JP2017002411A - カーボンナノチューブ繊維の製造方法及び当該製造方法によって製造されたカーボンナノチューブ繊維 - Google Patents
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Abstract
【課題】低抵抗かつ機械的強度を有するカーボンナノチューブ繊維の製造方法並びに当該製造方法によって製造されたカーボンナノチューブ繊維を提供すること。
【解決手段】カーボンナノチューブの水分散液を湿式紡糸法によって連続的に繊維化することによって、カーボンナノチューブ繊維の大量生産が可能であって、環境に悪影響を及ぼすことがない、低抵抗かつ機械的強度を有するカーボンナノチューブ繊維の製造方法並びに当該製造方法によって製造されたカーボンナノチューブ繊維。
【選択図】図2
【解決手段】カーボンナノチューブの水分散液を湿式紡糸法によって連続的に繊維化することによって、カーボンナノチューブ繊維の大量生産が可能であって、環境に悪影響を及ぼすことがない、低抵抗かつ機械的強度を有するカーボンナノチューブ繊維の製造方法並びに当該製造方法によって製造されたカーボンナノチューブ繊維。
【選択図】図2
Description
本発明は、低抵抗かつ機械的強度を有するカーボンナノチューブ繊維の製造方法及び当該製造方法によって製造されたカーボンナノチューブ繊維に関するものである。
カーボンナノチューブ(以下CNTとも略す)は、ナノメートルサイズの直径を有する円筒状のカーボン素材である。このCNTは、非常に安定した化学構造を有し、電気的特性、熱伝導性及び機械的強度に優れているので、例えば、電気、電子機器分野等への開発研究が行われている。
しかしながら、CNT単体は微細な構造を有するものであるため取扱い難く、またその加工性も悪いという理由から、複数のCNTを集合させてその長さおよび太さを増大させたカーボンナノチューブ集合体であるカーボンナノチューブ繊維(以下CNT繊維とも略す)としての利用が検討されている。
CNT繊維を製造する主な方法として、特許文献1及び特許文献2には、基板上に、基板の主たる面に対して垂直方向に配向するCNTを複数形成させ、これらの複数のCNTからなる束を基板から引き抜いて剥離しこれを引っ張ることによって製造する方法が開示されている。
しかしながら、上記の製造方法では、CNT繊維の長さは基板上に生成する垂直CNT面積に依存するため、大量生産には向かないという技術的な課題を有している。
一方、紡糸技術を利用したCNT繊維の製造も一部検討されている。特許文献3には、CNTを少なくとも50重量%含むCNT繊維の製造方法であって、紡糸口金へCNTを含む紡糸ドープを供給する工程、紡糸CNT繊維を形成するために紡糸ドープを紡糸口金の少なくとも一つの紡糸孔から押し出す工程、及び、凝固CNT繊維を形成するために凝固媒体中で紡糸CNT繊維を凝固させる工程を含み、1.0倍以上の延伸倍率で延伸し、CNTの長さを少なくとも0.5μm以上とする、CNT繊維の製造方法が開示されている。
しかしながら、上記の製造方法においては、CNTを少なくとも50重量%含む防止ドープの溶液としてCNTが溶解可能な超酸が利用されるため、その利用乃至廃棄には、工業化に際して重要になる環境に好ましくないという問題点を有している。すなわち、使用した超酸を適切に処理して廃棄するコストが非常に高く、結果としてCNT繊維の製造コストが高くなってしまうという技術的課題を有している。
本発明は上記従来技術の技術的課題を鑑みてなされた発明であり、その目的は、低抵抗かつ機械的強度を有するカーボンナノチューブ繊維の製造にあたって、大量生産が可能であり、環境問題が生じることがない新規有用なCNT繊維の製造方法及び当該製造方法によって製造されたCNT繊維を提供することにある。
すなわち、本発明は、低抵抗かつ機械的強度を有するカーボンナノチューブ繊維の製造方法において、カーボンナノチューブの水分散液を凝固浴中に押し出す湿式紡糸法によって製造することを特徴とするカーボンナノチューブ繊維の製造方法を提供するものである。
また、本発明は、前記カーボンナノチューブの水分散液が水溶性高分子からなる分散剤を有することを特徴とする上記のカーボンナノチューブ繊維の製造方法を提供するものである。
さらに、本発明は、前記凝固浴が水であることを特徴とする上記のカーボンナノチューブ繊維の製造方法を提供するものである。
また本発明は上記の製造方法によって得られることを特徴とするカーボンナノチューブ繊維を提供するものである。
