JP2020105065A - Method for producing carbon nanotube growth substrate - Google Patents

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直治 増原
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Abstract

To provide a method for producing a carbon nanotube growth substrate capable of increasing the generation amount of carbon nanotube grown (the length of carbon nanotube, and the bulk density thereof) per unit area, in production of the carbon nanotube through a chemical vapor deposition method using a substrate.SOLUTION: A method includes: a solution-preparing step of preparing a first solution containing a siloxane polymer; and a film-forming step of forming a high-density silica film on a surface of a base material by applying the first solution to the base material and curing the siloxane polymer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明はカーボンナノチューブを製造するためのカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a carbon nanotube growth substrate for manufacturing carbon nanotubes.

従来技術として、基板を用いた化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法によってカーボンナノチューブを製造する技術が知られている。化学気相堆積法によるカーボンナノチューブの製造では、気相法に比べて長いカーボンナノチューブを製造することができるが、基板の単位面積当たりのカーボンナノチューブの生成量が少なくなる。この問題を解決する手段として、例えば、(1)基板の単位面積当たりのカーボンナノチューブの生成量を増加させること、または、(2)カーボンナノチューブを連続製造可能なプロセスを用いること、などが挙げられる。 As a conventional technique, there is known a technique of manufacturing carbon nanotubes by a chemical vapor deposition (CVD) method using a substrate. The carbon nanotubes produced by the chemical vapor deposition method can produce longer carbon nanotubes than the vapor phase method, but the production amount of the carbon nanotubes per unit area of the substrate is small. Examples of means for solving this problem include (1) increasing the production amount of carbon nanotubes per unit area of the substrate, or (2) using a process capable of continuously producing carbon nanotubes. ..

例えば、特許文献1および特許文献2には、化学気相堆積法によるカーボンナノチューブの製造技術が開示されている。これらの技術では、カーボンナノチューブを連続製造可能なプロセスを実現するために、カーボンナノチューブ成長用基板として、中間層および触媒層が表面に形成された薄いロール状のステンレス箔を用いる技術が開示されている。 For example, Patent Documents 1 and 2 disclose carbon nanotube manufacturing techniques by a chemical vapor deposition method. In these techniques, in order to realize a process capable of continuously producing carbon nanotubes, a technique of using a thin roll-shaped stainless foil having an intermediate layer and a catalyst layer formed on the surface as a substrate for growing carbon nanotubes is disclosed. There is.

特開2007−70137号公報JP, 2007-70137, A 特開2013−1598号公報JP, 2013-1598, A

しかしながら、上述のような従来技術のカーボンナノチューブ成長用基板では、中間層がアルミニウム、シリコン、またはアルカリエッチングされたシリカなどで構成されており、セラミック基材またはガラス(石英)基材のみと比べて、単位面積当たりのカーボンナノチューブの生成量(カーボンナノチューブの長さ、および、カーボンナノチューブの嵩密度)が低いという問題がある。 However, in the carbon nanotube growth substrate of the prior art as described above, the intermediate layer is made of aluminum, silicon, or alkali-etched silica, etc., and thus compared with a ceramic base material or a glass (quartz) base material only. However, there is a problem that the amount of carbon nanotubes generated per unit area (length of carbon nanotubes and bulk density of carbon nanotubes) is low.

本発明の一態様は、単位面積当たりのカーボンナノチューブの生成量を大きくすることができるカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法を実現することを目的とする。 An object of one aspect of the present invention is to realize a method for manufacturing a carbon nanotube growth substrate capable of increasing the amount of carbon nanotubes produced per unit area.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法は、シロキサンポリマーを含む第1溶液を調製する溶液調製工程と、前記第1溶液を基材に塗布し、前記シロキサンポリマーを硬化させることにより、前記基材の表面にシリカ膜を形成する成膜工程と、を含む。 In order to solve the above problems, a method for manufacturing a substrate for growing carbon nanotubes according to an aspect of the present invention includes a solution preparing step of preparing a first solution containing a siloxane polymer, and applying the first solution to a substrate. And a film forming step of forming a silica film on the surface of the base material by curing the siloxane polymer.

本発明の一態様によれば、単位面積当たりのカーボンナノチューブの生成量を大きくすることができるカーボンナノチューブ成長用基板を製造することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to manufacture a substrate for growing carbon nanotubes that can increase the amount of carbon nanotubes produced per unit area.

実施例1における重合反応の条件、および、重合反応の反応性についてのデータを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the conditions of the polymerization reaction and the data on the reactivity of the polymerization reaction in Example 1. 実施例2におけるシロキサンポリマーを含む溶液の物性データを示す図である。5 is a diagram showing physical property data of a solution containing a siloxane polymer in Example 2. FIG. 実施例2における生成したカーボンナノチューブのデータを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing data of carbon nanotubes produced in Example 2.

本発明の一態様に係るカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法は、金属(例えば、ステンレス、銅)等の基材に高密度なシリカ(SiO)膜を形成するために、原料としてシロキサンポリマーを含む第1溶液を調製する溶液調製工程と、第1溶液を基材に塗布し、シロキサンポリマーを硬化させることにより、基材の表面にシリカ膜を形成する成膜工程と、を含む。 A method of manufacturing a substrate for growing carbon nanotubes according to an aspect of the present invention uses a siloxane polymer as a raw material in order to form a high-density silica (SiO 2 ) film on a base material such as a metal (eg, stainless steel, copper). The method includes a solution preparing step of preparing a first solution containing the same, and a film forming step of forming a silica film on the surface of the base material by applying the first solution to the base material and curing the siloxane polymer.

〔実施形態1〕
以下、本発明のカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法の一実施形態について、詳細に説明する。なお、A〜Bは、Aよりも大きく、Bよりも小さいことを意味する。
[Embodiment 1]
Hereinafter, one embodiment of the method for producing a carbon nanotube growth substrate of the present invention will be described in detail. In addition, A to B means that it is larger than A and smaller than B.

本実施形態におけるカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法は、溶液調製工程と、成膜工程とを含む。 The method for manufacturing a substrate for growing carbon nanotubes according to the present embodiment includes a solution preparing step and a film forming step.

(溶液調製工程)
溶液調製工程は、シロキサンポリマーを含むシロキサンポリマー溶液(以降では、第1溶液と称する)を調製する工程である。溶液調整工程は、下記の第1工程と、第2工程とを含む。
(Solution preparation process)
The solution preparation step is a step of preparing a siloxane polymer solution containing a siloxane polymer (hereinafter referred to as a first solution). The solution adjusting step includes the following first step and second step.

本発明で使用する第1溶液の溶液調整工程における、第1工程では、まず、アルコキシシランおよび/またはアルコキシシランの低縮合物(以下、第1原料と称する)を含む溶液(以降では、第2溶液と称する)と、第1原料の重合を促進させる触媒(以降では、第1触媒と称する)を含む溶液(以降では、第3溶液と称する)とを調製する。 In the first step in the solution adjusting step of the first solution used in the present invention, first, a solution containing an alkoxysilane and/or a low condensate of an alkoxysilane (hereinafter referred to as a first raw material) (hereinafter, referred to as a second A solution (hereinafter referred to as a solution) and a solution (hereinafter referred to as a third solution) containing a catalyst (hereinafter, referred to as a first catalyst) that accelerates the polymerization of the first raw material are prepared.

