JP2007084377A - Apparatus and method for manufacturing carbon nanotube - Google Patents

Apparatus and method for manufacturing carbon nanotube Download PDF

Info

Publication number
JP2007084377A
JP2007084377A JP2005273992A JP2005273992A JP2007084377A JP 2007084377 A JP2007084377 A JP 2007084377A JP 2005273992 A JP2005273992 A JP 2005273992A JP 2005273992 A JP2005273992 A JP 2005273992A JP 2007084377 A JP2007084377 A JP 2007084377A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
arc plasma
arc
electrodes
heating
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
JP2005273992A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4964447B2 (en
Inventor
Toshio Morimura
利男 森村
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.)
NIPPON PRM KK
Original Assignee
NIPPON PRM KK
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 NIPPON PRM KK filed Critical NIPPON PRM KK
Priority to JP2005273992A priority Critical patent/JP4964447B2/en
Publication of JP2007084377A publication Critical patent/JP2007084377A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4964447B2 publication Critical patent/JP4964447B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for manufacturing carbon nanotubes which can manufacture a large amount of carbon nanotubes by devising extension of the arc plasma region. <P>SOLUTION: The apparatus for manufacturing carbon nanotubes is provided with a hermetically closed reaction container, carbon electrodes arranged in the reaction container and perform arc discharge; and manufactures carbon nanotubes by condensing evaporated carbon after the carbon of the carbon electrodes are evaporated by using the arc discharge as a heat source; and the apparatus is further provided with a heating/warmth-keeping means which is arranged so as to surround a desired extent area spreading between electrodes and heating or warmth-keeping the desired extent area to or at a prescribed temperature to extend the arc plasma region formed between the carbon electrodes. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭素電極間でアーク放電を行い、同アーク放電を熱源として炭素電極の炭素を蒸発させることにより大量のカーボンナノチューブを効率的に製造することが可能なカーボンナノチューブの製造装置及び製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon nanotube production apparatus and production method capable of efficiently producing a large amount of carbon nanotubes by performing arc discharge between carbon electrodes and evaporating carbon of the carbon electrode using the arc discharge as a heat source. About.

カーボンナノチューブは、炭素6員環が連なったグラファイトを円筒状に丸めた形状を有する物質であり、特異な物性を有していることから、将来的に幅広い技術分野への適用が期待されている注目すべき新素材である。現在、カーボンナノチューブの製造方法としては、アーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長法(CVD法)等が用いられており、その中でもアーク放電を利用した製造方法では、欠陥が少なく品質の良いカーボンナノチューブが得られることが知られている。   A carbon nanotube is a substance having a shape obtained by rounding graphite with a series of carbon 6-membered rings into a cylindrical shape, and has unique physical properties. Therefore, it is expected to be applied to a wide range of technical fields in the future. It is a remarkable new material. At present, arc discharge methods, laser evaporation methods, chemical vapor deposition methods (CVD methods), etc. are used as methods for producing carbon nanotubes. Among them, production methods using arc discharge have few defects and quality. It is known that good carbon nanotubes can be obtained.

このアーク放電を利用したカーボンナノチューブの製造では、炭素電極間に電力(アークプラズマ電力)を印加してアーク放電を行い、このアーク放電の熱によって雰囲気に存在するアルゴン、ヘリウム等の不活性ガス分子がプラズマ化して高温のアークプラズマを形成し、このアークプラズマの熱エネルギーによって炭素電極(陽極)の炭素を蒸発させる。さらに蒸発した炭素がアークプラズマ中で原子状態になった後、アークプラズマの中心部から低温部に移動して冷却される過程で凝縮することにより、カーボンナノチューブが生成される。   In the production of carbon nanotubes using arc discharge, arc discharge is performed by applying electric power (arc plasma power) between carbon electrodes, and inert gas molecules such as argon and helium present in the atmosphere by the heat of the arc discharge. Is converted into plasma to form high-temperature arc plasma, and the carbon of the carbon electrode (anode) is evaporated by the thermal energy of the arc plasma. Further, after the evaporated carbon is in an atomic state in the arc plasma, it is condensed in the process of moving from the central portion of the arc plasma to the low temperature portion and being cooled, thereby generating carbon nanotubes.

カーボンナノチューブの製造において基本となる反応は、アークプラズマの熱によって炭素電極から蒸発した炭素構造(六方晶系のグラファイト構造)を有する炭素を、高温アークプラズマ中でプラズマイオン状態(原子状態)に分解し、その後、炭素の降温過程で元の前記炭素構造とは異なるカーボンナノチューブの結晶構造に組換えが生じることによりカーボンナノチューブを生成することである。なお、凝縮とは、炭素が、プラズマイオン化した原子状態からカーボンナノチューブの結晶構造への組換えが生じてカーボンナノチューブが生成されることをいう。一般に、このようなアーク放電方式によるカーボンナノチューブの製造では、前述のように品質の良好なカーボンナノチューブが得られるものの、その収率は前記CVD法等に比べて非常に低く、大量のカーボンナノチューブを効率的に得ることが難しいという問題があった。   The basic reaction in the production of carbon nanotubes is the decomposition of carbon having a carbon structure (hexagonal graphite structure) evaporated from the carbon electrode by the heat of arc plasma into a plasma ion state (atomic state) in high-temperature arc plasma. Then, carbon nanotubes are generated by recombination in the crystal structure of the carbon nanotubes different from the original carbon structure in the process of cooling the carbon. Condensation means that carbon is recombined from the plasma ionized atomic state to the crystal structure of the carbon nanotube to generate carbon nanotubes. In general, in the production of carbon nanotubes by such an arc discharge method, although carbon nanotubes with good quality can be obtained as described above, the yield is very low compared to the CVD method etc. There was a problem that it was difficult to obtain efficiently.

アーク放電方式によるカーボンナノチューブの製造において、例えば特開2002−249306号公報(特許文献1)では、その収率を向上させて効率的にカーボンナノチューブを製造するために、支持部材に複数のロッドを取り付けたカーボンナノチューブ捕集部材を炭素電極の周囲に配して、アーク放電によって生成されたカーボンナノチューブをその捕集部材で捕集することに特徴を有するカーボンナノチューブの製造装置が開示されている。   In the production of carbon nanotubes by the arc discharge method, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-249306 (Patent Document 1), in order to improve the yield and efficiently produce carbon nanotubes, a plurality of rods are attached to a support member. An apparatus for producing carbon nanotubes has been disclosed, which is characterized in that the attached carbon nanotube collecting member is arranged around a carbon electrode and carbon nanotubes generated by arc discharge are collected by the collecting member.

特許文献1によれば、アーク放電法によりカーボンナノチューブを製造する場合、電極の炭素を蒸発させることにより得られる生成物の中には、カーボンナノチューブの他に黒鉛、アモルファスカーボン、触媒金属等の不純物が含まれていることから、この不純物の除去に時間を要するために効率的なカーボンナノチューブの製造を行なうことができないとしている。   According to Patent Document 1, when carbon nanotubes are produced by the arc discharge method, the products obtained by evaporating the carbon of the electrode include impurities such as graphite, amorphous carbon, and catalytic metals in addition to the carbon nanotubes. Therefore, it takes time to remove this impurity, so that it is impossible to efficiently produce carbon nanotubes.

このため、特許文献1に記載の前記製造装置を用いることにより、アーク放電により生成されるカーボンナノチューブを高含有率で含む生成物は、炭素電極の周囲に設けた捕集部材によって捕集することができ、その一方で、アーク放電の副産物である黒鉛、アモルファスカーボン、触媒金属等は、このカーボンナノチューブ捕集部材の間を通過して、反応容器の内壁に付着する。従って、アーク放電終了後、捕集部材にからみついて捕集された生成物を回収することによって、高い収率で、効率的にカーボンナノチューブを製造することが可能であるとしている。
特開2002−249306号公報
For this reason, by using the manufacturing apparatus described in Patent Document 1, a product containing a high content of carbon nanotubes generated by arc discharge is collected by a collecting member provided around the carbon electrode. On the other hand, graphite, amorphous carbon, catalytic metal, and the like, which are byproducts of arc discharge, pass between the carbon nanotube collecting members and adhere to the inner wall of the reaction vessel. Therefore, after the end of the arc discharge, the carbon nanotubes can be efficiently produced with high yield by collecting the product entangled with the collecting member and collected.
JP 2002-249306 A

ところで、前記特許文献1等のような従来のアーク放電方式による製造では、製造装置自体が小規模で、炭素電極間に印加するアークプラズマ電力が10kW前後と小さく(特許文献1では、7kW程度)、また、電極間距離は数ミリ程度に設定されている。   By the way, in the manufacturing by the conventional arc discharge method such as Patent Document 1 described above, the manufacturing apparatus itself is small-scale, and the arc plasma power applied between the carbon electrodes is as small as about 10 kW (in Patent Document 1, about 7 kW). The distance between the electrodes is set to about several millimeters.

