JP2009263226A - カーボンナノチューブの連続的な表面処理方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】下記の化学式1のニトロ化合物が含有されたカーボンナノチューブ溶液及び硝酸形成酸化剤が含まれたカーボンナノチューブ混合液を50〜400atmの亜臨界水または超臨界水条件で処理し、表面が官能基化された生成物が製造されて、強酸または強塩基の使用を排除し、ニトロ化合物を使用して、亜臨界水または超臨界水条件でカーボンナノチューブを連続的に表面処理する方法及び装置。[化学式1]R−(NOx)y(式中、Rは、C1〜C7のアルキル基、またはC6〜C20のアリール基であって、x及びyは、互いに独立した、1〜3の整数である)
【選択図】図1
Description
[化学式1]
R−(NOx)y
(式中、Rは、C1〜C7のアルキル基、またはC6〜C20のアリール基であって、x及びyは、互いに独立した、1〜3の整数である)
[化学式1]
R−(NOx)y
(式中、Rは、C1〜C7のアルキル基、またはC6〜C20のアリール基であって、x及びyは、互いに独立した、1〜3の整数である)
[反応式1]
NO2CnH2n+1+(3n+1/2)O2→HNO3+nCO2+nH2O
前記反応式1は、ニトロアルキル化合物1モルと(3n+1/2)モルの酸素が反応して、亜臨界水または超臨界水条件で1モルの硝酸が形成される反応式の例を表現した。
混合・注入槽100に多層カーボンナノチューブ10gと蒸留水977.8gを入れた後、攪拌しながらニトロメタン12.2g(0.2M)を添加し、循環ポンプ11で循環させて、ニトロ化合物が含有されたCNT溶液を製造した。前記CNT溶液がCNT溶液高圧注入ポンプ12により30g/minの流速で予熱槽110に投入された後、CNT溶液は、熱交換器13を通じて220乃至260℃の温度に予熱される。その後、245乃至252atmで圧縮された気相状態の酸素が反応槽130の前端で0.4g/minの流速で前記CNT溶液と混合されたCNT混合液を形成する。
[反応式1]
NO2CH3+2O2→HNO3+CO2+H2O
実施例1と同様に表面処理を行った後、図2のろ過槽が含まれた連続的な表面処理装置を使用して、0.001乃至10μmの空隙を有する高圧フィルターを使用してろ過することにより、9.0gの表面が官能基化されたCNT生成物を得た。
350乃至370℃の温度で予熱させて、温度400乃至450℃、圧力230乃至250atmの超臨界水状態で反応をして表面処理を行ったことを除いては、前記実施例1と同様に表面処理し、8.9gの生成物を得た。
ニトロメタン及び硝酸形成酸化剤を投入せず、実施例1と同様に反応を行った。
ニトロメタン及び硝酸形成酸化剤を投入せず、実施例2と同様に反応を行った。
1.赤外線分光器(FT-IR spectroscopy)
Varian社の4100モデルを使用して、分析用試料は、真空乾燥オーブンで水分を乾燥した後、カリウムブロマイド(KBr)と混合して、すりばちで攪拌した後、タブレット(tablet)を製造して測定した。
Jobin-Yvon社のLABMAN HRモデルであって、800mm focal length monochromatorとアルゴンイオンレーザー514.532nm波長の光源を使用する装置を使用した。試料は、真空乾燥オーブンで水分を乾燥させた粉末を使用した。
12 CNT高圧注入ポンプ
13 熱交換器
14 酸化剤高圧注入ポンプ
15 pH調節剤高圧注入ポンプ
16 冷却装置
17 圧力調節装置
21 ろ過圧力調節装置
100 混合・注入槽
110 予熱槽
130 表面処理反応槽
140 クェンチング及びpH調節槽
150 冷却・減圧槽
170 生成物貯蔵槽
210、230 ろ過槽
211、231 ろ過液
213、233 表面が官能基化されたCNTろ過生成物
300 ろ過液貯蔵槽
Claims (26)
- 下記の化学式1のニトロ化合物が含有されたカーボンナノチューブ溶液及び硝酸形成酸化剤が含まれたカーボンナノチューブ混合液を、50〜400atmの亜臨界水または超臨界水条件で処理して、表面が官能基化された生成物を製造する、カーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
[化学式1]
R−(NOx)y
(式中、Rは、C1〜C7のアルキル基、またはC6〜C20のアリール基であって、x及びyは、互いに独立した、1〜3の整数である) - 前記カーボンナノチューブ混合液は、50〜400atmの圧力において、亜臨界水または超臨界水条件で注入され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の連続的な表面処理方法。
- 前記亜臨界水または超臨界水条件における温度が100〜600℃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の連続的な表面処理方法。
- 前記硝酸形成酸化剤は、酸素、空気、オゾン、過酸化水素及びこれらの混合物から選択され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の連続的な表面処理方法。
- 前記硝酸形成酸化剤は、前記ニトロ化合物に対して0.001モル比乃至10モル比で含まれ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の連続的な表面処理方法。
- 前記化学式1のニトロ化合物が含有されたカーボンナノチューブ溶液は、カーボンナノチューブ、化学式1のニトロ化合物及び溶媒を混合して製造されたカーボンナノチューブ溶液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の連続的な表面処理方法。
[化学式1]
R−(NOx)y