(1)本発明の製造方法は、湿式紡糸法による凝固浴中にて凝固させるCNT繊維の製造において、超酸等の特殊で危険な溶液にCNTを溶解したCNT溶液を使用せず、その代わりに安全なCNTの水分散液を使用するものである。
したがって、廃液処理に伴う製造コストを低く抑えることが可能であり、安全で、さらには環境に対して悪影響を及ぼすことなく、低抵抗かつ機械的強度を有するCNT繊維を製造することが可能である。
また、凝固浴についても水を使用でき、さらにCNT水分散液の分散剤についても、環境に対して悪影響を及ぼさない水溶性高分子を使用できる。
(2)本発明の製造方法は、基板上に垂直方向に配向したCNTからCNT繊維を製造する方法とは本質的に異なる方法であり、CNT繊維の大量生産が可能である。
(3)本発明の製造方法は、特殊な技術に頼ることなく、通常の湿式紡糸装置を使用して簡便に製造することが可能である。
(4)本発明の製造方法は、その原料として単層CNT又は多層CNTを選ぶことなく、いずれのCNTも使用することが出来る。
(5)本発明の低抵抗かつ機械的強度を有するCNT繊維は、上記の製造方法により製造コストを抑えて大量に製造することが可能である。当該CNT繊維は電子デバイス、導電性ワイヤ、電池、炭素繊維強化プラスチック等を初めとする様々な分野に応用可能である。
したがって、廃液処理に伴う製造コストを低く抑えることが可能であり、安全で、さらには環境に対して悪影響を及ぼすことなく、低抵抗かつ機械的強度を有するCNT繊維を製造することが可能である。
また、凝固浴についても水を使用でき、さらにCNT水分散液の分散剤についても、環境に対して悪影響を及ぼさない水溶性高分子を使用できる。
(2)本発明の製造方法は、基板上に垂直方向に配向したCNTからCNT繊維を製造する方法とは本質的に異なる方法であり、CNT繊維の大量生産が可能である。
(3)本発明の製造方法は、特殊な技術に頼ることなく、通常の湿式紡糸装置を使用して簡便に製造することが可能である。
(4)本発明の製造方法は、その原料として単層CNT又は多層CNTを選ぶことなく、いずれのCNTも使用することが出来る。
(5)本発明の低抵抗かつ機械的強度を有するCNT繊維は、上記の製造方法により製造コストを抑えて大量に製造することが可能である。当該CNT繊維は電子デバイス、導電性ワイヤ、電池、炭素繊維強化プラスチック等を初めとする様々な分野に応用可能である。
以下に本発明の実施形態を詳述する。
本発明は低抵抗かつ機械的強度を有するカーボンナノチューブ繊維の製造方法であり、CNTの水分散液を湿式紡糸法によって連続的に繊維化するものである。そして、CNTの水分散液を連続的に紡糸ノズルへ供給することによりCNT繊維の大量生産と長尺化が可能となる。
本発明の製造方法において低抵抗とは体積抵抗で1×10−2〜1.0Ω・cm、好ましくは1×10−2〜1×10−1Ω・cmを意味する。
すなわち、本発明のCNT繊維は高い電気伝導率を有するものである。また、高い熱伝導率も示し得る。
すなわち、本発明のCNT繊維は高い電気伝導率を有するものである。また、高い熱伝導率も示し得る。
また、本発明の製造方法において機械的強度とは0.1〜5.0GPa、好ましくは1.0〜5.0GPaを意味する。
すなわち、本発明のCNT繊維は高い引っ張り強度と剛性を有するものである。また、高い弾性率も示し得る。
すなわち、本発明のCNT繊維は高い引っ張り強度と剛性を有するものである。また、高い弾性率も示し得る。
本発明の製造方法は、最初にCNTを分散剤により水に分散させて、CNT水分散液を用意する。分散させるCNTは単層CNTであっても多層CNTであってもよい。
分散させる方法はCNTが水に均一に分散する限り、任意の方法を採用できる。
例えば、「Environmental Science&Technolog.Vol.38,No.24,2004」の6890−6896頁に掲載されている「Caged Multiwalled Carbon Manotubes as the Adsorbents for Affinity−Based Elimination of Ionic Dyes」なる文献の6891頁に記載されている方法により、分散剤にアルギン酸ナトリウムを使用したCNT水分散液を得ることが出来る。
分散させる方法はCNTが水に均一に分散する限り、任意の方法を採用できる。
例えば、「Environmental Science&Technolog.Vol.38,No.24,2004」の6890−6896頁に掲載されている「Caged Multiwalled Carbon Manotubes as the Adsorbents for Affinity−Based Elimination of Ionic Dyes」なる文献の6891頁に記載されている方法により、分散剤にアルギン酸ナトリウムを使用したCNT水分散液を得ることが出来る。
分散剤はアルギン酸ナトリウム等の環境に悪影響を及ぼすことがない水溶性高分子を用いることができる。
分散剤の具体例としては、キトサン、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリリシン、ポリグルタミン酸などが挙げられる。特にアルギン酸ナトリウムが好ましい。
アルギン酸ナトリウム等の水溶性高分子の濃度は、CNT水分散液全量に対して1〜5重量%が好ましい。
分散剤の具体例としては、キトサン、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリリシン、ポリグルタミン酸などが挙げられる。特にアルギン酸ナトリウムが好ましい。
アルギン酸ナトリウム等の水溶性高分子の濃度は、CNT水分散液全量に対して1〜5重量%が好ましい。
一方、CNT水分散液中のCNTの濃度は、CNT水分散液全量に対して3〜10重量%であることが好ましい。
次にCNT水分散液を紡糸ノズルに供給し、凝固浴中にて紡糸ノズルからCNT水分散液を押し出し、これを凝固させてCNT繊維を製造する。本発明は通常の湿式紡糸法によって、CNT繊維を特殊な技術に頼ることなく簡便に製造できるという利点を有している。
そして、紡糸ノズルにCNT水分散液を連続的に供給することにより、連続的にCNT繊維の大量生産が可能となる。
そして、紡糸ノズルにCNT水分散液を連続的に供給することにより、連続的にCNT繊維の大量生産が可能となる。
CNT水分散液を凝固させるための凝固浴は水であるが、塩化カルシウム水溶液を使用することが好ましい。
凝固浴中の塩化カルシウム濃度は0.1〜0.5mol/Lであることが好ましい。
凝固浴中の塩化カルシウム濃度は0.1〜0.5mol/Lであることが好ましい。
以上の実施態様により、CNT水分散液が紡糸ノズルを経て凝固浴中にて凝固して得られるCNT繊維は、通常100℃程の乾燥工程を経て巻取装置で巻き取られ、連続的にCNT繊維を製造することが可能となる。
なお、紡糸ノズルの内径は所望するCNT繊維の直径によって選択されるが本発明においては0.01〜0.5mmであることが好ましい。
なお、紡糸ノズルの内径は所望するCNT繊維の直径によって選択されるが本発明においては0.01〜0.5mmであることが好ましい。
本発明の製造方法で得られるCNT繊維の直径は10〜200μmであることが好ましい。
また、その体積抵抗は1×10−2〜1.0Ω・cmであり、好ましくは1×10−2〜1×10−1Ω・cmである。
さらに、その機械的強度は、0.1〜5.0GPaであり、好ましくは1.0GPa以上である。
一方、その長さは所望の長尺化が可能である。
また、その体積抵抗は1×10−2〜1.0Ω・cmであり、好ましくは1×10−2〜1×10−1Ω・cmである。
さらに、その機械的強度は、0.1〜5.0GPaであり、好ましくは1.0GPa以上である。
一方、その長さは所望の長尺化が可能である。
以下に本発明の実施例を説明する。本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
実施例に使用したCNT水分散液は、「Environmental Science&Technolog.Vol.38,No.24,2004」の6890−6896頁に掲載されている「Caged Multiwalled Carbon Manotubes as the Adsorbents for Affinity−Based Elimination of Ionic Dyes」なる文献の6891頁に記載されている方法と同様にして、分散剤にアルギン酸ナトリウムを使用したCNT水分散液を調製した。
上記により調製したCNT水分散液中のCNT濃度は5重量%であり、アルギン酸ナトリウムの濃度は5重量%であった。
また、凝固浴は塩化カルシウム水溶液を使用した。塩化カルシウムの濃度は0.5Mに調製した。
また、凝固浴は塩化カルシウム水溶液を使用した。塩化カルシウムの濃度は0.5Mに調製した。
実施例1
上記のCNT水分散液を内径0.2mmのノズルから0.3ml/minの流束で0.5Mの塩化カルシウム水溶液からなる凝固浴中に押し出した。凝固浴中で固化したCNT繊維を100℃の熱風乾燥後巻き取り機において巻き取り、CNT繊維を連続的に得た。
得られたCNT繊維の直径は123μmであった。また、体積抵抗率は0.15Ω・cmであった。機械的強度は1.5GPaであった。
実施例1により製造されたCNT繊維の顕微鏡写真を図2に示す。
上記のCNT水分散液を内径0.2mmのノズルから0.3ml/minの流束で0.5Mの塩化カルシウム水溶液からなる凝固浴中に押し出した。凝固浴中で固化したCNT繊維を100℃の熱風乾燥後巻き取り機において巻き取り、CNT繊維を連続的に得た。
得られたCNT繊維の直径は123μmであった。また、体積抵抗率は0.15Ω・cmであった。機械的強度は1.5GPaであった。
実施例1により製造されたCNT繊維の顕微鏡写真を図2に示す。
実施例2
CNT濃度3重量%及びアルギン酸ナトリウム濃度3重量%のCNT水分散液を使用した以外は実施例1と同様にしてCNT繊維を得た。
実施例2により製造されたCNT繊維及びその破断面の電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)写真を図3及び図4に示す。
CNT濃度3重量%及びアルギン酸ナトリウム濃度3重量%のCNT水分散液を使用した以外は実施例1と同様にしてCNT繊維を得た。
実施例2により製造されたCNT繊維及びその破断面の電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)写真を図3及び図4に示す。
本発明の製造方法によれば、複雑な技術や複雑な装置を使用することなく、安全で簡便な湿式紡糸法により、製造コストを抑えたCNT繊維の大量生産が可能となる。
さらに環境に対して悪影響を及ぼすことなく、低抵抗かつ機械的強度を有するCNT繊維を大量に製造できるので、CNT繊維の応用が検討されている様々な用途に有効に利用することが可能である。
さらに環境に対して悪影響を及ぼすことなく、低抵抗かつ機械的強度を有するCNT繊維を大量に製造できるので、CNT繊維の応用が検討されている様々な用途に有効に利用することが可能である。
Claims (4)
- 低抵抗かつ機械的強度を有するカーボンナノチューブ繊維の製造方法において、カーボンナノチューブの水分散液を凝固浴中に押し出す湿式紡糸法によって製造することを特徴とするカーボンナノチューブ繊維の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブの水分散液が水溶性高分子からなる分散剤を有す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繊維の製造方法。
- 前記凝固浴が水であ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繊維の製造方法。
- 請求項1〜3記載の製造方法によって得られることを特徴とするカーボンナノチューブ繊維。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015113817A JP2017002411A (ja) | 2015-06-04 | 2015-06-04 | カーボンナノチューブ繊維の製造方法及び当該製造方法によって製造されたカーボンナノチューブ繊維 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109576822A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-04-05 | 中国科学院金属研究所 | 一种制备单壁碳纳米管纤维及其复合纤维的方法 |
JPWO2019230729A1 (ja) * | 2018-05-31 | 2021-08-19 | リンテック株式会社 | 炭素樹脂複合材料の製造方法、および炭素樹脂複合材料の製造用複合構造体 |
-
2015
- 2015-06-04 JP JP2015113817A patent/JP2017002411A/ja active Pending
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CN109576822A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-04-05 | 中国科学院金属研究所 | 一种制备单壁碳纳米管纤维及其复合纤维的方法 |
CN109576822B (zh) * | 2018-11-29 | 2021-03-26 | 中国科学院金属研究所 | 一种制备单壁碳纳米管纤维及其复合纤维的方法 |
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