このようなアーク放電方式による製造において、カーボンナノチューブの生成量を多くしてカーボンナノチューブの大量生産を実現するためには、炭素電極から蒸発させる炭素の蒸発量を多くし、且つ、その蒸発した炭素から効率的にカーボンナノチューブを生成すれば良く、そのためには、例えば炭素電極からの炭素の蒸発量の拡大、即ち電極表面の炭素蒸発領域の拡大を図ることや、また、蒸発した炭素のプラズマイオン化領域の拡大、即ち炭素のプラズマイオン化を進めるアークプラズマ領域の拡大を図ることが考えられる。   In order to realize mass production of carbon nanotubes by increasing the amount of carbon nanotubes produced in such an arc discharge method, the amount of carbon evaporated from the carbon electrode is increased and the evaporated carbon For this purpose, for example, the carbon evaporation from the carbon electrode can be increased, that is, the carbon evaporation region on the electrode surface can be expanded, and the plasma ionization of the evaporated carbon can be achieved. It is conceivable to expand the region, that is, the arc plasma region that promotes plasma ionization of carbon.

しかし、従来のアーク放電により形成されるアークプラズマにおいては、例えば炭素電極にアーク電流を流すと、その磁気作用によるピンチ効果によってアークプラズマの径が細く絞られてしまい、アークプラズマ領域のコントロールが非常に難しかった。従って、カーボンナノチューブの生成量を増加させるために、炭素電極に流すアークプラズマ電流を単に大きくしても、アークプラズマ領域を大きくすることはできず、このアークプラズマ領域から熱エネルギーを受ける炭素電極の炭素蒸発面を拡大することはできなかった。   However, in the arc plasma formed by the conventional arc discharge, for example, when an arc current is passed through the carbon electrode, the arc plasma diameter is narrowed down by the pinch effect due to the magnetic action, and the arc plasma region is extremely controlled. It was difficult. Therefore, simply increasing the arc plasma current flowing through the carbon electrode to increase the amount of carbon nanotubes produced cannot increase the arc plasma region, and the carbon electrode that receives thermal energy from this arc plasma region cannot be enlarged. The carbon evaporation surface could not be enlarged.

更に、アークプラズマ領域が小さい場合は、炭素電極から蒸発した炭素のプラズマイオン化領域も狭く、炭素蒸気がプラズマイオン化する前にアークプラズマ領域からはじき出されて温度が下がってしまうため、イオン化されないまま元の炭素結晶構造に戻るものが多く発生する。このため、カーボンナノチューブの生成効率が低く、大量生産を図ることが難しいという問題があった。   Furthermore, when the arc plasma region is small, the plasma ionization region of carbon evaporated from the carbon electrode is also narrow, and the carbon vapor is expelled from the arc plasma region before plasma ionization and the temperature is lowered. Many things return to the carbon crystal structure. For this reason, there existed a problem that the production efficiency of a carbon nanotube was low and mass production was difficult.

従って、前記特許文献1に記載されているアーク放電方式によるカーボンナノチューブの製造においては、前述のように炭素電極の周囲に捕集部材を設けて、生成されたカーボンナノチューブの収率を向上させたとしても、カーボンナノチューブの生成効率自体がCVD法等に比べてそもそも低いため、カーボンナノチューブの大量製造には向いてなく、小規模生産にとどまっていた。   Therefore, in the production of carbon nanotubes by the arc discharge method described in Patent Document 1, a collecting member is provided around the carbon electrode as described above to improve the yield of the produced carbon nanotubes. However, since the carbon nanotube production efficiency itself is lower than that of the CVD method or the like, it is not suitable for mass production of carbon nanotubes and is limited to small-scale production.

更に、従来のカーボンナノチューブの製造装置においては、アークプラズマ領域が小さいために単位エネルギー当りの熱放散係数(アークプラズマ塊の比表面積とみなすこともできる)が大きく、また装置全体の断熱対策が何も施されていない。このため、例えばカーボンナノチューブの生成量を増加させるために、装置の大型化を進めてアークプラズマ電力を増大させたとしても、エネルギー損失が非常に大きく、電力消費効率が悪いため、経済性の低下を招いてしまう。またその結果として、装置を構成する部材や材料の耐熱性及び耐久性が低下するという問題もあった。   Furthermore, in the conventional carbon nanotube production apparatus, since the arc plasma region is small, the heat dissipation coefficient per unit energy (which can be regarded as the specific surface area of the arc plasma lump) is large, and what is the heat insulation measure for the entire apparatus. Also not given. For this reason, even if the arc plasma power is increased by increasing the size of the apparatus in order to increase the amount of carbon nanotubes generated, for example, the energy loss is very large and the power consumption efficiency is poor, resulting in a decrease in economic efficiency. Will be invited. Further, as a result, there is a problem that the heat resistance and durability of the members and materials constituting the apparatus are lowered.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、本発明の具体的な目的は、従来では達成が困難であった炭素電極における炭素蒸発面の拡大と、蒸発した炭素のプラズマイオン化領域の拡大とを図ることにより、カーボンナノチューブを効率的に大量製造することが可能なカーボンナノチューブの製造装置及び製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and the specific object of the present invention is to expand the carbon evaporation surface of the carbon electrode, which has been difficult to achieve in the past, and the plasma ionization region of the evaporated carbon. An object of the present invention is to provide a carbon nanotube manufacturing apparatus and manufacturing method capable of efficiently mass-producing carbon nanotubes by enlarging them.

上記目的を達成するために、本発明により提供されるカーボンナノチューブの製造装置は、基本的な構成として、密閉された反応容器と、同反応容器内に配されてアーク放電を行なう炭素電極とを備え、前記アーク放電を熱源として前記炭素電極の炭素を蒸発させた後、同蒸発させた炭素を凝縮させることによりカーボンナノチューブを製造する製造装置であって、前記炭素電極間に広がる所望の広さ領域を取り囲むように配され、且つ、前記所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温して、前記炭素電極間に形成するアークプラズマ領域を拡大する加熱・保温手段を更に備えてなることを最も主要な特徴とするものである。   In order to achieve the above object, a carbon nanotube production apparatus provided by the present invention includes, as a basic configuration, a sealed reaction vessel and a carbon electrode disposed in the reaction vessel and performing arc discharge. A carbon nanotube produced by evaporating carbon of the carbon electrode using the arc discharge as a heat source and then condensing the vaporized carbon, and having a desired area extending between the carbon electrodes A heating / heat-retaining means that is disposed so as to surround the region, and that heats or keeps the desired area wide at a predetermined temperature to expand an arc plasma region formed between the carbon electrodes. It is the main feature.

また、本発明におけるカーボンナノチューブの製造装置では、前記加熱・保温手段が、電気抵抗加熱ヒータで構成されていることが好ましい。
更に、本発明の製造装置において、前記加熱・保温手段は、前記所望の広さ領域を1500℃以上の温度に加熱又は保温してなることが好ましい。
In the carbon nanotube production apparatus according to the present invention, it is preferable that the heating / warming means is an electric resistance heater.
Furthermore, in the manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the heating / warming means heats or keeps the desired area in a temperature of 1500 ° C. or higher.

更にまた、本発明の製造装置では、前記炭素電極は、互いに10mm以上離間して配設することができる。
また、本発明の製造装置においては、前記反応容器の内面に耐火断熱材が設けられていることが好ましい。
Furthermore, in the manufacturing apparatus of the present invention, the carbon electrodes can be disposed at a distance of 10 mm or more.
Moreover, in the manufacturing apparatus of this invention, it is preferable that the fireproof heat insulating material is provided in the inner surface of the said reaction container.

次に、本発明により提供されるカーボンナノチューブの製造方法は、基本的な構成として、炭素電極でアーク放電を行い、同アーク放電を熱源として前記炭素電極の炭素を蒸発させた後、同蒸発させた炭素を凝縮させることによりカーボンナノチューブを製造する方法であって、前記アーク放電を行うときに、前記炭素電極間で所望の広さ領域を取り囲むように配された加熱・保温手段を用いて、同所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温して、前記炭素電極間に形成するアークプラズマ領域を拡大してなることを最も主要な特徴とするものである。   Next, the carbon nanotube production method provided by the present invention has, as a basic structure, arc discharge at a carbon electrode, and after the carbon of the carbon electrode is evaporated using the arc discharge as a heat source, the carbon electrode is evaporated. A method of producing carbon nanotubes by condensing carbon, and when performing the arc discharge, using a heating and heat retaining means arranged so as to surround a desired area between the carbon electrodes, The most important feature is that the arc plasma region formed between the carbon electrodes is enlarged by heating or keeping the desired width region at a predetermined temperature.