第2溶液は、アルコキシシランおよび/またはアルコキシシランの低縮合物(すなわち、第1原料)と、溶媒とを含む。アルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロキシシラン、テトラブトキシシランなどを用いることができる。アルコキシシランの低縮合物としては、2〜20個のアルコキシシランが直鎖状に縮合した化合物(例えば、エチルシリケートオリゴマー)を用いることができる。 The second solution contains an alkoxysilane and/or a low condensate of alkoxysilane (that is, the first raw material) and a solvent. As the alkoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraproxysilane, tetrabutoxysilane or the like can be used. As the low-condensation product of alkoxysilane, a compound in which 2 to 20 alkoxysilanes are linearly condensed (for example, ethyl silicate oligomer) can be used.

第2溶液に含まれる溶媒は、上記第1原料を溶解させることができる溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール(IPA)、n−プロパノール、n−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルなどを用いることができる。 The solvent contained in the second solution is not particularly limited as long as it is a solvent capable of dissolving the first raw material, and examples thereof include methanol, ethanol, isopropanol (IPA), n-propanol, n-butanol, Ethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether and the like can be used.

第3溶液は、第1触媒と、水と、溶媒とを含む。 The third solution contains the first catalyst, water, and a solvent.

第1触媒は、第1原料の重合を促進させる触媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、有機酸などの酸触媒を用いることができる。 The first catalyst is not particularly limited as long as it is a catalyst that accelerates the polymerization of the first raw material, and for example, an acid catalyst such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, or an organic acid can be used.

第3溶液に含まれる溶媒は、上記第1触媒を分散させることができる溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール(IPA)、n−プロパノール、n−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルなどを用いることができる。 The solvent contained in the third solution is not particularly limited as long as it can disperse the first catalyst, and examples thereof include methanol, ethanol, isopropanol (IPA), n-propanol, n-butanol, Ethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether and the like can be used.

第1工程では、第2溶液に第3溶液を加えて第1触媒の存在下において水で加水分解する。これにより、第1原料を重合させることで、シロキサンポリマーを含む溶液を調製する。第1工程では、第1原料に対する第1触媒の量が0.001〜0.1重量%となるように、第2溶液に第3溶液を加えることが好ましい。 In the first step, the third solution is added to the second solution and hydrolyzed with water in the presence of the first catalyst. Thus, the solution containing the siloxane polymer is prepared by polymerizing the first raw material. In the first step, it is preferable to add the third solution to the second solution so that the amount of the first catalyst with respect to the first raw material is 0.001 to 0.1% by weight.

また、第1工程において、第1原料100重量部に対して、10〜55重量部の水が添加されるように、第3溶液における水の量、および/または、第2溶液に対する第3溶液の添加量を調製することが好ましい。第1原料100重量部対する水の添加量が10重量部未満の場合、第1原料の重合反応が遅くなるため好ましくない。また、第1原料100重量部対する水の添加量が55重量部よりも多い場合、第1原料の重合反応が早すぎてしまい、生成されるシロキサンポリマーが急激にゲル化してしまうため好ましくない。 In the first step, the amount of water in the third solution and/or the third solution with respect to the second solution are added so that 10 to 55 parts by weight of water is added to 100 parts by weight of the first raw material. It is preferable to adjust the addition amount of. When the amount of water added to 100 parts by weight of the first raw material is less than 10 parts by weight, the polymerization reaction of the first raw material is delayed, which is not preferable. Further, if the amount of water added to 100 parts by weight of the first raw material is more than 55 parts by weight, the polymerization reaction of the first raw material will be too fast, and the siloxane polymer produced will gel rapidly, which is not preferable.

また、第1工程では、重量平均分子量が1000〜30000のシロキサンポリマーを生成することが好ましく、重量平均分子量が1000〜20000のシロキサンポリマーを生成することがさらに好ましく、重量平均分子量が2000〜20000のシロキサンポリマーを生成することが更に好ましく、重量平均分子量が3000〜12000のシロキサンポリマーを生成することがさらに好ましい。これにより、形成されるシリカ膜をより高密度にすることができる。重量平均分子量が1000以下であれば、高密度なカーボンナノチューブが得られる塗膜を形成しない、または、均一な塗膜にならない場合がある。重量平均分子量が30000以上であれば、シロキサンポリマーが短期間(例えば、半日以内)でゲル化して、長期間(好ましくは室温で1週間、更に好ましくは6ヶ月以上)の保管が出来ないので好ましくない。 Further, in the first step, it is preferable to produce a siloxane polymer having a weight average molecular weight of 1,000 to 30,000, more preferable to produce a siloxane polymer having a weight average molecular weight of 1,000 to 20,000, and a weight average molecular weight of 2,000 to 20,000. It is more preferable to form a siloxane polymer, and it is more preferable to form a siloxane polymer having a weight average molecular weight of 3000 to 12000. As a result, the formed silica film can have a higher density. If the weight average molecular weight is 1000 or less, a coating film that can obtain high-density carbon nanotubes may not be formed, or a uniform coating film may not be obtained. When the weight average molecular weight is 30,000 or more, the siloxane polymer gels in a short period of time (for example, within half a day) and cannot be stored for a long period of time (preferably at room temperature for 1 week, more preferably at least 6 months), which is preferable. Absent.

シロキサンポリマーの重量平均分子量の制御は、例えば、第1原料の濃度、重合の反応温度、重合の反応時間、および水の添加量のうち少なくとも1つを制御することにより行うことができる。例えば、アルコキシシランが結合する際には、アルコキシシラン同士を近づけて反応できる距離(領域)にアルコキシシラン同士がいる必要がある。第1原料の濃度が低い場合は、アルコキシシラン同士が近づきにくく、反応速度が遅くなる。これに対して、第1原料の濃度が高い場合、アルコキシシラン同士の距離が近く、アルコキシシラン同士がすぐに反応できるため、反応速度が速くなる。ただし、第1原料の濃度が高い状態においても反応が進むにつれて、アルコキシシランが反応し、シロキサンオリゴマー(シロキサンポリマー)が生成することで第1原料の濃度が減少し、反応性は徐々に低下する。例えば、下記の実施例1で述べる第1シロキサンポリマー溶液におけるシロキサンポリマーの固形分が、10%〜20%であると反応速度が遅く、30%〜40%であると緩やかではあるが反応速度が上昇し、50%以上になると急激に反応速度が上昇する傾向にある。 The weight average molecular weight of the siloxane polymer can be controlled, for example, by controlling at least one of the concentration of the first raw material, the polymerization reaction temperature, the polymerization reaction time, and the amount of water added. For example, when the alkoxysilanes are bound to each other, it is necessary that the alkoxysilanes are located at a distance (area) where the alkoxysilanes can be brought close to each other to react. When the concentration of the first raw material is low, the alkoxysilanes are hard to come close to each other and the reaction rate becomes slow. On the other hand, when the concentration of the first raw material is high, the distance between the alkoxysilanes is short, and the alkoxysilanes can react with each other immediately, so that the reaction rate becomes faster. However, even when the concentration of the first raw material is high, the alkoxysilane reacts with the progress of the reaction to form a siloxane oligomer (siloxane polymer), whereby the concentration of the first raw material decreases and the reactivity gradually decreases. .. For example, when the solid content of the siloxane polymer in the first siloxane polymer solution described in Example 1 below is 10% to 20%, the reaction rate is slow, and when it is 30% to 40%, the reaction rate is slow but slow. The reaction rate tends to increase sharply when the concentration increases to 50% or more.

