JP2004149334A - Process and apparatus for manufacturing carbon nanotube - Google Patents

Process and apparatus for manufacturing carbon nanotube Download PDF

Info

Publication number
JP2004149334A
JP2004149334A JP2002314126A JP2002314126A JP2004149334A JP 2004149334 A JP2004149334 A JP 2004149334A JP 2002314126 A JP2002314126 A JP 2002314126A JP 2002314126 A JP2002314126 A JP 2002314126A JP 2004149334 A JP2004149334 A JP 2004149334A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cathode
anode
arc discharge
carbon
carbon nanotubes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2002314126A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3835394B2 (en
Inventor
Yasuhiko Nishi
泰彦 西
Takamine Mukai
敬峰 向井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Engineering Corp
Original Assignee
JFE Engineering Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JFE Engineering Corp filed Critical JFE Engineering Corp
Priority to JP2002314126A priority Critical patent/JP3835394B2/en
Publication of JP2004149334A publication Critical patent/JP2004149334A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3835394B2 publication Critical patent/JP3835394B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process for manufacturing a carbon nanotube, which process simplifies its manufacturing apparatus and increases the synthetic ratio of the produced carbon nanotube; and a manufacturing apparatus therefor. <P>SOLUTION: In the process, the carbon nanotube is synthesized by performing DC arc discharge using a cathode 1 made of a carbon material. Here, the whole of or the arc discharge part of the carbon cathode material is pre-heated before performing arc discharge between the whole or the arc discharge part of the carbon cathode material and an anode 3. The relative positions of the cathode and the anode are changed while performing DC arc discharge. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はアーク放電法によってカーボンナノチューブを製造するカーボンナノチューブの製造方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
カーボンナノチューブとは、炭素原子が6角形に規則正しく並んだグラフェンシートが円筒形に丸まったものであり、特異な物性を有していることから、新素材として注目されている。このようなカーボンナノチューブは、2つの炭素材料間にてアーク放電を行うことにより、陰極側の炭素電極側に凝集する堆積物中及びアーク周辺部に飛散する煤状物中に形成されることが知られている。そして、アーク放電法によってカーボンナノチューブの収率を向上させるための技術が種々提案されている。
【0003】
例えば、希ガス中でアーク放電し、カーボンを蒸発させた後凝縮させてカーボンナノチューブを形成させるに際し、希ガスで満たされた反応チャンバーの温度範囲を1000℃〜4000℃としてアーク放電することで、長さと直径の分布のそろったカーボンナノチューブを製造するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、炭素陽極と炭素陰極の両方を円筒形状のカーボンヒータで覆い、カーボンヒータの放熱温度が500℃〜2000℃となるようにしてアーク放電を行うようにすることで、生成されるカーボンナノチューブの純度及び収量を増加させるようにしたものもある(例えば、特許文献2参照)。
さらに、炭素電極からなる陽極の先端部分を加熱した後、アーク放電することにより均質なカーボンナノチューブを効率よく生成することが出来るとしているものもある(例えば、特許文献3参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平6−157016号公報
【特許文献2】
特開2000−203820号公報
【特許文献3】
特開2000−344505号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1のように反応チャンバー全体の温度を上げる場合、製造装置が複雑になるという問題がある。
また、両電極または陽極のみを加熱する場合は、陽極電極の消耗量が大きい割りにカーボンナノチューブの合成比率が低いという問題がある。
【0006】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、製造装置の単純化ができると共に生成されるカーボンナノチューブの合成比率を高めることを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法は、炭素材料からなる陰極を用いて直流アーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブを合成するものであって、陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部を予熱してから陽極との間にアーク放電を行うものである。
【0008】
また、陰極と陽極の相対位置を移動させながら直流アーク放電を行うものである。
【0009】
また、アーク放電中において、陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部をアーク放電とは別の加熱手段によって加熱するものである。
【0010】
また、予熱温度を500℃〜2000℃とすることを特徴とするものである。
【0011】
また、予熱方法を高周波誘導加熱または別電極によるアーク放電またはレーザー照射による加熱または別電源による通電加熱とすることを特徴とするものである。
【0012】
また、陽極を冷却することを特徴とするものである。
【0013】
また、本発明に係るカーボンナノチューブの製造装置は、炭素材料からなる陰極電極と、該陰極電極と所定の間隔を離して対向配置された陽極電極と、該陽極電極及び前記陰極電極に接続されてこれらの電極間にアーク放電を起こさせるアーク放電用電源と、前記陰極電極全体または前記陰極電極のアーク放電部を加熱する加熱手段と、を備えたものである。
【0014】
また、陰極電極と陽極電極を相対的に移動させる移動手段を備えたものである。
【0015】
また、加熱手段は、高周波誘導加熱装置または別電極によるアーク放電装置またはレーザーまたは別電源による通電加熱装置であることを特徴とするものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
具体的な実施の形態を説明する前に、本発明がなされるに至った経緯を説明する。
アーク放電によるカーボンナノチューブ合成の一般的な考えは、主として陽極炭素電極から発生した炭素蒸気および炭素イオンが陰極側に拡散し、陽極より温度の低い陰極電極表面にて凝縮することによりカーボンナノチューブ(特に多層カーボンナノチューブ)が合成されるというものである。
そのため、陰極の温度は低い方がカーボンナノチューブの成長速度が速く、陰極材料は耐熱性導電材料であれば炭素材料である必要もないと考えられている。
このような考えを前提として、陽極からの炭素蒸気および炭素イオンを増加させることがカーボンナノチューブの合成比率を高めることに大きく寄与するものとされていた。
このため、従来例で示したようにカーボンナノチューブの収量を大きくするために、反応系全体、あるいは陽極の加熱が行われていたのである。
【0017】
しかしながら、本願の発明者の実験によると、陽極からの炭素蒸気および炭素イオンのみを増加させても黒鉛質炭素紛もしくは非晶質炭素紛が陰極表面に多量に付着し、カーボンナノチューブの合成比率の低いものしか生成できなかった。
そこで、本願の発明者は種々実験を繰り返した結果、カーボンナノチューブの合成比率を高める最も重要なファクターは陽極温度を高くすることではなく、カーボンナノチューブが生成される陰極の温度制御が最も重要なファクターであり、陰極温度を適正な温度範囲に保つことこそが純度の高いカーボンナノチューブを生成する上で重要であるとの知見を得た。
【0018】
本発明はこのような知見に基づくものであり、従来、陽極温度のみに着目していたことからの発想の転換を図った結果生まれたものである。以下、本願発明の具体的な実施の形態について説明する。
【0019】
実施の形態1.
図1は本発明の一実施の形態の構成説明図であり、カーボンナノチューブ製造装置の基本的な構成を示したものである。
本実施の形態のカーボンナノチューブ製造装置は、炭素材料からなる炭素陰極1、炭素材料からなる陽極3、アーク放電発生用直流電源5、陰極予熱手段7、陽極冷却手段9から構成されている。
【0020】
炭素陰極1と陽極3は適当な間隙を介して配置され、それぞれアーク放電発生用直流電源5に接続される。炭素陰極1と陽極3は反応チャンバーに入れてもよいし、あるいは容器外の大気雰囲気下でも構わない。 陰極加熱手段7は、例えばYAGレーザのようにレーザ照射により炭素陰極1の放電発生部を予熱もしくは加熱できるものであればよい。陽極冷却手段9は、例えば陽極3の放電発生部近傍に取り付けられた水冷銅であり、放電発生部近傍の陽極外周を冷却する。
【0021】