本発明に係るカーボンナノチューブの製造装置は、炭素電極間に広がる所望の広さ領域を取り囲むように配された加熱・保温手段を備えており、この加熱・保温手段を用いて、アーク放電時に炭素電極間の所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温するように構成されている。本発明においては、このように加熱・保温手段でアーク放電時に炭素電極間の所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温することにより、炭素電極間にアークプラズマ領域を形成した際に、そのアークプラズマ領域を非加熱時又は非保温時の場合に比べて大幅に拡大させることができる。   An apparatus for producing carbon nanotubes according to the present invention includes heating and heat retaining means arranged so as to surround a desired area extending between carbon electrodes. By using this heating and heat retaining means, a carbon nanotube is produced during arc discharge. A desired area between the electrodes is configured to be heated or kept at a predetermined temperature. In the present invention, when the arc plasma region is formed between the carbon electrodes by heating or keeping the desired area between the carbon electrodes at a predetermined temperature during arc discharge by the heating / heat holding means, The arc plasma region can be greatly enlarged as compared with the case of non-heating or non-heat-retaining.

ここで、加熱・保温手段によりアークプラズマ領域を拡大させるためのアークプラズマの制御機構についてより詳しく説明する。例えば図2にアークプラズマ電力Xとアークプラズマ領域の寸法とのおおよその関係を示すように、炭素電極間に生じるアークプラズマ領域の寸法は、炭素電極に印加するアークプラズマ電力X(kW)が増大するほど大きくなる傾向にある。このアークプラズマ電力Xは、アークプラズマ電流Y(Amp)とアークプラズマ電圧Z(Volt)との積で表され、アークプラズマ電流Yを大きくするとアークプラズマ領域の直径は太くなり、アークプラズマ電圧Zを高くするとアークプラズマ領域の長さは長くなる。従って、炭素電極に対して、より大きなアークプラズマ電流を流し、また、より高いアークプラズマ電圧を加えることにより、アークプラズマ領域の直径及び長さを拡大することが可能となる。   Here, the arc plasma control mechanism for expanding the arc plasma region by the heating and heat retaining means will be described in more detail. For example, as shown in FIG. 2 which shows an approximate relationship between the arc plasma power X and the size of the arc plasma region, the size of the arc plasma region generated between the carbon electrodes increases the arc plasma power X (kW) applied to the carbon electrodes. There is a tendency to become larger. The arc plasma power X is represented by the product of the arc plasma current Y (Amp) and the arc plasma voltage Z (Volt). When the arc plasma current Y is increased, the diameter of the arc plasma region is increased, and the arc plasma voltage Z is Increasing the length increases the length of the arc plasma region. Therefore, it is possible to expand the diameter and length of the arc plasma region by applying a larger arc plasma current to the carbon electrode and applying a higher arc plasma voltage.

一方、従来のカーボンナノチューブの製造において、炭素電極間に形成されるアークプラズマ領域は、前述のようにアーク電流の磁気作用によるピンチ効果によって、その直径が実際には細く絞られてしまうため、アークプラズマ電力を大きくしてもアークプラズマ領域を例えば図2に示したように拡大させることはできなかった。   On the other hand, in the production of conventional carbon nanotubes, the arc plasma region formed between the carbon electrodes is actually narrowed by the pinch effect due to the magnetic action of the arc current as described above. Even if the plasma power was increased, the arc plasma region could not be expanded, for example, as shown in FIG.

従って、本発明では、その対策として、前記加熱・保温手段により炭素電極間の所望の広さ領域を加熱又は保温することにより、炭素電極間に存在するガス分子に、アークプラズマ自体の熱以外の熱、即ち、加熱・保温手段による熱によってエネルギーを与えることで、同ガス分子を活性化してプラズマイオン化させ易くする。これにより、炭素電極間でアーク放電を行なう際に、加熱・保温手段で加熱又は保温された所望の広さ領域内で、例えば前記図2に示すようなアークプラズマ電力Xの値に対応したアークプラズマの寸法(長さ及び径)、又はそれよりも大きな寸法でアークプラズマ領域を形成することが可能となる。   Therefore, in the present invention, as a countermeasure, by heating or keeping a desired area between the carbon electrodes by the heating / heat holding means, the gas molecules existing between the carbon electrodes can have other than the heat of the arc plasma itself. By applying energy by heat, that is, heat generated by the heating / heat-retaining means, the gas molecules are activated to facilitate plasma ionization. As a result, when arc discharge is performed between the carbon electrodes, an arc corresponding to the value of the arc plasma power X as shown in FIG. 2, for example, within a desired area heated or kept warm by the heating / heat keeping means. It is possible to form the arc plasma region with the dimensions (length and diameter) of the plasma or larger dimensions.

このようにアークプラズマ領域を容易に拡大できることにより、炭素電極表面における炭素蒸発面も拡大することができるため、カーボンナノチューブの原料となる炭素の蒸発量を増大させることが可能となる。また、この炭素電極から蒸発した大量の炭素を、拡大させたアークプラズマ領域中で十分にプラズマイオン化させることができ、蒸発した大量の炭素からカーボンナノチューブを効率的に生成することができる。従って、本発明の製造装置によれば、従来ではできなかった炭素電極からの炭素の蒸発量の拡大と、蒸発した炭素のプラズマイオン化領域の拡大とを促進することができ、その結果、アーク放電方式によるカーボンナノチューブの大量製造を行なうことが可能となる。   Since the arc plasma region can be easily expanded in this way, the carbon evaporation surface on the surface of the carbon electrode can also be expanded, so that it is possible to increase the amount of evaporation of carbon that is a raw material for carbon nanotubes. Further, a large amount of carbon evaporated from the carbon electrode can be sufficiently plasma ionized in the expanded arc plasma region, and carbon nanotubes can be efficiently generated from the large amount of evaporated carbon. Therefore, according to the manufacturing apparatus of the present invention, it is possible to promote the expansion of the evaporation amount of carbon from the carbon electrode and the expansion of the plasma ionization region of the evaporated carbon, which could not be performed conventionally, and as a result, arc discharge It is possible to mass-produce carbon nanotubes by the method.

また、本発明のカーボンナノチューブの製造装置においては、アークプラズマ領域を取り囲むように配設する加熱・保温手段が、電気抵抗加熱ヒータで構成されている。これにより、アーク放電時に、加熱・保温手段で取り囲まれた空間の加熱又は保温を安定して行なうことができる。また、電気抵抗加熱ヒータとして、特にカーボン発熱体を用いることにより、耐熱性に非常に優れており、また不純物元素によるカーボンナノチューブの汚染を効果的に防止するといった効果を得ることができる。   Further, in the carbon nanotube manufacturing apparatus of the present invention, the heating and heat retaining means disposed so as to surround the arc plasma region is constituted by an electric resistance heater. Thereby, the heating or heat insulation of the space surrounded by the heating / heat insulation means can be stably performed during arc discharge. In addition, by using a carbon heating element as the electric resistance heater, the heat resistance is extremely excellent, and the effect of effectively preventing contamination of the carbon nanotubes by impurity elements can be obtained.

更に、前記加熱・保温手段は、同加熱・保温手段によって囲まれている所望の広さ領域を1500℃以上、好ましくは2000℃以上の温度に加熱又は保温する。このように加熱・保温手段により1500℃以上の所定の温度で加熱又は保温が行なわれることにより、アーク放電時に領域の炭素、ガス分子のプラズマイオン化が促進されアークプラズマ領域が安定して拡大し、カーボンナノチューブの大量製造を効果的に行なうことができる。   Further, the heating / warming means heats or keeps a desired area surrounded by the heating / heat keeping means at a temperature of 1500 ° C. or higher, preferably 2000 ° C. or higher. In this way, by performing heating or heat insulation at a predetermined temperature of 1500 ° C. or higher by the heating and heat retaining means, the plasma ionization of carbon and gas molecules in the region is promoted during arc discharge, and the arc plasma region is stably expanded. Mass production of carbon nanotubes can be performed effectively.

更にまた、本発明の製造装置では、炭素電極間の距離が10mm以上、好ましくは100mm以上、より好ましくは200mm以上となるように炭素電極を配設することができる。即ち、従来では、アーク放電時に前記ピンチ効果が生じることによりアークプラズマ径が小さくなる結果、アークプラズマの長さも長くすることは難しく、また電力消費効率等も考慮すると、炭素電極間の距離は実際には2〜3mm程度にすることが多かった。   Furthermore, in the production apparatus of the present invention, the carbon electrodes can be arranged so that the distance between the carbon electrodes is 10 mm or more, preferably 100 mm or more, more preferably 200 mm or more. That is, in the past, the arc plasma diameter is reduced due to the pinch effect during arc discharge. As a result, it is difficult to increase the length of the arc plasma, and considering the power consumption efficiency, the distance between the carbon electrodes is actually In many cases, the thickness was about 2 to 3 mm.