一方で、反応溶液中の温度が高くなることにより反応性モノマーの動きが活発になる(反応性モノマーが動きやすくなる)。従って、熱のエネルギーによってアルコキシシランの運動エネルギーが大きくなるため、反応しやすい領域に近づきやすくなり、反応が進行しやすくなる。例えば、第1シロキサンポリマー溶液の反応時の温度が、20℃以下である場合、反応速度が非常に遅く、30℃〜50℃であると徐々に反応速度が上昇し、80℃以上になると反応速度がかなり速くなる傾向にある。 On the other hand, when the temperature in the reaction solution becomes high, the movement of the reactive monomer becomes active (the reactive monomer becomes easy to move). Therefore, since the kinetic energy of the alkoxysilane increases due to the heat energy, it becomes easy to approach the region where the reaction easily occurs, and the reaction easily proceeds. For example, when the temperature of the reaction of the first siloxane polymer solution is 20° C. or lower, the reaction rate is very slow, when it is 30° C. to 50° C., the reaction rate gradually increases, and when it is 80° C. or higher, the reaction occurs. The speed tends to be quite fast.

水の添加量に関しては、後述する図1からわかるように、水によって加水分解(≡Si−OR→≡Si−H)が進み、反応性の高いシラノール(≡Si−OH)が発生し、シラノールがシロキサン結合(≡Si−O−Si≡)を形成する。水が多ければ水との反応が速く進行するため、高分子化しやすくなる。なお、原料である、加水分解していないアルコキシシランやアルコキシシランの低縮合物は、水との相溶性がない。そのため、均一に加水分解させるためには、攪拌しながら時間をかけて滴下することが好ましい。 Regarding the amount of water added, as will be seen from FIG. 1 which will be described later, hydrolysis (≡Si—OR→≡Si—H) is promoted by water, highly reactive silanol (≡Si—OH) is generated, and silanol is added. Form a siloxane bond (≡Si—O—Si≡). If the amount of water is large, the reaction with water proceeds rapidly, and it becomes easy to polymerize. In addition, the non-hydrolyzed alkoxysilane and the low-condensation product of the alkoxysilane, which are the raw materials, are not compatible with water. Therefore, in order to uniformly hydrolyze, it is preferable to add dropwise over a period of time with stirring.

上述のように、例えば、第1原料の濃度、重合の反応温度、重合の反応時間、および水の添加量のうち少なくとも1つを制御し、適正な反応速度することによって、シロキサンポリマーの重量平均分子量が所望の値となるように第2工程を適切に行うことができる。 As described above, for example, by controlling at least one of the concentration of the first raw material, the reaction temperature of the polymerization, the reaction time of the polymerization, and the amount of water added, and adjusting the reaction rate appropriately, the weight average of the siloxane polymer can be increased. The second step can be appropriately performed so that the molecular weight becomes a desired value.

分子量分布(PDI(=Mw/Mn))は、1.2〜6.0が好ましく、特に4.5以下が好ましい。分子量分布が6.0以上の場合、未反応モノマー成分が多く残り、成膜時に高密度なカーボンナノチューブが得られる塗膜を形成できない、または、高分子量化に伴う溶媒への溶解性低下およびゲル化が生じ、成膜出来なくなる。なお、ポリマーの重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、後述の実施例に記載される方法で測定される。 The molecular weight distribution (PDI (=Mw/Mn)) is preferably 1.2 to 6.0, and particularly preferably 4.5 or less. When the molecular weight distribution is 6.0 or more, a large amount of unreacted monomer component remains, and a coating film that can obtain high-density carbon nanotubes cannot be formed at the time of film formation, or the solubility in a solvent and gel decrease with the increase in molecular weight. And the film formation becomes impossible. The weight average molecular weight (Mw) and the number average molecular weight (Mn) of the polymer are measured by gel permeation chromatography (GPC) by the methods described in Examples below.

本発明で使用する第1溶液の溶液調整工程における、第2工程は、第1工程にて調製された溶液から第1触媒を除去することにより第1溶液を調製する工程である。第2工程における第1触媒を除去する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、第1工程にて調整された溶液に陰イオン交換樹脂を添加する方法を用いることができる。例として第1触媒が硫酸である場合、第1工程にて調整された溶液に陰イオン交換樹脂を添加することにより、硫酸イオンSO 2−を陰イオン交換樹脂によって除去することができる。 The second step in the solution adjusting step of the first solution used in the present invention is a step of preparing the first solution by removing the first catalyst from the solution prepared in the first step. The method of removing the first catalyst in the second step is not particularly limited, but for example, a method of adding an anion exchange resin to the solution prepared in the first step can be used. For example, when the first catalyst is sulfuric acid, the sulfate ion SO 4 2− can be removed by the anion exchange resin by adding the anion exchange resin to the solution prepared in the first step.

第1工程にて調製された溶液から第1触媒を除去することにより、第1原料が重合することを抑制(第1工程の反応を終了)することができる。これにより、シロキサンポリマーがゲル化することを抑制することができ、安定した第1溶液を作製することができる。 By removing the first catalyst from the solution prepared in the first step, it is possible to suppress the polymerization of the first raw material (end the reaction of the first step). This can prevent the siloxane polymer from gelling, and a stable first solution can be prepared.

(成膜工程)
次に、成膜工程は、シロキサンポリマー溶液(第1溶液)を基材に塗布し、シロキサンポリマーを硬化させることにより、基材の表面にシリカ膜を形成する工程である。溶液調整工程は、下記の第3〜第6工程を含む。本実施形態では、基材として、薄いステンレス箔を用いる。
(Film forming process)
Next, the film forming step is a step of applying a siloxane polymer solution (first solution) to the base material and curing the siloxane polymer to form a silica film on the surface of the base material. The solution adjusting step includes the following third to sixth steps. In this embodiment, a thin stainless foil is used as the base material.

第3工程は、シロキサンポリマーの硬化を促進させる第2触媒を含む溶液(以降では、第4溶液と称する)を調製する工程である。 The third step is a step of preparing a solution containing a second catalyst that accelerates the curing of the siloxane polymer (hereinafter referred to as a fourth solution).

第2触媒は、熱を加えることにより酸を発生する熱酸発生剤、または、光を照射することにより酸を発生する光酸発生剤であることが好ましい。熱酸発生剤としては、例えば、p−トルエンスルホン酸のアミンブロック体、ドデシルベンゼンスルホン酸のアミンブロック体、アルキルナフタレンスルホン酸のアミンブロック体、ジアルキルスルホコハク酸のアミンブロック体などが挙げられる。光酸発生剤としては、例えば、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、ジアルキルスルホニルジアゾメタンなどが挙げられる。 The second catalyst is preferably a thermal acid generator that generates an acid when heat is applied or a photoacid generator that generates an acid when irradiated with light. Examples of the thermal acid generator include an amine block of p-toluene sulfonic acid, an amine block of dodecylbenzene sulfonic acid, an amine block of alkylnaphthalene sulfonic acid, and an amine block of dialkyl sulfosuccinic acid. Examples of the photoacid generator include sulfonium salts, iodonium salts, dialkylsulfonyldiazomethanes, and the like.

第4溶液には、下記の第4工程において所望する膜厚の溶液を塗布するために、固形分調整剤(例えば、n−プロパノール)を含んでいることが好ましい。 The fourth solution preferably contains a solid content adjusting agent (for example, n-propanol) in order to apply a solution having a desired film thickness in the following fourth step.

第4工程は、第1溶液と第4溶液との混合液を基材に塗布する工程である。当該混合液の塗布は、公知の塗布法または印刷法を用いて行うことができ、例えば、スピンコーター、グラビアコーター、ダイコーター、スクリーン印刷などを用いることができる。また、混合液を塗布した後、混合液の硬化処理を行ってもよい。 The fourth step is a step of applying a mixed liquid of the first solution and the fourth solution to the base material. The coating of the mixed solution can be performed by using a known coating method or printing method, and for example, a spin coater, a gravure coater, a die coater, screen printing, or the like can be used. Further, after the mixed liquid is applied, the mixed liquid may be cured.