(式中、Rは、C1〜C7のアルキル基、またはC6〜C20のアリール基であって、x及びyは、互いに独立した、1〜3の整数である) - 前記溶媒は、水、脂肪族アルコール、二酸化炭素及びこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項6に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記ニトロ化合物は、前記カーボンナノチューブ溶液内のカーボンナノチューブに対して、0.0001モル比乃至1モル比で含まれることを特徴とする、請求項6に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記カーボンナノチューブが、前記溶媒100重量部を基準に0.0001乃至10重量部で含まれることを特徴とする、請求項6に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記カーボンナノチューブ溶液は、表面処理前に100〜370℃に予熱された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の連続的な表面処理方法。
- 前記表面が官能基化された生成物に、pH調節剤でクェンチング及びpH調節段階を施すことを特徴とする、請求項1に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記pH調節剤は、アンモニア水、水酸化ナトリウム水溶液、重炭酸カルシウム水溶液、水酸化カリウム水溶液及びこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項11に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記pH調節剤は、反応器の後端に高圧注入されることを特徴とする、請求項12に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記クェンチング及びpH調節された生成物を0〜100℃に冷却及び1〜10atmに減圧する冷却・減圧段階と、
前記冷却・減圧を経た生成物の回収段階と、をさらに含むことを特徴とする、請求項11に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。 - 前記冷却・減圧段階を経た後、表面が官能基化された生成物をろ過するろ過段階をさらに含むことを特徴とする、請求項14に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記生成物の回収段階を経て回収された生成物を分散溶媒に分散させる分散段階をさらに含むことを特徴とする、請求項14に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記分散溶媒は、水、アルコール、ケトン、アミン、アルキルハロゲン、エーテル、フラン、硫黄含有溶剤、ハイドロカーボン及びこれらの混合物からなる群から選択された分散溶媒であることを特徴とする、請求項16に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記分散は、超音波、ホモジナイザー、フルイダイザー、パルバライザー、ビーズミル、ペイントシェーカーからなる群から選択されることを特徴とする、請求項16に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記生成物が、分散溶媒100重量部を基準に0.0001乃至10重量部で含まれることを特徴とする、請求項16に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理方法。
- 前記カーボンナノチューブは、単一壁 (Single-walled)、二重壁 (Double-walled)、薄い多重壁 (Thin multi-walled)、多重壁 (Multi-walled)、束型(Roped)及びこれらの混合物からなる群から選択され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の連続的な表面処理方法。
- 請求項1に記載の方法により連続的に表面が官能基化されたカーボンナノチューブ。
- 前記表面が官能基化されたカーボンナノチューブの表面処理程度が、ラマン分光器で0.010≦AD’/AG≦0.50であり、XPSで0.1≦O1s、atm%≦30.0atm%または0≦N1s、atm%≦30atm%であることを特徴とする、請求項21に記載の連続的に表面が官能基化されたカーボンナノチューブ。
- 化学式1のニトロ化合物、カーボンナノチューブ及び溶媒が混合されて、カーボンナノチューブ溶液が製造される混合槽と、
前記混合・注入槽で製造されたカーボンナノチューブ溶液が100〜370℃に予熱される予熱槽と、
前記予熱槽を経たカーボンナノチューブ溶液が、反応器の前端で50〜400atmの圧力で注入される酸化剤と混合されてカーボンナノチューブ混合液となり、50〜400atmの圧力で注入されて、50〜400atmで処理される亜臨界水または超臨界水状態の表面処理反応槽と、
前記表面処理反応槽を経て表面が官能基化された生成物が、100〜300℃の温度でクェンチングと同時にpH調節されるクェンチング及びpH調節槽と、
前記クェンチング及びpH調節された生成物を0〜100℃に冷却して、1〜10atmに減圧する冷却・減圧槽と、
前記冷却・減圧槽を経て生成物が回収される生成物貯蔵槽と、を含むカーボンナノチューブの連続的な表面処理装置。
[化学式1]
R−(NOx)y
(式中、Rは、C1〜C7のアルキル基、またはC6〜C20のアリール基であって、x及びyは、互いに独立した、1〜3の整数である) - 前記予熱槽の前端に熱交換器が備えられて、前記熱交換器は、カーボンナノチューブ混合液と表面が官能基化された生成物とを熱交換することを特徴とする、請求項23に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理装置。
- 前記冷却・減圧槽内の減圧装置としては、キャピラリー減圧装置が使用されることを特徴とする、請求項23に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理装置。
- 前記冷却・減圧槽を経た生成物がろ過されるように、0.001乃至10μmの空隙を有する高圧フィルターが並列に連結されて、スイッチング方式で運転されるろ過槽がさらに含まれることを特徴とする、請求項23に記載のカーボンナノチューブの連続的な表面処理装置。
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