また、例え炭素電極に印加するアークプラズマ電力を増大させてアークプラズマ長さを長くすることを試みた場合でも、極めて大きなアークプラズマ電力を印加することが必要とされるため、例えば100mm以上、更には200mm以上離間した炭素電極間にアークプラズマ領域を形成することは極めて困難であった。   Also, even when trying to increase the arc plasma power by increasing the arc plasma power applied to the carbon electrode, it is necessary to apply a very large arc plasma power, for example, 100 mm or more, It was extremely difficult to form an arc plasma region between carbon electrodes separated by 200 mm or more.

具体的には、従来では2mm程度離間した炭素電極間にアークプラズマ領域を形成する場合、約10kWのアークプラズマ電力が炭素電極に与えられる。これを踏まえて、例えば200mm離間した炭素電極間にアークプラズマ領域を形成する場合に、炭素電極に印加するアークプラズマ電力の大きさを単純に比例計算すると、およそ1000kWの電力が必要となる。一方、本発明においては、下記実施形態で詳述するように、炭素電極間を加熱・保温手段で加熱又は保温することにより、1000kWよりも遥かに小さい約150kW程度のアークプラズマ電力によって、200mm離間した炭素電極間にアークプラズマ領域を形成することが可能となる。   Specifically, conventionally, when an arc plasma region is formed between carbon electrodes separated by about 2 mm, an arc plasma power of about 10 kW is applied to the carbon electrodes. Based on this, for example, when an arc plasma region is formed between carbon electrodes separated by 200 mm, if the magnitude of the arc plasma power applied to the carbon electrode is simply proportionally calculated, a power of about 1000 kW is required. On the other hand, in the present invention, as will be described in detail in the following embodiment, by heating or keeping the temperature between the carbon electrodes with a heating / insulating means, the arc plasma power of about 150 kW, which is much smaller than 1000 kW, is separated by 200 mm. An arc plasma region can be formed between the carbon electrodes.

即ち、本発明によれば、従来の製造装置の場合よりも小さなアークプラズマ電力で、長さが10mm以上の大きなアークプラズマ領域を容易に形成することができる。これにより、炭素電極間の距離を従来よりも長くしてアークプラズマ領域を拡大し、カーボンナノチューブをより安定して生成することができる。   That is, according to the present invention, a large arc plasma region having a length of 10 mm or more can be easily formed with a smaller arc plasma power than in the case of a conventional manufacturing apparatus. Thereby, the distance between carbon electrodes can be made longer than before, the arc plasma region can be expanded, and carbon nanotubes can be generated more stably.

また、本発明において、反応容器の内面には耐火断熱材が設けられている。これにより、反応容器を伝導して容器外部に放散される熱を遮断し、熱放散により損失する電力消費を抑制することができる。従って、炭素電極間に大きなアークプラズマ電力をかけてアークプラズマ領域を拡大しても、単位エネルギー当りの熱放散係数を小さくしてアークプラズマの熱効率を高めることができるため、経済性の向上、ひいては製造コストの削減を図ることができる。   Moreover, in this invention, the fireproof heat insulating material is provided in the inner surface of reaction container. Thereby, the heat | fever dissipated by conducting a reaction container and dissipating outside a container can be interrupted | blocked, and the power consumption lost by heat dissipation can be suppressed. Therefore, even if a large arc plasma power is applied between the carbon electrodes to expand the arc plasma region, the heat dissipation coefficient per unit energy can be reduced and the thermal efficiency of the arc plasma can be increased. The manufacturing cost can be reduced.

次に、本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法は、アーク放電を行なうときに、炭素電極間で所望の広さ領域を取り囲むように配された加熱・保温手段を用いて、その所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温することにより、炭素電極間に形成するアークプラズマ領域を拡大させることができる。これにより、炭素電極とプラズマ領域の接触面が増大し、炭素電極表面の炭素蒸発面が拡大されるため、カーボンナノチューブの原料となる炭素の蒸発量を増大させることができる。また、この炭素電極から蒸発した大量の炭素を、拡大させたアークプラズマ領域中で十分にプラズマイオン化させることができるため、蒸発した炭素からカーボンナノチューブを効率的に生成することができ、その結果、大量のカーボンナノチューブを優れた生成効率で安定して製造することができる。   Next, the method for producing a carbon nanotube according to the present invention uses a heating / heat retaining means arranged so as to surround a desired area between the carbon electrodes when performing arc discharge. By heating or keeping the region at a predetermined temperature, the arc plasma region formed between the carbon electrodes can be expanded. As a result, the contact surface between the carbon electrode and the plasma region is increased, and the carbon evaporation surface on the surface of the carbon electrode is enlarged, so that the amount of evaporation of carbon that is a raw material for the carbon nanotube can be increased. In addition, since a large amount of carbon evaporated from the carbon electrode can be sufficiently plasma ionized in the expanded arc plasma region, carbon nanotubes can be efficiently generated from the evaporated carbon. A large amount of carbon nanotubes can be stably produced with excellent production efficiency.

以下、本発明における好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、図1は、本実施形態におけるカーボンナノチューブの製造装置の構成を模式的に表す模式図である。
図1に示したように、本実施形態におけるカーボンナノチューブの製造装置1は、密閉された反応容器5と、この反応容器5内に配されてアーク放電を行なう炭素材料からなる陰極7及び陽極8と、陰極7及び陽極8間に広がる所望の広さ領域(空間)を囲むように配された加熱・保温手段4とを備えている。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the carbon nanotube production apparatus in the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the carbon nanotube production apparatus 1 in the present embodiment includes a sealed reaction vessel 5, and a cathode 7 and an anode 8 made of a carbon material disposed in the reaction vessel 5 and performing arc discharge. And a heating and heat retaining means 4 arranged so as to surround a desired area (space) extending between the cathode 7 and the anode 8.

前記反応容器5は、炭素鋼又はステンレス鋼からなり、この反応容器5には、アルゴンガスやヘリウムガスを反応容器5内に導入できるように不図示のガス供給手段が設けられている。この反応容器5の形状や寸法は特に限定されるものではないが、例えば所定の直径及び長さを有する横型円筒状の反応容器を用いることができる。また、反応容器5の内面には、隙間が生じないように耐火断熱材6が設けられている。   The reaction vessel 5 is made of carbon steel or stainless steel, and this reaction vessel 5 is provided with a gas supply means (not shown) so that argon gas or helium gas can be introduced into the reaction vessel 5. The shape and dimensions of the reaction vessel 5 are not particularly limited. For example, a horizontal cylindrical reaction vessel having a predetermined diameter and length can be used. Further, a refractory heat insulating material 6 is provided on the inner surface of the reaction vessel 5 so as not to cause a gap.

この反応容器5に設けられる耐火断熱材6は、アーク放電時にプラズマアークや加熱・保温手段4の高温の輻射熱や対流熱に晒されるため、耐火断熱材6として、例えば1500℃以上、好ましくは2000℃以上の耐熱性と、良好な断熱性とを有するセラミック耐火断熱板、特にアルミナバブル成型板を用いることが好ましい。このような耐火断熱材6を設けることによって、アーク放電時に反応容器5を伝導して容器外部に放散される熱を遮断し、熱放散により損失する電力消費を抑制すると同時に、反応容器5の溶存や熱変形を防止することができる。更に、反応容器5の外面には、必要に応じて、反応容器5の熱変形を一層防止するために、冷却用水冷蛇管を設けることもできる。   Since the refractory heat insulating material 6 provided in the reaction vessel 5 is exposed to high-temperature radiant heat or convective heat of the plasma arc or the heating / heat retaining means 4 during arc discharge, the refractory heat insulating material 6 is, for example, 1500 ° C. or more, preferably 2000 It is preferable to use a ceramic refractory heat insulating plate having a heat resistance of not lower than ° C. and a good heat insulating property, particularly an alumina bubble molded plate. By providing such a refractory heat insulating material 6, the reaction vessel 5 is conducted during arc discharge, the heat dissipated to the outside of the vessel is cut off, power consumption lost due to heat dissipation is suppressed, and at the same time the dissolution of the reaction vessel 5 is dissolved. And thermal deformation can be prevented. Furthermore, a cooling water-cooled serpentine tube may be provided on the outer surface of the reaction vessel 5 as necessary in order to further prevent thermal deformation of the reaction vessel 5.

前記炭素陰極7及び炭素陽極8の形状及び寸法は、特に限定されるものではないが、例えばカーボンナノチューブの製造を安定して行なえるように、炭素陰極7は、炭素陽極8と同等の直径又は炭素陽極8よりも大きな直径を有していることが好ましい。また、炭素陽極8は、炭素陰極7に対して前後方向に直線的に移動可能なように、不図示の電極移動手段が設けられている。   The shape and dimensions of the carbon cathode 7 and the carbon anode 8 are not particularly limited. For example, the carbon cathode 7 has a diameter equal to or equal to that of the carbon anode 8 so that carbon nanotubes can be stably produced. It is preferable to have a larger diameter than the carbon anode 8. The carbon anode 8 is provided with an electrode moving means (not shown) so that the carbon anode 8 can move linearly in the front-rear direction with respect to the carbon cathode 7.