第5工程は、基材に塗布された、溶液と第4溶液との混合液を焼成してシリカ膜を形成する工程である。具体的には、500〜800℃で、5〜30分焼成することにより、シリカ膜を形成する。 The fifth step is a step of forming a silica film by baking the mixed solution of the solution and the fourth solution applied to the base material. Specifically, a silica film is formed by baking at 500 to 800° C. for 5 to 30 minutes.

上述のように、第3混合液にはシロキサンポリマーの硬化を促進させる第2触媒が含まれているため、焼成により、より一層の高密度なシリカ膜を形成することができる。 As described above, the third mixed liquid contains the second catalyst that accelerates the curing of the siloxane polymer, so that a higher density silica film can be formed by firing.

第6工程は、シリカ膜に触媒層を形成する工程である。本実施形態では、触媒層は、鉄(Fe)により構成されており、EB(電子ビーム、Electron Beam)法等によって形成される。ただし、本発明における触媒層は、Feに限られるものではなく、例えば、コバルト(Co)やニッケル(Ni)などにより構成されてもよい。また、本発明における触媒層は、スパッタ法や真空蒸着法などによって形成されてもよい。 The sixth step is a step of forming a catalyst layer on the silica film. In this embodiment, the catalyst layer is made of iron (Fe) and is formed by the EB (electron beam, electron beam) method or the like. However, the catalyst layer in the present invention is not limited to Fe, and may be made of, for example, cobalt (Co) or nickel (Ni). Moreover, the catalyst layer in the present invention may be formed by a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like.

以上のように、本実施形態におけるカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法は、シロキサンポリマーを含む第1溶液を調製する溶液調製工程と、前記第1溶液を基材に塗布し、前記シロキサンポリマーを硬化させることにより、前記基材の表面にシリカ膜を形成する成膜工程と、を含む。上記の構成によれば、シロキサンポリマーからシリカ膜を形成するので高密度なシリカ膜を形成することができる。その結果、単位面積当たりのカーボンナノチューブの生成量を大きくすることができる。 As described above, the method for manufacturing a substrate for growing carbon nanotubes according to the present embodiment includes a solution preparing step of preparing a first solution containing a siloxane polymer, and applying the first solution to a base material to cure the siloxane polymer. And a film forming step of forming a silica film on the surface of the base material. According to the above configuration, since the silica film is formed from the siloxane polymer, the high density silica film can be formed. As a result, the production amount of carbon nanotubes per unit area can be increased.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but various modifications can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments Is also included in the technical scope of the present invention.

本発明の一実施例について以下に説明する。 An embodiment of the present invention will be described below.

本実施例では、第1溶液の溶液調整工程の第1工程における、第1原料100重量部に対する水の添加量について実験を行った。本実施例では、第1原料としてアルコキシシロキサンオリゴマー(分子量1282)を用い、図1に示す条件で重合反応を行った。なお、図1には、重合反応の反応性についてのデータも記載している。 In this example, an experiment was conducted on the amount of water added to 100 parts by weight of the first raw material in the first step of the solution adjusting step of the first solution. In this example, an alkoxysiloxane oligomer (molecular weight 1282) was used as the first raw material, and the polymerization reaction was performed under the conditions shown in FIG. Note that FIG. 1 also shows data on the reactivity of the polymerization reaction.

図1に示すように、第1原料100重量部に対して9.7重量部の水を添加した場合には、重合反応が非常に遅かった。また、第1原料100重量部に対して56.6重量部よりも多くの水を添加した場合には、重合反応が非常に早く、第2工程を行っている間に生成されるシロキサンポリマーのゲル化が進行した。特に、第1原料100重量部に対して119.3重量部の水を添加した場合には、重合反応が非常に速く、すぐにゲル化した。したがって、第1原料100重量部に対して、10.00重量部〜55.00重量部の水を添加することが好ましく、14.05重量部〜49.7重量部の水を添加することが特に好ましい。 As shown in FIG. 1, when 9.7 parts by weight of water was added to 100 parts by weight of the first raw material, the polymerization reaction was very slow. In addition, when more than 56.6 parts by weight of water was added to 100 parts by weight of the first raw material, the polymerization reaction was very fast and the siloxane polymer formed during the second step was Gelation progressed. In particular, when 119.3 parts by weight of water was added to 100 parts by weight of the first raw material, the polymerization reaction was very fast and gelation occurred immediately. Therefore, it is preferable to add 10.00 parts by weight to 55.00 parts by weight of water to 100 parts by weight of the first raw material, and to add 14.05 parts by weight to 49.7 parts by weight of water. Particularly preferred.

次に、本発明のカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法を用いて、下記の第1〜3実施例のカーボンナノチューブを作製した。 Next, carbon nanotubes of the following first to third examples were produced using the method for producing a carbon nanotube growth substrate of the present invention.

<第1実施例:シロキサンポリマー重合1>
第1実施例では、まず、撹拌機、滴下ロート、温度計を装着した四つ口フラスコに、エチルシリケートオリゴマー(製品名:シリケート45、多摩化学工業製)および溶媒としてのn−プロパノールを、重量比で100:130となるように入れた。次に、溶液を25℃で撹拌しながら、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して、0.25重量部の6N−硫酸(第1触媒)、19.4重量部のイオン交換水、および9.4重量部のn−プロパノールを1時間かけて滴下し、その後、24時間撹拌し、シロキサンポリマー溶液を作製した。
<First Example: Polymerization of siloxane polymer 1>
In the first example, first, a four-necked flask equipped with a stirrer, a dropping funnel, and a thermometer was charged with ethyl silicate oligomer (product name: silicate 45, manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd.) and n-propanol as a solvent by weight. The mixture was put in a ratio of 100:130. Next, with stirring the solution at 25° C., 0.25 part by weight of 6N-sulfuric acid (first catalyst), 19.4 parts by weight of ion-exchanged water, and 9.100 parts by weight of the ethyl silicate oligomer. 4 parts by weight of n-propanol was added dropwise over 1 hour and then stirred for 24 hours to prepare a siloxane polymer solution.

次に、硫酸(第1触媒)を除去するために、得られたシロキサンポリマー溶液に、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して13.0重量部の陰イオン交換樹脂(商品名;WA20、三菱ケミカル製)を加えた後5〜10分撹拌し、pH試験紙を用いてpHが5〜6であることを確認した。その後、陰イオン交換樹脂を濾別し、無色透明なシロキサンポリマーを得た。なお、陰イオン交換樹脂は、使用に先立って1N−NaOH溶液で処理し、水洗後、n−プロパノール置換を行った。 Next, in order to remove sulfuric acid (first catalyst), 13.0 parts by weight of anion exchange resin (trade name; WA20, Mitsubishi Chemical) was added to 100 parts by weight of the ethyl silicate oligomer in the obtained siloxane polymer solution. After adding the product), the mixture was stirred for 5 to 10 minutes, and it was confirmed that the pH was 5 to 6 using pH test paper. Then, the anion exchange resin was filtered off to obtain a colorless and transparent siloxane polymer. The anion exchange resin was treated with a 1N-NaOH solution prior to use, washed with water, and then replaced with n-propanol.