また、陽極側には、図示していない放電ガス供給手段が設けられており、例えば不活性ガス好ましくはArガス、およびこれらのガスを含む混合ガスを、陽極3から陰極1に至る放電発生空間に、陽極側から陰極側に向けて連続供給できるように構成されている。ここに言う放電発生空間とは、陽極側から陰極側に至るアーク発生空間をいう。このように、放電発生空間に不活性ガスを連続供給することで、ガスの電離度が高くなってガス流経路に沿ってアークが発生し、その陰極点の移動が抑制される。これによって、固定された陰極点で高純度のカーボンナノチューブが合成されることになる。
【0022】
次に、以上のように構成されたカーボンナノチューブ製造装置によってカーボンナノチューブを製造する方法を説明する。
陰極加熱手段7により、炭素陰極1の放電発生部を予熱すると共に陽極冷却手段9によって陽極の放電発生部近傍を冷却する。この状態で放電用ガス供給手段から放電発生空間に不活性ガスを供給してアーク放電を行う。
【0023】
このとき、炭素陰極1の放電発生部が予熱されており、炭素陰極表面にはカーボンナノチューブが成長しやすい温度域の領域が形成されている。このため、アーク放電の開始と共に、この領域でカーボンナノチューブの生成が開始され、その結果カーボンナノチューブ生成量が増大する。ここで、予熱した領域においてカーボンナノチューブ生成量が増大する理由は、予熱した領域にアーク放電がなされることにより、カーボンナノチューブが成長しやすい温度になるためと考えられる。
【0024】
また、陽極冷却手段9による冷却により陽極3の過熱を防ぐことができ、陽極3の過度の蒸発を抑制できる。これにより、蒸発した陽極材料が生成されたカーボンナノチューブ表面に不純物として付着し、純度を下げるのを抑制できる。さらに、陽極3の消耗を抑えることができ、陽極の長寿命化が図られる。
【0025】
(実施例1)
以下、上記実施の形態1の実施例を説明する。
本実施例の各機器等の条件は以下の通りである。
(1)炭素陰極1:板状炭素材料(抵抗値600μΩ・cm)
(2)陽極3:棒状炭素材料
(3)放電用ガス:Arガス(陽極放電発生部に供給)
(4)雰囲気ガス:大気雰囲気
(5)陰極加熱手段:YAGレーザ(ビーム照射径が陰極表面の放電発生部の径とほぼ等しくなるように調整した。)
(6)陽極冷却手段:水冷銅
【0026】
上記の条件の下、板状炭素材料と棒状炭素材料間に適当な間隙を設け、アーク放電用電源より電流を供給し、1秒間アーク放電を行った。
このときレーザ出力を変化させ板状炭素陰極加熱温度と生成したカーボンナノチューブの量を観察した。観察の結果、アーク放電を開始する前のレーザ照射のみで陰極表面が500℃〜2000℃となる予熱を行うことでカーボンナノチューブの生成量が増大していることが確認された。
【0027】
なお、加熱の有無、加熱温度とカーボンナノチューブ生成状態の関係を図2に示す。図2はアークの陰極点中心部の拡大写真である。図2から分かるように、予熱をしなかった場合には、カーボンナノチューブは全く生成されなかった。500℃の予熱をしたものは、カーボンナノチューブが一面に生成されているのが分かる。また、2000℃の予熱をしたものは、カーボンナノチューブが一面に生成されると共に、チューブが長く成長しているのが分かる。2500℃の予熱をしたものは、カーボンナノチューブが見られなかった。これは、2500℃の予熱にアーク放電による発熱が加わると、カーボンナノチューブ生成個所である陰極が過熱され、生成したカーボンナノチューブが昇華あるいは分解するためと思われるが、いずれにしてもカーボンナノチューブの生成量は著しく低下する。
【0028】
この実施例から陰極予熱温度によりカーボンナノチューブ生成量が影響されることが明らかになった。また、炭素陰極の予熱温度についても、500℃〜2000℃とすることが最適であることも分かった。
【0029】
なお、この実施例において予熱をしなかった場合において、カーボンナノチューブが全く生成されなかったが、これはアーク放電時間が1秒と短いためである。
したがって、長時間アーク放電を行い、陰極放電部の温度が上昇して予熱を行った場合と同様な生成条件域に到達すれば、カーボンナノチューブは生成する。
しかしながら、陰極部の温度がカーボンナノチューブが生成する温度域にまで到達するか否かは、陰極炭素材料の大きさ、かさ密度、比熱、熱伝導度、放電条件などにより大きく異なるため、その選定は容易ではない。
これに対して、本発明のように、予熱・加熱を行えば、これらの変動要因にさほど影響されずに高収率でカーボンナノチューブを生成させることが出来る。
【0030】
実施の形態2.
図3は本発明の他の実施の形態の構成説明図であり、図1と同様にカーボンナノチューブ製造装置の基本的な構成を示したものである。図3において、図1に示した構成と同一部分には同一の符号を付している。
本実施の形態のカーボンナノチューブ製造装置は、炭素陰極1、陽極3、アーク放電発生用直流電源5、陰極加熱手段11、陽極冷却手段13、陽極3を炭素陰極1に対して相対的に移動させる移動機構15から構成されている。
【0031】
移動機構15はレール17上を所定速度で走行できる台車19から構成され、台車19に陽極3が取り付けられている。
陰極加熱手段11は陽極3の台車19移動方向前方に設置された高周波誘導加熱装置から構成されている。陰極加熱手段11の設置方法としては陽極冷却手段13に取り付けてもよいし、あるいは台車19に直接取り付けてもよい。
陽極冷却手段13は実施の形態1と同様のものであり、陽極3の放電発生部近傍に設置された水冷銅である。
【0032】
以上のように構成されたカーボンナノチューブ製造装置によってカーボンナノチューブを製造する方法について説明する。
基本的な装置の動作は実施の形態1と同様であり、陰極加熱手段11により、炭素陰極1の放電発生部を予熱すると共に陽極冷却手段13によって陽極3の放電発生部近傍を冷却する。この状態で図示しない放電用ガス供給手段から放電発生空間に不活性ガスを噴射してアーク放電を行いつつ、台車19を所定の速度、例えば10cm/minで移動させる。
【0033】
本実施の形態によれば、陰極加熱手段11が陽極3の前方に配置されているので、台車19の移動と共に放電発生部を予熱することになり、前述した実施の形態1の効果が得られると共に、連続的にカーボンナノチューブの生成を行えるという効果を奏する。
【0034】
なお、上記の実施の形態2においては、炭素陰極1の例として、平板又は角柱状のものを想定し、陽極3が炭素陰極1の表面に沿う方向に移動する例を示した。
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば図4の模式図に示すように、炭素陰極1として円柱状のものを用いて該炭素陰極1を回転させると共に、陽極3を円柱の軸線方向に移動させる。また、このとき炭素陰極1の両端部を交流電源に接続することで抵抗発熱による自己発熱で炭素陰極1全体を加熱するようにしてもよい。このようにすれば、簡単な装置で炭素陰極1の予熱・加熱が実現できる。
【0035】
もっとも、陰極材料が大型となった場合、抵抗発熱にて陰極全体を予熱・加熱するためには、電源の大型化を招くだけでなく、輻射による陰極材料の熱損失も大きく電気使用量の増大を招く。
したがって、このような場合には、図5に示すように、レーザ発振機を陽極3の近傍に設置して、アーク放電の陰極点又は陰極点前方を部分的に加熱するようにしてもよい。
このように、局所的な加熱で足りるのは、カーボンナノチューブの生成は陰極材料の放電発生部の温度のみしか影響しないからである。局所加熱熱源の他の例としては、カーボンナノチューブの生成用の電極とは別の電極によるアーク放電なども考えられる。
【0036】
(実施例2)
以下、上記実施の形態2の実施例を説明する。
本実施例の条件は以下の通りである。
(1)炭素陰極1:平板状炭素材料
(2)陽極3:棒状炭素材料
(3)放電用ガス:Arガス(陽極放電発生部に供給)
(4)雰囲気ガス:大気雰囲気
(5)陰極加熱手段:高周波誘導加熱装置(炭素陰極との間隔:4mm)
(6)陽極冷却手段:水冷銅
(7)台車19移動速度:10cm/min
【0037】
上記の条件で高周波誘導加熱装置の発進周波数を10kHzとして加熱を行うと、高周波誘導加熱のみで陰極温度が800℃に上昇した。
この状態で放電用ガス供給装置よりArガスを放電空間に噴射し、陽極と陰極のあいだにアーク放電を発生させると、高密度・高純度のカーボンナノチューブが生成される。
【0038】
なお、本実施例においては大気中放電時間を5分としたが、陽極を冷却しない場合には消耗が激しく、2分以上の連続放電は不可能であった。これに対して、陽極を水冷したものは放電開始直後に多少消耗するが、その後消耗量が低くなり長時間放電が可能になった。
【0039】
出来上がったカーボンナノチューブの表面を観察すると、陽極を冷却した場合はしない場合に比べ、不純物の付着量が減少していることが観察された。図6はアーク陰極点の中心部の拡大写真であるが、この写真からも陽極冷却の有無による不純物付着状況に違いが顕著に分かる。
【0040】
この実施例の結果から、陰極放電発生部に生成されるカーボンナノチューブに付着・堆積する炭素不純物の多くは陽極からの飛来物であることが確認された。したがって、陽極を冷却することにより必要以上の陽極消耗を抑え、陰極表面に生成されたカーボンナノチューブに不純物となる陽極からの飛散物の堆積を抑制することが可能となるだけでなく、陽極の長寿命化が図れることが実証できた。
【0041】
上記の実施の形態においては、陽極として炭素材料を用いた例を挙げたが、本発明の陽極は炭素材料に限られるものではなく、水冷した銅電極であってもよい。
【0042】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明においては、陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部を予熱してから陽極との間にアーク放電を行うようにしたので、簡単な装置でカーボンナノチューブの収量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の構成の説明図である。
【図2】本発明の一実施の形態に係るカーボンナノチューブ製造方法により得られた陰極堆積物の中心部の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【図3】本発明の他の実施の形態の構成の説明図である。
【図4】本発明の他の実施の形態の他の態様の説明図である。
【図5】本発明の他の実施の形態の他の態様の説明図である。
【図6】本発明の他の実施の形態に係るカーボンナノチューブ製造方法により得られた陰極堆積物の中心部の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【符号の説明】
1 炭素陰極
3 陽極
5 アーク放電用電源
7、11 陰極加熱手段
9、13 陽極冷却手段
15 移動機構
19 台車