本実施形態において、これら炭素陰極7及び炭素陽極8間の距離は、従来よりも長い値である10mm以上に設定することができるが、この炭素電極7,8間の距離を更に長く設定し、電極7,8間に形成するアークプラズマ領域3を長くしてアークプラズマ領域3の拡大を図ることによって、カーボンナノチューブの生産効率を更に向上させて大量製造の需要に応えることが可能となる。   In the present embodiment, the distance between the carbon cathode 7 and the carbon anode 8 can be set to 10 mm or more, which is a longer value than before, but the distance between the carbon electrodes 7 and 8 is set to be longer, By making the arc plasma region 3 formed between the electrodes 7 and 8 longer to expand the arc plasma region 3, the production efficiency of carbon nanotubes can be further improved to meet the demand for mass production.

アークプラズマ領域3の寸法は、前述のように、アークプラズマ電流Yを大きくするとアークプラズマ領域の直径は太くなり、アークプラズマ電圧Zを高くするとアークプラズマ領域の長さは長くなる。従って、炭素陰極7及び炭素陽極8間の電極間距離は、カーボンナノチューブを製造する際における電極7,8に印加するアークプラズマ電力の大きさ、特にアークプラズマ電圧の大きさに基づいて設定することが好ましい。   As described above, the arc plasma region 3 has a larger diameter when the arc plasma current Y is increased, and a longer arc plasma region when the arc plasma voltage Z is increased. Accordingly, the interelectrode distance between the carbon cathode 7 and the carbon anode 8 should be set based on the magnitude of the arc plasma power applied to the electrodes 7 and 8 when producing the carbon nanotubes, particularly the magnitude of the arc plasma voltage. Is preferred.

ここで、図3に、アークプラズマ電力X(kW)と、アークプラズマ電流Y(Amp)及びアークプラズマ電圧Z(Volt)との関係を表すグラフを示し、図4に、アークプラズマ電圧Z(Volt)と炭素陰極7及び炭素陽極8間の電極間距離L(mm)との関係を表すグラフを示す。   Here, FIG. 3 shows a graph showing the relationship between the arc plasma power X (kW), the arc plasma current Y (Amp), and the arc plasma voltage Z (Volt), and FIG. 4 shows the arc plasma voltage Z (Volt). ) And the interelectrode distance L (mm) between the carbon cathode 7 and the carbon anode 8 is shown.

本実施形態においては、カーボンナノチューブを大量製造するためにアークプラズマ電力Xの大きさを150kW以上にすることが好ましい。従って、アークプラズマ電圧Zの大きさは、図3に示した関係から、従来一般的に実施されているカーボンナノチューブの製造条件(装置の運転条件)よりも高い200V以上にすることができる。   In the present embodiment, it is preferable that the magnitude of the arc plasma power X is 150 kW or more in order to mass-produce carbon nanotubes. Therefore, the magnitude of the arc plasma voltage Z can be set to 200 V or higher, which is higher than the carbon nanotube manufacturing conditions (operating conditions of the apparatus) that are generally performed conventionally, from the relationship shown in FIG.

また、このように200V以上のアークプラズマ電圧Zを印加した場合、長さが200mm以上のアークプラズマ領域を安定して形成することが可能となる。従って、カーボンナノチューブを製造する際には、生産効率を考慮して、炭素電極7,8間の距離Lは、炭素電極7,8に印加するアークプラズマ電力で形成可能な最長のアークプラズマ領域の長さ以下の範囲で任意に選択することができ、例えば炭素電極7,8間の距離Lを前記のように10mm以上、好ましくは100mm以上、更に好ましくは200mm以上に設定することができる。なお、炭素電極7,8間の距離Lは、例えば前記電極移動手段(不図示)を用いることによって容易に変更することができる。   In addition, when an arc plasma voltage Z of 200 V or more is applied in this way, an arc plasma region having a length of 200 mm or more can be stably formed. Therefore, when manufacturing carbon nanotubes, considering the production efficiency, the distance L between the carbon electrodes 7 and 8 is the longest arc plasma region that can be formed by the arc plasma power applied to the carbon electrodes 7 and 8. For example, the distance L between the carbon electrodes 7 and 8 can be set to 10 mm or more, preferably 100 mm or more, and more preferably 200 mm or more as described above. In addition, the distance L between the carbon electrodes 7 and 8 can be easily changed by using, for example, the electrode moving means (not shown).

前記加熱・保温手段4は、炭素陰極7と炭素陽極8との間に広がる所望の広さ領域(空間)を取り囲むように配設されている。加熱・保温手段4は、炭素電極7,8間でアーク放電を行なう際に、加熱・保温手段4で囲まれた領域のガス分子を加熱し、同ガス分子に熱によるエネルギーを与えることにより活性化してプラズマイオン化することによって、炭素電極7,8間に生じるアークプラズマ領域3を拡大させることができる。   The heating / warming means 4 is disposed so as to surround a desired area (space) extending between the carbon cathode 7 and the carbon anode 8. When the arc discharge is performed between the carbon electrodes 7 and 8, the heating / warming means 4 is activated by heating gas molecules in a region surrounded by the heating / warming means 4 and applying energy to the gas molecules by heat. By converting to plasma ionization, the arc plasma region 3 generated between the carbon electrodes 7 and 8 can be expanded.

この加熱・保温手段4は、電気抵抗加熱ヒータで構成されており、例えばタングステンのような融点3000℃以上の高融点金属発熱体、炭化珪素のような高耐熱性炭素化合物、又はカーボン発熱体等を用いることができ、特にその中でも、耐熱性や不純物元素による製品の汚染を考慮するとカーボン発熱体を用いることが好ましい。   This heating and heat retaining means 4 is composed of an electric resistance heater, for example, a refractory metal heating element having a melting point of 3000 ° C. or higher such as tungsten, a high heat resistant carbon compound such as silicon carbide, or a carbon heating element. Among them, it is particularly preferable to use a carbon heating element in consideration of heat resistance and contamination of the product by an impurity element.

また、加熱・保温手段4は、炭素電極7,8間に広がる所望の広さ領域を取り囲めるように円筒形状を有している。この加熱・保温手段4において、その発熱部有効長さは、陰極7及び陽極8間の電極間距離の大きさに等しくすることが好ましく、また円筒形状の内径は、電極7,8間の所望の広さ領域を十分に囲めるように、太い側の炭素電極、例えば炭素陰極7の直径の1.2倍以上の大きさにすることが好ましい。なお、加熱・保温手段4は、炭素電極7,8や同炭素電極7,8を支持する電極支持具(不図示)と接触しないように、所定の位置に設けられている。   Further, the heating / heat retaining means 4 has a cylindrical shape so as to surround a desired area extending between the carbon electrodes 7 and 8. In this heating / heat retaining means 4, the effective length of the heat generating part is preferably equal to the distance between the cathode 7 and the anode 8, and the cylindrical inner diameter is desired between the electrodes 7 and 8. It is preferable to make the diameter of the carbon electrode on the thick side, for example, 1.2 times or more the diameter of the carbon cathode 7 so as to sufficiently surround the wide area. The heating and heat retaining means 4 is provided at a predetermined position so as not to come into contact with the carbon electrodes 7 and 8 and an electrode support (not shown) that supports the carbon electrodes 7 and 8.

本実施形態における製造装置1においては、カーボンナノチューブを大量製造するために、所定の大きさの炭素陽極8の電極径D(mm)とアークプラズマ電力X(kW)とが選定される。炭素陽極8の電極径Dは、アークプラズマ3との接触面(即ち、炭素陽極8表面の炭素蒸発面)を広くして、炭素の蒸発量を増大させるために、陽極8及び陰極7間に印加するアークプラズマ電力Xに対して次式(1)により求められる。
電極径D(mm)=アークプラズマ電力X(kW)×0.65 …(1)
In the manufacturing apparatus 1 in the present embodiment, in order to manufacture a large number of carbon nanotubes, the electrode diameter D (mm) of the carbon anode 8 having a predetermined size and the arc plasma power X (kW) are selected. The electrode diameter D of the carbon anode 8 is set so that the contact surface with the arc plasma 3 (that is, the carbon evaporation surface on the surface of the carbon anode 8) is widened to increase the amount of carbon evaporation between the anode 8 and the cathode 7. It calculates | requires by following Formula (1) with respect to the arc plasma electric power X to apply.
Electrode diameter D (mm) = arc plasma power X (kW) × 0.65 (1)

但し、アークプラズマ電力Xは、アークプラズマ領域3を安定して形成しカーボンナノチューブの大量製造を可能とするために、X≧150kWとすることが好ましい。例えば従来における炭素電極径は数mm程度であり、その炭素電極に印加されるアークプラズマ電力も10kW程度であったが、本実施形態のようにアークプラズマ電力Xを150kW以上とし、このアークプラズマ電力Xの大きさに応じて炭素陽極8の電極径Dを例えば97.5mm以上にすることによって、炭素陽極8の炭素蒸発面を拡大し、炭素陽極8からの炭素蒸発量を増大させることができる。   However, the arc plasma power X is preferably X ≧ 150 kW in order to stably form the arc plasma region 3 and enable mass production of carbon nanotubes. For example, the conventional carbon electrode diameter is about several millimeters and the arc plasma power applied to the carbon electrode is about 10 kW. However, the arc plasma power X is set to 150 kW or more as in this embodiment, and this arc plasma power is used. By setting the electrode diameter D of the carbon anode 8 to 97.5 mm or more according to the size of X, for example, the carbon evaporation surface of the carbon anode 8 can be expanded, and the amount of carbon evaporation from the carbon anode 8 can be increased. .

