JP2007161563A - カーボンナノチューブ筋及びその製造方法 - Google Patents

カーボンナノチューブ筋及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、カーボンナノチューブ筋の製造方法に関する。
【解決手段】本発明に係るカーボンナノチューブ筋の製造方法は、カーボンナノチューブのマトリックスを準備する段階と、前記カーボンナノチューブのマトリックスからカーボンナノチューブ膜を引き抜く段階と、前記カーボンナノチューブ膜を有機溶剤に浸入して縮ませて、カーボンナノチューブ筋を形成する段階と、を含む。カーボンナノチューブ膜は複数のカーボンナノチューブ糸からなるものである。前記カーボンナノチューブ糸は、複数の長さが同じのカーボンナノチューブ束が連続的に連接して形成される。前記カーボンナノチューブ束は複数の平行なカーボンナノチューブからなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、カーボンナノチューブ筋及びその製造方法に関する。
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員飯島によって１９９１年に発見された。カーボンナノチューブは良好な光学性能、電気性能、機械性能を有するので、フィールドエミッタや電子顕微鏡の電子銃などに広く利用されている。しかし、現在カーボンナノチューブはナノレベルに形成され、微視的に応用されるため、取り扱いが困難であるので、肉眼的に応用するための開発が進んでいる。
非特許文献１に、連続的なカーボンナノチューブ糸の製造方法が記載されている。整列したカーボンナノチューブのマトリックスからカーボンナノチューブの束を引き出すと、複数の長さが同じカーボンナノチューブがファンデルワールス力で連接され、連続的なカーボンナノチューブ糸が形成される。例えば、図１に示すように、整列したカーボンナノチューブのマトリックス１０からカーボンナノチューブの束１２を引き出し、連続的なカーボンナノチューブ糸１４を形成する。前記連続的なカーボンナノチューブ糸１４は複数のカーボンナノチューブ束１２がファンデルワールス力で連接して構成される。しかし、該カーボンナノチューブ糸１４は、機械強度及び強靭性が小さいという欠点がある。
前記課題を解決するために、複数のカーボンナノチューブ糸を共に配列して、幅が数センチメートル、厚さが数マイクロメートル程度のカーボンナノチューブ膜を形成する提案がある。しかし、このカーボンナノチューブ膜は表面積が大きく、粘着性が非常に強くなるので、実用には制限が課される。
範守善(Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ)他、「Ｓｐｉｎｎｉｎｇ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｙａｒｎｓ」、Nature、２００２年、第４１９巻、第８０１頁 中国特許第０２１３４７６０．３号明細書
前記課題を解決するために、本発明は肉眼的に応用できるカーボンナノチューブ筋及びその製造方法を提供する。
本発明に係るカーボンナノチューブ筋の製造方法は、カーボンナノチューブのマトリックスを準備する段階と、前記カーボンナノチューブのマトリックスからカーボンナノチューブ膜を引き抜く段階と、前記カーボンナノチューブ膜を有機溶剤に浸入して縮ませて、カーボンナノチューブ筋を形成する段階と、を含む。
本発明に係るカーボンナノチューブ筋は複数のカーボンナノチューブ糸からなるものである。前記カーボンナノチューブ糸は、複数の長さが同じのカーボンナノチューブ束が連続的に連接して形成される。前記カーボンナノチューブ束は複数の平行なカーボンナノチューブからなる。
従来技術と比べて、本発明に係るカーボンナノチューブ筋は表面積が小さく、粘着性が小さく、機械強度及び強靭性が強いので、多領域に実用することができる。また、本発明に係るカーボンナノチューブ筋の製造方法は工程が簡単で、コストが低く、大量生産することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施例について詳しく説明する。
図２乃至図５に示すように、本実施例に係るカーボンナノチューブ筋の製造方法は、次の段階を含む。
第一段階で、化学気相堆積法（ＣＶＤ）で、整列したカーボンナノチューブのマトリックスを成長させる。特許文献１を参照して、本実施例に係る化学気相堆積法で前記カーボンナノチューブのマトリックスを成長させる工程は次の段階を含む。（ａ）基板を提供する。該基板は、例えば、ｐ型又はｎ型のシリコン基板である。（ｂ）前記基板に触媒を堆積して触媒層を形成する。前記触媒層は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はその合金からなる。（ｃ）前記触媒層が形成された基板を、例えば保護ガスの雰囲気で３００℃〜４００℃程度で１０時間加工して焼鈍する。（ｄ）前記（ｃ）段階で形成された基板を５００℃〜７００℃程度まで加熱して、炭素ガス及び保護ガスを導入して、５〜３０分間に反応させ、カーボンナノチューブのマトリックスを前記基板に成長させる。ここで、前記炭素ガスの導入速度を制御することにより、前記触媒層の温度と環境温度との差を５０℃以上に保持する。前記炭素ガスと前記保護ガスとの導入速度の比率を制御して、前記炭素ガスの分圧は２０％以下になるようにする。前記炭素ガスは、例えば、エチン、エタンなどの炭化水素であり、エチンであることが好ましい。前記保護ガスは、不活性ガス又は窒素である。前記製造方法によって得られたカーボンナノチューブのマトリックスは密に形成され、各カーボンナノチューブの間により大きいファンデルワールス力を有し、各カーボンナノチューブの直径がほぼ同様である。
第二段階で、前記カーボンナノチューブのマトリックス２０からカーボンナノチューブ膜２４を引き抜く。即ち、ピンセットなどの工具を利用して前記カーボンナノチューブのマトリックス２０の一部を取って直線方向に沿って引き出す。各々のカーボンナノチューブがファンデルワールス力で相互に連接されて連続的なカーボンナノチューブ糸２２が形成される。この工程を繰返して複数のカーボンナノチューブ糸２２を形成する。前記複数のカーボンナノチューブ糸２２を配列して、前記カーボンナノチューブ膜２４を形成する。該カーボンナノチューブ膜２４は、幅が数センチメートル、厚さが数ミクロン程度に形成される。図３は本実施例に係るカーボンナノチューブ膜２４のＳＥＭ写真である。
第三段階で、前記カーボンナノチューブ膜２４を揮発性有機溶剤に浸して縮ませて、カーボンナノチューブ筋３０を形成する。詳しくは、有機溶剤５０を注入した第一容器４０を準備する。前記有機溶剤５０はエタノール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン、クロロホルムなどの揮発性有機溶剤である。本実施例にはエタノールが利用される。
また、図２及び図４を参照して、前記有機溶剤５０を前記カーボンナノチューブ膜２４に供給するために、前記容器４０にパイプ４２を取り付けて、前記パイプ４２に孔４４を設ける。図４は前記パイプ４２の前記孔４４が設置された位置での断面図である。前記パイプ４２の直下方向に余剰の溶剤を入れるための第二容器６０を設置する。前記カーボンナノチューブ膜２４が前記孔４４を通るようにし、同時に、前記有機溶剤５０を前記パイプ４２から流し、前記カーボンナノチューブ膜２４の前記孔４４に接触する部分を前記有機溶剤５０に浸す。これにより、前記有機溶剤５０の表面張力によって、前記カーボンナノチューブ膜２４は直径が２０μｍ〜３０μｍのカーボンナノチューブ筋３０へと形成される。図５は前記カーボンナノチューブ筋３０のＳＥＭ写真である。ここで、前記カーボンナノチューブ筋３０は複数のカーボンナノチューブ糸からなるものである。前記カーボンナノチューブ糸は、複数の長さが同じのカーボンナノチューブ束が連続的に連接して形成される。前記カーボンナノチューブ束は複数の平行なカーボンナノチューブからなる。従って、前記カーボンナノチューブ筋は表面積が小さく、粘着性が小さく、機械強度及び強靭性が強いので、多領域に実用することができる。
第四段階で、前記カーボンナノチューブ筋３０を整理する。本実施例において、モーター７０を利用して、前記カーボンナノチューブ筋３０をスプール８０に巻くように整理する。
なお、前記カーボンナノチューブ膜２４を完全に引き出して、前記有機溶剤５０に浸してもよいことは無論である。同様に、前記カーボンナノチューブ膜２４は前記有機溶剤５０の表面張力でカーボンナノチューブ筋３０へと形成される。
従来技術である整列したカーボンナノチューブのマトリックスから連続的なカーボンナノチューブ糸を引き出す工程を示す模式図である。 本発明の実施例に係るカーボンナノチューブ糸の製造工程を示す図である。 本発明の実施例に係るカーボンナノチューブ膜のＳＥＭ写真である。 本発明の実施例に係る第一容器に取り付けられたパイプの孔が設置された位置での断面図である。 本発明の実施例に係るカーボンナノチューブ筋のＳＥＭ写真である。
符号の説明
１０ カーボンナノチューブのマトリックス
１２ カーボンナノチューブ束
１４ カーボンナノチューブ糸
２０ カーボンナノチューブのマトリックス
２２ カーボンナノチューブ糸
２４ カーボンナノチューブ膜
３０ カーボンナノチューブ筋
４０ 第一容器
４２ パイプ
４４ 孔
５０ 有機溶剤
６０ 第二容器
７０ モーター
８０ スプール

Claims (5)

  1. カーボンナノチューブのマトリックスを準備する段階と、
    前記カーボンナノチューブのマトリックスからカーボンナノチューブ膜を引き出す段階と、
    前記カーボンナノチューブ膜を有機溶剤に浸入して縮ませて、カーボンナノチューブ筋を形成する段階と、
    を含むことを特徴とするカーボンナノチューブ筋の製造方法。
  2. 前記カーボンナノチューブ筋は複数のカーボンナノチューブ糸からなるものであることを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ筋の製造方法。
  3. 前記有機溶剤は揮発性有機溶剤であることを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ筋の製造方法。
  4. カーボンナノチューブ筋は複数のカーボンナノチューブ糸からなり、
    前記カーボンナノチューブ糸は複数の長さが同一のカーボンナノチューブ束を連続的に連接して形成され、
    前記カーボンナノチューブ束は複数の平行なカーボンナノチューブからなることを特徴とするカーボンナノチューブ筋。
  5. 前記カーボンナノチューブ筋の直径は２０μｍ〜３０μｍであることを特徴とする、請求項４に記載のカーボンナノチューブ筋。
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