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for producing carbon nanotubes for producing carbon nanotubes by an arc discharge method.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART A carbon nanotube is a graphene sheet in which carbon atoms are regularly arranged in a hexagonal shape and is rolled into a cylindrical shape, and has attracted attention as a new material because it has unique physical properties. By performing an arc discharge between two carbon materials, such carbon nanotubes may be formed in deposits that aggregate on the carbon electrode side on the cathode side and in soot that scatters around the arc. Are known. Various techniques have been proposed for improving the yield of carbon nanotubes by an arc discharge method.
[0003]
For example, arc discharge is performed in a rare gas, and when carbon is evaporated and then condensed to form a carbon nanotube, the temperature range of the reaction chamber filled with the rare gas is set to 1000 ° C. to 4000 ° C. to perform arc discharge. A device that produces carbon nanotubes having a uniform distribution of length and diameter is known (for example, see Patent Document 1).
In addition, by covering both the carbon anode and the carbon cathode with a cylindrical carbon heater and performing arc discharge so that the heat radiation temperature of the carbon heater becomes 500 ° C. to 2000 ° C., the carbon nanotube produced is In some cases, the purity and yield are increased (for example, see Patent Document 2).
Further, there is a method in which uniform carbon nanotubes can be efficiently generated by heating the tip of an anode made of a carbon electrode and then performing arc discharge (for example, see Patent Document 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-6-157016 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-203820 [Patent Document 3]
JP 2000-344505 A
[Problems to be solved by the invention]
When the temperature of the entire reaction chamber is increased as in Patent Document 1, there is a problem that the manufacturing apparatus becomes complicated.
In addition, when only both electrodes or the anode are heated, there is a problem that the synthesis ratio of carbon nanotubes is low in spite of the large consumption of the anode electrode.
[0006]
The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to simplify a manufacturing apparatus and to increase a synthesis ratio of generated carbon nanotubes.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The method for producing carbon nanotubes according to the present invention synthesizes carbon nanotubes by performing a DC arc discharge using a cathode made of a carbon material. After the preheating, arc discharge is performed between the anode and the anode.
[0008]
In addition, DC arc discharge is performed while moving the relative positions of the cathode and the anode.
[0009]
During the arc discharge, the whole cathode carbon material or the arc discharge portion of the cathode carbon material is heated by a heating means different from the arc discharge.
[0010]
Further, the preheating temperature is set at 500 ° C. to 2000 ° C.
[0011]
Further, the preheating method is characterized by high-frequency induction heating, arc discharge by another electrode or heating by laser irradiation, or energization heating by another power source.
[0012]
Further, the anode is cooled.
[0013]
In addition, the apparatus for producing carbon nanotubes according to the present invention includes a cathode electrode made of a carbon material, an anode electrode disposed to face the cathode electrode at a predetermined distance from the cathode electrode, and connected to the anode electrode and the cathode electrode. An arc discharge power supply for causing arc discharge between these electrodes, and a heating means for heating the entire cathode electrode or an arc discharge portion of the cathode electrode are provided.
[0014]
Further, a moving means for relatively moving the cathode electrode and the anode electrode is provided.
[0015]
Further, the heating means is a high-frequency induction heating device, an arc discharge device using another electrode, or an energization heating device using a laser or another power source.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Before describing a specific embodiment, the circumstances that led to the present invention will be described.
The general idea of carbon nanotube synthesis by arc discharge is mainly that carbon vapor and carbon ions generated from the anode carbon electrode diffuse to the cathode side and condense on the surface of the cathode electrode, which is lower in temperature than the anode. Multi-walled carbon nanotubes) are synthesized.
Therefore, it is considered that the lower the temperature of the cathode, the faster the growth rate of the carbon nanotubes, and the cathode material does not need to be a carbon material as long as it is a heat-resistant conductive material.
Based on this idea, it has been considered that increasing carbon vapor and carbon ions from the anode greatly contributes to increasing the synthesis ratio of carbon nanotubes.
For this reason, as shown in the conventional example, the entire reaction system or the anode is heated in order to increase the yield of carbon nanotubes.
[0017]
However, according to experiments performed by the inventor of the present application, even if only carbon vapor and carbon ions from the anode were increased, a large amount of graphitic carbon powder or amorphous carbon powder adhered to the cathode surface, and the synthesis ratio of carbon nanotubes was reduced. Only low ones could be generated.