また、アークプラズマ電力X(kW)の大きさは、炭素陽極8の炭素蒸発面に十分なエネルギーを与えて、炭素蒸発面からの炭素の蒸発速度を大きくするために、炭素蒸発面の蒸発面積S(mm2)に応じて次式(2)により求められた値、又はその近似の値を用いることができる。
アークプラズマ電力X(kW)=蒸発面積S(mm2)×0.076 …(2)
但し、蒸発面積Sの大きさは、十分な炭素蒸発量を得るために、S≧2000mm2とすることが好ましい。
Further, the magnitude of the arc plasma power X (kW) gives sufficient energy to the carbon evaporation surface of the carbon anode 8 to increase the evaporation rate of carbon from the carbon evaporation surface. A value obtained by the following equation (2) according to S (mm 2 ) or an approximate value thereof can be used.
Arc plasma power X (kW) = evaporation area S (mm 2 ) × 0.076 (2)
However, the size of the evaporation area S is preferably S ≧ 2000 mm 2 in order to obtain a sufficient amount of carbon evaporation.

なお、本実施形態においては、例えば前記式(1)を用いて炭素陽極8の電極径Dを求める際に所定の値のアークプラズマ電力Xを選定し、またそれとは別に、前記式(2)を用いて蒸発面積Sからアークプラズマ電力Xの値を求めた後、これら2つの値を比較して大きい値の方を、アークプラズマ電力Xの値として採用することもできる。   In the present embodiment, for example, when the electrode diameter D of the carbon anode 8 is obtained using the equation (1), a predetermined value of the arc plasma power X is selected, and separately from the equation (2) After obtaining the value of the arc plasma power X from the evaporation area S using the above, the two values are compared, and the larger value can be adopted as the value of the arc plasma power X.

本実施形態においては、上記のようなカーボンナノチューブの製造装置1を用いることにより、以下のようにしてカーボンナノチューブを大量製造することができる。
カーボンナノチューブの製造を行なう際には、先ず、反応容器5内にヘリウムガスを導入するとともに、反応容器5内の圧力を266Pa(200Torr)に保持した後、加熱・保温手段4により、炭素電極間で加熱・保温手段4によって囲まれた空間を1500℃以上、好ましくは2000℃以上の温度に加熱して、炭素電極7,8間の空間を所定の温度に維持する。
In the present embodiment, by using the carbon nanotube production apparatus 1 as described above, a large number of carbon nanotubes can be produced as follows.
When carbon nanotubes are produced, first, helium gas is introduced into the reaction vessel 5 and the pressure in the reaction vessel 5 is maintained at 266 Pa (200 Torr). The space surrounded by the heating and heat retaining means 4 is heated to a temperature of 1500 ° C. or higher, preferably 2000 ° C. or higher, and the space between the carbon electrodes 7 and 8 is maintained at a predetermined temperature.

次に、炭素電極7,8間の電極間距離が例えば200mmとなるように電極移動手段(不図示)を用いて陽極8の位置を調節し、炭素電極7,8間に150kWのアークプラズマ電力(アークプラズマ電流:750A、アークプラズマ電圧:200V)を印加することによりアーク放電を行なって、炭素電極7,8間にアークプラズマ領域3を形成する。   Next, the position of the anode 8 is adjusted using an electrode moving means (not shown) such that the distance between the carbon electrodes 7 and 8 is, for example, 200 mm, and an arc plasma power of 150 kW between the carbon electrodes 7 and 8 is obtained. Arc discharge is performed by applying (arc plasma current: 750 A, arc plasma voltage: 200 V), and the arc plasma region 3 is formed between the carbon electrodes 7 and 8.

このようなアーク放電を行なう際に、従来では、アークプラズマ電流の磁気作用によるピンチ効果によってアークプラズマの径が細く絞られてしまうため、例えば図5(b)に示したように、炭素電極7,8間に径の細いアークプラズマ領域9が形成される。   When such arc discharge is performed, conventionally, the diameter of the arc plasma is narrowed down by the pinch effect due to the magnetic action of the arc plasma current. Therefore, for example, as shown in FIG. , 8, an arc plasma region 9 having a small diameter is formed.

しかし、本実施形態においては、炭素電極7,8間の空間が加熱・保温手段4によって加熱されているため、炭素電極7,8間に存在するガス分子は、アークプラズマ自体の熱と加熱・保温手段4による熱の双方によりエネルギーが与えられることによって活性化してプラズマイオン化する。このため、炭素電極7,8間に形成するアークプラズマが細く絞られることを防いで、アークプラズマ領域を従来よりも大幅に拡大することができ、例えば図5(a)に示したように、炭素電極7,8間に大きなアークプラズマ領域3を形成することができる。   However, in this embodiment, since the space between the carbon electrodes 7 and 8 is heated by the heating and heat retaining means 4, the gas molecules existing between the carbon electrodes 7 and 8 are heated and heated by the arc plasma itself. When energy is applied by both heat from the heat retaining means 4, it is activated and plasma ionized. For this reason, it is possible to prevent the arc plasma formed between the carbon electrodes 7 and 8 from being narrowed down and to greatly expand the arc plasma region as compared with the prior art. For example, as shown in FIG. A large arc plasma region 3 can be formed between the carbon electrodes 7 and 8.

このように炭素電極7,8間に形成されるアークプラズマ領域3が従来よりも大幅に拡大されることによって、炭素陽極8におけるの炭素蒸発面も拡大されるため、炭素の蒸発量を増大させることができる。また、この炭素電極から蒸発した大量の炭素は、拡大させたアークプラズマ領域3内で十分にイオン化させた後に凝縮させることができるため、蒸発した炭素からカーボンナノチューブを非常に効率的に生成することができる。   As described above, the arc plasma region 3 formed between the carbon electrodes 7 and 8 is greatly enlarged as compared with the conventional case, so that the carbon evaporation surface in the carbon anode 8 is also enlarged, so that the amount of evaporation of carbon is increased. be able to. Further, since a large amount of carbon evaporated from the carbon electrode can be condensed after sufficiently ionized in the expanded arc plasma region 3, carbon nanotubes can be generated very efficiently from the evaporated carbon. Can do.

即ち、本実施形態によれば、上述のようなアーク放電を所定時間行なうことにより、アークプラズマ領域3が大幅に拡大されて、炭素電極8の炭素蒸発領域を拡大するとともに、蒸発した炭素のプラズマイオン化領域も拡大することができる。このため、カーボンナノチューブの生成を効率的に行なって、単位時間当たりのカーボンナノチューブの生成量を大幅に増加させることができる。また同時に、反応容器5の内面に耐火断熱材6を配設したことにより、電力消費効率の向上を図ることができるため、従来では達成することができなかったカーボンナノチューブの大量製造を安定して行なって、安価で良好な品質のカーボンナノチューブを提供することができる。   That is, according to the present embodiment, by performing the arc discharge as described above for a predetermined time, the arc plasma region 3 is greatly expanded to expand the carbon evaporation region of the carbon electrode 8, and the evaporated carbon plasma. The ionization area can also be enlarged. For this reason, the production | generation of a carbon nanotube can be performed efficiently and the production amount of the carbon nanotube per unit time can be increased significantly. At the same time, by arranging the refractory heat insulating material 6 on the inner surface of the reaction vessel 5, it is possible to improve the power consumption efficiency, so that mass production of carbon nanotubes that could not be achieved in the past can be stably performed. As a result, it is possible to provide carbon nanotubes of good quality at low cost.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例においては、図1に示した前記カーボンナノチューブの製造装置1を用いて、カーボンナノチューブの製造を2時間行なった場合について説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In the following examples, a case where carbon nanotubes are produced for 2 hours using the carbon nanotube production apparatus 1 shown in FIG. 1 will be described.

本実施例においては、カーボンナノチューブの製造を行なうに際し、先ず、炭素電極7,8の電極径を、前記式(1)に基づいて求めた。なお、本実施例では、陰極7と陽極8の電極径は等しくさせ、また、これら炭素電極7,8間に印加するプラズマアーク電力を、例えば炭素電極7,8間に形成するアークプラズマ領域3の大きさ等を考慮して、150kWと選定した。従って、炭素電極7,8の電極径Dは、前記式(1)に従って以下のようにして求めた。
電極径D(mm)=150(kW)×0.65=97.5(mm)
In this example, when manufacturing the carbon nanotubes, first, the electrode diameters of the carbon electrodes 7 and 8 were obtained based on the formula (1). In the present embodiment, the electrode diameters of the cathode 7 and the anode 8 are made equal, and the plasma arc power applied between the carbon electrodes 7 and 8 is, for example, an arc plasma region 3 formed between the carbon electrodes 7 and 8. In consideration of the size and the like, 150 kW was selected. Therefore, the electrode diameter D of the carbon electrodes 7 and 8 was calculated | required as follows according to said Formula (1).
Electrode diameter D (mm) = 150 (kW) × 0.65 = 97.5 (mm)

なお、前記式(1)によって求めた電極径Dの値(97.5mm)が、既製品の4インチ径炭素電極(人造黒鉛電極、直径102mm)に近似する値であるため、本実施例においては、炭素電極7,8として、この4インチ径炭素電極を使用することにした。更に、炭素電極7,8の電極間距離Lについては、プラズマアーク電力値150kW(即ち、アークプラズマ電圧は200V)に基づいて、200mmに設定した。   In addition, since the value (97.5 mm) of the electrode diameter D obtained by the above formula (1) is a value that approximates a ready-made 4-inch diameter carbon electrode (artificial graphite electrode, diameter 102 mm), Decided to use this 4-inch diameter carbon electrode as the carbon electrodes 7,8. Further, the interelectrode distance L between the carbon electrodes 7 and 8 was set to 200 mm based on the plasma arc power value of 150 kW (that is, the arc plasma voltage was 200 V).

また、上述のようにして求めた炭素電極7,8の電極径Dの大きさと、炭素電極7,8の電極間距離Lとに基づいて、加熱・保温手段4となる円筒状のカーボン発熱体の寸法を設定した。即ち、円筒状カーボン発熱体の内径を、炭素電極7,8の電極径102mmの1.2倍となる122.4mmに設定し、またカーボン発熱体の発熱部有効長さを、炭素電極7,8の電極間距離Lに等しい200mmに設定した。   Further, based on the size of the electrode diameter D of the carbon electrodes 7 and 8 obtained as described above and the distance L between the electrodes of the carbon electrodes 7 and 8, a cylindrical carbon heating element serving as the heating and heat retaining means 4 Set the dimensions. That is, the inner diameter of the cylindrical carbon heating element is set to 122.4 mm, which is 1.2 times the electrode diameter 102 mm of the carbon electrodes 7 and 8, and the effective length of the heating part of the carbon heating element is set to the carbon electrode 7, The distance between the electrodes was set to 200 mm, which is equal to the distance L between the electrodes.

次に、前記電極径Dの計算とは別に、炭素陽極8の炭素蒸発面に十分なエネルギーを与え、この炭素蒸発面からの炭素蒸速度を大きくするために、炭素電極7,8間に印加するプラズマアーク電力を、設定した炭素蒸発面の面積Sの大きさ(2000mm2)に基づいて、前記式(2)に従って求めた。
アークプラズマ電力X(kW)=2000(mm2)×0.076=152(kW)
この結果、炭素蒸発面積Sに基づいて求めたプラズマアーク電力の大きさ152kWは、前記電極径Dの計算の際に選定したプラズマアーク電力の大きさ150kWと近似の値であるため、本実施例においては、プラズマアーク電力の大きさを150kWに定めた。
Next, apart from the calculation of the electrode diameter D, a sufficient energy is given to the carbon evaporation surface of the carbon anode 8 and applied between the carbon electrodes 7 and 8 in order to increase the carbon vapor velocity from the carbon evaporation surface. The plasma arc power to be obtained was determined according to the above formula (2) based on the set size (2000 mm 2 ) of the area S of the carbon evaporation surface.
Arc plasma power X (kW) = 2000 (mm 2 ) × 0.076 = 152 (kW)
As a result, the magnitude 152 kW of the plasma arc power obtained based on the carbon evaporation area S is an approximate value to the magnitude 150 kW of the plasma arc power selected when the electrode diameter D is calculated. , The magnitude of the plasma arc power was set to 150 kW.

一方、前記反応容器5としては、直径が1.6m、長さが2.2mとなる横型円筒状のステンレス鋼製容器を使用した。また、この反応容器5の内面には、厚さ50mmのアルミナバブル成型板をハッチ部も含めて隙間無く貼り付けた。更に、反応容器5の外面には、ステンレス鋼板の熱変形を防止するために、冷却用水冷蛇管を全体的に配設した。   On the other hand, as the reaction vessel 5, a horizontal cylindrical stainless steel vessel having a diameter of 1.6 m and a length of 2.2 m was used. Further, an alumina bubble molded plate having a thickness of 50 mm was pasted on the inner surface of the reaction vessel 5 including the hatch portion without any gap. Further, on the outer surface of the reaction vessel 5, in order to prevent thermal deformation of the stainless steel plate, a cooling water-cooled serpentine was disposed as a whole.

以上のような形状及び寸法を有するカーボンナノチューブの製造装置1を用いて、先ず、反応容器5内にヘリウムガスを導入するとともに、反応容器5内の圧力を266Paに保持し、その後、カーボン発熱体4に囲まれた空間をカーボン発熱体4で1600℃に加熱して、その温度を維持した。   Using the carbon nanotube production apparatus 1 having the shape and dimensions as described above, first, helium gas is introduced into the reaction vessel 5 and the pressure in the reaction vessel 5 is maintained at 266 Pa. The space surrounded by 4 was heated to 1600 ° C. with the carbon heating element 4 to maintain the temperature.

次に、炭素電極7,8間に150kWのアークプラズマ電力(アークプラズマ電流:750A、アークプラズマ電圧:200V)を印加することによりアーク放電を行なって、炭素電極7,8間にアークプラズマ領域3を形成し、このアーク放電を2時間に渡って行なうことにより、カーボンナノチューブの製造を行なった。なお、今回行なったカーボンナノチューブの製造条件を把握しやすくするために、その製造条件を以下にまとめて記載する。なお、下記のアークプラズマ領域3の直径については、アークプラズマ領域3の略中心部における直径の大きさを表している。   Next, an arc discharge is performed by applying an arc plasma power of 150 kW (arc plasma current: 750 A, arc plasma voltage: 200 V) between the carbon electrodes 7 and 8, and the arc plasma region 3 between the carbon electrodes 7 and 8. The carbon nanotubes were produced by forming this and performing this arc discharge for 2 hours. In addition, in order to make it easy to grasp the manufacturing conditions of the carbon nanotubes performed this time, the manufacturing conditions are collectively described below. Note that the diameter of the arc plasma region 3 described below represents the size of the diameter at a substantially central portion of the arc plasma region 3.

(カーボンナノチューブの製造条件)
炭素電極7,8の電極径D: 102mm
炭素電極7,8の電極間距離L: 200mm
アークプラズマ電力X: 150kW
アークプラズマ電流: 750Amp
アークプラズマ電圧: 200Volt
アークプラズマ領域3の寸法: 直径60mm×長さ200mm
カーボン発熱体4による加熱・保温温度: 1600℃
反応容器5内の雰囲気ガス: ヘリウムガス
反応容器5内の雰囲気圧力: 266Pa
(Production conditions for carbon nanotubes)
Electrode diameter D of carbon electrodes 7 and 8: 102 mm
The distance L between the carbon electrodes 7 and 8 is 200 mm.
Arc plasma power X: 150 kW
Arc plasma current: 750 Amp
Arc plasma voltage: 200 Volt
Dimensions of arc plasma region 3: Diameter 60 mm x length 200 mm
Heating and thermal insulation temperature by the carbon heating element 4: 1600 ° C
Atmospheric gas in reaction vessel 5: helium gas Atmospheric pressure in reaction vessel 5: 266 Pa

前記2時間のアーク放電を行なった後、反応容器5内の各部の温度、特に高温部である炭素電極7,8周辺部の温度が、カーボン粉末およびカーボンナノチューブの発火点温度以下に下がったことを確認してから、反応容器5を大気圧に開放し、炭素電極7およびカーボン発熱体4の周辺部に生成したカーボンナノチューブおよびカーボン粉末を回収した。回収した回収物からカーボンナノチューブを選別し、得られたカーボンナノチューブの生成量を測定した。その結果、本実施例においては、2時間の製造時間において、約60gのカーボンナノチューブが製造できたことが確認され、カーボンナノチューブの1時間当たりの生成量は30g/hであることが判った。また、今回のカーボンナノチューブの製造における電力消費量は300kWhであるため、電力原単位は5kWh/gであった。   After performing the arc discharge for 2 hours, the temperature of each part in the reaction vessel 5, particularly the temperature around the carbon electrodes 7 and 8, which is a high temperature part, fell below the ignition point temperature of the carbon powder and the carbon nanotube. After confirming the above, the reaction vessel 5 was opened to the atmospheric pressure, and the carbon nanotubes and the carbon powder generated at the periphery of the carbon electrode 7 and the carbon heating element 4 were recovered. Carbon nanotubes were selected from the collected recovered materials, and the amount of carbon nanotubes produced was measured. As a result, in this example, it was confirmed that about 60 g of carbon nanotubes could be produced in a production time of 2 hours, and it was found that the amount of carbon nanotubes produced per hour was 30 g / h. In addition, since the power consumption in the production of the carbon nanotube this time is 300 kWh, the power consumption rate was 5 kWh / g.

本発明は、アーク放電を利用したカーボンナノチューブの製造に有効に適用することができる。   The present invention can be effectively applied to the production of carbon nanotubes utilizing arc discharge.

カーボンナノチューブの製造装置の構成を模式的に表す模式図である。It is a schematic diagram which represents typically the structure of the manufacturing apparatus of a carbon nanotube. アークプラズマ電力Xとアークプラズマ領域の寸法との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the arc plasma electric power X and the dimension of an arc plasma area | region. アークプラズマ電力Xと、アークプラズマ電流Y及びアークプラズマ電圧Zとの関係を表すグラフである。5 is a graph showing the relationship between arc plasma power X, arc plasma current Y, and arc plasma voltage Z. アークプラズマ電圧Zと炭素電極間距離Lとの関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the arc plasma voltage Z and the distance L between carbon electrodes. 炭素電極間に形成されるアークプラズマ領域の形状を模式的に表す部分模式図である。It is a partial schematic diagram which represents typically the shape of the arc plasma area | region formed between carbon electrodes.

符号の説明Explanation of symbols

1 カーボンナノチューブの製造装置
3 アークプラズマ領域
4 加熱・保温手段(カーボン発熱体)
5 反応容器
6 耐火断熱材
7 炭素電極(陰極)
8 炭素電極(陽極)
9 アークプラズマ領域
1 Carbon Nanotube Manufacturing Equipment 3 Arc Plasma Region 4 Heating / Heat Keeping Means (Carbon Heating Element)
5 Reaction vessel 6 Refractory insulation 7 Carbon electrode (cathode)
8 Carbon electrode (anode)
9 Arc plasma region

Claims (6)

密閉された反応容器と、同反応容器内に配されてアーク放電を行なう炭素電極とを備え、
前記アーク放電を熱源として前記炭素電極の炭素を蒸発させた後、同蒸発させた炭素を凝縮させることによりカーボンナノチューブを製造する製造装置であって、
前記炭素電極間に広がる所望の広さ領域を取り囲むように配され、且つ、
前記所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温して、前記炭素電極間に形成するアークプラズマ領域を拡大する加熱・保温手段を更に備えてなる
ことを特徴とするカーボンナノチューブ製造装置。
A sealed reaction vessel and a carbon electrode disposed in the reaction vessel for arc discharge;
A device for producing carbon nanotubes by evaporating carbon of the carbon electrode using the arc discharge as a heat source and then condensing the evaporated carbon,
Arranged to surround a desired area extending between the carbon electrodes, and
An apparatus for producing carbon nanotubes, further comprising a heating / warming means for heating or keeping the desired area at a predetermined temperature to expand an arc plasma area formed between the carbon electrodes.
前記加熱・保温手段が、電気抵抗加熱ヒータで構成されてなる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製造装置。   2. The carbon nanotube production apparatus according to claim 1, wherein the heating and heat retaining means is constituted by an electric resistance heater. 前記加熱・保温手段は、前記所望の広さ領域を1500℃以上の温度に加熱又は保温してな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製造装置。   The carbon nanotube production apparatus according to claim 1 or 2, wherein the heating and heat retaining means heats or keeps the desired area wide at a temperature of 1500 ° C or higher. 前記炭素電極は、互いに10mm以上離間して配設されてな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製造装置。   The carbon nanotube production apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon electrodes are spaced apart from each other by 10 mm or more. 前記反応容器の内面に耐火断熱材が設けられてなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のカーボンナノチューブ製造装置。   The apparatus for producing carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 4, wherein a fireproof heat insulating material is provided on an inner surface of the reaction vessel. 炭素電極でアーク放電を行い、同アーク放電を熱源として前記炭素電極の炭素を蒸発させた後、同蒸発させた炭素を凝縮させることによりカーボンナノチューブを製造する方法であって、
前記アーク放電を行うときに、前記炭素電極間で所望の広さ領域を取り囲むように配された加熱・保温手段を用いて、同所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温して、前記炭素電極間に形成するアークプラズマ領域を拡大してなる
ことを特徴とするカーボンナノチューブ製造方法。
A method of producing a carbon nanotube by performing arc discharge with a carbon electrode, evaporating carbon of the carbon electrode using the arc discharge as a heat source, and then condensing the evaporated carbon,
When performing the arc discharge, using the heating and heat retaining means disposed so as to surround the desired area between the carbon electrodes, the desired area is heated or kept at a predetermined temperature, A method for producing carbon nanotubes, comprising expanding an arc plasma region formed between carbon electrodes.
JP2005273992A 2005-09-21 2005-09-21 Carbon nanotube production equipment Expired - Fee Related JP4964447B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005273992A JP4964447B2 (en) 2005-09-21 2005-09-21 Carbon nanotube production equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005273992A JP4964447B2 (en) 2005-09-21 2005-09-21 Carbon nanotube production equipment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007084377A true JP2007084377A (en) 2007-04-05
JP4964447B2 JP4964447B2 (en) 2012-06-27

Family

ID=37971758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005273992A Expired - Fee Related JP4964447B2 (en) 2005-09-21 2005-09-21 Carbon nanotube production equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4964447B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06157016A (en) * 1992-11-20 1994-06-03 Nec Corp Production of carbon nanotube
JPH07165406A (en) * 1993-10-19 1995-06-27 Sony Corp Production of carbon tube
JP2000203820A (en) * 1999-01-14 2000-07-25 Ise Electronics Corp Method and device for producing carbon nanotube
JP2001019412A (en) * 1999-07-09 2001-01-23 Shimazu Mectem Inc Device for manufacturing fullerenes

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06157016A (en) * 1992-11-20 1994-06-03 Nec Corp Production of carbon nanotube
JPH07165406A (en) * 1993-10-19 1995-06-27 Sony Corp Production of carbon tube
JP2000203820A (en) * 1999-01-14 2000-07-25 Ise Electronics Corp Method and device for producing carbon nanotube
JP2001019412A (en) * 1999-07-09 2001-01-23 Shimazu Mectem Inc Device for manufacturing fullerenes

Also Published As

Publication number Publication date
JP4964447B2 (en) 2012-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220024764A1 (en) Boron nitride nanotube synthesis via direct induction
JP3929397B2 (en) Method and apparatus for manufacturing organic EL element
JP2007112691A (en) Apparatus and method for producing silicon
KR20170078803A (en) Target holders, multiple-incidence angle, and multizone heating for bnnt synthesis
JP5653830B2 (en) Polycrystalline silicon manufacturing apparatus and polycrystalline silicon manufacturing method
JP4964447B2 (en) Carbon nanotube production equipment
Li et al. Emission spectra analysis of arc plasma for synthesis of carbon nanostructures in various magnetic conditions
JP2006306704A (en) Method of forming carbon film and carbon film
KR101112597B1 (en) Hybrid arc plasma discharge apparatus for synthesizing of single wall carbon nanotubes
Ramarozatovo et al. Influence of chamber volume in single-walled carbon nanotube synthesis by an electric arc
EP2824071B1 (en) Silicon refining device
RU2447019C2 (en) Method of producing carbon-containing nanotubes
Kundrapu et al. Simulation of carbon arc discharge for the synthesis of nanotubes
JP2005307354A (en) Method and device for producing organic el element
Corbella et al. Nanosynthesis by atmospheric arc discharges excited with pulsed-DC power: a review
JP4615900B2 (en) Production method of carbon nanotube, carbon nanowire and carbon nano-onion
JP2006143496A (en) Method of producing carbon nanotube and apparatus for producing carbon nanotube
JP3835394B2 (en) Carbon nanotube production method and apparatus
JP2000344505A (en) Production of carbon nanotube and producing device therefor
RU2559481C2 (en) Method of synthesis of carbon nanotubes and device for its implementation
Bardakhanov et al. Production of fine powders and their properties
JP2007299971A (en) Heating device of semiconductor wafer
JP5142266B2 (en) Single-walled carbon nanotube manufacturing apparatus and manufacturing method
Karmakar Unveiling the mystery of nucleation and growth of carbon nanotube and layered graphene inside carbon arc-discharge
JP2006052422A (en) Film deposition method for carbon fiber, film deposition system and magnetron cathode produced by the method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080825

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110216

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110405

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110603

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: 20120327

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120328

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: 20150406

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees