特許 7522092 複合材及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-16

(45)【発行日】2024-07-24

(54)【発明の名称】複合材及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01B 1/24 20060101AFI20240717BHJP

   H01B 1/00 20060101ALI20240717BHJP

   H01B 13/00 20060101ALI20240717BHJP

【ＦＩ】

H01B1/24 A

H01B1/00 E

H01B13/00 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021209829

(22)【出願日】2021-12-23

(65)【公開番号】P2023094383

(43)【公開日】2023-07-05

【審査請求日】2022-12-26

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003263

【氏名又は名称】三菱電線工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】駒林 正士

【審査官】遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－１００５１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｂ １／２４

Ｈ０１Ｂ １／００

Ｈ０１Ｂ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁性のマトリクスと、前記マトリクス内に設けられた導電性粒子と、を備えた複合材であって、
前記導電性粒子は、ＪＩＳ Ｚ８８０１－１：２０１９に規定される目開き１ｍｍのふるいを透過する大きさの粒子本体と、前記粒子本体の表面を被覆する導電性コート層と、を含み、
前記導電性コート層は、ベース材と、前記ベース材内に設けられた導電材と、を有し、
前記導電性粒子における前記導電材の含有量が０．５質量％以上１．５質量％以下であり、
前記複合材における前記導電性粒子の含有量が３０質量部以上８０質量部以下であり、
前記複合材における前記導電性コート層の含有量が３質量部以上８質量部以下であり、
前記複合材における前記導電材の含有量が０．１５質量部以上０．４質量部以下であり、
前記複合材の体積抵抗率が１．３×１０ ^４ 以上５．７×１０ ^４ 以下である複合材。

【請求項2】

請求項１に記載された複合材において、
前記ベース材がゴム又は樹脂である複合材。

【請求項3】

請求項１又は２に記載された複合材において、
前記マトリクスがゴムである複合材。

【請求項4】

絶縁性のマトリクスと、前記マトリクス内に設けられた導電性粒子と、を備えた複合材の製造方法であって、
前記導電性粒子を、ＪＩＳ Ｚ８８０１－１：２０１９に規定される目開き１ｍｍのふるいを透過する大きさの粒子本体の表面を被覆するようにコーティング材により導電性コート層を形成することにより作製した後、前記マトリクスを形成するマトリクス形成材料と混合する複合材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複合材及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

エピクロロヒドリンゴムは、半導電性を示すゴム材料として知られている（例えば非特許文献１）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】北川紀樹：「ゴムの工業的合成法 第１２回 エピクロルヒドリンゴム」，日本ゴム協会誌，８９，２０５－２０８（２０１６）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

エピクロロヒドリンゴムを用いることにより半導電性を得ることはできるが、それに加えて、例えば高耐熱性のようなエピクロロヒドリンゴムが有さない特性も得たい場合には、エピクロロヒドリンゴムの適用は困難である。

【0005】

本発明の課題は、半導電性も含む導電性制御を行うことができる複合材を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、絶縁性のマトリクスと、前記マトリクス内に設けられた導電性粒子とを備えた複合材であって、前記導電性粒子は、ＪＩＳ Ｚ８８０１－１：２０１９に規定される目開き１ｍｍのふるいを透過する大きさの粒子本体と、前記粒子本体の表面を被覆する導電性コート層とを含み、前記導電性コート層は、ベース材と、前記ベース材内に設けられた導電材とを有し、前記導電性粒子における前記導電材の含有量が０．５質量％以上１．５質量％以下であり、前記複合材における前記導電性粒子の含有量が３０質量部以上８０質量部以下であり、前記複合材における前記導電性コート層の含有量が３質量部以上８質量部以下であり、前記複合材における前記導電材の含有量が０．１５質量部以上０．４質量部以下であり、前記複合材の体積抵抗率が１．３×１０ ^４ 以上５．７×１０ ^４ 以下である。

【0007】

本発明は、絶縁性のマトリクスと、前記マトリクス内に設けられた導電性粒子とを備えた複合材の製造方法であって、前記導電性粒子を、ＪＩＳ Ｚ８８０１－１：２０１９に規定される目開き１ｍｍのふるいを透過する大きさの粒子本体の表面を被覆するようにコーティング材により導電性コート層を形成することにより作製した後、前記マトリクスを形成するマトリクス形成材料と混合する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、絶縁性のマトリクス内に設けられた多数の導電性粒子のそれぞれが、粒子本体の表面が導電性コート層で被覆された構成を有することにより、半導電性も含む導電性制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る複合材の模式的な断面図である。

【図2】導電性粒子の模式的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施形態について詳細に説明する。

【0011】

図１は、実施形態に係る複合材１０を示す。この複合材１０は、例えば半導電性が求められるプリンタや複写機の帯電ロール、転写ロール、現像ロール等に適用することができる。また、この複合材１０は、例えば導電性が求められる導電性マット等にも適用することができる。

【0012】

実施形態に係る複合材１０は、絶縁性のマトリクス１１と、そのマトリクス１１内にランダムに設けられた多数の導電性粒子１２とを備える。

【0013】

マトリクス１１としては、例えばゴムや樹脂が挙げられる。マトリクス１１は、複合材１０の導電性を制御する観点から、これらのうちのゴムが好ましい。ゴムのマトリクス１１は、ポリマー単体であっても、ポリマーにゴム配合剤が配合されたゴム組成物であっても、どちらでもよい。ゴムのマトリクス１１は、ポリマー鎖間が架橋された架橋ゴムであっても、未架橋ゴムであっても、どちらでもよい。ゴムのマトリクス１１を構成するポリマーとしては、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。マトリクス１１は、ポリマーを架橋させる硬化剤、架橋剤、触媒等を含有していてもよい。

【0014】

マトリクス１１は、絶縁性である。ここで、本出願における「絶縁性」とは、ＪＩＳ Ｋ６２７１－１：２０１５に基づいて測定される体積抵抗率が１．０×１０^１３Ω・ｃｍ以上であることをいう。

【0015】

導電性粒子１２は、粒子本体１２１と、その粒子本体１２１の表面を被覆する導電性コート層１２２とを含む。

【0016】

複合材１０における導電性粒子１２の総含有量は、複合材１０の導電性を制御する観点から、好ましくは２０質量％以上９０質量％以下、より好ましくは３０質量％以上７０質量％以下である。導電性粒子１２における導電性コート層１２２の含有量は、同様の観点から、好ましくは１質量％以上２０質量％以下、より好ましくは５質量％以上１０質量％以下である。複合材１０における導電性コート層１２２の総含有量は、複合材１０の導電性を制御する観点から、好ましくは０．５質量％以上１５質量％以下、より好ましくは１質量％以上１０質量％以下である。

【0017】

粒子本体１２１としては、例えば、ゴム粒子、樹脂粒子等が挙げられる。粒子本体１２１は、複合材１０の導電性を制御する観点から、これらのうちのゴム粒子が好ましい。ゴム粒子の粒子本体１２１は、ポリマー単体で形成されていても、ポリマーにゴム配合剤が配合されたゴム組成物で形成されていても、どちらでもよい。ゴム粒子の粒子本体１２１は、カーボンブラック等の導電材料が配合された導電性を有するゴム組成物で形成されていてもよい。ゴム粒子の粒子本体１２１は、架橋ゴムで形成されていても、未架橋ゴムで形成されていても、どちらでもよい。ゴム粒子の粒子本体１２１を形成するポリマーとしては、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。ゴム粒子の粒子本体１２１は、資源の再利用の観点から、使用済みゴム製品から回収された廃棄ゴムで構成されていることが好ましい。粒子本体１２１の粒径は、マトリクス１１への導電性粒子１２の混合性を高め、粉砕により粒子本体１２１を効率的に得るとともに、複合材１０の導電性を制御する観点から、好ましくは１２５μｍ以上２ｍｍ以下である。粒子本体１２１は、同様の観点から、ＪＩＳ Ｚ８８０１－１：２０１９に規定される目開き１ｍｍのふるいを透過する大きさであることが好ましい。

【0018】

導電性コート層１２２は、図２に示すように、ベース材１２２ａと、そのベース材１２２ａ内に設けられた多数の導電材１２２ｂとを有する。

【0019】

複合材１０におけるベース材１２２ａの総含有量は、複合材１０の導電性を制御する観点から、好ましくは０．４５質量％以上１４．５質量％以下、より好ましくは０．９５質量％以上９．９５質量％以下である。導電性粒子１２におけるベース材１２２ａの含有量は、同様の観点から、好ましくは０．９０質量％以上１９．９質量％以下、より好ましくは４．８質量％以上９．９質量％以下である。導電性コート層１２２におけるベース材１２２ａの含有量は、同様の観点から、好ましくは６０質量％以上９９質量％以下、より好ましくは７０質量％以上９５質量％以下である。

【0020】

複合材１０における導電材１２２ｂの総含有量は、複合材１０の導電性を制御する観点から、好ましくは０．０５質量％以上５質量％以下、より好ましくは０．１質量％以上３質量％以下である。導電性粒子１２における導電材１２２ｂの含有量は、同様の観点から、好ましくは０．１質量％以上３質量％以下、より好ましくは０．２質量％以上１．５質量％以下である。導電性コート層１２２における導電材１２２ｂの含有量は、同様の観点から、好ましくは１質量％以上４０質量％以下、より好ましくは５質量％以上３０質量％以下である。

【0021】

ベース材１２２ａとしては、例えばゴムや樹脂が挙げられる。ベース材１２２ａは、複合材１０の導電性を制御する観点から、ゴム又は樹脂であることが好ましく、ゴムであることがより好ましい。ゴムのベース材１２２ａは、ポリマー単体であっても、ポリマーにゴム配合剤が配合されたゴム組成物であっても、どちらでもよい。ゴムのベース材１２２ａは、ポリマー鎖間が架橋された架橋ゴムであっても、未架橋ゴムであっても、どちらでもよい。ゴムのベース材１２２ａを構成するポリマーとしては、例えば、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ウレタンゴム等が挙げられる。マトリクス１１及びベース材１２２ａのいずれもゴムの場合、ベース材１２２ａを構成するポリマーは、マトリクス１１への導電性粒子１２の混合性を高める観点から、マトリクス１１を構成するポリマーと同種ポリマーであることが好ましい。具体的には、例えば、マトリクス１１がシリコーンゴムである場合、ベース材１２２ａもシリコーンゴムであることが好ましい。ベース材１２２ａは、ポリマーを架橋させる硬化剤、架橋剤、触媒等を含有していてもよい。

【0022】

導電材１２２ｂとしては、例えば、炭素系導電材、金属系導電材等が挙げられる。炭素系導電材としては、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、炭素繊維などの繊維状炭素系導電材；アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどの粒子状炭素系導電材等が挙げられる。金属系導電材としては、例えば、金、銀、銅、その他の金属、及びそれらの合金の金属粒子が挙げられる。導電材１２２ｂは、これらのうちの１種又は２種以上を含むことが好ましく、複合材１０の導電性を制御する観点から、炭素系導電材を含むことがより好ましく、繊維状炭素系導電材を含むことが更に好ましく、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含むことがより更に好ましい。導電材１２２ｂの大きさは、導電性粒子１２の粒子本体１２１の大きさよりもはるかに小さい。

【0023】

以上の構成の実施形態に係る複合材１０によれば、絶縁性のマトリクス１１内に設けられた多数の導電性粒子１２のそれぞれが、粒子本体１２１の表面が導電性コート層１２２で被覆された構成を有することにより、半導電性も含む導電性制御を行うことができる。

【0024】

実施形態に係る複合材１０が半導電性である場合、その体積抵抗率は１．０×１０^３Ω・ｃｍ以上１．０×１０^８Ω・ｃｍ以下である。ここで、本出願における複合材１０の体積抵抗率は、次のようにして求められる。複合材１０の円盤状等のシート状の試験片について、その上下面の全面にそれぞれ電極を押し当て、両電極間に電圧を変化させて印加し、各電圧で流れる電流を測定する。そして、電流と電圧との関係を求め、それを線形近似したときの傾きを抵抗値とし、その抵抗値に試験片の面積を乗じるとともに、厚さで除したものを体積抵抗率とする。

【0025】

次に、実施形態に係る複合材１０の製造方法について説明する。

【0026】

まず、液状ベース材に導電材１２２ｂを混合したコーティング材を調製する。液状ベース材は、加熱されて固化することによりベース材１２２ａに形成される液状材料である。コーティング材は、液状ベース材及び導電材１２２ｂ以外に、粘度調整等のための溶媒を含有していてもよい。コーティング材は、液状ベース材のポリマーが架橋する場合、硬化剤、架橋剤、触媒を含有していてもよい。

【0027】

次いで、多数の粒子本体１２１のそれぞれについて、その表面にコーティング材を付着させる。この付着手段としては、例えば、粒子本体１２１のコーティング材への浸漬、粒子本体１２１の表面へのコーティング材のスプレー等が挙げられる。

【0028】

続いて、表面にコーティング材が付着した粒子本体１２１を加熱し、液状ベース材を固化させて導電性コート層１２２を形成し、これにより、各々、粒子本体１２１の表面を導電性コート層１２２で被覆した多数の導電性粒子１２を作製する。

【0029】

その後、導電性粒子１２をマトリクス形成材料と混合する。マトリクス形成材料は、マトリクス１１を形成する材料であって、固体材料であっても、液体材料であっても、どちらでもよい。固体材料のマトリクス形成材料の場合、混練により導電性粒子１２をマトリクス形成材料と混合することができる。液体材料のマトリクス形成材料には、撹拌により導電性粒子１２をマトリクス形成材料と混合することができる。マトリクス形成材料は、ポリマーが架橋する場合、硬化剤、架橋剤、触媒を含有していてもよい。

【0030】

そして、導電性粒子１２を混合したマトリクス形成材料を所定形状に成形し、必要に応じて加熱等してマトリクス形成材料のポリマーを架橋等させることにより実施形態に係る複合材１０を得る。

