil and natural gas. Examples thereof include thermal carbon obtained by pyrolysis of carbon and natural gas.
(炭素繊維)
上記した炭素繊維としては、重質油、副生油、コールタール等から作られるピッチ系と、ポリアクリロニトリルから作られるPAN系が挙げられる。
(Carbon fiber)
Examples of the carbon fiber include pitch systems made from heavy oil, by-product oil, coal tar, and the like, and PAN systems made from polyacrylonitrile.
(アモルファスカーボン)
上記したアモルファスカーボンを得るためには、フェノール樹脂を硬化させて焼成処理し粉砕して粉末とする方法、または、フェノール樹脂を球状、不定形状の粉末の状態で硬化させて焼成処理する方法等がある。導電性の高いアモルファスカーボンを得るためには2000℃以上に加熱処理することが適する。
(Amorphous carbon)
In order to obtain the above-mentioned amorphous carbon, there is a method in which a phenol resin is cured and baked and pulverized to obtain a powder, or a method in which a phenol resin is cured in the form of a spherical, irregularly shaped powder and baked. is there. In order to obtain amorphous carbon having high conductivity, it is suitable to perform heat treatment at 2000 ° C. or higher.
(膨張黒鉛電極)
上記した膨張黒鉛粉末は、例えば、天然黒鉛、熱分解黒鉛等高度に結晶構造が発達した黒鉛を、濃硫酸と硝酸との混液、濃硫酸と過酸化水素水との混液の強酸化性の溶液に浸漬処理して黒鉛層間化合物を生成させ、水洗してから急速加熱して、黒鉛結晶のC軸方向を膨張処理することによって得られた粉末や、それを一度シート状に圧延したものを粉砕した粉末である。
(Expanded graphite electrode)
The above expanded graphite powder is, for example, a strong oxidizing solution of graphite having a highly developed crystal structure such as natural graphite and pyrolytic graphite, a mixture of concentrated sulfuric acid and nitric acid, and a mixture of concentrated sulfuric acid and hydrogen peroxide. Immersion treatment to form a graphite intercalation compound, which is washed with water and then rapidly heated to pulverize the powder obtained by expanding the C-axis direction of the graphite crystal and once rolled into a sheet Powder.
(人造黒鉛)
上記した人造黒鉛を得るためには、通常は先ずコークスを製造する。コークスの原料は石油系ピッチ、石炭系のピッチ等が用いられる。これらの原料を炭化してコークスとする。コークスから黒鉛化粉末にするには一般的にコークスを粉砕後黒鉛化処理する方法、コークス自体を黒鉛化した後粉砕する方法、あるいはコークスにバインダーを加え成形、焼成した焼成品(コークスおよびこの焼成品を合わせてコークス等という)を黒鉛化処理後粉砕して粉末とする方法等がある。原料のコークス等はできるだけ、結晶が発達していない方が良いため、2000℃以下、好ましくは1200℃以下で加熱処理したものが適する。
(Artificial graphite)
In order to obtain the above-mentioned artificial graphite, usually coke is first produced. Coke raw material is petroleum pitch, coal pitch, or the like. These raw materials are carbonized into coke. In general, coke is converted into graphitized powder by pulverizing the coke and then graphitizing, or by pulverizing the coke itself and then pulverizing, or by adding a binder to the coke and molding and firing the product (coke and this calcined product). There is a method of pulverizing a product after combining it with a graphitization process. Since it is preferable that the raw material coke is not developed as much as possible, a heat-treated material at 2000 ° C. or lower, preferably 1200 ° C. or lower is suitable.
黒鉛化方法は、粉末を黒鉛ルツボに入れ直接通電するアチソン炉を用いる方法、黒鉛発熱体により粉末を加熱する方法等を使用することができる。 As the graphitization method, a method using an Atchison furnace in which powder is put in a graphite crucible and directly energized, a method of heating powder with a graphite heating element, or the like can be used.
コークス、人造黒鉛および天然黒鉛等の粉砕には、高速回転粉砕機(ハンマーミル、ピンミル、ケージミル)や各種ボールミル(転動ミル、振動ミル、遊星ミル)、撹拌ミル(ビーズミル、アトライター、流通管型ミル、アニュラーミル)等が使用できる。また、微粉砕機であるスクリーンミル、ターボミル、スーパーミクロンミル、ジェットミルでも条件を選定することによって使用可能である。これらの粉砕機を用いてコークスおよび天然黒鉛等を粉砕し、その際の粉砕条件の選定、および必要により粉末を分級し、平均粒径や粒度分布をコントロールする。 For crushing coke, artificial graphite, natural graphite, etc., high-speed rotary crusher (hammer mill, pin mill, cage mill), various ball mills (rolling mill, vibration mill, planetary mill), stirring mill (bead mill, attritor, distribution pipe) Mold mills, annular mills) and the like can be used. Further, a screen mill, a turbo mill, a supermicron mill, and a jet mill, which are fine pulverizers, can be used by selecting conditions. Crush, natural graphite, and the like are pulverized using these pulverizers, and the selection of pulverization conditions at that time, and classification of the powder as necessary, control the average particle size and particle size distribution.
コークス粉末、人造黒鉛粉末および天然黒鉛粉末等を分級する方法としては、分離が可能であれば何れでも良いが、例えば、篩分法や強制渦流型遠心分級機(ミクロンセパレーター、ターボプレックス、ターボクラシファイアー、スーパーセパレーター)、慣性分級機(改良型バーチュウアルインパクター、エルボジェット)等の気流分級機が使用できる。また湿式の沈降分離法や遠心分級法等も使用できる。 As a method for classifying coke powder, artificial graphite powder, natural graphite powder, etc., any method can be used as long as separation is possible. For example, a sieving method or a forced vortex type centrifugal classifier (micron separator, turboplex, turboclassic) Airflow classifiers such as fire and super separators and inertia classifiers (improved virtual impactor and elbow jet) can be used. A wet sedimentation method or a centrifugal classification method can also be used.
(気相法炭素繊維/カーボンナノチューブ)
本発明のB成分中には、気相法炭素繊維、および/またはカーボンナノチューブを0.1〜50質量%含むことが好ましい。より好ましくは、0.1〜45質量%であり、更に好ましくは、0.2〜40質量%である。0.1質量%未満では、導電性の向上に効果がない。また、50質量%を超えると成形性が悪くなる傾向にある。
(Gas-phase carbon fiber / carbon nanotube)
The component B of the present invention preferably contains 0.1 to 50% by mass of vapor grown carbon fiber and / or carbon nanotube. More preferably, it is 0.1-45 mass%, More preferably, it is 0.2-40 mass%. If it is less than 0.1% by mass, there is no effect in improving the conductivity. Moreover, when it exceeds 50 mass%, there exists a tendency for a moldability to worsen.
更に気相法炭素繊維またはカーボンナノチューブ中には0.05〜5質量%のホウ素を含有することが好ましい。より好ましくは、0.06〜4質量%であり、更に好ましくは、0.06〜3質量%である。0.05質量%未満では、ホウ素を添加したことで導電性を向上させる効果が小さい。また、5質量%を超えた添加では、不純物量が多くなり、他の物性の低下をもたらす傾向がある。 Further, the vapor grown carbon fiber or carbon nanotube preferably contains 0.05 to 5% by mass of boron. More preferably, it is 0.06-4 mass%, More preferably, it is 0.06-3 mass%. If it is less than 0.05% by mass, the effect of improving the conductivity by adding boron is small. Moreover, when it exceeds 5 mass%, the amount of impurities tends to increase, leading to a decrease in other physical properties.
気相法炭素繊維とは、例えばベンゼン、トルエン、天然ガス等の有機化合物を原料に、フェロセン等の遷移金属触媒の存在下で、水素ガスとともに800℃〜1300℃で熱分解反応させることによって得られる、繊維径が約0.5μm〜10μm。更に、その後約2300℃〜3200℃で黒鉛化処理することが好ましい。より好ましくは、ホウ素、炭化ホウ素、ベリリウム、アルミニウム、ケイ素等の黒鉛化触媒とともに約2300℃〜3200℃で黒鉛化処理する。 The vapor grown carbon fiber is obtained by, for example, subjecting an organic compound such as benzene, toluene or natural gas as a raw material to a thermal decomposition reaction at 800 ° C. to 1300 ° C. with hydrogen gas in the presence of a transition metal catalyst such as ferrocene. The fiber diameter is about 0.5 μm to 10 μm. Furthermore, it is preferable to graphitize at about 2300 ° C. to 3200 ° C. thereafter. More preferably, it is graphitized at about 2300 ° C. to 3200 ° C. with a graphitization catalyst such as boron, boron carbide, beryllium, aluminum and silicon.
カーボンナノチューブとは、近年その機械的強度のみでなく、電界放出機能や、水素吸蔵機能が産業上注目され、更に磁気機能にも目が向けられ始めている。この種のカーボンナノチューブは、グラファイトウィスカー、フィラメンタスカーボン、グラファイトファイバー、極細炭素チューブ、カーボンチューブ、カーボンフィブリル、カーボンマイクロチューブ、カーボンナノファイバー等とも呼ばれており、繊維径が約0.5nm〜100nmのものである。カーボンナノチューブにはチューブを形成するグラファイト膜が一層である単層カーボンナノチューブと、多層である多層カーボンナノチューブがある。本発明では、単層および多層カーボンナノチューブのいずれも使用可能であるが、単層カーボンナノチューブを用いた方が、より高い導電性や機械的強度の組成物が得られる傾向があるため好ましい。 With carbon nanotubes, in recent years, not only its mechanical strength, but also field emission function and hydrogen storage function have attracted industrial attention, and further attention has been focused on magnetic function. This type of carbon nanotube is also called graphite whisker, filamentous carbon, graphite fiber, ultrafine carbon tube, carbon tube, carbon fibril, carbon microtube, carbon nanofiber, etc., and the fiber diameter is about 0.5 nm to 100 nm. belongs to. Carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes having a single graphite film forming a tube and multi-walled carbon nanotubes having multiple layers. In the present invention, both single-walled and multi-walled carbon nanotubes can be used. However, it is preferable to use single-walled carbon nanotubes because a composition having higher conductivity and mechanical strength tends to be obtained.
カーボンナノチューブは、例えば、斉藤・板東「カーボンナノチューブの基礎」(P23〜P57、コロナ社出版、1998年発行)に記載のアーク放電法、レーザ蒸発法および熱分解法等により作製し、更に純度を高めるために水熱法、遠心分離法、限外ろ過法、および酸化法等により精製することによって得られる。より好ましくは、不純物を取り除くために約2300℃〜3200℃の不活性ガス雰囲気中で高温処理する。更に好ましくは、ホウ素、炭化ホウ素、ベリリウム、アルミニウム、ケイ素等の黒鉛化触媒とともに、不活性ガス雰囲気中、約2300℃〜3200℃で高温処理する。 Carbon nanotubes are produced, for example, by the arc discharge method, laser evaporation method, thermal decomposition method, etc. described in Saito / Panto “Basics of Carbon Nanotubes” (P23-P57, Corona Publishing, 1998) In order to enhance, it is obtained by purification by hydrothermal method, centrifugal separation method, ultrafiltration method, oxidation method or the like. More preferably, high temperature treatment is performed in an inert gas atmosphere at about 2300 ° C. to 3200 ° C. to remove impurities. More preferably, high temperature treatment is performed at about 2300 ° C. to 3200 ° C. in an inert gas atmosphere together with a graphitization catalyst such as boron, boron carbide, beryllium, aluminum and silicon.
(組成)
本発明における、ポリマー成分とB成分の組成は、(ポリマー成分+B成分)を基準(100質量%として)ポリマー成分が40〜2質量%、B成分が60〜98質量%であることが好ましい。より好ましくは、ポリマー成分が30〜5質量%、B成分が70〜95質量%である。更に好ましくは、ポリマー成分が25〜5質量%、B成分が75〜95質量%である。ポリマー成分が2質量%未満では、成形性が悪くなる傾向がある。他方、ポリマー成分が40質量%超えると、体積固有抵抗が1Ωcm以上になり易い傾向が生ずる。
(composition)
The composition of the polymer component and the B component in the present invention is preferably such that the polymer component is 40 to 2% by mass and the B component is 60 to 98% by mass based on (polymer component + B component) (100% by mass). More preferably, the polymer component is 30 to 5% by mass and the B component is 70 to 95% by mass. More preferably, the polymer component is 25 to 5% by mass and the B component is 75 to 95% by mass. If the polymer component is less than 2% by mass, the moldability tends to deteriorate. On the other hand, if the polymer component exceeds 40% by mass, the volume resistivity tends to be 1 Ωcm or more.
(添加剤)
更に本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料には、必要に応じて、硬度、強度、導電性、成形性、耐久性、耐候性、耐水性等を改良する目的で、更にガラスファイバー、ウィスカー、金属酸化物、有機繊維、紫外線安定剤、酸化防止剤、離型剤、滑剤、撥水剤、増粘剤、低収縮剤、親水性付与剤等の添加剤を添加することができる。
(Additive)
Furthermore, the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention may further include glass fiber, whisker, for the purpose of improving hardness, strength, conductivity, moldability, durability, weather resistance, water resistance, etc., if necessary. Additives such as metal oxides, organic fibers, UV stabilizers, antioxidants, mold release agents, lubricants, water repellents, thickeners, low shrinkage agents, hydrophilicity imparting agents and the like can be added.
(製造方法)
本発明における結晶性熱可塑性樹脂複合材料の製造方法は特に制限されないが、例えば、上記した各成分をロール、押出機、ニーダー、バンバリーミキサー、ヘンシェルミキサー(登録商標)、プラネタリーミキサー等の樹脂分野で一般的に用いられている混合機、混練機を使用し、なるべく均一に混合させるのが好ましい。
(Production method)
The method for producing the crystalline thermoplastic resin composite material in the present invention is not particularly limited. For example, the above-described components are used in the resin field such as a roll, an extruder, a kneader, a Banbury mixer, a Henschel mixer (registered trademark), and a planetary mixer. It is preferable to use a mixer and a kneader that are generally used and to mix as uniformly as possible.
また、上記したポリマー成分を予め製造したのちB成分と混合する方法と、B成分の存在下でポリマー成分の各成分を混練する方法等が挙げられるが、限定されるものではない。 Moreover, although the above-mentioned polymer component is manufactured beforehand, the method of mixing with B component, the method of kneading each component of a polymer component in presence of B component, etc. are mentioned, However It is not limited.
本発明における結晶性熱可塑性樹脂複合材料は、混練または混合した後、モールド成形機や金型への材料供給を容易にする目的で、必要に応じて、粉砕あるいは造粒することができる。粉砕には、ホモジナイザー、ウィレー粉砕機、高速回転粉砕機(ハンマーミル、ピンミル、ケージミル、ブレンダー)等が使用でき、材料同士の凝集を防ぐため冷却しながら粉砕することが好ましい。造粒には、押出機、ルーダー、コニーダー等を用いてペレット化する方法、あるいはパン型造粒機等を使用することができる。 The crystalline thermoplastic resin composite material in the present invention can be pulverized or granulated as necessary for the purpose of facilitating material supply to a molding machine or a mold after kneading or mixing. For pulverization, a homogenizer, a Willet pulverizer, a high-speed rotary pulverizer (hammer mill, pin mill, cage mill, blender) or the like can be used, and it is preferable to pulverize while cooling to prevent aggregation of materials. For granulation, a method of pelletizing using an extruder, a ruder, a kneader or the like, or a bread type granulator or the like can be used.
(導電性構造体の製造方法)
本発明における導電性構造体の製造方法の詳細を以下に示す。
(Method for producing conductive structure)
The detail of the manufacturing method of the electroconductive structure in this invention is shown below.
(製造方法1)
上記の結晶性熱可塑性樹脂複合材料からなる導電性構造体のモールド成形で、金型内で溶融した該複合材料の賦形が完了するまでは、金型キャビティー表面温度をTm以上に保ち、賦形された後、(TC−20)℃以上で、かつ(TC+20)℃以下の金型キャビティー表面温度で、該複合材料が固化させ、金型から取り出す。なお、Tmは結晶融解温度、TCは結晶化温度であり、その測定方法は後述する。ここで、モールド成形とは、金型あるいは金枠を用いて成形品を成形する方法の総称であるが、例えば、射出成形、射出圧縮成形、圧縮成形、スタンピング成形などが挙げられる。これらの中で、寸法精度が高い導電性構造体が得られるという理由では、圧縮成形法、スタンピング成形が好ましい。また、成形サイクルタイムが短いという理由で、射出成形、射出圧縮成形が好ましい。さらに、射出成形では避けられない成形品表面のスキン層による導電性の低下が起こらないという理由で、射出圧縮成形が特に好ましい。成形加工時に構造体中のボイドを取り除く為に、金型内あるいは金型全体を真空状態にして成形することもできる。
(Manufacturing method 1)
The mold cavity surface temperature is kept at Tm or higher until molding of the composite material melted in the mold is completed by molding of the conductive structure composed of the above crystalline thermoplastic resin composite material. after being shaped, at (T C -20) ℃ or higher, and at (T C +20) ℃ below the mold cavity surface temperature, the allowed composite solidified, removed from the mold. Incidentally, T m is the crystalline melting temperature, T C is the crystallization temperature, the measurement method will be described later. Here, mold molding is a general term for a method of molding a molded product using a mold or a metal frame, and examples thereof include injection molding, injection compression molding, compression molding, stamping molding, and the like. Of these, compression molding and stamping are preferred because a conductive structure with high dimensional accuracy can be obtained. Also, injection molding and injection compression molding are preferred because the molding cycle time is short. Furthermore, injection compression molding is particularly preferred because the conductivity is not lowered by the skin layer on the surface of the molded product, which is unavoidable by injection molding. In order to remove voids in the structure during the molding process, the mold can be formed in a vacuum state in the mold or the entire mold.
ここで賦形とは、溶融した複合材料に圧力をかけて金型キャビティーの形状を複合材料に転写することを表し、具体的には、圧縮成形、スタンピング成形、射出圧縮成形の場合は、金型の圧縮が終了するまでの動作を示し、射出成形の場合は射出が完了するまでの動作を示す。また固化とは、該構造体を金型から取り出す時に、該構造体が破損したり変形したりしない程度に該複合材料が固まることを示す。該構造体を金型から取り出した後に、該複合材料の後結晶化により該構造体が変形することもあるが、そのような時は変形しないように該構造体を矯正する必要がある。 Here, shaping means applying pressure to the melted composite material to transfer the shape of the mold cavity to the composite material. Specifically, in the case of compression molding, stamping molding, injection compression molding, The operation until the compression of the mold is completed is shown. In the case of injection molding, the operation until the injection is completed is shown. Solidification means that the composite material is hardened to such an extent that the structure is not damaged or deformed when the structure is taken out of the mold. After the structure is taken out of the mold, the structure may be deformed by post-crystallization of the composite material. In such a case, the structure needs to be corrected so as not to be deformed.
製造方法1で特に重要な、緻密に制御されるべき成形条件は金型温度及び金型のキャビティー表面温度である。上記のように該複合材料が金型内で導電性構造体に賦形されるまでは該表面温度はTm以上に保たれ、賦形完了後、(TC−20)℃以上で、かつ(TC−20)℃以下の該表面温度で複合材料を冷却・固化させるように、金型温度及びキャビティー表面温度を制御しなくてはならない。特に好ましいのは、より寸法精度が高い構造体が成形できるという理由で、賦形時にはキャビティー表面温度を(Tm+5)℃以上を保つことである。しかし、余りに高い該表面温度で腑形を完了すると冷却に時間を要し成形サイクル時間が長くなり、効率的な導電性構造体の製造ができなくなる。従って、賦形完了時のキャビティー表面温度は(Tm+10)℃以下になるのが好ましい。 Molding conditions to be precisely controlled which are particularly important in the manufacturing method 1 are a mold temperature and a cavity surface temperature of the mold. Until the composite material as described above is shaped into a conductive structure in a mold surface temperature is maintained above T m, after shaping complete, (T C -20) ℃ or higher, and (T C -20) ℃ so as to cool and solidifying the composite material at the surface temperature of below, must be at the mold temperature and cavity surface temperature. It is particularly preferable to maintain the cavity surface temperature at (T m +5) ° C. or higher during shaping because a structure with higher dimensional accuracy can be formed. However, if the saddle shape is completed at the surface temperature that is too high, it takes time for cooling, and the molding cycle time becomes long, so that an efficient conductive structure cannot be manufactured. Therefore, the cavity surface temperature at the completion of shaping is preferably (T m +10) ° C. or lower.
また、賦形完了後、該複合材料を冷却し固化する時の金型温度及びキャビティー表面温度は、(TC−20)℃以上で、かつ(TC+20)℃以下の温度である事が必要であり、好ましくは(TC−10)以上で、かつ(TC+15)℃以下の温度である事が必要である。この金型温度及びキャビティー表面温度で該複合材料を溶融状態から冷却する事により、該複合材料の結晶化が大きく促進され、導電性構造体の体積固有抵抗や貫通抵抗が大きく低下する。さらに、本発明の効果が大きいという理由で、該複合材料を冷却し固化する時の金型温度及びキャビティー表面温度は、TC以上で、かつ(TC+15)℃以下の温度である事が特に好ましい。また、射出成形あるいは射出圧縮成形の場合は、導電性構造体の反りやヒケを防止するために、該複合材料が賦形された後に金型キャビティー内に保圧を印加しても良い。 Further, after the shaping completion, mold temperature and cavity surface temperature when solidified cooling the composite, at (T C -20) ℃ or higher and (T C +20) ° C. or less of the temperature is required, it is preferably required to be a by (T C -10) above, and (T C +15) ℃ or lower. By cooling the composite material from the molten state at the mold temperature and the cavity surface temperature, the crystallization of the composite material is greatly promoted, and the volume specific resistance and penetration resistance of the conductive structure are greatly reduced. Furthermore, because the effect of the present invention is great, the mold temperature and the cavity surface temperature when cooling and solidifying the composite material should be not lower than T C and not higher than (T C +15) ° C. Is particularly preferred. In the case of injection molding or injection compression molding, a holding pressure may be applied in the mold cavity after the composite material is shaped in order to prevent warping or sinking of the conductive structure.
上記のように金型温度及びキャビティー表面温度を制御する方法としては、水あるいはオイルを金型内に循環させたり、金型ヒーターで金型温度やキャビティー表面温度を精密に制御できる温度プロファイル金型の使用が挙げられる。また、金型温度を該複合材料の冷却時の温度に設定し、成形直前にキャビティー表面温度や複合材料温度を誘導加熱、赤外線、超音波、電界や磁界で一時的に加熱して成形する方法も使用できる。キャビティー表面に断熱層を設けた断熱金型も使用できる。また、成形コストを下げるために、複数のキャビティーを有する金型を用いて、一度に複数個の導電性構造体を製造しても良い。 As described above, the method of controlling the mold temperature and cavity surface temperature is to circulate water or oil in the mold, or to control the mold temperature and cavity surface temperature precisely with a mold heater. The use of a mold is mentioned. In addition, the mold temperature is set to the temperature at which the composite material is cooled, and immediately before molding, the cavity surface temperature and the composite material temperature are heated by induction heating, infrared rays, ultrasonic waves, electric fields or magnetic fields, and then molded. A method can also be used. A heat insulating mold having a heat insulating layer on the cavity surface can also be used. In order to reduce the molding cost, a plurality of conductive structures may be manufactured at a time using a mold having a plurality of cavities.
金型温度やキャビティー表面温度を測定する方法としては、市販されている金型温度計を用いることもできるし、金型内や、キャビティー表面あるいは表面近傍に温度センサーを仕込んで測定する事もできる。 As a method of measuring the mold temperature and the cavity surface temperature, a commercially available mold thermometer can be used, or a temperature sensor is installed in the mold, on the surface of the cavity, or in the vicinity of the surface. You can also.
結晶性熱可塑性樹脂複合材料の結晶融解温度Tmは、示差走査熱量計(以下、DSCと略す。)を用いて以下の通りに測定する。結晶性熱可塑性樹脂複合材料を試料とし、試料約10mgを正確に秤量しアルミニウムパンに入れ、そのアルミニウムパンを、試料を入れていない空のアルミニウムパンと共にDSCにセットする。両アルミニウムパンを試料が完全に融解する温度(この時点では正確な融解温度はわからないが、試料に含まれる結晶性熱可塑性樹脂の結晶融解温度より60℃以上高い温度を目安とする。)で10分間保持し、その後その温度から25℃まで20℃/分の冷却速度で冷却する。その後25℃で10分間保持した後、20℃/分の昇温速度で、試料が完全に融解する温度まで再び加熱する。この時に生じた結晶の融解による吸熱ピークの頂点の温度をTmとする。吸熱ピークが複数存在する場合は、一番高温の吸熱ピークの頂点をTmとする。 Crystalline melting temperature T m of a crystalline thermoplastic resin composite material may be measured using a differential scanning calorimeter (hereinafter abbreviated as DSC.) Is measured as follows using. Using a crystalline thermoplastic resin composite material as a sample, about 10 mg of a sample is accurately weighed and placed in an aluminum pan, and the aluminum pan is set on a DSC together with an empty aluminum pan without a sample. The temperature at which the sample completely melts in both aluminum pans (the exact melting temperature is not known at this time, but the temperature is 60 ° C. or more higher than the crystal melting temperature of the crystalline thermoplastic resin contained in the sample). Hold for minutes and then cool from that temperature to 25 ° C. at a cooling rate of 20 ° C./min. Thereafter, the sample is held at 25 ° C. for 10 minutes, and then heated again at a rate of temperature increase of 20 ° C./min to a temperature at which the sample is completely melted. The temperature of the top of an endothermic peak due to melting of crystals occurred when the the T m. If the endothermic peak there are multiple, the apex of the best high temperature endothermic peak with T m.
また、結晶性熱可塑性樹脂複合材料の結晶化温度TCは、DSCを用いて以下の通りに測定する。結晶性熱可塑性樹脂複合材料を試料とし、試料約10mgを正確に秤量しアルミニウムパンに入れ、そのアルミニウムパンを、試料を入れていない空のアルミニウムパンと共にDSCにセットする。両アルミニウムパンをTmより60℃以上高い温度で10分間保持し、その後その温度から25℃まで20℃/分の冷却速度で冷却する。この時に生じた結晶化による発熱ピークの頂点の温度をTCとする。発熱ピークが複数存在する場合は、該複合材料中で一番大きな体積分率を有する結晶性熱可塑性樹脂による発熱ピークをTCとする。 Further, crystallization temperature T C of the crystalline thermoplastic resin composite material is measured as follows using a DSC. Using a crystalline thermoplastic resin composite material as a sample, about 10 mg of a sample is accurately weighed and placed in an aluminum pan, and the aluminum pan is set on a DSC together with an empty aluminum pan without a sample. Both aluminum pans are held at a temperature 60 ° C. or higher above Tm for 10 minutes, and then cooled from that temperature to 25 ° C. at a cooling rate of 20 ° C./min. The temperature at the top of the exothermic peak due to crystallization that occurred at this time is T C. If the exothermic peak there are multiple, an exothermic peak due to crystalline thermoplastic resin having the largest volume fraction in the composite material and T C.
(製造方法2)
上記の結晶性熱可塑性樹脂複合材料からなる導電性構造体のモールド成形で、金型内で溶融した該複合材料が賦形された後、(TC+20)℃から(TC−20)℃以下までの温度範囲を、30℃/分以下の冷却速度で該複合材料を冷却し、固化させた後に、導電性構造体を金型から取り出す。金型内で該複合材料が賦形される条件としては、前記製造方法1と同じである。成形後の冷却時に、該温度範囲を、30℃/分以下、このましくは20℃/分の冷却速度で冷却する。これにより、該複合材料の結晶化が大きく促進され、導電性構造体の体積固有抵抗や貫通抵抗が大きく低下する。さらに、本発明の効果が大きいという理由で、該温度範囲を10℃/分の冷却速度で冷却するのが特に好ましい。
(Manufacturing method 2)
In molding a conductive structure made of the crystalline thermoplastic resin composite material, after the composite material melted in the mold is shaped, (T C +20) from ℃ (T C -20) ℃ The composite material is cooled and solidified at a cooling rate of 30 ° C./min or less in the temperature range up to the following, and then the conductive structure is taken out from the mold. The conditions under which the composite material is shaped in the mold are the same as in manufacturing method 1 described above. At the time of cooling after molding, the temperature range is cooled at a cooling rate of 30 ° C./min or less, preferably 20 ° C./min. Thereby, the crystallization of the composite material is greatly promoted, and the volume specific resistance and penetration resistance of the conductive structure are greatly reduced. Furthermore, it is particularly preferable to cool the temperature range at a cooling rate of 10 ° C./min because the effect of the present invention is great.
(製造方法3)
上記の結晶性熱可塑性樹脂複合材料からなる導電性構造体の製造において、導電性構造体のモールド成形後、金型から取出した後に、Tm以下で、かつその(Tm−30)℃以上で熱処理(アニール)することにより、優れた導電性を有する導電性構造体を製造する。この製造方法3では、モールド成形後に熱処理をする限りにおいて導電性構造体のモールド成形について何ら制限はない。ただし、モールド成形中に結晶化を大きく促進してしまうと、モールド成形後の熱処理による結晶化促進効果が大きく現れない。従って、モールド成形後の熱処理効果を大きくするには、モールド成形時に結晶化を促進しない方が好ましい。熱処理する温度としてはTm以下で、かつその(Tm−30)以上で、好ましくはTm以下で、かつ(Tm−20)℃以上である。これにより、該複合材料の結晶化が大きく促進され、導電性構造体の体積固有抵抗や貫通抵抗が大きく低下する。さらに、本発明の効果が大きいという理由で、Tm以下で、かつ(Tm−20)℃以上で熱処理するのが特に好ましい。
(Manufacturing method 3)
In the production of a conductive structure made of the above crystalline thermoplastic resin composite material, after molding the conductive structure, after taking out from the mold, it is Tm or less and ( Tm- 30) ° C or more By conducting a heat treatment (annealing), a conductive structure having excellent conductivity is manufactured. In this
(導電性構造体の変形防止)
上記製造方法1及び2において該複合材料を固化・冷却する時、及び/又は、上記製造方法3において該導電性構造体を熱処理する時の変形を防止するために、導電性構造体を金型で加圧したり、または導電性構造体の変形を防止する矯正板に導電性構造体を挟んで加圧するのが好ましい。なぜなら、冷却や熱処理により該複合材料の結晶化が大きく促進されるので、該導電性構造体が変形してしまう可能性が大きいからである。
(Prevents deformation of conductive structure)
In order to prevent deformation when the composite material is solidified and cooled in the
以下に、上記製造方法の具体的な例を紹介する。しかし、本発明は以下の例に何ら制限されるものではない。 Below, the specific example of the said manufacturing method is introduced. However, the present invention is not limited to the following examples.
(圧縮成形法)
本発明における導電性構造体の圧縮成形法の例を以下に示す。圧縮成形の金型には金型キャビティー表面温度を緻密に自由に変動できるような温度プロファイル装置を取り付ける。金型温度(成形温度)は、本発明における結晶性熱可塑性樹脂複合材料が溶融する温度で、かつ該複合材料が熱分解しない温度であれば特に限定されないが、(Tm+50)℃以上であることが特に好ましい。温度設定の後、該複合材料の粉末、あるいは塊を金型キャビティー上に配置する。この時、厚み精度の良い導電性構造体を得るためには、押出機、ロール、カレンダー等を用いて予め成形された所定の厚み、大きさを有する予備成形体を、金型キャビティー上に配置しても良い。より厚み精度が高い導電性構造体を成形するためには、押出機で予備成形体を成形後、ロールやカレンダーで圧延することが好ましい。予備成形体中のボイドやエアーをなくすためには、真空状態で押出成形することが好ましい。その後、金型を閉じて該複合材料が溶融するのに十分な時間、予熱を行い、加圧し圧縮成形を行う。この時、複数の金型キャビティーを持つ金型や多段圧縮成形機で複数の金型を用いて1度に複数個の導電性構造体を成形しても良い。欠陥が実質的に無い良品を得るためには、キャビティー内を真空にすることが好ましい。溶融成形後は、成形温度から(TC−20)℃まで10℃/分の冷却速度でキャビティー表面を冷却し、金型から導電性構造体を取り出す事により本発明の導電性構造体が得られる。
(Compression molding method)
An example of the compression molding method of the conductive structure in the present invention is shown below. A temperature profile device is mounted on the compression mold so that the mold cavity surface temperature can be precisely and freely varied. The mold temperature (molding temperature) is not particularly limited as long as it is a temperature at which the crystalline thermoplastic resin composite material in the present invention melts and the composite material does not thermally decompose, but at (T m +50) ° C. or higher. It is particularly preferred. After setting the temperature, the powder or lump of the composite material is placed on the mold cavity. At this time, in order to obtain a conductive structure having a good thickness accuracy, a preform having a predetermined thickness and size, which has been molded in advance using an extruder, a roll, a calendar, or the like, is placed on the mold cavity. It may be arranged. In order to form a conductive structure with higher thickness accuracy, it is preferable to form a preform with an extruder and then roll it with a roll or calender. In order to eliminate voids and air in the preform, it is preferable to perform extrusion molding in a vacuum state. Thereafter, the mold is closed and preheating is performed for a time sufficient for the composite material to melt, followed by pressurization and compression molding. At this time, a plurality of conductive structures may be formed at a time using a plurality of molds in a mold having a plurality of mold cavities or a multistage compression molding machine. In order to obtain a good product substantially free of defects, it is preferable to evacuate the cavity. After melt molding from the molding temperature (T C -20) cavity surfaces at 10 ° C. / min cooling rate until ° C. and cooled, electrically conductive structure of the present invention by taking out the conductive structure from the mold can get.
(射出圧縮成形法)
本発明における導電性構造体の射出圧縮成形法の例を以下に示す。可塑化シリンダーの設定温度は、本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料が溶融し、かつ該複合材料が熱分解を起さない温度であれば特に限定はしないが、Tmよりも30℃から60℃程度高い温度が好ましい。また、金型には金型キャビティー表面温度を緻密に自由に変動できるような温度プロファイル装置を取り付け、金型キャビティー温度及び金型表面温度を(Tm+5)℃に設定する。シリンダー温度と金型温度が一定になったことを確認して、本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料からなるペレットを、射出圧縮成形機のホッパーに投入する。計量、射出速度、射出圧、2次圧、型締め力、冷却時間等の射出圧縮成形条件については特に制限はなく、導電性構造体が好適に得られる条件を設定する。溶融した該複合材料を金型キャビティー内に射出・充填し、圧縮する。その後、金型キャビティー表面温度を(TC+10)℃まで、20℃/分の冷却速度で冷却し該複合材料を固化させた後に、導電性構造体を金型から取り出す。導電性構造体を取出した後は、さらに冷却するために、該構造体の変形を防止する為の矯正板に該構造体を挟んで加圧して冷却しても良い。
(Injection compression molding method)
The example of the injection compression molding method of the electroconductive structure in this invention is shown below. The set temperature of the plasticizing cylinder is not particularly limited as long as the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention is melted and the composite material does not undergo thermal decomposition, but from 30 ° C. above T m. A temperature as high as about 60 ° C. is preferred. In addition, a temperature profile device capable of precisely and freely changing the mold cavity surface temperature is attached to the mold, and the mold cavity temperature and the mold surface temperature are set to (T m +5) ° C. After confirming that the cylinder temperature and the mold temperature are constant, pellets made of the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention are put into a hopper of an injection compression molding machine. There are no particular restrictions on injection compression molding conditions such as weighing, injection speed, injection pressure, secondary pressure, mold clamping force, cooling time, etc., and conditions under which a conductive structure can be suitably obtained are set. The molten composite material is injected and filled into a mold cavity and compressed. Thereafter, the mold cavity surface temperature to (T C +10) ℃, after solidifying the cooled the composite material at a 20 ° C. / min cooling rate, taken out conductive structure from the mold. After the conductive structure is taken out, in order to further cool, the structure may be sandwiched between a correction plate for preventing deformation of the structure and then cooled by pressing.
また、本発明の導電性構造体を射出成形あるいは射出圧縮成形する時には、金型温度を緻密に自由に変動できるような温度プロファイル装置を取り付けた金型以外にも、金型キャビティーの壁面に断熱層を設けた断熱金型を用いても良い。また、誘導加熱、赤外線、超音波などにより金型キャビティー表面を成形開始前に一時的に加熱した後に、成形を開始しても良い。さらには、金型キャビティー内に該複合材料を充填した後に、金型キャビティーに電界や磁界を印加して該複合材料の固化を制御する成形方法も有効である。また、成形性を高めるために、炭酸ガスを成形機シリンダーの途中から注入し、材料中に溶かし込んで超臨界状態で成形することができる。 In addition, when the conductive structure of the present invention is injection-molded or injection-compression-molded, in addition to a mold provided with a temperature profile device capable of precisely and freely varying the mold temperature, the wall of the mold cavity is also provided. You may use the heat insulation metal mold | die which provided the heat insulation layer. Further, the molding may be started after the mold cavity surface is temporarily heated by induction heating, infrared rays, ultrasonic waves or the like before the molding is started. Furthermore, a molding method is also effective in which after the mold cavity is filled with the composite material, an electric field or a magnetic field is applied to the mold cavity to control the solidification of the composite material. Further, in order to improve the moldability, carbon dioxide gas can be injected from the middle of the molding machine cylinder, dissolved in the material, and molded in a supercritical state.
(導電性構造体)
本発明において、結晶性熱可塑性樹脂複合材料からなる導電性構造体は、X≧0.8×Y(式1)で表される関係を満たすことが好ましい。
式1において、Xは導電性構造体の一部の約10mgを試料とし、示差走査熱量計を用いて20℃/分の昇温速度で25℃からTmよりも60℃以上高い温度まで昇温した時に観測される結晶の融解熱を、試料の質量で割った値を表し、単位はJ/gである。また、Yは結晶性熱可塑性樹脂複合材料の約10mgを試料とし、示差走査熱量計を用いて、Tmよりも60℃以上高い温度で10分間保持した後、5℃/分の冷却速度で25℃まで冷却し25℃で10分間保持した後、さらに20℃/分の昇温速度でTmよりも60℃以上高い温度まで昇温した時に観測される結晶の融解熱を、試料の質量で割った値を表し、単位はJ/gである。なお、Tmの値はあらかじめ、結晶性熱可塑性樹脂複合材料をDSC測定して求めておく。
(Conductive structure)
In this invention, it is preferable that the electroconductive structure which consists of a crystalline thermoplastic resin composite material satisfy | fills the relationship represented by X> = 0.8 * Y (Formula 1).
In Equation 1, about 10 mg of a part of the conductive structure is used as a sample. Using a differential scanning calorimeter, X is raised from 25 ° C. to a temperature 60 ° C. higher than Tm at a temperature rising rate of 20 ° C./min. This represents a value obtained by dividing the heat of fusion of the crystal observed when warmed by the mass of the sample, and its unit is J / g. Y is about 10 mg of a crystalline thermoplastic resin composite material as a sample, and is held at a temperature 60 ° C. or higher than Tm for 10 minutes using a differential scanning calorimeter, and then at a cooling rate of 5 ° C./min. After cooling to 25 ° C. and holding at 25 ° C. for 10 minutes, the heat of melting of the crystal observed when the temperature is further raised to a temperature 60 ° C. higher than Tm at a rate of temperature increase of 20 ° C./min is the mass of the sample. The unit is J / g. The value of Tm is obtained in advance by DSC measurement of a crystalline thermoplastic resin composite material.
式1中で、Yは結晶性熱可塑性樹脂複合材料の結晶化度が極限近くまで上昇した時の融解熱を代表する値である(無論、結晶化温度近傍で長時間(数時間)アニールすれば若干結晶化度は上昇し、融解熱も前記条件での測定値より増加するが、測定に時間がかかりすぎる。)。従って、式1は、本発明の導電性構造体の結晶化度が、該複合材料の結晶化度極限値の8割以上であることを表している。式1を満たすような導電性構造体は、導電性に優れ、高い曲げ強度、曲げ弾性率を有する。 In Formula 1, Y is a value representative of the heat of fusion when the crystallinity of the crystalline thermoplastic resin composite material has risen to the limit (of course, annealing is performed for a long time (several hours) near the crystallization temperature). For example, the degree of crystallinity slightly increases and the heat of fusion increases from the value measured under the above conditions, but the measurement takes too much time.) Therefore, Formula 1 indicates that the crystallinity of the conductive structure of the present invention is 80% or more of the crystallinity limit value of the composite material. A conductive structure that satisfies Formula 1 is excellent in conductivity, and has high bending strength and bending elastic modulus.
(セパレータ)
本発明の結晶性熱可塑性樹脂複合材料を用いて、燃料電池用セパレータを製造する方法は特に制限されない。この製造方法の具体例としては、圧縮成形法、トランスファー成形法、射出成形法、注型法、射出圧縮成形法が挙げられるが、これに限定するわけではない。より好ましくは、成形加工時に金型内あるいは金型全体を真空状態にして成形する。
(Separator)
The method for producing a fuel cell separator using the crystalline thermoplastic resin composite material of the present invention is not particularly limited. Specific examples of this production method include, but are not limited to, compression molding, transfer molding, injection molding, casting, and injection compression molding. More preferably, the molding is performed in the mold or in the whole mold at the time of molding.
圧縮成形において成形サイクル速度を上げるには、多数個取り金型を用いることが好ましい。更に好ましくは、多段プレス(積層プレス)方法を用いると小さな出力で多数の製品を成形できる。平面状の製品で面精度を向上させるためには、一度シートを成形してから圧縮成形することが好ましい。 In order to increase the molding cycle speed in compression molding, it is preferable to use a multi-cavity mold. More preferably, when a multi-stage press (lamination press) method is used, a large number of products can be formed with a small output. In order to improve the surface accuracy with a flat product, it is preferable to form the sheet once and then compress it.
射出成形においては、更に成形性を向上させる目的で、炭酸ガスを成形機シリンダーの途中から注入し、材料中に溶かし込んで超臨界状態で成形することができる。製品の面精度を挙げるには、射出圧縮方法を用いることが好ましい。射出圧縮法としては、金型を開いた状態で射出して閉じる方法、金型を閉じながら射出する方法、閉じた金型の型締め力をゼロにして射出してから型締め力をかける方法等を用いる。 In the injection molding, for the purpose of further improving the moldability, carbon dioxide gas can be injected from the middle of the molding machine cylinder, dissolved in the material, and molded in a supercritical state. In order to increase the surface accuracy of the product, it is preferable to use an injection compression method. As the injection compression method, a method of injecting and closing with the mold open, a method of injecting while closing the mold, and a method of applying the mold clamping force after injecting with the mold clamping force of the closed mold being zero Etc. are used.
(金型)
本発明において成形の際に使用すべき金型については前記の温度制御が可能であれば特に制限されない。例えば、材料の固化が速く、流動性が悪い場合は、キャビティー内に断熱層を仕込んだ断熱金型を用いることが好ましい。また、金型温度を成形時に上下できる温度プロファイルシステムを導入した金型がより好ましい。温度プロファイルのやり方としは、誘導加熱と冷媒(空気、水、オイル等)の切換えによるシステム、熱媒(熱水、加熱オイル等)と冷媒の切換えによるシステム等が挙げられるが、制限されるものではない。
(Mold)
In the present invention, the mold to be used at the time of molding is not particularly limited as long as the above temperature control is possible. For example, when the material is rapidly solidified and fluidity is poor, it is preferable to use a heat insulating mold in which a heat insulating layer is charged in the cavity. Further, a mold in which a temperature profile system capable of raising and lowering the mold temperature during molding is more preferable. Examples of temperature profile methods include induction heating and refrigerant (air, water, oil, etc.) switching systems, and heat medium (hot water, heating oil, etc.) and refrigerant switching systems. is not.
金型温度は結晶性熱可塑性樹脂複合材料の種類やTm、TCに応じて最適温度を選定、探索することが重要である。例えば、90℃〜200℃の温度範囲で、10秒間〜1200秒間という範囲で適宜決定することができる。成形品を高温で取出した場合、冷却する場合があるが、その方法は制限されるものでない。例えば、反りを抑制する目的で、成形品を冷却板で挟んで冷却する方法、または、金型ごと冷却する方法等が挙げられる。 As for the mold temperature, it is important to select and search for the optimum temperature according to the kind of crystalline thermoplastic resin composite material and T m and T C. For example, it can be appropriately determined within a temperature range of 90 ° C. to 200 ° C. and a range of 10 seconds to 1200 seconds. When the molded product is taken out at a high temperature, it may be cooled, but the method is not limited. For example, for the purpose of suppressing warpage, a method of cooling a molded product by sandwiching it with a cooling plate, a method of cooling the entire mold, or the like can be mentioned.
本発明の両面または片面にガスを流すための流路が形成された燃料電池用セパレータは、本発明の導電性樹脂組成物を上記した成形法により成形することにより得ることができる。ガスを流すための流路は導電性樹脂組成物の成形体を機械加工により、当該流路(溝等)を形成してもよい。また、ガス流路の反転形状を有する金型を使用し圧縮成形、スタンプ成形等によってガス流路形成を行ってもよい。 The separator for fuel cells in which the flow path for flowing gas is formed on both sides or one side of the present invention can be obtained by molding the conductive resin composition of the present invention by the molding method described above. The flow path for flowing the gas may be formed by machining the molded body of the conductive resin composition. Alternatively, the gas flow path may be formed by compression molding, stamp molding, or the like using a mold having an inverted shape of the gas flow path.
本発明のセパレータの流路断面形状や流路形状は特に制限されない。例えば、流路断面形状は長方形、台形、三角形、半円形等が挙げられる。流路形状は、ストレート型、蛇行型等が挙げられる。流路の幅は0.1〜2mm、深さ0.1〜1.5mmが好ましい。 The channel cross-sectional shape and the channel shape of the separator of the present invention are not particularly limited. For example, the channel cross-sectional shape includes a rectangle, a trapezoid, a triangle, a semicircle, and the like. Examples of the channel shape include a straight type and a meandering type. The width of the channel is preferably 0.1 to 2 mm and the depth is 0.1 to 1.5 mm.
本発明のセパレータの最薄部は1mm以下が好ましい。より好ましくは0.8mmである。1mm以上では、セパレータが厚くなるため、セパレータの抵抗によるセルの電圧降下が大きくなり好ましくない。 The thinnest part of the separator of the present invention is preferably 1 mm or less. More preferably, it is 0.8 mm. If the thickness is 1 mm or more, the separator becomes thick, so that the voltage drop of the cell due to the resistance of the separator becomes large, which is not preferable.
本発明の燃料電池用セパレータには、ガスや水を流すためのマニホールドとしての役割を果たす貫通孔を形成することが好ましい。貫通孔の形成方法としては、成形時に貫通孔を形成させる方法、成形後に切削により形成させる方法等が挙げられるが制限されない。 In the fuel cell separator of the present invention, it is preferable to form a through hole serving as a manifold for flowing gas or water. Examples of the method for forming the through hole include, but are not limited to, a method of forming a through hole at the time of molding, a method of forming by cutting after molding, and the like.
(導電性構造体の用途)
本発明の導電性構造体は、導電性に優れ、高い曲げ強度、曲げ弾性率を有するので燃料電池用セパレータのように高導電性と高機械特性を要求される構造体として最適である。
更に、本発明の導電性構造体は黒鉛の導電性を限りなく再現でき、成形精度等に優れる点で極めて高性能なものが得られる。従って、エレクトロニクス分野、電機、機械、車輌等の各種部品等の各用途に有用であり、特に、コンデンサー用または各種電池用集電体、電磁波遮蔽材、電極、放熱板、放熱部品、エレクトロニクス部品、半導体部品、軸受、PTC素子、ブラシ及び燃料電池用セパレータに好適な材料として挙げられる。
(Use of conductive structure)
Since the conductive structure of the present invention is excellent in conductivity and has high bending strength and bending elastic modulus, it is optimal as a structure requiring high conductivity and high mechanical properties like a fuel cell separator.
Furthermore, the conductive structure of the present invention can reproduce the conductivity of graphite as much as possible, and an extremely high performance can be obtained in terms of excellent molding accuracy and the like. Therefore, it is useful for each application such as various parts of the electronics field, electrical machinery, machinery, vehicles, etc., and in particular, a current collector for capacitors or various batteries, an electromagnetic shielding material, an electrode, a heat sink, a heat dissipation component, an electronic component, Examples of suitable materials for semiconductor parts, bearings, PTC elements, brushes, and fuel cell separators.
以下に本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は実施例になんら限定されるものではない。まず、成形体の物性の測定方法を以下に示す。体積固有抵抗は、JIS
K7194に準拠し、四探針法により測定した。
Examples The present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples. First, a method for measuring physical properties of a molded body is shown below. Volume resistivity is JIS
In accordance with K7194, measurement was performed by the four-probe method.
貫通抵抗は、図1で示す四端子法によって測定される。具体的には、試験片(50mm×50mm×2mm)を4枚重ね、それを2つの金メッキ真鍮板で挟んで2MPaで均一に加圧し、金メッキ真鍮板間に1Aの定電流を貫通方向に流して、電圧を測定することで抵抗(R1)を算出する。同様に試験片を2枚重ね、金メッキ真鍮板で挟んで、同様な測定を行うことで抵抗(R2)を算出する。更に、次項に示す式2のように、抵抗(R1)と抵抗(R2)差を取り、接触面積(S)を乗じて、2枚分の試験片の厚み(t)で割ることで貫通抵抗を算出する。
The penetration resistance is measured by the four-terminal method shown in FIG. Specifically, four test pieces (50 mm x 50 mm x 2 mm) are stacked, sandwiched between two gold-plated brass plates, and uniformly pressed at 2 MPa, and a constant current of 1 A is passed between the gold-plated brass plates in the penetration direction. Then, the resistance (R 1 ) is calculated by measuring the voltage. Similarly, the resistance (R 2 ) is calculated by stacking two test pieces and sandwiching them between gold-plated brass plates and performing the same measurement. Furthermore, as shown in
〔式2〕
Rt=(R1−R2)×S/t ・・・・(2)
Rt:貫通抵抗(Ωcm)、 S:接触面積(cm2)
R1:測定1により算出した抵抗(Ω)
R2:測定2により算出した抵抗(Ω)
t :試験片2枚分の厚さ(cm)
[Formula 2]
Rt = (R 1 −R 2 ) × S / t (2)
Rt: penetration resistance (Ωcm), S: contact area (cm 2 )
R 1 : Resistance calculated from measurement 1 (Ω)
R 2 : Resistance calculated from measurement 2 (Ω)
t: Thickness (cm) of two test pieces
曲げ強度、曲げ弾性率および曲げ歪みは、島津製作所(株)製のオートグラフ(AG−10kNI)を用いて測定を行った。JIS K6911法で、試験片(80mm×10mm×4mm)をスパン間隔64mm、曲げ速度1mm/minの条件で3点式曲げ強度測定法により測定した。 The bending strength, bending elastic modulus and bending strain were measured using an autograph (AG-10kNI) manufactured by Shimadzu Corporation. A test piece (80 mm × 10 mm × 4 mm) was measured by a JIS K6911 method by a three-point bending strength measurement method under a span interval of 64 mm and a bending speed of 1 mm / min.
導電性構造体中の結晶の融解熱Xは、DSC(パーキンエルマー社製 DSC7型)を用いて以下の手順で測定した。導電性構造体の一部を試料とし、試料約10mgを正確に秤量しアルミニウムパンに入れ、そのアルミニウムパンを、試料を入れていない空のアルミニウムパンと共にDSCにセットする。両アルミニウムパンを20℃/分の昇温速度で25℃からTmよりも60℃以上高い温度まで昇温した時に観測される結晶の融解熱を、試料の質量で割った値を表し、単位はJ/gである。 The heat of fusion X of the crystals in the conductive structure was measured by the following procedure using DSC (DSC7 model, manufactured by Perkin Elmer). Using a part of the conductive structure as a sample, about 10 mg of the sample is accurately weighed and placed in an aluminum pan, and the aluminum pan is set on the DSC together with an empty aluminum pan without a sample. Represents the value obtained by dividing the heat of fusion of crystals observed when the temperature of both aluminum pans is raised from 25 ° C. to 60 ° C. higher than T m at a rate of temperature increase of 20 ° C./min divided by the mass of the sample. Is J / g.
結晶性熱可塑性樹脂複合材料中の結晶の融解熱の極限を代表する値Yは、DSCを用いて以下の手順で測定した。結晶性熱可塑性樹脂複合材料を試料とし、試料約10mgを正確に秤量しアルミニウムパンに入れ、そのアルミニウムパンを、試料を入れていない空のアルミニウムパンと共にDSCにセットする。両アルミニウムパンを、Tmよりも60℃以上高い温度で10分間保持した後、5℃/分の冷却速度で25℃まで冷却し25℃で10分間保持した後、さらに20℃/分の昇温速度でTmよりも60℃以上高い温度まで昇温した時に観測される結晶の融解熱を、試料の質量で割った値を表し、単位はJ/gである。 A value Y representing the limit of the heat of fusion of crystals in the crystalline thermoplastic resin composite material was measured by the following procedure using DSC. Using a crystalline thermoplastic resin composite material as a sample, about 10 mg of a sample is accurately weighed and placed in an aluminum pan, and the aluminum pan is set on a DSC together with an empty aluminum pan without a sample. Both aluminum pans were held at a temperature 60 ° C. or higher than Tm for 10 minutes, then cooled to 25 ° C. at a cooling rate of 5 ° C./minute, held at 25 ° C. for 10 minutes, and then further increased at 20 ° C./minute. This represents a value obtained by dividing the heat of fusion of the crystal observed when the temperature is raised to a temperature 60 ° C. higher than Tm by the temperature rate, divided by the mass of the sample, and the unit is J / g.
結晶性熱可塑性樹脂複合材料の融解温度Tmは、DSCを用いて以下の通りに測定する。結晶性熱可塑性樹脂複合材料を試料とし、試料約10mgを正確に秤量しアルミニウムパンに入れ、そのアルミニウムパンを、試料を入れていない空のアルミニウムパンと共にDSCにセットする。両アルミニウムパンを試料が完全に融解する温度(この時点では正確な融解温度はわからないが、試料に含まれる結晶性熱可塑性樹脂の結晶融解温度より60℃以上高い温度を目安とする。)で10分間保持し、その後その温度から25℃まで20℃/分の冷却速度で冷却する。その後25℃で10分間保持した跡、20℃/分の昇温速度で、試料が完全に融解する温度まで再び加熱する。この時に生じた結晶の融解による吸熱ピークの頂点の温度をTmとする。吸熱ピークが複数存在する場合は、一番高温の吸熱ピークの頂点をTmとする。 Melting temperature T m of a crystalline thermoplastic resin composite material is measured as follows using a DSC. Using a crystalline thermoplastic resin composite material as a sample, about 10 mg of a sample is accurately weighed and placed in an aluminum pan, and the aluminum pan is set on a DSC together with an empty aluminum pan without a sample. The temperature at which the sample completely melts in both aluminum pans (the exact melting temperature is not known at this time, but the temperature is 60 ° C. or more higher than the crystal melting temperature of the crystalline thermoplastic resin contained in the sample). Hold for minutes and then cool from that temperature to 25 ° C. at a cooling rate of 20 ° C./min. Thereafter, the sample is held again at 25 ° C. for 10 minutes, and heated again at a rate of temperature increase of 20 ° C./min until the sample completely melts. The temperature of the top of an endothermic peak due to melting of crystals occurred when the the T m. If the endothermic peak there are multiple, the apex of the best high temperature endothermic peak with T m.
また、結晶性熱可塑性樹脂複合材料の結晶化温度TCは、DSCを用いて以下の通りに測定する。結晶性熱可塑性樹脂複合材料を試料とし、試料約10mgを正確に秤量しアルミニウムパンに入れ、そのアルミニウムパンを、試料を入れていない空のアルミニウムパンと共にDSCにセットする。両アルミニウムパンをTmより60℃以上高い温度で10分間保持し、その後その温度から25℃まで20℃/分の冷却速度で冷却する。この時に生じた結晶化による発熱ピークの頂点の温度をTCとする。発熱ピークが複数存在する場合は、該複合材料中で一番大きな体積分率を有する結晶性熱可塑性樹脂による発熱ピークをTCとする。 Further, the crystallization temperature TC of the crystalline thermoplastic resin composite material is measured as follows using DSC. Using a crystalline thermoplastic resin composite material as a sample, about 10 mg of a sample is accurately weighed and placed in an aluminum pan, and the aluminum pan is set on a DSC together with an empty aluminum pan without a sample. Both aluminum pans are held at a temperature 60 ° C. or higher above Tm for 10 minutes, and then cooled from that temperature to 25 ° C. at a cooling rate of 20 ° C./min. The temperature at the top of the exothermic peak due to crystallization generated at this time is defined as TC. When there are a plurality of exothermic peaks, the exothermic peak due to the crystalline thermoplastic resin having the largest volume fraction in the composite material is defined as TC.
用いた材料を以下に示す。
ポリマー成分:表1記載のものを用いた。
ポリプロピレン:サンアロマー(株)製のサンアロマーPW201Nスチレンエチレンブチレンスチレンブロック共重合体(SEBS):クレイトンポリマージャパン(株)製のクレイトンG1652水添スチレンブタジエンラバー(H−SBR):JSR(株)製のダイナロン1320Pを用いた。
ポリ弗化ビニリデン(PVDF):ダイキン工業(株)製のネオフロンVW−410軟質アクリル樹脂:クラレ(株)製のパラペットSA−FW001
The materials used are shown below.
Polymer components: those listed in Table 1 were used.
Polypropylene: Sun Allomer PW201N Styrene Ethylene Butylene Styrene Block Copolymer (SEBS): Clayton G1652 Hydrogenated Styrene Butadiene Rubber (H-SBR): Dynalon manufactured by JSR Corporation 1320P was used.
Polyvinylidene fluoride (PVDF): Neoflon VW-410 manufactured by Daikin Industries, Ltd. Soft acrylic resin: Parapet SA-FW001 manufactured by Kuraray Co., Ltd.
B成分:導電性充填材<B1>:ホウ素含有黒鉛微紛
非針状コークスであるエム・シー・カーボン(株)製MCコークスをパルベライザー(ホソカワミクロン(株)製)で2mm〜3mm以下の大きさに粗粉砕した。この粗粉砕品をジェットミル(IDS2UR、日本ニューマチック(株)製)で微粉砕した。その後、分級により所望の粒径に調整した。5μm以下の粒子除去は、ターボクラシファイアー(TC15N、日清エンジニアリング(株)製)を用い、気流分級を行った。この調整した微粉砕品の一部14.4kgに炭化ホウ素(B4C)0.6kgを加え、ヘンシェルミキサー(登録商標)にて800rpmで5分間混合した。これを内径40cm、容積40リットルの蓋付き黒鉛ルツボに封入し、黒鉛ヒーターを用いた黒鉛化炉に入れてアルゴンガス雰囲気下2900℃の温度で黒鉛化した。これを放冷後、粉末を取り出し、14kgの粉末を得た。得られた黒鉛微粉は、平均粒径20.5μm、B含有量1.9質量%であった。
B component: Conductive filler <B1>: Boron-containing graphite fine powder MC coke made by MC Carbon Co., which is non-needle coke, with a pulverizer (manufactured by Hosokawa Micron Co., Ltd.) with a size of 2 mm to 3 mm or less Coarsely pulverized. The coarsely pulverized product was finely pulverized with a jet mill (IDS2UR, manufactured by Nippon Pneumatic Co., Ltd.). Then, it adjusted to the desired particle size by classification. For removing particles of 5 μm or less, air classification was performed using a turbo classifier (TC15N, manufactured by Nisshin Engineering Co., Ltd.). Boron carbide (B 4 C) 0.6 kg was added to 14.4 kg of a part of this finely pulverized product, and mixed for 5 minutes at 800 rpm with a Henschel mixer (registered trademark). This was sealed in a graphite crucible with a lid having an inner diameter of 40 cm and a volume of 40 liters, placed in a graphitization furnace using a graphite heater, and graphitized at a temperature of 2900 ° C. in an argon gas atmosphere. After standing to cool, the powder was taken out to obtain 14 kg of powder. The obtained graphite fine powder had an average particle size of 20.5 μm and a B content of 1.9% by mass.
<B2>:気相法炭素繊維(以下、「VGCF」と略す。昭和電工、登録商標)とB1(黒鉛微粉)との混合物。B1成分95質量%とVGCF5質量%をヘンシェルミキサー(登録商標)にて混合した。得られた炭素材料混合物の平均粒径は12.4μm、B含有量1.3質量%であった。 <B2>: A mixture of vapor grown carbon fiber (hereinafter abbreviated as “VGCF”; Showa Denko, registered trademark) and B1 (graphite fine powder). B1 component 95 mass% and VGCF 5 mass% were mixed with the Henschel mixer (trademark). The average particle diameter of the obtained carbon material mixture was 12.4 μm and the B content was 1.3% by mass.
気相法炭素繊維は、昭和電工社製 VGCF−G(繊維径0.1〜0.3μm、繊維長10〜50μm)を用いた。 As the vapor grown carbon fiber, VGCF-G (fiber diameter 0.1 to 0.3 μm, fiber length 10 to 50 μm) manufactured by Showa Denko Co., Ltd. was used.
<B3>:カーボンナノチューブ(以下、「CNT」と略す。)とB1(黒鉛微粉)との混合物。B1成分95質量%とCNT5質量%をヘンシェルミキサー(登録商標)にて混合した。得られた炭素材料混合物の平均粒径は9.2μm、B含有量1.2質量%であった。カーボンナノチューブは以下の方法で得た。 <B3>: A mixture of carbon nanotubes (hereinafter abbreviated as “CNT”) and B1 (graphite fine powder). B1 component 95% by mass and CNT 5% by mass were mixed with a Henschel mixer (registered trademark). The obtained carbon material mixture had an average particle size of 9.2 μm and a B content of 1.2% by mass. Carbon nanotubes were obtained by the following method.
直径6mm、長さ50mmのグラファイト棒に、先端から中心軸に沿って直径3mm、深さ30mmの穴をあけ、この穴にロジウム(Rh):白金(Pt):グラファイト(C)を質量比率1:1:1の混合粉末として詰め込み、陽極を作製した。一方、純度99.98質量%のグラファイトからなる、直径13mm、長さ30mmの陰極を作製した。これらの電極を反応容器に対向配置し、直流電源に接続した。そして、反応容器内を純度99.9体積%のヘリウムガスで置換し、直流アーク放電を行った。その後、反応容器内壁に付着した煤(チャンバー煤)と陰極に堆積した煤(陰極煤)を回収した。反応容器中の圧力と電流は、600Torrと70Aで行った。反応中は、陽極と陰極間のギャップが常に1〜2mmになるように操作した。 A graphite rod having a diameter of 6 mm and a length of 50 mm is drilled with a hole having a diameter of 3 mm and a depth of 30 mm along the central axis from the tip, and a rhodium (Rh): platinum (Pt): graphite (C) mass ratio is 1 in this hole. It was packed as a 1: 1 mixed powder to prepare an anode. On the other hand, a cathode having a diameter of 13 mm and a length of 30 mm made of graphite having a purity of 99.98% by mass was produced. These electrodes were placed opposite to the reaction vessel and connected to a DC power source. Then, the inside of the reaction vessel was replaced with helium gas having a purity of 99.9% by volume, and DC arc discharge was performed. Thereafter, soot (chamber soot) adhering to the inner wall of the reaction vessel and soot deposited on the cathode (cathode soot) were collected. The pressure and current in the reaction vessel were 600 Torr and 70A. During the reaction, the operation was performed so that the gap between the anode and the cathode was always 1 to 2 mm.
回収した煤は、水とエタノールが質量比で1:1の混合溶媒中に入れ超音波分散させ、その分散液を回収して、ロータリエバポレーターで溶媒を除去した。そして、その試料を陽イオン界面活性剤である塩化ベンザルコニウムの0.1%水溶液中に超音波分散させた後、5000rpmで30分間遠心分離して、その分散液を回収した。更に、その分散液を350℃の空気中で5時間熱処理することによって精製し、繊維径が1〜10nm、繊維長が0.05〜5μmのカーボンナノチューブを得た。 The collected soot was ultrasonically dispersed in a 1: 1 mixed solvent of water and ethanol, the dispersion was recovered, and the solvent was removed with a rotary evaporator. The sample was ultrasonically dispersed in a 0.1% aqueous solution of benzalkonium chloride, which is a cationic surfactant, and then centrifuged at 5000 rpm for 30 minutes to recover the dispersion. Further, the dispersion was purified by heat treatment in air at 350 ° C. for 5 hours to obtain carbon nanotubes having a fiber diameter of 1 to 10 nm and a fiber length of 0.05 to 5 μm.
以下の各実施例・比較例において使用したA成分およびB成分の種類および量比を、下記の表2に纏めて示す。また、各複合材料の結晶化温度と結晶融解温度及び融解熱YをDSCにより測定した結果を表2に纏めて示す。また、0.8×Yの値も表2に同時に示す。 The types and amount ratios of the component A and component B used in the following examples and comparative examples are summarized in Table 2 below. Table 2 summarizes the results of DSC measurement of the crystallization temperature, crystal melting temperature, and heat of fusion Y of each composite material. The value of 0.8 × Y is also shown in Table 2.
(実施例1〜実施例5)
上記の表1、表2に示した組成の原材料をラボプラストミル((株)東洋精機製作所製、モデル100C100)を用いて温度200℃、45rpmで7分間混練し、結晶性熱可塑性樹脂複合材料を得た。その複合材料を100mm×100mmの平板(厚さは物性試験項目ごとに異なる)ができる金型に投入し、50t圧縮成形機A(NIPPO ENGINEERING社製 E−3013)を用いて温度230℃、予熱3分後、圧力15MPaで3分間加圧加熱した。その後、圧縮成形機Aから金型を熱いまま取出して即座に、表3に示す熱処理温度に設定した50t圧縮成形機B(NIPPO ENGINEERING社製 E−3013)を用いてその金型を圧力15MPaで10分間加圧した。その後、冷却プレスを用いて温度25℃、圧力15MPaの条件で2分間冷却させて導電性構造体を得た。
(Example 1 to Example 5)
The raw materials having the compositions shown in Tables 1 and 2 above are kneaded for 7 minutes at a temperature of 200 ° C. and 45 rpm using a lab plast mill (manufactured by Toyo Seiki Seisakusho, Model 100C100), and a crystalline thermoplastic resin composite material Got. The composite material is put into a mold capable of forming a 100 mm × 100 mm flat plate (thickness varies depending on physical property test items), and preheated at a temperature of 230 ° C. using a 50-t compression molding machine A (NIPPO ENGINEERING E-3013). After 3 minutes, pressure heating was performed at a pressure of 15 MPa for 3 minutes. Thereafter, the mold was taken out from the compression molding machine A while it was hot, and the mold was immediately pressed at a pressure of 15 MPa using a 50t compression molding machine B (NIPPO ENGINEERING E-3013) set to the heat treatment temperature shown in Table 3. Pressurized for 10 minutes. Then, it was made to cool for 2 minutes on the conditions of temperature 25 degreeC and pressure 15MPa using a cooling press, and the electroconductive structure was obtained.
(比較例1〜比較例5)
上記の表1、表2に示した組成の結晶性熱可塑性樹脂複合材料は、上記実施例1〜5と同様の手順で得た。その混練物を100mm×100mmの平板(厚さは物性試験項目ごとに異なる)ができる金型に投入し、50t圧縮成形機Aを用いて温度230℃、予熱3分後、圧力15MPaで3分間加圧加熱した。その後、冷却プレスを用いて温度25℃、圧力15MPaの条件で2分間冷却させて導電性構造体を得た。上記の各実施例・比較例により得られた結果を、下記の表3に纏めて示す。
(Comparative Examples 1 to 5)
The crystalline thermoplastic resin composite materials having the compositions shown in Tables 1 and 2 were obtained in the same procedure as in Examples 1 to 5. The kneaded material is put into a mold capable of forming a flat plate of 100 mm × 100 mm (thickness varies depending on physical property test items), using a 50-t compression molding machine A, temperature 230 ° C., preheating 3 minutes, and pressure 15 MPa for 3 minutes Pressurized and heated. Then, it was made to cool for 2 minutes on the conditions of temperature 25 degreeC and pressure 15MPa using a cooling press, and the electroconductive structure was obtained. The results obtained by the above Examples and Comparative Examples are summarized in Table 3 below.
何れの実施例においても上記の式1は満たされており、一方、何れの比較例においても上記の式1は満たされていない。同じ複合材料を用いて熱処理を行った実施例と熱処理を行わなかった比較例を比べると、何れの複合材料も実施例のほうが体積固有抵抗、貫通抵抗が小さくなり、曲げ強度、曲げ弾性率は大きくなっている。一方、曲げ歪は小さくなるが、燃料電池セパレータに要求されている目標値(1%以上)よりも遥かに大きい。 In any of the examples, the above formula 1 is satisfied, while in any of the comparative examples, the above formula 1 is not satisfied. Comparing the examples in which the heat treatment was performed using the same composite material and the comparative example in which the heat treatment was not performed, in any of the composite materials, the volume specific resistance and the penetration resistance were smaller, and the bending strength and the flexural modulus were It is getting bigger. On the other hand, the bending strain is reduced, but it is much larger than the target value (1% or more) required for the fuel cell separator.
(実施例6〜実施例9、比較例6)
複合材料5を用いた以外は上記の実施例1〜実施例5と同様の手順で導電性構造体を得た。上記の各実施例・比較例により得られた結果を、下記の表4に纏めて示す。
(Example 6 to Example 9, Comparative Example 6)
A conductive structure was obtained in the same procedure as in Examples 1 to 5 except that the composite material 5 was used. The results obtained by the above Examples and Comparative Examples are summarized in Table 4 below.
(比較例7)
複合材料5を用い、熱処理温度を変更した以外は上記の比較例1〜比較例5と同様の手順で導電性構造体を得た。上記の各実施例・比較例により得られた結果を、下記の表4に纏めて示す。
(Comparative Example 7)
A conductive structure was obtained in the same procedure as Comparative Examples 1 to 5 except that the composite material 5 was used and the heat treatment temperature was changed. The results obtained by the above Examples and Comparative Examples are summarized in Table 4 below.
何れの実施例においても上記の式1は満たされており、一方、何れの比較例においても上記の式1は満たされていない。同じ複合材料5を用いて熱処理を行った場合でも、複合材料5の結晶化温度129.3℃以上で結晶化温度よりも20℃高い149.3℃以下の温度で熱処理を行った実施例6〜9と149.3℃以上の150℃で熱処理を行った比較例6を比べると、実施例の方が体積固有抵抗、貫通抵抗が小さくなる。また、実施例6〜9と熱処理を行わなかった比較例7を比べても、実施例の方が体積固有抵抗、貫通抵抗が小さくなる。 In any of the examples, the above formula 1 is satisfied, while in any of the comparative examples, the above formula 1 is not satisfied. Example 6 in which heat treatment was performed at a temperature of not less than 149.3 ° C., which was 20 ° C. higher than the crystallization temperature of the composite material 5 even when the heat treatment was performed using the same composite material 5. Comparing Comparative Example 6 in which heat treatment was performed at 150 ° C. at ˜9 to 149.3 ° C. or higher, the specific volume resistance and penetration resistance were smaller in the example. Further, even when Examples 6 to 9 are compared with Comparative Example 7 where heat treatment is not performed, the volume resistivity and the penetration resistance are smaller in the example.
(参考例10)
複合材料5を100mm×100mmの平板(厚さは物性試験項目ごとに異なる)ができる金型に投入し、50t圧縮成形機Aを用いて温度230℃、予熱3分後、圧力15MPaで3分間加圧加熱し、その後、冷却プレスを用いて温度25℃、圧力15MPaの条件で2分間冷却させて導電性構造体を得た。その導電性構造体をさらに金型に挿入し、155℃に設定した50t圧縮成形機Bを用いてその金型を圧力15MPaで120分間加熱加圧した。その後、冷却プレスを用いて温度25℃、圧力15MPaの条件で2分間冷却させて導電性構造体を得た。参考例10により得られた結果を、下記の表5に纏めて示す。
( Reference Example 10)
The composite material 5 is put into a mold capable of forming a flat plate of 100 mm × 100 mm (thickness varies depending on physical property test items), using a 50 t compression molding machine A, temperature 230 ° C., preheating 3 minutes, and pressure 15 MPa for 3 minutes. The mixture was heated under pressure, and then cooled for 2 minutes under the conditions of a temperature of 25 ° C. and a pressure of 15 MPa using a cooling press to obtain a conductive structure. The conductive structure was further inserted into a mold, and the mold was heated and pressurized at a pressure of 15 MPa for 120 minutes using a 50 t compression molding machine B set at 155 ° C. Then, it was made to cool for 2 minutes on the conditions of temperature 25 degreeC and pressure 15MPa using a cooling press, and the electroconductive structure was obtained. The results obtained by Reference Example 10 are summarized in Table 5 below.
(参考例11)
50t圧縮成形機Bの熱板にはオイルを循環させることが出来る。オイル温調機から緻密に温度制御されたオイルを熱板に循環させることにより、熱板の温度を精密に制御することが出来る。複合材料5を100mm×100mmの平板(厚さは物性試験項目ごとに異なる)ができる金型に投入し、50t圧縮成形機Bを用いて温度230℃、予熱3分後、圧力15MPaで3分間加圧加熱し、その後、金型を圧力15MPaで加圧した状態で5℃/分の冷却速度で熱板の温度が100℃になるまで冷却する。その後、冷却プレスを用いて温度25℃、圧力15MPaの条件で2分間冷却させて導電性構造体を得た。参考例11により得られた結果を、下記の表5に纏めて示す。
( Reference Example 11)
Oil can be circulated through the hot plate of the 50t compression molding machine B. The temperature of the hot plate can be precisely controlled by circulating the oil whose temperature is precisely controlled from the oil temperature controller to the hot plate. The composite material 5 is put into a mold capable of forming a flat plate of 100 mm × 100 mm (thickness varies depending on physical property test items), using a 50 t compression molding machine B, after a temperature of 230 ° C., preheating for 3 minutes, and a pressure of 15 MPa for 3 minutes. After pressurizing and heating, the mold is cooled at a pressure of 15 MPa until the temperature of the hot plate reaches 100 ° C. at a cooling rate of 5 ° C./min. Then, it was made to cool for 2 minutes on the conditions of temperature 25 degreeC and pressure 15MPa using a cooling press, and the electroconductive structure was obtained. The results obtained in Reference Example 11 are summarized in Table 5 below.
参考例10、11のいずれにおいても上記の式1は満たされており、一方、比較例7においては上記の式1は満たされていない。成形後に155℃で2時間アニールをした参考例10、賦形後に5℃/分の冷却速度で徐冷した参考例11と熱処理を行わなかった比較例7を比べても、実施例の方が体積固有抵抗、貫通抵抗が小さくなる。
In any of Reference Examples 10 and 11, the above formula 1 is satisfied, while in the comparative example 7, the above formula 1 is not satisfied. Reference Example 10 in which the annealed for two hours at 155 ° C. after molding, as compared to Comparative Example 7 which did not perform the heat treatment as in Reference Example 11 was gradually cooled at a cooling rate of 5 ° C. / min after shaping found the following examples Volume resistivity and penetration resistance are reduced.
(実施例12、比較例8)
複合材料1を用いて、貫通孔6ヶ、280×200×1.5mmのサイズで溝幅1mmピッチ、溝深さ0.5mmの溝が両面に形成された平板を成形できる金型を350t射出圧縮成形機に取り付けて、導電性構造体を射出圧縮成形した。シリンダー温度は280℃、金型温度140℃に設定した。成形開始直前にキャビティー表面を、外部からヒーターで表6に記載のキャビティー表面温度にまで加熱して、射出圧100MPa、圧縮力50t、冷却時間150秒で射出圧縮成形し、燃料電池用セパレータ状の平板を得た。その平板の体積固有抵抗と平板中央の厚みを測定し、その結果を表6に示した。
(Example 12, Comparative Example 8)
Using composite material 1, 350t injection mold that can form a flat plate with 6 holes, 280 x 200 x 1.5 mm, groove width 1 mm pitch, groove depth 0.5 mm on both sides The conductive structure was injection compression molded by being attached to a compression molding machine. The cylinder temperature was set at 280 ° C. and the mold temperature at 140 ° C. Immediately before the start of molding, the cavity surface is heated from the outside to the cavity surface temperature shown in Table 6 by injection compression molding at an injection pressure of 100 MPa, a compression force of 50 t, and a cooling time of 150 seconds, and a fuel cell separator A flat plate was obtained. The volume resistivity of the flat plate and the thickness at the center of the flat plate were measured, and the results are shown in Table 6.
表6に示すように、金型温度を複合材料1の結晶融解温度以上に加熱した実施例12は、金型キャビティーの形状通りの平板を得られたが、結晶融解温度未満の温度にしか加熱しなかった比較例8は、金型キャビティー形状よりも厚い平板しか得られなかった。 As shown in Table 6, in Example 12 in which the mold temperature was heated to the crystal melting temperature of the composite material 1 or more, a plate having the shape of the mold cavity was obtained, but only at a temperature lower than the crystal melting temperature. In Comparative Example 8 which was not heated, only a flat plate thicker than the mold cavity shape was obtained.
上記した表3〜表6に示すように、原料の結晶性熱可塑性樹脂複合材料を用いた場合でも、本発明の製造方法で成形した導電性構造体は、本発明の製造方法で製造しなかった導電性構造体に比べて、寸法精度が高く低い体積固有抵抗と低い貫通抵抗を達成した。従って、本発明の製造方法は、寸法精度が高く優れた導電性が要求される導電性構造体の製造方法として好適であり、特に優れた寸法精度と導電性が要求される燃料電池用セパレータの製造方法として最適である。 As shown in Tables 3 to 6, the conductive structure formed by the production method of the present invention is not produced by the production method of the present invention even when the raw material crystalline thermoplastic resin composite material is used. Compared with the conductive structure, it has high dimensional accuracy and low volume resistivity and low penetration resistance. Therefore, the production method of the present invention is suitable as a production method of a conductive structure that requires high dimensional accuracy and excellent conductivity, and is particularly suitable for a fuel cell separator that requires excellent dimensional accuracy and conductivity. It is optimal as a manufacturing method.
1…試験片、2…金メッキ真鍮、3…電圧計、4…定電流発生装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Test piece, 2 ... Gold-plated brass, 3 ... Voltmeter, 4 ... Constant current generator
Claims (14)
(但し、式1中、Xは導電性構造体の一部を試料とし、示差走査熱量計を用いて20℃/分の昇温速度で25℃から熱可塑性樹脂複合材料の結晶融解温度:Tmよりも60℃以上高い温度まで昇温した時に観測される結晶の融解熱を、試料の質量で割った値を表し、単位はJ/gである。また、Yは結晶性熱可塑性樹脂複合材料を試料とし、示差走査熱量計を用いて、Tmよりも60℃以上高い温度で10分間保持した後、5℃/分の冷却速度で25℃まで冷却し25℃で10分間保持した後、さらに20℃/分の昇温速度でTmよりも60℃以上高い温度まで昇温した時に観測される結晶の融解熱を、試料の質量で割った値を表し、単位はJ/gである。) A conductive structure manufactured by the manufacturing method according to claim 1, and satisfying a relationship represented by X ≧ 0.8 × Y (Formula 1).
(However, in Formula 1, X represents a part of the conductive structure as a sample, and a differential melting calorimeter at a rate of temperature increase of 20 ° C./minute from 25 ° C. to the crystal melting temperature of the thermoplastic resin composite material: T This represents the value obtained by dividing the heat of fusion of the crystal observed when the temperature is raised to 60 ° C. higher than m by the mass of the sample, and the unit is J / g, and Y is a crystalline thermoplastic resin composite Using the material as a sample, using a differential scanning calorimeter, holding at 60 ° C. or higher than T m for 10 minutes, cooling to 25 ° C. at a cooling rate of 5 ° C./min, and holding at 25 ° C. for 10 minutes Furthermore, it represents a value obtained by dividing the heat of fusion of the crystal observed when the temperature is raised to a temperature 60 ° C. higher than Tm at a rate of temperature increase of 20 ° C./min divided by the mass of the sample, and the unit is J / g. is there.)
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