Therefore, as a result of repeating various experiments, the inventor of the present application has found that the most important factor to increase the synthesis ratio of carbon nanotubes is not to increase the anode temperature, but to control the temperature of the cathode where carbon nanotubes are generated is the most important factor. Thus, it was found that maintaining the cathode temperature within an appropriate temperature range is important for producing high-purity carbon nanotubes.
[0018]
The present invention is based on such knowledge, and has been produced as a result of a change in idea from focusing on only the anode temperature in the past. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described.
[0019]
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration explanatory view of one embodiment of the present invention, and shows a basic configuration of a carbon nanotube manufacturing apparatus.
The apparatus for producing carbon nanotubes of the present embodiment includes a carbon cathode 1 made of a carbon material, an anode 3 made of a carbon material, a DC power supply 5 for generating arc discharge, a cathode preheating means 7, and an anode cooling means 9.
[0020]
The carbon cathode 1 and the anode 3 are arranged with an appropriate gap therebetween, and are connected to a DC power supply 5 for generating arc discharge. The carbon cathode 1 and the anode 3 may be placed in a reaction chamber, or may be in an atmosphere outside the container. The cathode heating means 7 may be any means capable of preheating or heating the discharge generating portion of the carbon cathode 1 by laser irradiation, such as a YAG laser. The anode cooling means 9 is, for example, water-cooled copper attached near the discharge generating portion of the anode 3, and cools the outer periphery of the anode near the discharge generating portion.
[0021]
Discharge gas supply means (not shown) is provided on the anode side. For example, an inert gas, preferably Ar gas, and a mixed gas containing these gases are supplied to a discharge generating space from the anode 3 to the cathode 1. In addition, it is configured such that it can be continuously supplied from the anode side to the cathode side. The term "discharge generating space" used herein refers to an arc generating space extending from the anode side to the cathode side. Thus, by continuously supplying the inert gas to the discharge generating space, the degree of ionization of the gas is increased, an arc is generated along the gas flow path, and the movement of the cathode point is suppressed. As a result, high-purity carbon nanotubes are synthesized at the fixed cathode spot.
[0022]
Next, a method of manufacturing carbon nanotubes by the carbon nanotube manufacturing apparatus configured as described above will be described.
The discharge generating part of the carbon cathode 1 is preheated by the cathode heating means 7 and the vicinity of the discharge generating part of the anode is cooled by the anode cooling means 9. In this state, an inert gas is supplied from the discharge gas supply means to the discharge generating space to perform arc discharge.
[0023]
At this time, the discharge generating portion of the carbon cathode 1 is preheated, and a region in a temperature range where carbon nanotubes are easily grown is formed on the surface of the carbon cathode. For this reason, at the same time as the start of the arc discharge, generation of carbon nanotubes is started in this region, and as a result, the amount of carbon nanotube generation increases. Here, it is considered that the reason why the amount of generated carbon nanotubes increases in the preheated region is that an arc discharge is performed in the preheated region, so that the temperature becomes such that the carbon nanotubes easily grow.
[0024]
In addition, overheating of the anode 3 can be prevented by cooling by the anode cooling means 9, and excessive evaporation of the anode 3 can be suppressed. Thus, it is possible to prevent the evaporated anode material from adhering to the surface of the generated carbon nanotube as an impurity and lowering the purity. Furthermore, the consumption of the anode 3 can be suppressed, and the life of the anode can be extended.
[0025]
(Example 1)
Hereinafter, an example of the first embodiment will be described.
The conditions of each device and the like in the present embodiment are as follows.
(1) Carbon cathode 1: plate-like carbon material (resistance value 600 μΩ · cm)
(2) Anode 3: rod-shaped carbon material (3) Discharge gas: Ar gas (supplied to anode discharge generating section)
(4) Atmospheric gas: Atmospheric atmosphere (5) Cathode heating means: YAG laser (adjusted so that the beam irradiation diameter was almost equal to the diameter of the discharge generating portion on the cathode surface)
(6) Anode cooling means: water-cooled copper