【実施例】

【0031】

（複合材）
＜マトリクス形成材料の準備＞
マトリクス形成材料として、液状シリコーンゴム（ＫＥ－１９５０－７０Ａ／Ｂ 信越化学工業社製）を準備した。

【0032】

＜導電性粒子の作製＞
シリコーンゴム（ＫＥ１９５０－４０Ａ／Ｂ 信越化学工業社製）を架橋させた架橋ゴムを、カッターミルを用いて粉砕し、それをＪＩＳ Ｚ８８０１－１：２０１９に規定される目開き１ｍｍのふるいにかけて透過したゴム粒子を回収し、それを粒子本体とした。

【0033】

シリコーンワニス（ＴＳＲ１１２２ モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製）と、その触媒（ＹＣ８１０８ モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製）と、多層長尺カーボンナノチューブ分散液（９３２６ＭＷＬ トクシキ社製）とを混合してコーティング材原液を得た。このコーティング材原液を、後述する導電性粒子における導電性コート層の含有量が５質量％、８質量％、及び１０質量％となるように酢酸ブチルで希釈し、シリコーンゴム及びその触媒を含有するとともに酢酸ブチルを含む溶剤を含有する液状ベース材に導電材のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が分散した３種のコーティング材１乃至３を調製した。

【0034】

コーティング材１乃至３のそれぞれに、粒子本体のゴム粒子を浸漬して混合し、それをホットプレート上で十分に乾燥させ、その後、１８０℃に温度設定した大気オーブンに２０分間入れてシリコーンゴムを架橋させることにより、各々、粒子本体の表面が導電性コート層で被覆された導電性粒子１乃至３を作製した。導電性粒子１乃至３の構成については表１に示す。

【0035】

【表1】

【0036】

＜複合材の作製＞
マトリクス形成材料及び導電性粒子１を、前者の含有量が７０質量％及び後者の含有量が３０質量％となるように混合して撹拌することにより塊状材料を調製した。この塊状材料０．３５ｇを、金型の内径１０ｍｍ及び深さ３ｍｍの円盤状のキャビティに充填し、１３０℃の温度下で９．８ＭＰａの圧力を負荷して５分間保持するプレス成形により円盤状の複合材を作製した。そして、この複合材を実施例１－１とした。

【0037】

マトリクス形成材料及び導電性粒子１の含有量がそれぞれ６０質量％及びが４０質量％、５０質量％及びが５０質量％、４０質量％及びが６０質量％、３０質量％及びが７０質量％、並びに２０質量％及びが８０質量％である塊状材料も調製し、これらを用いて実施例１－１と同様の複合材を作製した。そして、それらをそれぞれ実施例１－２乃至１－６とした。実施例１－１乃至１－６の構成については表２Ａに示す。

【0038】

導電性粒子１に代えて導電性粒子２を用いたことを除いて、実施例１－１乃至１－６と同一構成の複合材を作製した。そして、それらの複合材を実施例２－１乃至２－６とした。実施例２－１乃至２－６の構成については表２Ｂに示す。同様に、導電性粒子１に代えて導電性粒子３を用いたことを除いて、実施例１－１乃至１－６と同一構成の複合材を作製した。そして、それらの複合材を実施例３－１乃至３－６とした。実施例３－１乃至３－６の構成については表２Ｃに示す。

【0039】

【表2A】

【0040】

【表2B】

【0041】

【表2C】

【0042】

（試験方法）
実施例１－１乃至１－６、実施例２－１乃至２－６、及び実施例３－１乃至３－６のそれぞれの円盤状の複合材について、その上下面のそれぞれに厚さ１ｍｍの２０ｍｍ角の銅板電極を押し当てて０．２ＭＰａの圧力で挟持するとともに、両銅板電極間に０Ｖ、３０Ｖ、５０Ｖ、８０Ｖ、及び１００Ｖの電圧を段階的に変化させて印加し、各電圧で流れる電流を測定した。そして、電流と電圧との関係を求め、それを線形近似したときの傾きを抵抗値とし、その抵抗値に試験片の面積（０．５^２πｃｍ^２）を乗じるとともに、厚さ（０．３ｃｍ）で除したものを体積抵抗率とした。

【0043】

（試験結果）
試験結果を表２Ａ乃至２Ｃに示す。表２Ａ乃至２Ｃによれば、実施例１－１乃至１－６、実施例２－１乃至２－６、及び実施例３－１乃至３－６のいずれの複合材も、体積抵抗率が１．０×１０^３Ω・ｃｍ以上１．０×１０^８Ω・ｃｍ以下の範囲にあって、半導電性を示すことが分かる。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本発明は、複合材の技術分野について有用である。

【符号の説明】

【0045】

１０ 複合材
１１ マトリクス
１２ 導電性粒子
１２１ 粒子本体
１２２ 導電性コート層
１２２ａ ベース材
１２２ｂ 導電材

【図1】

【図2】