産業技術総合研究所(産総研)は8月28日、ネットワーク構造の単層カーボンナノチューブ(CNT)をゴムに分散させることで、従来のゴムでは実現できなかった数百ナノメートルやマイクロメートルの精度でゴム表面を加工する技術を開発したと発表した。

同成果は、同所 ナノチューブ応用研究センター 畠賢治首席研究員、CNT用途開発チーム 山田健郎研究チーム長、関口貴子産総研特別研究員らによるもの。詳細は、東京ビッグサイトで8月29日～30日に開催される「イノベーション・ジャパン2013」にて発表される。

今回開発した単層CNT/ゴム複合材料表面のプレス成形加工技術

絶縁性と柔軟性を有するゴム材料は、電子部品、自動車、建築物の保護材、シーリング材、防振材として幅広く使用されているが、さらなる用途拡大や機能向上を図るには、精緻な表面加工技術の開発が求められる。しかし、ゴムは柔らかいため、加工中の弾性ひずみや加工後のクリープによりナノメートル、マイクロメートル単位での高精緻な表面加工は難しい。そのため、様々なゴム材料に適用でき、量産に適したゴムの表面加工ができれば、密着性、撥水性、光学特性といった構造により発現する機能をゴムに付加することが可能となり、新たなゴム市場の開拓できると期待されている。

スーパーグロース法で作製した単層CNTはその高いアスペクト比から、溶液中で分散させると、広範囲にわたるネットワークを形成する。この分散液を用いて単層CNTをゴムと複合化すると、ゴムの中に単層CNTのネットワークを含んだ複合材料ができる。単層CNTのネットワーク構造はゴムのような柔軟性を示すため、この複合材料をプレス成形加工するとゴムばかりでなく、単層CNTも金型形状に合わせて自在に変形すると予想されていた。また、単層CNTのネットワークによって形状維持性を持つことも考えられる。そこで今回、単層CNT/ゴム複合材料を用いた寸法精度の高いゴム加工技術を開発した。

研究では、ゴム材料としてフッ素ゴムを用いた。単層CNT/ゴム複合材料の作製とプレス成形加工のフローとしては、まず有機溶媒に分散させた単層CNTと、同じく有機溶媒に溶かしたフッ素ゴムを混合して、CNTゴムペーストを作製した。さらに、溶媒を乾燥させてプレス成形加工に用いる膜状の単層CNT/ゴム複合材料を作製した。高精緻な表面加工を行うには、複合材料の作製工程でCNTに吸着した水分をできるだけ除去することが重要である。そのため、真空乾燥で表面に吸着した水分を予め除去したCNTを用いて、不活性ガス雰囲気下で有機溶媒に分散させた。これにより、成形加工時の加熱による気泡発生を防止できる。

単層CNT/ゴム複合材料作製とプレス成形加工のフロー

プレス成形加工では、膜状の単層CNT/ゴム複合材料を平坦な基板と金型で挟み、ゴムが軟化する温度まで加熱した後に圧力をかけ、室温まで冷却した後に金型を外した。プレス成形加工した単層CNT/ゴム複合材料とCNTを含まない従来ゴム表面の走査型電子顕微鏡(SEM)像を見ると、単層CNT/ゴム複合材料表面には金型の微細なピラミッド形状が正確に転写されている。これに対し、従来ゴムではピラミッド形状の先端やエッジが丸まり、正確に転写されていない。これは、従来ゴムでは柔軟性による成形後のクリープの影響を受けるため、数百ナノメートル、マイクロメートル単位での精緻な形状や構造を維持できないためとしている。

プレス成形加工した単層CNT/ゴム複合材料と従来ゴム表面の比較

さらに、加工部分の表面と断面のSEM像を観察すると、白く見える糸状の部分が単層CNTであり、互いに絡まり合った網目状のネットワーク構造を形成している。このネットワーク構造は試料全体に渡って均一に分布している。高精度加工が可能になったのは、CNTが支持材となり成形後のクリープを抑制したためと考えられる。CNTは、ネットワーク構造を形成することでゴムのような柔軟性を示すため、ゴムとともに金型形状に変形でき、成形後の形状を維持できる。今回開発した技術を用いれば、金型の凹凸構造を数百ナノメートル、マイクロメートル単位の寸法精度でゴム表面に転写でき、様々な形状のゴム構造体を作製できる。このような表面加工により、表面構造に起因した特性制御による高機能ゴムの作製が実現する。例えば、貼る・剥がすが自在な高密着ゴムシート、流体の流れを制御できるマイクロ流路、非破壊で弾・塑性ひずみの分布が評価でき可視化できるひずみセンサなどの新たなゴム市場の開拓が期待できるとコメントしている。

加工した単層CNT/ゴム複合材料の表面SEM像(左)と断面SEM像(右)

プレス成形加工したさまざまな形状の単層CNT/ゴム複合材料の構造体

今回開発した手法は、フッ素ゴム以外にも、ニトリルゴム、アクリルゴムといったフッ素ゴムよりも柔らかいゴム材料でも同様の効果があった。同技術を用いることで、例えば、ゴム表面の精密加工により密着性・濡れ性・光学特性のような、表面構造により発現する特性制御を利用したゴムの高機能化が可能になる。今後は、産業界、特にゴムメーカーに対してニーズ調査を行うとともに、興味を持った企業と連携し、表面構造に起因した特性制御によって高機能化した高精密加工ゴムの新規用途開拓を進めていく方針としている。