Under the above conditions, an appropriate gap was provided between the plate-like carbon material and the rod-like carbon material, current was supplied from an arc discharge power source, and arc discharge was performed for 1 second.
At this time, the laser output was changed, and the heating temperature of the plate-shaped carbon cathode and the amount of the generated carbon nanotubes were observed. As a result of the observation, it was confirmed that the amount of carbon nanotubes generated was increased by preheating the cathode surface to 500 ° C. to 2000 ° C. only by laser irradiation before starting the arc discharge.
[0027]
FIG. 2 shows the relationship between the presence or absence of heating, the heating temperature, and the state of carbon nanotube formation. FIG. 2 is an enlarged photograph of the center of the cathode point of the arc. As can be seen from FIG. 2, no carbon nanotubes were produced without preheating. It can be seen that the carbon nanotubes preheated at 500 ° C. have carbon nanotubes formed all over the surface. In addition, it can be seen that the carbon nanotubes preheated at 2000 ° C. have carbon nanotubes formed all over the surface and the tubes are growing long. Carbon nanotubes were not observed in the sample preheated at 2500 ° C. This is thought to be because if the heat generated by the arc discharge is added to the preheating at 2500 ° C., the cathode, which is the place where carbon nanotubes are generated, is overheated and the generated carbon nanotubes sublime or decompose. The amount drops significantly.
[0028]
From this example, it became clear that the amount of carbon nanotubes produced was affected by the cathode preheating temperature. It was also found that the preheating temperature of the carbon cathode was optimally set to 500 ° C to 2000 ° C.
[0029]
It should be noted that no carbon nanotubes were generated at all without preheating in this example because the arc discharge time was as short as 1 second.
Therefore, when the arc discharge is performed for a long time and the temperature of the cathode discharge section rises to reach a generation condition range similar to the case where preheating is performed, carbon nanotubes are generated.
However, whether the temperature of the cathode reaches the temperature range where carbon nanotubes are generated or not depends greatly on the size, bulk density, specific heat, thermal conductivity, discharge conditions, etc. of the cathode carbon material. It's not easy.
On the other hand, if preheating and heating are performed as in the present invention, carbon nanotubes can be produced at a high yield without being greatly affected by these fluctuation factors.
[0030]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 3 is an explanatory view of the configuration of another embodiment of the present invention, and shows a basic configuration of a carbon nanotube manufacturing apparatus as in FIG. 3, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
The carbon nanotube manufacturing apparatus of the present embodiment moves the carbon cathode 1, the anode 3, the DC power supply 5 for generating arc discharge, the cathode heating means 11, the anode cooling means 13, and the anode 3 relatively to the carbon cathode 1. The moving mechanism 15 is configured.
[0031]
The moving mechanism 15 is composed of a carriage 19 that can run on a rail 17 at a predetermined speed, and the anode 3 is attached to the carriage 19.
The cathode heating means 11 is constituted by a high-frequency induction heating device installed in front of the anode 3 in the moving direction of the carriage 19. As a method of installing the cathode heating means 11, the cathode heating means 11 may be attached to the anode cooling means 13 or may be directly attached to the carriage 19.
The anode cooling means 13 is the same as that of the first embodiment, and is made of water-cooled copper placed near the discharge generating portion of the anode 3.
[0032]
A method for manufacturing carbon nanotubes by the carbon nanotube manufacturing apparatus configured as described above will be described.
The basic operation of the apparatus is the same as that of the first embodiment. The cathode heating means 11 preheats the discharge generating part of the carbon cathode 1 and the anode cooling means 13 cools the vicinity of the discharge generating part of the anode 3. In this state, the carriage 19 is moved at a predetermined speed, for example, 10 cm / min, while performing an arc discharge by injecting an inert gas from a discharge gas supply unit (not shown) into the discharge generating space.
[0033]
According to the present embodiment, since the cathode heating means 11 is disposed in front of the anode 3, the discharge generating portion is preheated together with the movement of the carriage 19, and the effect of the first embodiment is obtained. In addition, there is an effect that carbon nanotubes can be continuously generated.
[0034]
In the above-described second embodiment, an example in which the anode 3 moves in the direction along the surface of the carbon cathode 1 has been described assuming that the carbon cathode 1 is a flat plate or a prism.
However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in the schematic diagram of FIG. 4, a carbon cathode is used as the carbon cathode 1 and the carbon cathode 1 is rotated, and the anode 3 is connected to the axis of the cylinder. Move in the direction. At this time, both ends of the carbon cathode 1 may be connected to an AC power supply to heat the entire carbon cathode 1 by self-heating due to resistance heating. In this way, preheating and heating of the carbon cathode 1 can be realized with a simple device.
[0035]
However, when the cathode material becomes large, preheating and heating the entire cathode by resistance heating not only causes an increase in the size of the power supply, but also increases the heat loss of the cathode material due to radiation and increases the amount of electricity used. Invite.
Therefore, in such a case, as shown in FIG. 5, a laser oscillator may be installed near the anode 3 to partially heat the cathode point or the front of the cathode point of the arc discharge.
Thus, local heating is sufficient because the generation of carbon nanotubes affects only the temperature of the discharge generating portion of the cathode material. As another example of the local heating heat source, an arc discharge using an electrode different from the electrode for generating carbon nanotubes can be considered.
[0036]
(Example 2)
Hereinafter, examples of the second embodiment will be described.
The conditions of the present embodiment are as follows.
(1) Carbon cathode 1: Plate-like carbon material (2) Anode 3: Rod-like carbon material (3) Discharge gas: Ar gas (supplied to anode discharge generating section)
(4) Atmospheric gas: Atmospheric atmosphere (5) Cathode heating means: High-frequency induction heating device (interval with carbon cathode: 4 mm)
(6) Anode cooling means: water-cooled copper (7) Truck 19 Moving speed: 10 cm / min
[0037]
When heating was performed with the starting frequency of the high-frequency induction heating device being 10 kHz under the above conditions, the cathode temperature was increased to 800 ° C. only by the high-frequency induction heating.
In this state, when Ar gas is injected into the discharge space from the discharge gas supply device to generate an arc discharge between the anode and the cathode, carbon nanotubes with high density and high purity are generated.
[0038]
In this example, the discharge time in the atmosphere was set to 5 minutes. However, when the anode was not cooled, the anode was greatly consumed and continuous discharge for 2 minutes or more was impossible. On the other hand, the water-cooled anode was slightly consumed immediately after the start of the discharge, but the consumption was reduced thereafter and the discharge was possible for a long time.
[0039]
When observing the surface of the completed carbon nanotube, it was observed that the amount of adhered impurities decreased when the anode was cooled as compared with the case where the anode was not cooled. FIG. 6 is an enlarged photograph of the central portion of the arc cathode spot. From this photograph, the difference in the state of impurity deposition depending on the presence or absence of anode cooling can be clearly seen.
[0040]
From the results of this example, it was confirmed that most of the carbon impurities adhering to and depositing on the carbon nanotubes generated in the cathode discharge generating portion were flying objects from the anode. Therefore, by cooling the anode, unnecessary anode consumption can be suppressed, and not only carbon nanotubes generated on the cathode surface can be prevented from depositing scattered matter from the anode as impurities, but also the length of the anode can be reduced. It was demonstrated that the life could be extended.
[0041]
In the above embodiment, an example in which a carbon material is used as the anode has been described. However, the anode of the present invention is not limited to the carbon material, and may be a water-cooled copper electrode.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, since the arc discharge is performed between the anode and the anode after preheating the entire cathode carbon material or the arc discharge part of the cathode carbon material, the yield of carbon nanotubes can be reduced with a simple device. Can be more.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a central portion of a cathode deposit obtained by the method for producing carbon nanotubes according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a configuration of another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of another aspect of another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of another aspect of another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a central portion of a cathode deposit obtained by a method of manufacturing a carbon nanotube according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon cathode 3 Anode 5 Power supply for arc discharge 7, 11 Cathode heating means 9, 13 Anode cooling means 15 Moving mechanism 19 Dolly

Claims (9)

炭素材料からなる陰極を用いて直流アーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブを合成するカーボンナノチューブの製造方法であって、
陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部を予熱してから陽極との間にアーク放電を行うことを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
A carbon nanotube production method for synthesizing carbon nanotubes by performing a DC arc discharge using a cathode made of a carbon material,
A method for producing carbon nanotubes, wherein an arc discharge is performed between an anode and an anode after preheating the entire cathode carbon material or an arc discharge portion of the cathode carbon material.
陰極と陽極の相対位置を移動させながら直流アーク放電を行うことを特徴とする請求項1記載のカーボンナノチューブの製造方法。2. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein DC arc discharge is performed while moving the relative positions of the cathode and the anode. アーク放電中において、陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部をアーク放電とは別の加熱手段によって加熱することを特徴とする請求項1又は2記載のカーボンナノチューブの製造方法。3. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein, during the arc discharge, the entire cathode carbon material or an arc discharge portion of the cathode carbon material is heated by a heating means different from the arc discharge. 予熱温度を500℃〜2000℃とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。The method for producing carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 3, wherein the preheating temperature is from 500C to 2000C. 予熱方法を高周波誘導加熱または別電極によるアーク放電またはレーザー照射による加熱または別電源による通電加熱とすることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。A method for producing carbon nanotubes, characterized in that the preheating method is high-frequency induction heating, arc discharge by another electrode or heating by laser irradiation, or energization heating by another power source. 陽極を冷却することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。The method for producing a carbon nanotube according to any one of claims 1 to 5, wherein the anode is cooled. 炭素材料からなる陰極電極と、該陰極電極と所定の間隔を離して対向配置された陽極電極と、該陽極電極及び前記陰極電極に接続されてこれらの電極間にアーク放電を起こさせるアーク放電用電源と、前記陰極電極全体または前記陰極電極のアーク放電部を加熱する加熱手段と、を備えたことを特徴とするカーボンナノチューブ製造装置。A cathode electrode made of a carbon material, an anode electrode opposed to the cathode electrode at a predetermined distance from the cathode electrode, and an arc electrode connected to the anode electrode and the cathode electrode to cause an arc discharge between these electrodes. An apparatus for producing carbon nanotubes, comprising: a power supply; and heating means for heating the entire cathode electrode or an arc discharge portion of the cathode electrode. 陰極電極と陽極電極を相対的に移動させる移動手段を備えたことを特徴とする請求項7記載のカーボンナノチューブ製造装置。The carbon nanotube manufacturing apparatus according to claim 7, further comprising a moving unit that relatively moves the cathode electrode and the anode electrode. 加熱手段は、高周波誘導加熱装置または別電極によるアーク放電装置またはレーザーまたは別電源による通電加熱装置であることを特徴とする請求項7又は8記載のカーボンナノチューブ製造装置。9. The apparatus for producing carbon nanotubes according to claim 7, wherein the heating means is a high-frequency induction heating apparatus, an arc discharge apparatus using another electrode, or an energization heating apparatus using a laser or another power supply.
JP2002314126A 2002-10-29 2002-10-29 Carbon nanotube production method and apparatus Expired - Fee Related JP3835394B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002314126A JP3835394B2 (en) 2002-10-29 2002-10-29 Carbon nanotube production method and apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002314126A JP3835394B2 (en) 2002-10-29 2002-10-29 Carbon nanotube production method and apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004149334A true JP2004149334A (en) 2004-05-27
JP3835394B2 JP3835394B2 (en) 2006-10-18

Family

ID=32458524

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002314126A Expired - Fee Related JP3835394B2 (en) 2002-10-29 2002-10-29 Carbon nanotube production method and apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3835394B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JP3835394B2 (en) 2006-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11919771B2 (en) Boron nitride nanotube synthesis via direct induction
JP3929397B2 (en) Method and apparatus for manufacturing organic EL element
JPH06279015A (en) Production of ultrafine silicon particle
KR101558525B1 (en) The method for fabrication of silicone nano-particle by thermal plasma jet and the silicone nano-particle thereby
JP3835394B2 (en) Carbon nanotube production method and apparatus
WO2001008795A1 (en) Fine particle manufacturing method using laser beam
KR101537216B1 (en) A making process of silicon powder Using Plasma Arc Discharge
JP2006290698A (en) Method of manufacturing carbon nanofiber
Borisenko et al. Growth of carbon nanotubes (CNTs) in electric-arc discharge in argon
JP3941780B2 (en) Carbon nanohorn manufacturing apparatus and carbon nanohorn manufacturing method
RU2447019C2 (en) Method of producing carbon-containing nanotubes
Yen et al. Synthesis of well-aligned carbon nanotubes by inductively coupled plasma chemical vapor deposition
JP2000313608A (en) Production of carbon nanotube and carbon nanotube produced thereby
JP3885710B2 (en) Carbon nanotube production method and apparatus
JP4059795B2 (en) Carbon nanotube growth method
JP3815421B2 (en) Method for producing carbon nanotube
JP2005060116A (en) Method for manufacturing fine particle and manufacturing apparatus for fine particle
JP3885715B2 (en) Method for producing carbon nanotubes by arc discharge
KR200199402Y1 (en) Diamond formation method by laser ablation combined with high voltage discharge plasma cvd
JP2505376B2 (en) Film forming method and apparatus
JP4964447B2 (en) Carbon nanotube production equipment
JP3735674B2 (en) Carbon nanotube growth manufacturing apparatus and carbon nanotube growth manufacturing method
Murooka et al. As-Quenched ARC Products By bulse-Discharge
JPH05279181A (en) Production of hard carbon film
JP2009126720A (en) Apparatus and method for producing carbon nanotube

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050316

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060307

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060427

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060704

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060717

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090804

Year of fee payment: 3

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090804

Year of fee payment: 3

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100804

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100804

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110804

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120804

Year of fee payment: 6

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees