JP2018154524A - カーボンシートの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】脱水工程、搾水工程および乾燥工程により、バインダを含まないスラリをシート状に成形する際に、各工程間でスラリの受け渡しを円滑に行う。
【解決手段】脱水工程部P1で、スラリに含まれる水分を取り除きつつ、スラリを移送する。搾水工程部P2で、このスラリを圧延して搾水しつつ移送する。乾燥工程部P3で、このスラリを加熱して乾燥しつつ移送する。ここで、搾水工程でのスラリの移送速度は、脱水工程でのスラリの移送速度より遅く、乾燥工程でのスラリの移送速度は、搾水工程でのスラリの移送速度より遅い。また、脱水工程でのスラリの移送速度と搾水工程でのスラリの移送速度との差である第1速度差は、搾水工程でのスラリの移送速度と乾燥工程でのスラリの移送速度との差である第2速度差より小さい。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、電気二重層キャパシタの分極性電極などに用いられるカーボンシートの製造方法に関する。
従来、この種のカーボンシートとしては、カーボンナノチューブ、ナノカーボン粒子およびバインダを水に分散させてスラリを調製し、このスラリを脱水してシート状に成形したものがある。このカーボンシートを量産する際には、一般的な抄紙技術に倣って、まず、ワイヤメッシュの隙間からスラリ中の水分をその自重で落下させた後(脱水工程)、一対のローラでスラリを圧延してシート状に形成し(搾水工程)、さらに、ホットローラでスラリを加熱して水分を蒸発させる(乾燥工程)という製造方法を採用することが考えられる。そして、このとき、バインダを含むスラリは、水分率の低下に伴って膨張する現象が現れることから、上述した各工程(脱水工程、搾水工程、乾燥工程)を経るごとにスラリの移送速度を段階的に速くすることにより、各工程間でスラリを受け渡すときに、たるみが発生しないように工夫している。
一方、バインダを含まないものとしては、カーボンナノチューブと、カーボンナノチューブ以外の炭素材料(例えば、グラフェン、グラファイト、カーボンブラックなど)とのみからなるスラリ、つまり、両者を結合するバインダを含まないスラリを調製し、このスラリを減圧濾過してから乾燥して得た炭素繊維膜が提案されていた(例えば、特許文献1参照)。この炭素繊維膜は、高価なカーボンナノチューブの一部を安価な炭素材料で置き換えるとともに、導電性のないバインダを省くことで、製造コストを抑制すると同時に、質量当たりの電気容量を大きくすることができる利点がある。
また、グラファイトシートの製造方法に関しては、シワの発生を防ぐことを目的として、圧延ローラの挿入側でグラファイトシートを挿入方向と逆方向に引っ張り、グラファイトシートの凹凸を平らにして圧延ローラに挿入する技術が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
国際公開第2015/072370号 特開2000−16808号公報
しかしながら、バインダを含まない場合(特許文献1)は、バインダを含む場合とは逆に、スラリがその水分率の低下に伴って収縮するという現象が現れる。そのため、脱水工程、搾水工程および乾燥工程の3工程を通じて、スラリを同一の移送速度で移送したり、まして各工程を経るごとにスラリの移送速度を速くしたりすれば、スラリがその移送方向に過度に引っ張られて切断されてしまう恐れがある。この場合、スラリの切断に起因して、各工程間でスラリの受け渡しが円滑に行われなくなる。
なお、特許文献2では、そもそも、バインダを含まないスラリが水分率の低下に伴って収縮する現象に着目すらされていない。
本発明は、このような事情に鑑み、脱水工程、搾水工程および乾燥工程により、バインダを含まないスラリをシート状に成形する際に、各工程間でスラリの受け渡しを円滑に行うことが可能なカーボンシートの製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係るカーボンシートの製造方法は、カーボンナノチューブとナノカーボン粒子と水とからなるスラリをシート状に成形するカーボンシートの製造方法であって、前記スラリに含まれる水分を取り除きつつ当該スラリを移送する脱水工程と、この脱水工程を経たスラリを圧延して搾水しつつ移送する搾水工程と、この搾水工程を経たスラリを加熱して乾燥しつつ移送する乾燥工程と、をこの順で有し、前記脱水工程、前記搾水工程および前記乾燥工程において、後工程でのスラリの移送速度は、前工程でのスラリの移送速度より遅い。
前記搾水工程はさらに複数の工程に分割され、これら複数の工程において、後工程でのスラリの移送速度は、前工程でのスラリの移送速度より遅くてもよい。
前工程でのスラリの移送速度と後工程でのスラリの移送速度に差をつけた部分が2以上あり、これら2以上の部分のうち任意の2部分の速度差を上流から上流速度差、下流速度差とするとき、前記上流速度差は前記下流速度差より小さくてもよい。
前記脱水工程でのスラリの移送速度(例えば、後述の移送速度VS1)と前記搾水工程でのスラリの移送速度(例えば、後述の移送速度VS2)との差である第1速度差(例えば、後述の第1速度差ΔVS1)は、前記搾水工程でのスラリの移送速度と前記乾燥工程でのスラリの移送速度(例えば、後述の移送速度VS3)との差である第2速度差(例えば、後述の第2速度差ΔVS2)より小さくてもよい。
本発明によれば、脱水工程、搾水工程および乾燥工程により、バインダを含まないスラリをシート状に成形する際に、各工程間でスラリの受け渡しを円滑に行うことが可能なカーボンシートの製造方法を提供することができる。
本発明の第1実施形態に係るカーボンシートの製造装置の概略を示す正面図である。 スラリの水分率と収縮量との関係を示すグラフである。
以下、本発明の第1実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係るカーボンシートの製造装置の概略を示す正面図である。図2は、スラリの水分率と収縮量との関係を示すグラフである。
この第1実施形態に係るカーボンシートの製造装置1は、図1に示すように、脱水工程部P1、搾水工程部P2および乾燥工程部P3からなるコンベヤ方式の装置である。
脱水工程部P1では、スラリに含まれる水分を取り除きつつ、このスラリを図1左方向(搾水工程部P2側)に移送(搬送)する脱水工程を行う。脱水工程部P1は、所定の目開きの水平なワイヤメッシュ11を有している。ワイヤメッシュ11の近傍(主に下方)には、駆動輪12および複数の従動輪13が配設されているとともに、エンドレスベルト15が、駆動輪12および複数の従動輪13に架け渡された形で張設されている。そして、駆動輪12を回転させることにより、エンドレスベルト15がワイヤメッシュ11の上側を図1左向きに通過するように構成されている。
搾水工程部P2では、脱水工程部P1から移送されてきたスラリを圧延して搾水しつつ、図1左方向(乾燥工程部P3側)に移送する搾水工程を行う。搾水工程部P2は、2組のローラ21A、21Bを有しており、各ローラ21A、21Bはそれぞれ、上下一対の従動ロール211および駆動ロール212を備えている。ここで、2個の従動ロール211および2個の駆動ロール212は、すべて同じ直径を有している。
これら2組のローラ21A、21Bの近傍(主に上方)には、駆動輪22および複数の従動輪23が配設されているとともに、フェルト部材からなる第1のエンドレスベルト25が、駆動輪22および複数の従動輪23に架け渡された形で張設されている。そして、駆動輪22を回転させることにより、第1のエンドレスベルト25が各ローラ21A、21Bの従動ロール211と駆動ロール212との間を図1左向きに通過するように構成されている。
また、ローラ21Aの近傍(主に下方)には、複数の従動輪26が配設されているとともに、フェルト部材からなる第2のエンドレスベルト27が、複数の従動輪26に架け渡された形で張設されている。そして、ローラ21Aの駆動ロール212を回転させることにより、第2のエンドレスベルト27がローラ21Aの従動ロール211と駆動ロール212との間を図1左向きに通過するように構成されている。
さらに、ローラ21Bの近傍(主に下方)には、複数の従動輪28が配設されているとともに、フェルト部材からなる第3のエンドレスベルト29が、複数の従動輪28に架け渡された形で張設されている。そして、ローラ21Bの駆動ロール212を回転させることにより、第3のエンドレスベルト29がローラ21Bの従動ロール211と駆動ロール212との間を図1左向きに通過するように構成されている。
乾燥工程部P3では、搾水工程部P2から移送されてきたスラリを加熱して乾燥しつつ、図1左方向に移送する乾燥工程を行う。乾燥工程部P3は、ホットローラ31を有している。ホットローラ31の近傍(主に上方)には、駆動輪32および複数の従動輪33が配設されているとともに、エンドレスベルト35が、駆動輪32および複数の従動輪33に架け渡された形で張設されている。なお、駆動輪32は、エンドレスベルト35を介してホットローラ31に接している。そして、駆動輪32を回転させることにより、ホットローラ31が反時計方向に回転するとともに、エンドレスベルト35がホットローラ31の円周の上部に沿って反時計方向にホットローラ31と同期して移動するように構成されている。
また、カーボンシートの製造装置1には、図示しない制御装置が組み込まれている。この制御装置は、脱水工程部P1の駆動輪12、搾水工程部P2の駆動輪22および2組のローラ21A、21Bの駆動ロール212、並びに乾燥工程部P3の駆動輪32を回転させるように制御する。
以上のような構成を有するカーボンシートの製造装置1を用いて、バインダを含まないカーボンシートを製造する際には、次の手順による。
まず、スラリ調製工程で、カーボンナノチューブとファーネスブラック(ナノカーボン粒子)と水とからなるスラリを調製する。そして、このスラリについては、その水分率が収縮量に及ぼす影響を調べる実験により、図2に示すように、スラリの水分率と収縮量とは負の相関関係があり、スラリの水分率が低いほどスラリの収縮量が増加する傾向にあることが分かっている。なお、図2のグラフにおいて、横軸はスラリの水分率(単位:%)を表し、縦軸はスラリの収縮量(単位:mm)を表す。
なお、バインダを含まないスラリが収縮する理由については、次のように考えられる。すなわち、ファンデルワールス力(約1kJ/mol)は、水素結合(10〜40kJ/mol)よりも弱い相互作用であるが、カーボンナノチューブおよびファーネスブラックの比表面積(約1000m2 /g)に作用するファンデルワールス力は、セルロースに作用する水素結合よりも強くなるため、紙の主成分であるセルロースと比較して、バインダを含まないスラリは収縮すると推測される。
その後、コンベヤ駆動工程に移行し、脱水工程部P1の駆動輪12を回転させる。すると、脱水工程部P1のエンドレスベルト15がワイヤメッシュ11の上側を図1左向きに通過するように移動する。このとき、駆動輪12の周速度が駆動輪12の直径に比例することを踏まえて、エンドレスベルト15の移動速度VB1が所定の速度になるように、駆動輪12の回転速度を設定する。
また、搾水工程部P2の駆動輪22を回転させる。すると、搾水工程部P2の第1のエンドレスベルト25が2組のローラ21A、21Bの従動ロール211と駆動ロール212との間を図1左向きに通過するように移動する。このとき、駆動輪22の周速度が駆動輪22の直径に比例することを踏まえて、第1のエンドレスベルト25の移動速度VB2が所定の速度になるように、駆動輪22の回転速度を設定する。ここで、第1のエンドレスベルト25の移動速度VB2は、上述したエンドレスベルト15の移動速度VB1より小さい(VB2<VB1)。
また、搾水工程部P2のローラ21Aの駆動ロール212を回転させる。すると、搾水工程部P2の第2のエンドレスベルト27がローラ21Aの従動ロール211と駆動ロール212との間を図1左向きに通過するように移動する。このとき、ローラ21Aの駆動ロール212の周速度がローラ21Aの駆動ロール212の直径に比例することを踏まえて、第2のエンドレスベルト27の移動速度VB3が第1のエンドレスベルト25の移動速度VB2と同じ速度になるように、ローラ21Aの駆動ロール212の回転速度を設定する。
さらに、搾水工程部P2のローラ21Bの駆動ロール212を回転させる。すると、搾水工程部P2の第3のエンドレスベルト29がローラ21Bの従動ロール211と駆動ロール212との間を図1左向きに通過するように移動する。このとき、ローラ21Bの駆動ロール212の周速度がローラ21Bの駆動ロール212の直径に比例することを踏まえて、第3のエンドレスベルト29の移動速度VB4が第1のエンドレスベルト25の移動速度VB2と同じ速度になるように、ローラ21Bの駆動ロール212の回転速度を設定する。
また、乾燥工程部P3の駆動輪32を回転させる。すると、乾燥工程部P3のホットローラ31が反時計方向に回転するとともに、乾燥工程部P3のエンドレスベルト35がホットローラ31の円周の上部に沿って反時計方向にホットローラ31と同期して移動する。このとき、駆動輪32の周速度が駆動輪32の直径に比例することを踏まえて、エンドレスベルト35の移動速度VB5が所定の速度になるように、駆動輪32の回転速度を設定する。ここで、エンドレスベルト35の移動速度VB5は、上述した第1のエンドレスベルト25の移動速度VB2より小さい(VB5<VB2)。さらに、エンドレスベルト15の移動速度VB1と第1のエンドレスベルト25の移動速度VB2との差である第1速度差ΔVB1(=VB1−VB2)は、第1のエンドレスベルト25の移動速度VB2とエンドレスベルト35の移動速度VB5との差である第2速度差ΔVB2(=VB2−VB5)より小さい(ΔVB1<ΔVB2)。
この状態で、上述したスラリを脱水工程部P1のエンドレスベルト15上に搬入する。すると、このスラリは、脱水工程部P1において、エンドレスベルト15に搭載されたまま、エンドレスベルト15と同じ速度、つまり所定の速度VB1で図1左方向に移送される。このとき、スラリに含まれる水分が、その自重でワイヤメッシュ11を通って落下するため、このスラリは、脱水によって水分率が低下する。その後、このスラリは、脱水工程部P1から搾水工程部P2に受け渡される。
搾水工程部P2において、このスラリは、第1のエンドレスベルト25と第2のエンドレスベルト27とによって挟まれた状態でローラ21Aによって圧延された後、第1のエンドレスベルト25と第3のエンドレスベルト29とによって挟まれた状態でローラ21Bによって圧延されつつ、3本のエンドレスベルト25、27、29と同じ速度、つまり所定の速度VB2で図1左方向に移送される。このとき、このスラリは、ローラ21Aによる圧延およびエンドレスベルト25、27、29のフェルト部材による吸水で水分が抜けるため、水分率がさらに低下してシート状に近づく。その後、このスラリは、搾水工程部P2から乾燥工程部P3に受け渡される。ここで、搾水工程部P2の3本のエンドレスベルト25、27、29の移動速度VB2、VB3、VB4と、脱水工程部P1のエンドレスベルト15の移動速度VB1とは、上述したとおり、前者が後者より小さいので、搾水工程でのスラリの移送速度VS2は、脱水工程でのスラリの移送速度VS1より遅くなる(VS2<VS1)。
乾燥工程部P3において、このスラリは、ホットローラ31の円周に沿って反時計方向にエンドレスベルト35の移動速度VB5と同じ速度で図1左方向に移送される。このとき、スラリは、ホットローラ31によって加熱されて乾燥するため、水分率がさらに低下してシート状になる。その後、このスラリは、乾燥工程部P3から搬出される。ここで、乾燥工程部P3のエンドレスベルト35の移動速度VB5と、搾水工程部P2の3本のエンドレスベルト25、27、29の移動速度VB2、VB3、VB4とは、上述したとおり、前者が後者より小さいので、乾燥工程でのスラリの移送速度VS3は、搾水工程でのスラリの移送速度VS2より遅くなる(VS3<VS2)。
しかも、上述したとおり、エンドレスベルト15の移動速度VB1と第1のエンドレスベルト25の移動速度VB2との差である第1速度差ΔVB1と、第1のエンドレスベルト25の移動速度VB2とエンドレスベルト35の移動速度VB5との差である第2速度差ΔVB2とは、前者が後者より小さいので、脱水工程でのスラリの移送速度VS1と搾水工程でのスラリの移送速度VS2との差である第1速度差ΔVS1は、搾水工程でのスラリの移送速度VS2と乾燥工程でのスラリの移送速度VS3との差である第2速度差ΔVS2より小さくなる(ΔVS1<ΔVS2)。
これにより、バインダを含まないカーボンシートが得られ、カーボンシートの製造が終了する。
このように、バインダを含まないカーボンシートの製造に際しては、スラリの移送速度VS1、VS2、VS3を段階的に遅くする。すなわち、脱水工程部P1から搾水工程部P2にスラリが受け渡されるときに、このスラリの移送速度を遅くするとともに、搾水工程部P2から乾燥工程部P3にスラリが受け渡されるときに、このスラリの移送速度をさらに遅くする。その結果、脱水工程、搾水工程および乾燥工程により、バインダを含まないスラリをシート状に成形する際に、このスラリがその水分率の低下に伴って収縮する現象に対応して、各工程(脱水工程、搾水工程、乾燥工程)間でスラリの受け渡しを円滑に行うことができる。したがって、カーボンシートを量産することが可能となる。
しかも、脱水工程部P1から搾水工程部P2にスラリが受け渡されるときのスラリの移送速度の減少量(つまり、第1速度差ΔVS1)に比べて、搾水工程部P2から乾燥工程部P3にスラリが受け渡されるときのスラリの移送速度の減少量(つまり、第2速度差ΔVS2)を大きくするため、スラリの水分率が低いほどスラリの収縮量が増加する傾向にある場合に、各工程間でのスラリの受け渡しを一層円滑に行うことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
例えば、上述した第1実施形態では、搾水工程でのスラリの移送速度VS2が脱水工程でのスラリの移送速度VS1より遅く、かつ、乾燥工程でのスラリの移送速度VS3が搾水工程でのスラリの移送速度VS2より遅い場合(VS3<VS2<VS1)について説明した。しかし、このような場合に限らず、搾水工程でのスラリの移送速度VS2を脱水工程でのスラリの移送速度VS1より遅くするだけ(VS2<VS1)でもよく、また、乾燥工程でのスラリの移送速度VS3を搾水工程でのスラリの移送速度VS2より遅くするだけ(VS3<VS2)でもよい。
つまり、脱水工程、搾水工程および乾燥工程において、後工程でのスラリの移送速度が前工程でのスラリの移送速度より遅ければよい。このとき、前工程および後工程は、複数の工程を続けて実行する際に、その実行順の前後関係に基づいて決定される。例えば、搾水工程でのスラリの移送速度VS2を脱水工程でのスラリの移送速度VS1より遅くする場合には、実行順の早い脱水工程が前工程になり、実行順の遅い搾水工程が後工程になる。また、乾燥工程でのスラリの移送速度VS3を搾水工程でのスラリの移送速度VS2より遅くする場合には、実行順の早い搾水工程が前工程になり、実行順の遅い乾燥工程が後工程になる。
また、上述した第1実施形態では、脱水工程、搾水工程および乾燥工程の順でカーボンシートを製造する際に、搾水工程の中ではスラリの移送速度を一定にする場合について説明した。しかし、搾水工程はスラリの水分率を調整する重要な工程であるため、この搾水工程の中でもスラリの移送速度を段階的に調整したいという要望が強い。そこで、こうした要望に応えるべく、搾水工程をさらに複数の工程に分割し、これら複数の工程において、後工程でのスラリの移送速度を前工程でのスラリの移送速度より遅くすることもできる。このときも、前工程および後工程は、複数の工程を続けて実行する際に、その実行順の前後関係に基づいて決定される。このことは、搾水工程に限らず、脱水工程や乾燥工程にも同様に適用することができる。
さらに、上述した第1実施形態では、脱水工程、搾水工程および乾燥工程の順でカーボンシートを製造する際に、下流速度差、すなわち、搾水工程部P2から乾燥工程部P3にスラリが受け渡されるときのスラリの移送速度の減少量(第2速度差ΔVS2)に比べて、上流速度差、すなわち、脱水工程部P1から搾水工程部P2にスラリが受け渡されるときのスラリの移送速度の減少量(第1速度差ΔVS1)を小さくする場合(ΔVS1<ΔVS2)について説明した。
しかし、脱水工程、搾水工程および乾燥工程のうち1以上の工程をさらに複数の工程に分割し、前工程でのスラリの移送速度と後工程でのスラリの移送速度に差をつけた部分が2以上ある場合に、これら2以上の部分のうち任意の2部分の速度差を上流から上流速度差、下流速度差とするとき、上流速度差を下流速度差より小さくすることも可能である。このときも、前工程および後工程は、複数の工程を続けて実行する際に、その実行順の前後関係に基づいて決定される。したがって、脱水工程と搾水工程、搾水工程と乾燥工程だけでなく、複数の工程に分割された搾水工程内でのスラリの移送速度に差がある場合に、上流速度差を下流速度差より小さくすることもできる。
1……カーボンシートの製造装置
P1……脱水工程部
P2……搾水工程部
P3……乾燥工程部
VS1……脱水工程でのスラリの移送速度
VS2……搾水工程でのスラリの移送速度
VS3……乾燥工程でのスラリの移送速度
ΔVS1……第1速度差
ΔVS2……第2速度差

Claims (4)

  1. カーボンナノチューブとナノカーボン粒子と水とからなるスラリをシート状に成形するカーボンシートの製造方法であって、
    前記スラリに含まれる水分を取り除きつつ当該スラリを移送する脱水工程と、
    この脱水工程を経たスラリを圧延して搾水しつつ移送する搾水工程と、
    この搾水工程を経たスラリを加熱して乾燥しつつ移送する乾燥工程と、をこの順で有し、
    前記脱水工程、前記搾水工程および前記乾燥工程において、後工程でのスラリの移送速度は、前工程でのスラリの移送速度より遅いカーボンシートの製造方法。
  2. 前記搾水工程はさらに複数の工程に分割され、これら複数の工程において、後工程でのスラリの移送速度は、前工程でのスラリの移送速度より遅い請求項1に記載のカーボンシートの製造方法。
  3. 前工程でのスラリの移送速度と後工程でのスラリの移送速度に差をつけた部分が2以上あり、これら2以上の部分のうち任意の2部分の速度差を上流から上流速度差、下流速度差とするとき、前記上流速度差は前記下流速度差より小さい請求項1または2に記載のカーボンシートの製造方法。
  4. 前記脱水工程でのスラリの移送速度と前記搾水工程でのスラリの移送速度との差である第1速度差は、前記搾水工程でのスラリの移送速度と前記乾燥工程でのスラリの移送速度との差である第2速度差より小さい請求項1から3までのいずれかに記載のカーボンシートの製造方法。
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