DE112018002464T5

DE112018002464T5 - Kohlenstoff-nanoröhrchenkomplex und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE112018002464T5
Application number: DE112018002464.4T
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Inoue
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2020-01-30
Also published as: JP2018193257A; JP6866227B2; CN110650918B; KR20200007859A; WO2018207795A1; US20200165135A1; CN110650918A

Abstract

Es ist eine Aufgabe, einen hohen Reibungszustand auch nach wiederholtem Gebrauch aufrechtzuerhalten. Ein Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund (1) umfasst: ein vertikal ausgerichtetes Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Array (40), das aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet ist, die mit amorphem Kohlenstoff beschichtet sind; und eine Basisschicht (10), an der das vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Array (40) befestigt ist. Ein Endabschnitt (20a), der einer der gegenüberliegenden Endabschnitte in Richtung der Ausrichtung der vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist, liegt an der Außenseite der Basisschicht (10) frei.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund und ein Verfahren zur Herstellung des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds.
Stand der Technik
Ein Klebeelement, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet, ist als eine konventionelle Technik bekannt.
Beispielsweise offenbart die Patentliteratur 1 ein Klebeelement, das aus einer Basis und einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Array, das an der Basis befestigt ist, gebildet ist. Das in der Patentliteratur 1 offenbarte Klebeelement ist so beschaffen, dass beim Aufsetzen eines Objekts auf das Klebeelement van der Waals-Kräfte zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dem Objekt wirken, und das Objekt dadurch am Klebeelement haftet.
Zitationsliste
[Patentliteratur]
[Patentliteratur 1]
Japanisches Patent Nr. 5199753 (Registrierungsdatum: 15. Februar 2013).
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Gemäß dem in der Patentliteratur 1 offenbarten Klebeelement werden jedoch, wenn das Objekt auf das Klebeelement gesetzt wird, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebogen, wodurch es zu einer Verbindung benachbarter Nanoröhrchen kommt. Das in der Patentliteratur 1 offenbarte Klebeelement weist daher das Problem auf, dass es nicht für das wiederholte Anbringen/Lösen von Objekten geeignet ist.
Es ist eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung einen Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund bereitzustellen, der in der Lage ist, einen hohen Reibungszustand selbst nach wiederholtem Gebrauch aufrechtzuerhalten.
Lösung des Problems
Um die obige Aufgabe zu lösen, umfasst ein Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung: vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die mit amorphem Kohlenstoff beschichtet sind; und eine Basisschicht, an der die vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen befestigt sind, wobei jedes der vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein erstes Ende und ein zweites entgegengesetztes Ende in einer Ausrichtungsrichtung der vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist, wobei das erste Ende und/oder das zweite entgegengesetzte Ende an einer Außenseite der Basisschicht freiliegt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, einen Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund herzustellen, der in der Lage ist, seinen hohen Reibungszustand auch nach wiederholtem Gebrauch aufrechtzuerhalten.
Figurenliste

1 zeigt eine Konfiguration eines Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, (a) der 1 zeigt eine Draufsicht des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds, und (b) der 1 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in (a) der 1
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Endabschnitts eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds.
3 zeigt den Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund, auf den ein Objekt bzw. Gegenstand gelegt wird. (a) der 3 zeigt eine Draufsicht eines solchen Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds, und (b) die 3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in (a) der 3.
1. (a) bis (f) der 4 zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds.
5 zeigt weitere Beispiele der Form eines Bereichs, in dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen an der Außenseite des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds freiliegen.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Konfiguration eines Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds, die eine Modifikation des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds gemäß Ausführungsform 1 ist.
1. (a) bis (d) der 7 zeigt ein Verfahren zur Herstellung des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds.
8 zeigt eine Konfiguration eines Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. (a) der 8 zeigt eine Draufsicht des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds, und (b) der 8 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in (a) der 8.
1. (a) bis (f) der 9 zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsform 1
In der folgenden Beschreibung wird ein Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund 1 gemäß Ausführungsform 1 mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Im Nachfolgenden werden die Kohlenstoff-Nanoröhrchen als „CNTs“ bezeichnet, und ein Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund wird als ein „CNT-Verbund“ bezeichnet. In dieser Beschreibung bedeutet der numerische Bereich „A bis B“ „nicht weniger als A und nicht mehr als B“.
(Konfiguration des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds 1)
Die nachfolgende Beschreibung beschreibt eine Konfiguration des CNT-Verbunds 1 mit Bezug auf 1 und 2.
1 zeigt eine Konfiguration des CNT-Verbunds 1. (a) der 1 zeigt eine Draufsicht des CNT-Verbunds 1, und (b) von 1 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in (a) der 1.
Wie (a) und (b) der 1 gezeigt, umfasst der CNT-Verbund 1 eine Basisschicht 10 und ein vertikal ausgerichtetes Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Array 40.
Die Basisschicht 10 ist aus einem elastischen Material (wie Gummi), das ein Polymermaterial ist, gebildet und weist im Wesentlichen die Form eines Quaders auf. Die Basisschicht 10 kann beispielsweise aus Naturkautschuk, Urethankautschuk, Silikonkautschuk, Fluorkautschuk und/oder dergleichen bestehen. Die Basisschicht 10 weist, wie in 1 gezeigt, eine erste Fläche 10a und eine zweite Fläche 10b auf, die der ersten Fläche 10a gegenüberliegt.
Das vertikal ausgerichtete CNT-Array 40 ist aus einer Vielzahl von unidirektional ausgerichteten CNTs 20 gebildet. Mit anderen Worten, das vertikal ausgerichtete CNT-Array 40 ist eine Gruppe von CNTs. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Endabschnitts eines der CNTs 20. Wie in 2 gezeigt, ist das CNT 20 aus einer rohrförmigen Schicht 21 und einer amorphen Schicht 22, die auf der rohrförmigen Schicht 21 aufgebracht ist, gebildet.
Die rohrförmige Schicht 21 weist einen Außendurchmesser (L1 in 2) von 10 nm bis 12 nm und eine Länge von 50 µm bis 200 µm auf und ist aus fünf bis zehn Schichten gebildet. Die rohrförmige Schicht 21 ist mit anderen Worten ein allgemeines CNT, auf das die später beschriebene amorphe Schicht 22 nicht aufgebracht ist.
Die amorphe Schicht 22 ist aus amorphem Kohlenstoff gebildet. Wie in 2 gezeigt, ist die amorphe Schicht 22 auf der Außenumfangsfläche der rohrförmigen Schicht 21 aufgebracht. Die amorphe Schicht 22 weist eine Dicke (L2 in 2) von 5 nm bis 10 nm auf. Vorzugsweise überlappt die amorphe Schicht 22 nicht die amorphe Schicht 22 eines benachbarten CNTs 20.
Der CNT-Verbund 1 ist so beschaffen, dass, wie in 1 gezeigt, eine Vielzahl von CNTs 20 (d.h. das vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Array 40 in einer Richtung von der ersten Fläche 10a in Richtung der zweiten Fläche 10b ausgerichtet ist und an der Basisschicht befestigt ist (imprägniert). Mit anderen Worten ist eine Vielzahl von CNTs 20 in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet und in der Basisschicht 10 eingebettet. Das heißt, die Richtung von der ersten Fläche 10a zur zweiten Fläche 10b ist die gleiche wie die Ausrichtungsrichtung der CNTs 20 (eine solche Richtung kann im Nachfolgenden als „Ausrichtungsrichtung“ bezeichnet werden. Ein Endabschnitt 20a (ein Ende), der einer der gegenüberliegenden Endabschnitte in der Ausrichtungsrichtung eines jeden CNTs 20 ist, liegt an der ersten Fläche 10a der Basisschicht 10 frei. Mit anderen Worten liegt wenigstens einer der gegenüberliegenden Enden in der Ausrichtungsrichtung des vertikal ausgerichteten CNT-Arrays 40 an der ersten Fläche 10a der Basisschicht 10 frei. Im CNT-Verbund 1 ragt der Endabschnitt 20a von der ersten Fläche 10a der Basisschicht 10 um 1 µm bis 50 µm heraus. Die Vielzahl von CNTs 20 sind vorzugsweise derart angeordnet, dass die Anzahl der CNTs 20 pro Quadratzentimeter einer Querschnittsfläche, die senkrecht zu der Ausrichtungsrichtung liegt, 10⁹ bis 10¹⁰ beträgt. Im CNT-Verbund 1 gemäß Ausführungsform 1 ist eine Form eines Bereichs D, der ein Teil einer Ebene ist, die die erste Fläche 10a enthält, und in dem die CNTs 20 freiliegen (ein solcher Bereich wird im Folgenden kurz „Bereich D“ genannt) ein Rechteck (siehe (a) in 1).
(Beispiel der Verwendung des Kohlenstoff-Nanoröhrchens 1)
In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Beispiel der Verwendung des CNT-Verbunds 1 mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 zeigt den CNT-Verbund 1, auf dem sich ein Objekt 30 befindet, (a) In 3 zeigt eine Draufsicht eines solchen CNT-Verbunds 1, und (b) in 3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in (a) der 3.
Wie in (a) und (b) der 3 gezeigt, berühren in einem Fall, in dem das Objekt 30 auf dem CNT-Verbund 1 so platziert wird, dass sich das Objekt 30 innerhalb eines Bereichs befindet, in dem die CNTs 20 freiliegen, die Endabschnitte 20a der CNTs 20 die Oberfläche des Objekts 30. Wenn die Endabschnitte 20a der CNTs 20 die Oberfläche des Objekts 30 berühren, graben sich die Endabschnitte 20a in die Oberfläche des Objekts 30 ein (stecken darin), da der Außendurchmesser eines jeden CNTs 20 lediglich mehrere 10 nm klein ist. Daraus folgt, dass zwischen dem CNT-Verbund und dem Objekt 30 eine sehr große Reibungskraft (Greifkraft) erzeugt wird. Der Haftreibungskoeffizient zwischen dem CNT-Verbund 1 und einer Kupferfolie wurde tatsächlich gemessen und betrug 0,7 und 0,8.
Wie zuvor beschrieben, weisen die CNTs 20 in Ausführungsform 1 jeweils die amorphe Schicht 22 auf, die auf der rohrförmigen Schicht 21 aufgetragen ist. Dies verhindert oder verringert die Wahrscheinlichkeit, dass, wenn sich die CNTs 20 beim Empfangen eines Drucks vom Objekt 30 in der Ausrichtungsrichtung biegen, sich benachbarte CNTs 20 durch van-der-Waals-Kräfte verbinden. Daraus folgt, dass die CNTs 20 in der Lage sind, nach Druckentlastung ihre ursprünglichen Ausrichtungszustände wiederherzustellen. Dadurch ist es möglich, dass der CNT-Verbund 1 seinen hohen Reibungszustand auch nach mehrmaligem Gebrauch beibehält.
Da ferner die CNTs 20 jeweils die amorphe Schicht 22 aufweisen, die auf der rohrförmigen Schicht 21 aufgebracht ist, weisen die CNTs 20 eine höhere Festigkeit und Elastizität als die CNTs auf, die nicht mit der amorphen Schicht 22 ausgebildet sind. Daraus folgt, dass die CNTs 20 auch bei einem Druck des Objekts 30 in Ausrichtungsrichtung weniger anfällig für Brüche sind und nach Druckentlastung ihre ursprünglichen Ausrichtungszustände wiederherstellen können.
Da ferner eine Vielzahl von CNTs 20 ausgerichtet ist, ist der Bereich D zudem stark wasserabweisend. Daraus folgt, dass der CNT-Verbund 1 keine oder nur eine geringe Verringerung der Greifkraft bzw. Griffigkeit aufweist und in der Lage ist, eine große Reibungskraft (Greifkraft) zwischen den Endabschnitten 20a der CNTs 20 und dem Objekt 30 zu erzeugen, auch wenn das Objekt 30 mit Wasser benetzt ist.
Da ferner die CNTs 20 an der Basisschicht 10 befestigt sind, weist die Basisschicht 10 eine verbesserte Verschleißfestigkeit auf.
Der CNT-Verbund 1 gemäß Ausführungsform 1, in dem die Basisschicht 10 aus einem elastischen Material gebildet ist, kann beispielsweise auf einer Sohle eines Schuhs (z. B. Sportschuhe), einem Gummi für einen Tischtennisschläger und dergleichen aufgebracht werden.
Der CNT-Verbund 1 gemäß Ausführungsform 1 ermöglicht es, bei der Anwendung auf einen Schuh eine große Reibungskraft zwischen dem Schuh und dem Boden zu erzeugen. Dadurch ist es möglich, viel Kraft auf den Boden zu übertragen. Da die CNTs 20, wie zuvor beschrieben, wasserabweisend sind, weist der Schuh zudem eine hohe Griffigkeit auf und rutscht nicht, auch wenn der Boden nass ist.
Der CNT-Verbund 1 gemäß Ausführungsform 1 ermöglicht es, bei der Anwendung auf einen Tischtennisschläger eine hohe Reibungskraft zwischen dem Schläger und einem Ball zu erzeugen. Dadurch kann ein Benutzer dem Ball mehr Drall verleihen. Zudem kann der Benutzer den Ball leicht zum Gegner zurückschlagen, selbst wenn der Ball einen hohen Drall aufweist.
Es ist zu beachten, dass, obwohl die Endabschnitte 20a des CNT-Verbunds gemäß der Ausführungsform 1 von der ersten Fläche 10a der Basisschicht 10 nach außen ragen, der CNT-Verbund der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Insbesondere ist der CNT-Verbund der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt, vorausgesetzt, dass wenigstens einer (z. B. Endabschnitt 20a) der gegenüberliegenden Endabschnitte in der Ausrichtungsrichtung der CNTs 20 auf der ersten Fläche 10a der Basisschicht 10 freiliegt. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der CNT-Verbund so angeordnet sein, dass eine Ebene, die durch die Endabschnitte 20a der Vielzahl von CNTs 20 gebildet wird, mit der ersten Fläche 10a der Basisschicht 10 übereinstimmt. Diese Anordnung ermöglicht zudem den Kontakt der Endabschnitte 20a der CNTs 20 mit der Oberfläche des Objekts 30, wodurch es möglich ist, eine sehr große Reibungskraft zwischen dem CNT-Verbund 1 und dem Objekt 30 zu erzeugen.
Es ist ferner zu beachten, dass, obwohl die Basisschicht 10 gemäß Ausführungsform 1 aus einem elastischen Material gebildet ist, die Basisschicht der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der CNT-Verbund derart angeordnet sein, dass die Basisschicht 10 abgesehen von elastischen Materialien aus einem Polymermaterial besteht. Die Basisschicht 10 kann beispielsweise aus einem Harz (thermoplastisches Harz, wärmehärtendes Harz) oder einem Metall bestehen. Der CNT-Verbund 1 kann auch als wiederverwendbares Klebeelement verwendet werden.
(Verfahren zur Herstellung des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds 1)
In der Nachfolgenden Beschreibung wird ein Verfahren zur Herstellung des CNT-Verbunds gemäß Ausführungsform 1 unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
(a) bis (f) der 4 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines CNT-Verbunds 1.
Das Verfahren zur Herstellung eines CNT-Verbunds 1 gemäß Ausführungsform 1 umfasst: einen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Herstellungsschritt (CNT-Herstellungsschritt); einen Polymermaterialaufbringungsschritt; und einen Übertragungsschritt.
Der CNT-Herstellungsschritt umfasst das Herstellen, auf einem Substrat B1, einer Vielzahl von unidirektional (senkrecht zum Substrat B1) ausgerichteten CNTs 20, die mit amorphem Kohlenstoff beschichtet sind (siehe (a) der 4).
Das Substrat B1 ist eine dünne Stahlfolie (z. B. ein Edelstahlblech mit einer Dicke von 20 µm bis zu mehreren Millimetern). Das Substrat B1 wird auf folgende Weise hergestellt: ein Substrat wird gewaschen (z. B. mit Alkali); anschließend wird ein passiver Film aus Siliziumdioxid, Aluminiumdioxid oder dergleichen auf der Oberseite des Substrats gebildet; und es werden feine katalytische Teilchen eines Metalls auf die Oberseite des passiven Films aufgebracht. Das Metall aus feinen katalytischen Teilchen ist beispielsweise Eisen (Fe), Kobalt (Co) oder Nickel (Ni).
Im CNT-Herstellungsschritt wird zunächst das Substrat B1 in eine Heizkammer gelegt, die auf einem vorgegebenen Vakuumgrad gehalten wird (z. B. 3 kPa bis 50 kPa, vorzugsweise 3 kPa bis 10 kPa), und die Temperatur des Substrats B1 dann auf eine erste Temperatur (beispielsweise 640 °C bis 720 °C) in einer Mischgasatmosphäre (beispielsweise ein Gemisch aus Stickstoffgas und Wasserstoffgas) erhöht.
Anschließend wird ein Quellengas (z. B. ein kohlenwasserstoffarmes Gas wie Acetylen, Methan oder Butan) der Oberseite des Substrats B1 zugeführt. Dadurch können rohrförmige Kohlenstoffschichten (d. h. CNTs, rohrförmige Schichten 21) auf den feinen katalytischen Teilchen auf der Oberseite des Substrats B1 wachsen, bis sie eine gewünschte Höhe (Länge) erreichen.
Anschließend wird in der vorgenannten Mischgasatmosphäre die Temperatur des Substrats K auf eine zweite Temperatur (z. B. 780 °C bis 840 °C) erhöht, die höher als die erste Temperatur ist.
Anschließend wird das obige Quellengas erneut den CNTs, die auf dem Substrat B1 gebildet sind, zugeführt. Dadurch kann sich auf den Außenflächen der rohrförmigen Schichten 21 eine bestimmte Menge an amorphem Kohlenstoff (d. h. die amorphe Schicht 22) bilden. Anschließend kühlt das Substrat B1 langsam ab, während es das Mischgas aufnimmt. Auf diese Weise werden die rohrförmigen Schichten 21 mit amorphem Kohlenstoff (amorphe Schichten 22) beschichten. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von CNTs 20, die unidirektional (senkrecht zum Substrat B1) ausgerichtet ist, auf dem Substrat B1 gebildet. Das heißt, auf dem Substrat B1 wird das vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Array 40 gebildet.
Der Polymermaterialaufbringungsschritt umfasst das Auftragen einer Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material (d. h. Basisschicht 10) auf ein Substrat B2 (siehe (b) in 4).
Der Übertragungsschritt (Befestigungsschritt) umfasst das Übertragen der Vielzahl von CNTs 20 (d. h., das vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Array 40), die auf dem Substrat B1 gebildet wurde, auf die Basisschicht 10 (d. h. die Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material), die auf dem Substrat B2 aufgebracht ist. Insbesondere wird im Übertragungsschritt zunächst, wie in (c) der 4 gezeigt, die Vielzahl von CNTs 20, die auf dem Substrat B1 vorgesehen ist, in die auf das Substrat B2 aufgebrachte Vorläuferlösung B1 aus elastischem Material in der durch den Pfeil in (c) der 4 angegebenen Richtung eingepresst (eingesetzt). Damit werden die CNTs 20, wie in (d) der 4 gezeigt, in die Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material eingebracht. Anschließend wird die Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material erwärmt (oder getrocknet) und dadurch ausgehärtet. Dies führt zur Bildung der Basisschicht 10, wobei die Vielzahl von CNTs 20 an der Basisschicht 10 befestigt sind.
Anschließend wird das Substrat B1 von den CNTs 20 beispielsweise mit einem Schneidwerkzeug getrennt und, wie in (e) in 4 gezeigt, das Substrat B1 von den CNTs 20 in Aufwärtsrichtung in (e) der 4 weggeschält. In ähnlicher Weise wird das Substrat B2 beispielsweise mit einem Schneidwerkzeug von der Basisschicht 10 getrennt und das Substrat B2 von der Basisschicht 10 in der Abwärtsrichtung in (e) der 4 weggeschält. Auf diese Weise wird die Vielzahl von CNTs 20 auf die Basisschicht 10 übertragen.
Somit ist es möglich, einen CNT-Verbund 1 herzustellen, bei dem die Endabschnitte 20a der CNTs 20 auf der ersten Fläche 10a der Basisschicht 10 freiliegen (siehe (f) in 4).
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl der CNT-Verbund 1 gemäß Ausführungsform 1 derart angeordnet ist, dass der Bereich D ein Rechteck bildet, der CNT-Verbund der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Form des Bereichs D des CNT-Verbunds in jede beliebige Form entsprechend dem Verwendungszweck des CNT-Verbunds geändert werden, indem die Form des Arrays der CNTs 20, die im CNT-Herstellungsschritt gebildet werden, gesteuert wird. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der CNT-Verbund eine Vielzahl von Bereichen D umfassen.
Es sollte beachtet werden, dass die Form eines Bereichs, der durch die Endabschnitte 20a der Vielzahl der auf dem Substrat B hergestellten CNTs 20 gebildet wird (dieser Bereich ist mit anderen Worten das vertikal ausgerichtete CNT-Array 40), geändert werden kann, indem im CNT-Herstellungsschritt gesteuert wird, wo auf dem Substrat B1 die feinen katalytischen Teilchen aufgetragen werden. Dadurch ist es möglich, die Form des Bereichs D in jede beliebige Form zu ändern. 5 zeigt weitere Beispiele der Form des Bereichs D. Im CNT-Herstellungsschritt können die feinen katalytischen Teilchen auf das Substrat B1 in der Form eines Rings (Kreises) oder in der Form einer unterbrochenen Linie aufgebracht werden, wodurch es möglich ist, einen Bereich D in der Form eines Rings (Bereich D1 in 5) oder einen Bereich D in der Form einer unterbrochenen Linie (Bereich D2 in 5) zu bilden. Dies ermöglicht auch eine Konfiguration, bei der eine Vielzahl von vertikal ausgerichteten CNT-Arrays 40 in einer Vielzahl von Bereichen freigelegt ist, wie in 5 gezeigt.
<Modifikation 1>
In der nachfolgenden Beschreibung wird ein CNT-Verbund 1A mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, der eine Abwandlung des CNT-Verbunds 1 gemäß Ausführungsform 1 ist. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden die Elemente mit identischen Funktionen wie die in Ausführungsform 1 beschriebenen mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Konfiguration des CNT-Verbunds 1A. Wie in 6 gezeigt, ist der CNT-Verbund 1A derart angeordnet, dass die Endabschnitte 20b der Vielzahl von CNTs 20 (d. h. das vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Array 40), die sich gegenüber den Endabschnitten 20a in der Ausrichtungsrichtung befinden, auf der zweiten Fläche 10b der Basisschicht 10 freiliegen. Eine Ebene, die durch die Endabschnitte 20b gebildet wird, stimmt mit der zweiten Fläche 10b der Basisschicht 10 überein. Durch diese Anordnung weist der CNT-Verbund 1A Bereiche mit hoher Reibung (d. h., Bereiche, in denen die CNTs 20 freiliegen) an zwei gegenüberliegenden Ebenen (d. h. eine Ebene, die die erste Fläche 10a enthält, und eine Ebene, die die zweite Fläche 10b enthält) auf.
In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Verfahren zur Herstellung eines CNT-Verbunds 1A gemäß der Modifikation 1 mit Bezug auf 7 beschrieben. (a) bis (d) in 7 zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines CNT-Verbunds 1.
Das Verfahren zur Herstellung eines CNT-Verbunds 1 gemäß der Modifikation 1 umfasst: einen CNT-Herstellungsschritt; einen Polymermaterialfüllschritt; einen Polymermaterialhärtungsschritt; und einen Schälschritt. Der CNT-Herstellungsschritt entspricht dem in Ausführungsform 1 beschriebenen, und somit wird auf eine Beschreibung desselben verzichtet.
Der Polymermaterialfüllschritt umfasst das Fließen einer Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material, die durch Lösen eines Vorläufers aus elastischem Material in einem organischen Lösungsmittel (z. B. Aceton) erhalten wird, in Spalten zwischen einer Vielzahl von CNTs 20, die auf dem Substrat B1 ausgebildet sind, um dadurch die Spalten zwischen den CNTs 20 mit der Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material zu füllen (siehe (a) und (b) in 7). Die Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material wird derart in die Spalten gefüllt, dass die Endabschnitte 20a aus der Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material um 1 nm bis 50 nm herausragen. Es sollte beachtet werden, dass der Polymermaterialfüllschritt vorzugsweise unter Unterdruck durchgeführt wird. Dadurch kann die Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material leichter in die Spalten zwischen der Vielzahl von CNTs 20 fließen.
Der Polymermaterialhärtungsschritt (Befestigungsschritt) umfasst das Aushärten der Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material, die in die Spalten zwischen der Vielzahl von CNTs 20 in dem Polymermaterialfüllschritt gefüllt wurde, durch Erhitzen (oder Trocknen) der Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material. Der Polymermaterialhärtungsschritt führt zur Bildung der Basisschicht 10, wie in (c) der 7 gezeigt, wodurch die Vielzahl von CNTs 20 (d. h., das vertikal ausgerichtete CNT-Array 40) an der Basisschicht 10 befestigt wird.
Der Schälschritt umfasst das Trennen des Substrats B1 und der CNTs 20 voneinander, beispielsweise mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs, und das Schälen des Substrats B1 von den CNTs 20 in Abwärtsrichtung in (c) der 7.
Auf diese Weise ist es möglich, einen CNT-Verbund 1A herzustellen, bei dem die ersten Endabschnitte 20a der CNTs 20 auf der ersten Fläche 10a der Basisschicht 10 und die zweiten den ersten Endabschnitten 20a gegenüberliegenden Endabschnitte 20b der CNTs 20 auf der zweiten Fläche 10b der Basisschicht 10 freiliegen (siehe (d) in 7).
Ausführungsform 2
Im Nachfolgenden wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden Elemente mit identischen Funktionen wie in der Ausführungsform 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet.
(Konfiguration des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds 1B)
Im Nachfolgenden wird eine Konfiguration eines CNT-Verbunds 1B gemäß Ausführungsform 2 mit Bezug auf 8 beschrieben. 8 zeigt eine Konfiguration des CNT-Verbunds 1B. (a) in 8 zeigt eine Draufsicht des CNT-Verbunds 1B, und (b) in 8 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in (a) in 8. Wie in 8 gezeigt, umfasst der CNT-Verbund 1B eine Basisschicht 10A und die CNTs 20.
Die Basisschicht 10A umfasst eine erste Schicht 11 und eine zweite Schicht 12.
Die erste Schicht 11 ist aus einem elastischen Material (wie beispielsweise Kautschuk), das ein Polymermaterial ist, gebildet. Die erste Schicht 11 weist eine erste Fläche 11a und eine zweite Fläche 11b, die der ersten Fläche 11 a gegenüberliegt, auf. Die erste Fläche 11a und die zweite Fläche 11b sind in der Ausrichtungsrichtung der CNTs 20 einander zugewandt.
Die zweite Schicht 12 ist aus einem Harz gebildet, das ein Polymermaterial ist. Die zweite Schicht 12 weist eine erste Fläche 12a und eine zweite Fläche 12b auf, die einander gegenüberliegen. Die erste Fläche 12a liegt an der zweiten Fläche 12b der ersten Schicht 11 an.
Der CNT-Verbund 1B ist derart angeordnet, dass die Endabschnitte 20a der CNTs 20 auf der ersten Fläche 11a der ersten Schicht 11 freiliegen, und dass die den Endabschnitten 20a gegenüberliegenden Endabschnitte 20b der CNTs 20 innerhalb der zweiten Schicht 20 angeordnet sind.
Wie zuvor beschrieben, umfasst die Basisschicht 10A gemäß Ausführungsform 2 die erste Schicht 11 aus einem elastischen Material und die zweite Schicht 12 aus einem Harz. Der derart angeordnete CNT-Verbund 1A ist auf einer Seite elastisch und auf der anderen Seite sehr steif. Das heißt, der CNT-Verbund 1B weist mehrere Funktionen auf.
Darüber hinaus ist im CNT-Verbund 1B eine Vielzahl von CNTs 20 so angeordnet, dass sie in der ersten Schicht 11 und der zweiten Schicht 12 vorhanden ist. Die derart angeordneten CNTs 20 verstärken die Verbindung zwischen der ersten Schicht 11 und der zweiten Schicht 12 (mit anderen Worten sorgen die CNTs 20 für einen Ankereffekt). Dadurch kann verhindert oder verringert werden, dass sich die erste Schicht 11 und die zweite Schicht 12 voneinander lösen.
(Verfahren zur Herstellung des Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds 1B)
Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines CNT-Verbunds 1B gemäß Ausführungsform 2 mit Bezug auf 9 beschrieben. (a) bis (f) der 9 zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines CNT-Verbunds 1B.
Das Verfahren zur Herstellung eines CNT-Verbunds 1B gemäß Ausführungsform 2 umfasst: einen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Herstellungsschritt (CNT-Herstellungsschritt); einer ersten Polymermaterialaufbringungsschritt; einen zweiten Polymermaterialaufbringungsschritt; einen Übertragungsschritt; einen Polymermaterialhärtungsschritt; und einen Schälschritt. Der CNT-Herstellungsschritt entspricht dem der Ausführungsform 1, und somit wird auf eine Beschreibung desselben verzichtet.
Der erste Polymermaterialaufbringungsschritt ist im Wesentlichen der gleiche wie der Polymermaterialaufbringungsschritt der Ausführungsform 1, mit der Ausnahme, dass die auf das Substrat B1 aufgebrachte Vorläuferlösung eine Harzvorläuferlösung P2 (d. h. zweite Schicht 12) ist. Somit wird auf eine ausführliche Beschreibung des ersten Polymermaterialaufbringungsschritts verzichtet.
Der zweite Polymermaterialaufbringungsschritt umfasst auf Auftragen einer Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material (d. h. erste Schicht 11) beispielsweise durch ein Rakelverfahren (siehe (a) und (b) in 9) auf die Harzvorläuferlösung P2, die auf dem Substrat B2 aufgetragen ist.
Der Übertragungsschritt umfasst das Übertragen einer Vielzahl von CNTs 20, die auf dem Substrat P1 ausgebildet sind, auf die Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material und die Harzvorläuferlösung P2, die auf dem Substrat B2 aufgetragen ist. Insbesondere wird in dem Übertragungsschritt zunächst, wie in (c) in 9 gezeigt, die Vielzahl von CNTs 20, die auf dem Substrat B1 vorgesehen sind, in die Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material und die Harzvorläuferlösung P2, das auf dem Substrat B2 aufgetragen ist, in der durch den Pfeil (nach unten) in (c) der 9 gezeigten Richtung eingepresst. Dies wird solange durchgeführt, bis die Endabschnitte 20b der Vielzahl von CNTs 20 das Innere der Harzvorläuferlösung P2 erreichen. Dadurch werden die CNTs 20 in die Vorläuferlösung P1 und die Harzvorläuferlösung P2 eingesetzt (siehe (d) in 9).
Der Polymermaterialhärtungsschritt umfasst das Aushärten der Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material und der Harzvorläuferlösung P2 durch Erhitzen (oder Trocknen) der Vorläuferlösung P1 aus elastischem Material und der Harzvorläuferlösung P2. Dies führt zur Bildung der Basisschicht 10A, und dadurch wird die Vielzahl von CNTs 20 an der Basisschicht 10A befestigt.
Der Schälschritt umfasst das Schälen der Basisschicht 10A (zweite Schicht 12) von dem Substrat B2 und das Schälen der Vielzahl von CNTs 20 von dem Substrat B1 (siehe (e) in 9). Insbesondere werden das Substrat B1 und die CNTs 20 voneinander getrennt, beispielsweise unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs, und das Substrat B1 wird in der Aufwärtsrichtung in (e) in 9 von den CNTs 20 weggeschält. In ähnlicher Weise werden das Substrat B2 und die Basisschicht 10A (zweite Schicht 12) voneinander getrennt, beispielsweise unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs, und das Substrat B2 wird von der Basisschicht 10A in der Abwärtsrichtung in (e) in 9 weggeschält. Auf diese Weise wird die Vielzahl von CNTs 20 auf die Basisschicht 10A übertragen.
Somit ist es möglich, einen CNT-Verbund 1B zu bilden, in dem die Endabschnitte 20a der CNTs 20 auf der ersten Fläche 10a der ersten Schichten 10 der Basisschicht 10A freiliegen, und in dem die Endabschnitte 20b, die den Endabschnitten 20a gegenüberliegen, der CNTs 20 innerhalb der zweiten Schicht 12 angeordnet sind (siehe (f) in 9).
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl der CNT-Verbund 1B gemäß Ausführungsform 2 derart ausgebildet ist, dass die Basisschicht 10A aus zwei Schichten besteht (erste Schicht 11 und zweite Schicht 12), der CNT-Verbund der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Basisschicht 10 des CNT-Verbunds aus drei oder mehr Schichten gebildet sein. Dadurch ist es möglich, einen CNT-Verbund zu bilden, der drei oder mehr Funktionen aufweist (solche andere Funktionen als die zuvor erwähnten umfassen eine Wärmeableitungsfunktion und eine Wasserdichtigkeitsfunktion). Daher kann der CNT-Verbund gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beispielsweise auf ein wärmeableitendes Material aufgebracht werden. In einem Fall, in dem die Basisschicht aus drei oder mehr Schichten besteht, kann der CNT-Verbund so gebildet sein, dass die CNTs 20 in allen Schichten vorhanden sind, oder er kann so gebildet sein, dass die CNTs 20 nur in einer Schicht vorhanden sind, die eine Oberfläche des CNT-Verbunds bildet. Alternativ kann der CNT-Verbund derart ausgebildet sein, dass die CNTs 20 in wenigstens einer, aber nicht in allen Schichten vorhanden ist.
Die bisher beschriebenen Ausführungsformen befassen sich mit Anordnungen, in denen eine Vielzahl von CNTs 20, die auf dem Substrat B1 gebildet ist, auf eine Basisschicht übertragen und anschließend das Substrat B1 von den CNTs 20 geschält wird. Es sollte beachtet werden, dass jedoch ein Verfahren zur Herstellung eines CNT-Verbunds der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die nachfolgende Anordnung verwendet werden: eine Vielzahl von CNTs 20 wird vom Substrat B1 getrennt (weggeschält), beispielsweise unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs, und dadurch wird zunächst eine Folie, die aus der Vielzahl von CNTs 20 gebildet ist, hergestellt; und anschließend werden die CNTs 20 in der Form der Folie auf eine Basisschicht übertragen (befestigt).
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, sondern kann von einem Fachmann im Rahmen der Ansprüche geändert werden. Die vorliegende Erfindung umfasst in ihrem technischen Umfang auch alle Ausführungsformen, die durch die Kombination technischer Merkmale entstehen, die in unterschiedlichen Ausführungsformen offenbart sind.
Bezugszeichenliste

1, 1A, 1B: Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund (CNT-Verbundstoff)
10, 1A: Basisschicht
20: Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT)
20a: Endabschnitt
22: amorphe Schicht (amorpher Kohlenstoff)
40: vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Arrays (vertikal ausgerichtete CNT-Arrays)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5199753 [0004]

Claims

Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund, umfassend: vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die mit amorphem Kohlenstoff beschichtet sind; und eine Basisschicht, an der die vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen befestigt sind, wobei jedes der vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein erstes Ende und ein zweites entgegengesetztes Ende in einer Ausrichtungsrichtung der vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist, wobei das erste Ende und/oder das zweite entgegengesetzte Ende an einer Außenseite der Basisschicht freiliegt.
Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund nach Anspruch 1, wobei die Basisschicht aus mindestens zwei Schichten besteht, die in Ausrichtungsrichtung übereinandergestapelt sind, wobei die mindestens zwei Schichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien gebildet sind.
Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund nach Anspruch 2, wobei die vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in den mindestens zwei Schichten vorhanden sind.
Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Basisschicht eine Schicht umfasst, die ein elastisches Material enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchenverbunds, wobei das Verfahren umfasst: einen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Herstellungsschritt, umfassend das Herstellen von vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf einem Substrat und das Auftragen von amorphem Kohlenstoff auf die vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen; und einen Befestigungsschritt, umfassend das Befestigen der vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen an einer Basisschicht.