得られたシロキサンポリマーを、臭化リチウムを溶解させたDMF溶液(10mM LiBr)で希釈し、当該DMF溶液を溶離液として用いてGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー、gel permeation chromatography)で測定した。その結果、シロキサンポリマーの重量平均分子量は、2635であった。得られたシロキサンポリマーを含む溶液(第1シロキサンポリマー溶液と称する)の物性データを図2に示す。なお、図2において、収率は、得られたシロキサンポリマー溶液を原材料であるエチルシリケートオリゴマー等の仕込み重量で割った値である。この収率が低い場合、イオン交換樹脂処理等によるポリマー成分の吸着等、または溶媒の揮発が考えられ、得られたシロキサンポリマー溶液において好ましくない反応が進んでいる可能性が考えられる。このため、収率は、90%以上であることが好ましい。 The obtained siloxane polymer was diluted with a DMF solution (10 mM LiBr) in which lithium bromide was dissolved and measured by GPC (gel permeation chromatography) using the DMF solution as an eluent. As a result, the weight average molecular weight of the siloxane polymer was 2635. Physical property data of the obtained solution containing a siloxane polymer (referred to as a first siloxane polymer solution) are shown in FIG. In addition, in FIG. 2, the yield is a value obtained by dividing the obtained siloxane polymer solution by the weight of the raw material such as ethyl silicate oligomer. When this yield is low, adsorption of the polymer component due to ion exchange resin treatment or the like, or volatilization of the solvent is considered, and there is a possibility that an unfavorable reaction proceeds in the obtained siloxane polymer solution. Therefore, the yield is preferably 90% or more.

次に、得られたシロキサンポリマーをn−プロパノールで固形分を調製し、スピンコーターを用いて硬化後の膜厚が約450nmとなるようにステンレス箔に塗布することによって成膜し、200℃で5分間硬化処理を行った。ステンレス箔の反対側の面にも同様に、成膜および硬化処理を行った。 Next, a solid content of the obtained siloxane polymer was prepared with n-propanol, and a spin coater was used to apply a film onto a stainless steel foil so that the film thickness after curing was about 450 nm. Curing treatment was performed for 5 minutes. Film formation and curing were similarly performed on the surface opposite to the stainless steel foil.

次に、ステンレス箔を700℃で15分間焼成処理を行い、シリカ膜が形成されたカーボンナノチューブ成長用基板を作製した。得られたカーボンナノチューブ成長用基板には、シリカ膜のクラックは発生していなかった。次に、EB蒸着法を用いて、シリカ膜に、膜厚が約3nmのFeを成膜した。 Next, the stainless steel foil was baked at 700° C. for 15 minutes to prepare a carbon nanotube growth substrate on which a silica film was formed. No cracks were generated in the silica film on the obtained carbon nanotube growth substrate. Next, Fe having a film thickness of about 3 nm was formed on the silica film by using the EB vapor deposition method.

次に、化学気相成長法を用いて、カーボンナノチューブ成長用基板にカーボンナノチューブを生成させた。具体的には、チャンバ内に窒素ガスを供給しながらカーボンナノチューブ成長用基板を660℃まで加熱した後、660℃に維持した状態でチャンバ内にアセチレンガスを供給しながらカーボンナノチューブを生成させた。生成したカーボンナノチューブのデータを図3に示す。 Next, the carbon nanotubes were generated on the carbon nanotube growth substrate by the chemical vapor deposition method. Specifically, after the carbon nanotube growth substrate was heated to 660° C. while supplying nitrogen gas into the chamber, carbon nanotubes were generated while supplying acetylene gas into the chamber while maintaining the temperature at 660° C. The data of the produced carbon nanotubes are shown in FIG.

<第2実施例:シロキサンポリマー重合2>
第2実施例では、まず、撹拌機、滴下ロート、還流管、温度計を装着した四つ口フラスコに、エチルシリケートオリゴマー(製品名:シリケート45、多摩化学工業製)および溶媒としてのn−プロパノールを、重量比で100:130となるように入れた。次に、溶液を25℃で撹拌しながら、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して、0.25重量部の6N−硫酸(第1触媒)、19.4重量部のイオン交換水、および9.4重量部のn−プロパノールを1時間かけて滴下した。その後、オイルバスを用いて系中が80℃になるように設定し、8時間還流して、シロキサンポリマー溶液を作製した。
<Second Example: Polymerization of siloxane polymer 2>
In the second example, first, a four-necked flask equipped with a stirrer, a dropping funnel, a reflux tube, and a thermometer was used, and an ethyl silicate oligomer (product name: silicate 45, manufactured by Tama Chemical Industry) and n-propanol as a solvent were used. Was added so that the weight ratio was 100:130. Next, with stirring the solution at 25° C., 0.25 part by weight of 6N-sulfuric acid (first catalyst), 19.4 parts by weight of ion-exchanged water, and 9.100 parts by weight of the ethyl silicate oligomer. 4 parts by weight of n-propanol was added dropwise over 1 hour. Then, the temperature in the system was set to 80° C. using an oil bath, and the mixture was refluxed for 8 hours to prepare a siloxane polymer solution.

次に、硫酸(第1触媒)を除去するために、得られたシロキサンポリマー溶液に、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して13.0重量部の陰イオン交換樹脂(商品名;WA20、三菱ケミカル社製)を加えた後5〜10分撹拌し、pH試験紙を用いてpHが5〜6であることを確認した。その後、陰イオン交換樹脂を濾別し、無色透明なシロキサンポリマーを得た。なお、陰イオン交換樹脂は、使用に先立って1N−NaOH溶液で処理し、水洗後、n−プロパノール置換を行った。 Next, in order to remove sulfuric acid (first catalyst), 13.0 parts by weight of anion exchange resin (trade name; WA20, Mitsubishi Chemical) was added to 100 parts by weight of the ethyl silicate oligomer in the obtained siloxane polymer solution. It was stirred for 5 to 10 minutes after adding (made by a company), and it was confirmed that the pH was 5 to 6 using pH test paper. Then, the anion exchange resin was filtered off to obtain a colorless and transparent siloxane polymer. The anion exchange resin was treated with a 1N-NaOH solution prior to use, washed with water, and then replaced with n-propanol.

得られたシロキサンポリマーを、臭化リチウムを溶解させたDMF溶液(10mM LiBr)で希釈し、当該DMF溶液を溶離液として用いてGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー、gel permeation chromatography)で測定した。その結果、シロキサンポリマーの重量平均分子量は、11470であった。得られたシロキサンポリマーを含む溶液(第2シロキサンポリマー溶液と称する)の物性データを図2に示す。 The obtained siloxane polymer was diluted with a DMF solution (10 mM LiBr) in which lithium bromide was dissolved and measured by GPC (gel permeation chromatography) using the DMF solution as an eluent. As a result, the weight average molecular weight of the siloxane polymer was 11470. Physical property data of the obtained solution containing a siloxane polymer (referred to as a second siloxane polymer solution) are shown in FIG.

以降の工程については、第1実施例と同じ工程を行った。第2実施例のカーボンナノチューブのデータを図3に示す。また、得られたカーボンナノチューブ成長用基板には、シリカ膜のクラックは発生していなかった。 As for the subsequent steps, the same steps as in the first example were performed. The data of the carbon nanotubes of the second embodiment are shown in FIG. In addition, no crack of the silica film was generated on the obtained carbon nanotube growth substrate.

<第3実施例:シロキサンポリマー重合3>
第3実施例では、まず、撹拌機、滴下ロート、還流管、温度計を装着した四つ口フラスコに、エチルシリケートオリゴマー(製品名:シリケート45、多摩化学工業製)および溶媒としてのn−プロパノールを、重量比で100:78となるように入れた。次に、溶液を25℃で撹拌しながら、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して、0.25重量部の6N−硫酸(第1触媒)、14.1重量部のイオン交換水、および43.2重量部のn−プロパノールを1時間かけて滴下した。その後、オイルバスを用いて系中が80℃になるように設定し、24時間還流して、シロキサンポリマー溶液を作製した。
<Third Example: Polymerization of siloxane polymer 3>
In the third example, first, a four-necked flask equipped with a stirrer, a dropping funnel, a reflux tube, and a thermometer was equipped with an ethyl silicate oligomer (product name: silicate 45, manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd.) and n-propanol as a solvent. Were added so that the weight ratio was 100:78. Next, while stirring the solution at 25° C., 0.25 parts by weight of 6N-sulfuric acid (first catalyst), 14.1 parts by weight of ion-exchanged water, and 43. 2 parts by weight of n-propanol was added dropwise over 1 hour. Then, the temperature in the system was set to 80° C. using an oil bath, and the mixture was refluxed for 24 hours to prepare a siloxane polymer solution.

次に、得られたシロキサンポリマー溶液に、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して23重量部のn−プロパノールを加えて濃度を調製した。 Next, to the obtained siloxane polymer solution, 23 parts by weight of n-propanol was added to 100 parts by weight of the ethyl silicate oligomer to adjust the concentration.

次に、硫酸(第1触媒)を除去するために、シロキサンポリマー溶液に、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して13.0重量部の陰イオン交換樹脂(商品名;WA20、三菱ケミカル社製)を加えた後5〜10分撹拌し、pH試験紙を用いてpHが5〜6であることを確認した。その後、陰イオン交換樹脂を濾別し、無色透明なシロキサンポリマーを得た。なお、陰イオン交換樹脂は、使用に先立って1N−NaOH溶液で処理し、水洗後、n−プロパノール置換を行った。 Next, in order to remove the sulfuric acid (first catalyst), 13.0 parts by weight of anion exchange resin (trade name; WA20, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was added to the siloxane polymer solution based on 100 parts by weight of ethyl silicate oligomer. After adding, the mixture was stirred for 5 to 10 minutes, and it was confirmed that the pH was 5 to 6 using a pH test paper. Then, the anion exchange resin was filtered off to obtain a colorless and transparent siloxane polymer. The anion exchange resin was treated with a 1N-NaOH solution prior to use, washed with water, and then replaced with n-propanol.

得られたシロキサンポリマーを、臭化リチウムを溶解させたDMF溶液(10mM LiBr)で希釈し、当該DMF溶液を溶離液として用いてGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー、gel permeation chromatography)で測定した。その結果、シロキサンポリマーの重量平均分子量は、16049であった。得られたシロキサンポリマーを含む溶液(第3シロキサンポリマー溶液と称する)の物性データを図2に示す。 The obtained siloxane polymer was diluted with a DMF solution (10 mM LiBr) in which lithium bromide was dissolved and measured by GPC (gel permeation chromatography) using the DMF solution as an eluent. As a result, the weight average molecular weight of the siloxane polymer was 16049. Physical property data of the obtained solution containing a siloxane polymer (referred to as a third siloxane polymer solution) are shown in FIG.

<第4実施例:シロキサンポリマー重合4>
第4実施例では、まず、撹拌機、滴下ロート、還流管、温度計を装着した四つ口フラスコに、エチルシリケートオリゴマー(製品名:シリケート45、多摩化学工業製)および溶媒としてのn−プロパノールを、重量比で100:75となるように入れた。次に、溶液を25℃で撹拌しながら、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して、0.25重量部の6N−硫酸(第1触媒)、19.4重量部のイオン交換水、および40.6重量部のn−プロパノールを1時間かけて滴下した。その後、ウォーターバスを用いて系中が40℃になるよう設定し、55時間撹拌して、シロキサンポリマー溶液を作製した。
<Fourth Example: Polymerization of siloxane polymer 4>
In the fourth example, first, a four-necked flask equipped with a stirrer, a dropping funnel, a reflux tube, and a thermometer was equipped with an ethyl silicate oligomer (product name: silicate 45, manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd.) and n-propanol as a solvent. Was added so that the weight ratio was 100:75. Next, while stirring the solution at 25° C., 0.25 part by weight of 6N-sulfuric acid (first catalyst), 19.4 parts by weight of ion-exchanged water, and 40. 6 parts by weight of n-propanol was added dropwise over 1 hour. Then, the temperature of the system was set to 40° C. using a water bath, and the mixture was stirred for 55 hours to prepare a siloxane polymer solution.

次に、硫酸(第1触媒)を除去するために、得られたシロキサンポリマー溶液に、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して13.0重量部の陰イオン交換樹脂(商品名:WA20、三菱ケミカル社製)を加えた後5〜10分撹拌し、pH試験紙を用いてpHが5〜6であることを確認した。その後、陰イオン交換樹脂を濾別し、無色透明なシロキサンポリマーを得た。なお、陰イオン交換樹脂は、使用に先立って1N−NaOH溶液で処理し、水洗後、n−プロパノール置換を行った。 Next, in order to remove the sulfuric acid (first catalyst), 13.0 parts by weight of an anion exchange resin (trade name: WA20, Mitsubishi Chemical) was added to 100 parts by weight of the ethyl silicate oligomer in the obtained siloxane polymer solution. It was stirred for 5 to 10 minutes after adding (made by a company), and it was confirmed that the pH was 5 to 6 using pH test paper. Then, the anion exchange resin was filtered off to obtain a colorless and transparent siloxane polymer. The anion exchange resin was treated with a 1N-NaOH solution prior to use, washed with water, and then replaced with n-propanol.

得られたシロキサンポリマーを、臭化リチウムを溶解させたDMF溶液(10mM LiBr)で希釈し、当該DMF溶液を溶離液として用いてGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー、gel permeation chromatography)で測定した。その結果、シロキサンポリマーの重量平均分子量は、4441であった。得られたシロキサンポリマーを含む溶液(第4シロキサンポリマー溶液と称する)の物性データを図2に示す。 The obtained siloxane polymer was diluted with a DMF solution (10 mM LiBr) in which lithium bromide was dissolved and measured by GPC (gel permeation chromatography) using the DMF solution as an eluent. As a result, the weight average molecular weight of the siloxane polymer was 4,441. Physical property data of the obtained solution containing a siloxane polymer (referred to as a fourth siloxane polymer solution) are shown in FIG.

<第5実施例:シロキサンポリマー重合5>
第5実施例では、まず、撹拌機、滴下ロート、還流管、温度計を装着した四つ口フラスコに、エチルシリケートオリゴマー(製品名:シリケート45、多摩化学工業製)および溶媒としてのn−プロパノールを、重量比で100:46となるように入れた。次に、溶液を25℃で撹拌しながら、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して、0.25重量部の6N−硫酸(第1触媒)、19.4重量部のイオン交換水、および25.0重量部のn−プロパノールを1時間かけて滴下した。その後、ウォーターバスを用いて系中が40℃になるよう設定し、55時間撹拌して、シロキサンポリマー溶液を作製した。
<Fifth Example: Polymerization of siloxane polymer 5>
In the fifth example, first, a four-necked flask equipped with a stirrer, a dropping funnel, a reflux tube, and a thermometer was equipped with an ethyl silicate oligomer (product name: silicate 45, manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd.) and n-propanol as a solvent. Were added so that the weight ratio was 100:46. Next, while stirring the solution at 25° C., 0.25 part by weight of 6N-sulfuric acid (first catalyst), 19.4 parts by weight of ion-exchanged water, and 25. 0 part by weight of n-propanol was added dropwise over 1 hour. Then, the temperature of the system was set to 40° C. using a water bath, and the mixture was stirred for 55 hours to prepare a siloxane polymer solution.

次に、硫酸(第1触媒)を除去するために、得られたシロキサンポリマー溶液に、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して13.0重量部の陰イオン交換樹脂(商品名:WA20、三菱ケミカル社製)を加えた後5〜10分撹拌し、pH試験紙を用いてpHが5〜6であることを確認した。その後、陰イオン交換樹脂を濾別し、無色透明なシロキサンポリマーを得た。なお、陰イオン交換樹脂は、使用に先立って1N−NaOH溶液で処理し、水洗後、n−プロパノール置換を行った。 Next, in order to remove the sulfuric acid (first catalyst), 13.0 parts by weight of an anion exchange resin (trade name: WA20, Mitsubishi Chemical) was added to 100 parts by weight of the ethyl silicate oligomer in the obtained siloxane polymer solution. It was stirred for 5 to 10 minutes after adding (made by a company), and it was confirmed that the pH was 5 to 6 using pH test paper. Then, the anion exchange resin was filtered off to obtain a colorless and transparent siloxane polymer. The anion exchange resin was treated with a 1N-NaOH solution prior to use, washed with water, and then replaced with n-propanol.

得られたシロキサンポリマーを、臭化リチウムを溶解させたDMF溶液(10mM LiBr)で希釈し、当該DMF溶液を溶離液として用いてGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー、gel permeation chromatography)で測定した。その結果、シロキサンポリマーの重量平均分子量は、27718であった。得られたシロキサンポリマーを含む溶液(第5シロキサンポリマー溶液と称する)の物性データを図2に示す。 The obtained siloxane polymer was diluted with a DMF solution (10 mM LiBr) in which lithium bromide was dissolved and measured by GPC (gel permeation chromatography) using the DMF solution as an eluent. As a result, the weight average molecular weight of the siloxane polymer was 27718. Physical property data of the obtained solution containing a siloxane polymer (referred to as a fifth siloxane polymer solution) are shown in FIG.

<第6実施例:シロキサンポリマー重合6>
第6実施例では、まず、撹拌機、滴下ロート、還流管、温度計を装着した四つ口フラスコに、エチルシリケートオリゴマー(製品名:シリケート45、多摩化学工業製)および溶媒としてのn−プロパノールを、重量比で100:131となるように入れた。次に、溶液を25℃で撹拌しながら、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して、0.25重量部の6N−硫酸(第1触媒)、19.4重量部のイオン交換水、および94.0重量部のn−プロパノールを1時間かけて滴下した。その後、ウォーターバスを用いて系中が60℃になるよう設定し、65時間撹拌して、シロキサンポリマー溶液を作製した。
<Sixth Example: Siloxane polymer polymerization 6>
In the sixth example, first, a four-necked flask equipped with a stirrer, a dropping funnel, a reflux tube, and a thermometer was charged with ethyl silicate oligomer (product name: silicate 45, manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd.) and n-propanol as a solvent. Were added so that the weight ratio was 100:131. Next, with stirring the solution at 25° C., 0.25 parts by weight of 6N-sulfuric acid (first catalyst), 19.4 parts by weight of ion-exchanged water, and 94. 0 part by weight of n-propanol was added dropwise over 1 hour. Then, the temperature of the system was set to 60° C. using a water bath, and the mixture was stirred for 65 hours to prepare a siloxane polymer solution.

次に、硫酸(第1触媒)を除去するために、得られたシロキサンポリマー溶液に、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して13.0重量部の陰イオン交換樹脂(商品名:WA20、三菱ケミカル社製)を加えた後5〜10分撹拌し、pH試験紙を用いてpHが5〜6であることを確認した。その後、陰イオン交換樹脂を濾別し、無色透明なシロキサンポリマーを得た。なお、陰イオン交換樹脂は、使用に先立って1N−NaOH溶液で処理し、水洗後、n−プロパノール置換を行った。 Next, in order to remove the sulfuric acid (first catalyst), 13.0 parts by weight of an anion exchange resin (trade name: WA20, Mitsubishi Chemical) was added to 100 parts by weight of the ethyl silicate oligomer in the obtained siloxane polymer solution. It was stirred for 5 to 10 minutes after adding (made by a company), and it was confirmed that the pH was 5 to 6 using pH test paper. Then, the anion exchange resin was filtered off to obtain a colorless and transparent siloxane polymer. The anion exchange resin was treated with a 1N-NaOH solution prior to use, washed with water, and then replaced with n-propanol.

得られたシロキサンポリマーを、臭化リチウムを溶解させたDMF溶液(10mM LiBr)で希釈し、当該DMF溶液を溶離液として用いてGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー、gel permeation chromatography)で測定した。その結果、シロキサンポリマーの重量平均分子量は、2431であった。得られたシロキサンポリマーを含む溶液(第6シロキサンポリマー溶液と称する)の物性データを図2に示す。 The obtained siloxane polymer was diluted with a DMF solution (10 mM LiBr) in which lithium bromide was dissolved and measured by GPC (gel permeation chromatography) using the DMF solution as an eluent. As a result, the weight average molecular weight of the siloxane polymer was 2431. Physical property data of the obtained solution containing a siloxane polymer (referred to as a sixth siloxane polymer solution) are shown in FIG.

<第7実施例:シロキサンポリマー重合7>
第7実施例では、まず、撹拌機、滴下ロート、還流管、温度計を装着した四つ口フラスコに、エチルシリケートオリゴマー(製品名:シリケート45、多摩化学工業製)および溶媒としてのn−プロパノールを、重量比で100:131となるように入れた。次に、溶液を25℃で撹拌しながら、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して、0.25重量部の6N−硫酸(第1触媒)、19.4重量部のイオン交換水、および94.0重量部のn−プロパノールを1時間かけて滴下した。その後、ウォーターバスを用いて系中が80℃になるよう設定し、76時間還流して、シロキサンポリマー溶液を作製した。
<Seventh Example: Polymerization of siloxane polymer 7>
In the seventh example, first, a four-necked flask equipped with a stirrer, a dropping funnel, a reflux tube, and a thermometer was charged with ethyl silicate oligomer (product name: silicate 45, manufactured by Tama Chemical Industry Co., Ltd.) and n-propanol as a solvent. Were added so that the weight ratio was 100:131. Next, with stirring the solution at 25° C., 0.25 parts by weight of 6N-sulfuric acid (first catalyst), 19.4 parts by weight of ion-exchanged water, and 94. 0 part by weight of n-propanol was added dropwise over 1 hour. After that, the temperature of the system was set to 80° C. using a water bath and refluxed for 76 hours to prepare a siloxane polymer solution.

次に、硫酸(第1触媒)を除去するために、得られたシロキサンポリマー溶液に、エチルシリケートオリゴマー100重量部に対して13.0重量部の陰イオン交換樹脂(商品名:WA20、三菱ケミカル社製)を加えた後5〜10分撹拌し、pH試験紙を用いてpHが5〜6であることを確認した。その後、陰イオン交換樹脂を濾別し、無色透明なシロキサンポリマーを得た。なお、陰イオン交換樹脂は、使用に先立って1N−NaOH溶液で処理し、水洗後、n−プロパノール置換を行った。 Next, in order to remove the sulfuric acid (first catalyst), 13.0 parts by weight of an anion exchange resin (trade name: WA20, Mitsubishi Chemical) was added to 100 parts by weight of the ethyl silicate oligomer in the obtained siloxane polymer solution. It was stirred for 5 to 10 minutes after adding (made by a company), and it was confirmed that the pH was 5 to 6 using pH test paper. Then, the anion exchange resin was filtered off to obtain a colorless and transparent siloxane polymer. The anion exchange resin was treated with a 1N-NaOH solution prior to use, washed with water, and then replaced with n-propanol.

得られたシロキサンポリマーを、臭化リチウムを溶解させたDMF溶液(10mM LiBr)で希釈し、当該DMF溶液を溶離液として用いてGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー、gel permeation chromatography)で測定した。その結果、シロキサンポリマーの重量平均分子量は、3164であった。得られたシロキサンポリマーを含む溶液(第7シロキサンポリマー溶液と称する)の物性データを図2に示す。なお、第5シロキサンポリマー溶液の重量平均分子量(Mw)が27718と高く、他の実施例のシロキサンポリマーと比べてシロキサンポリマーがゲル化する期間が短かった。他の実施例の場合は、冷蔵庫に保管して1週間経過してもゲル化せずに保管することが出来た。 The obtained siloxane polymer was diluted with a DMF solution (10 mM LiBr) in which lithium bromide was dissolved and measured by GPC (gel permeation chromatography) using the DMF solution as an eluent. As a result, the weight average molecular weight of the siloxane polymer was 3164. Physical property data of the obtained solution containing a siloxane polymer (referred to as a seventh siloxane polymer solution) are shown in FIG. The weight average molecular weight (Mw) of the fifth siloxane polymer solution was as high as 27718, and the siloxane polymer gelled in a shorter period than the siloxane polymers of the other Examples. In the case of other examples, it could be stored in the refrigerator without gelation even after 1 week.

以降の工程については、第1実施例と同じ工程を行った。第3実施例のカーボンナノチューブのデータを図3に示す。また、得られたカーボンナノチューブ成長用基板には、シリカ膜のクラックは発生していなかった。 As for the subsequent steps, the same steps as in the first example were performed. The data of the carbon nanotube of the third embodiment is shown in FIG. In addition, no crack of the silica film was generated on the obtained carbon nanotube growth substrate.

<第8実施例>
第8実施例では、第1実施例において作製したシロキサンポリマー(上記第1シロキサンポリマー)に、硬化触媒(第2触媒)として熱酸発生剤であるp−トルエンスルホン酸のアミンブロック体(製品名:NACURE2500、KING INDUSTRIES製)をシロキサンポリマーの固形分に対して0.1wt%加えた。次に、n−プロパノールで固形分を調製し、スピンコーターを用いて硬化後の膜厚が約450nmとなるようにステンレス箔に塗布することによって成膜し、200℃で5分間硬化処理を行った。ステンレス箔の反対側の面にも同様に、成膜および硬化処理を行った。
<Eighth Example>
In the eighth example, the siloxane polymer produced in the first example (the first siloxane polymer) was added to the amine block of p-toluenesulfonic acid, which is a thermal acid generator, as a curing catalyst (second catalyst) (product name). : NACURE 2500, manufactured by KING INDUSTRIES) was added in an amount of 0.1 wt% with respect to the solid content of the siloxane polymer. Next, a solid content is prepared with n-propanol, and a spin coater is applied to a stainless steel foil so that the film thickness after curing is about 450 nm to form a film, and the film is cured at 200° C. for 5 minutes. It was Film formation and curing were similarly performed on the surface opposite to the stainless steel foil.

次に、ステンレス箔を700℃で15分間焼成処理を行い、シリカ膜が形成されたカーボンナノチューブ成長用基板を作製した。得られたカーボンナノチューブ成長用基板には、シリカ膜のクラックは発生していなかった。次に、EB蒸着法を用いて、シリカ膜に、膜厚が約3nmのFeを成膜した。 Next, the stainless steel foil was baked at 700° C. for 15 minutes to prepare a carbon nanotube growth substrate on which a silica film was formed. No cracks were generated in the silica film on the obtained carbon nanotube growth substrate. Next, Fe having a film thickness of about 3 nm was formed on the silica film by using the EB vapor deposition method.

次に、化学気相成長法を用いて、カーボンナノチューブ成長用基板にカーボンナノチューブを生成させた。具体的には、チャンバ内に窒素ガスを供給しながらカーボンナノチューブ成長用基板を660℃まで加熱した後、660℃に維持した状態でチャンバ内にアセチレンガスを供給しながらカーボンナノチューブを生成させた。生成したカーボンナノチューブのデータを図3に示す。なお、カーボンナノチューブの嵩密度は、例えば、単位面積当たり質量(目付量:単位mg/cm)と、カーボンナノチューブの長さ(走査型電子顕微鏡(SEM、日本電子製)、または非接触膜厚計(キーエンス製)により測定)とから算出される。 Next, the carbon nanotubes were generated on the carbon nanotube growth substrate by the chemical vapor deposition method. Specifically, after the carbon nanotube growth substrate was heated to 660° C. while supplying nitrogen gas into the chamber, carbon nanotubes were generated while supplying acetylene gas into the chamber while maintaining the temperature at 660° C. The data of the produced carbon nanotubes are shown in FIG. The bulk density of carbon nanotubes is, for example, the mass per unit area (unit weight: unit mg/cm 2 ), the length of carbon nanotubes (scanning electron microscope (SEM, manufactured by JEOL Ltd.), or non-contact film thickness). Total (measured by KEYENCE)) and

図3に示すように、本発明の製造方法により製造されたカーボンナノチューブ成長用基板を用いてカーボンナノチューブを作製することにより、カーボンナノチューブの配向長が長く、かつ、カーボンナノチューブの嵩密度を高くすることができた。すなわち、単位面積当たりのカーボンナノチューブの生成量が大きかった。 As shown in FIG. 3, carbon nanotubes are manufactured using the substrate for growing carbon nanotubes manufactured by the manufacturing method of the present invention, whereby the orientation length of the carbon nanotubes is long and the bulk density of the carbon nanotubes is increased. I was able to do it. That is, the amount of carbon nanotubes produced per unit area was large.

Claims (5)

カーボンナノチューブ成長用基板の製造方法であって、
シロキサンポリマーを含む第1溶液を調製する溶液調製工程と、
前記第1溶液を基材に塗布し、前記シロキサンポリマーを硬化させることにより、前記基材の表面にシリカ膜を形成する成膜工程と、を含むことを特徴とするカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法。
A method of manufacturing a substrate for growing carbon nanotubes, comprising:
A solution preparing step of preparing a first solution containing a siloxane polymer;
And a film forming step of forming a silica film on a surface of the base material by applying the first solution to the base material and curing the siloxane polymer. Method.
前記溶液調製工程は、
アルコキシシランおよび/またはアルコキシシランの低縮合物を含む第2溶液に、前記アルコキシシランおよび/または前記アルコキシシランの低縮合物の重合を促進させる第1触媒を含む第3溶液を加え、前記アルコキシシランおよび/または前記アルコキシシランの低縮合物を重合させることによりシロキサンポリマーを含む溶液を調製する第1工程と、
前記第1工程にて調製された溶液から前記第1触媒を除去することにより前記第1溶液を調製する第2工程と、を含む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成長用基板の製造方法。
The solution preparation step,
To the second solution containing the alkoxysilane and/or the low condensate of the alkoxysilane, a third solution containing the first catalyst that accelerates the polymerization of the alkoxysilane and/or the low condensate of the alkoxysilane is added, and the alkoxysilane is added. And/or a first step of preparing a solution containing a siloxane polymer by polymerizing a low condensate of the alkoxysilane,
The second step of preparing the first solution by removing the first catalyst from the solution prepared in the first step, the substrate for growing carbon nanotubes according to claim 1. Manufacturing method.
前記溶液調製工程では、重量平均分子量が1000〜20000の前記シロキサンポリマーを生成することを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法。 The method for producing a substrate for growing carbon nanotubes according to claim 1 or 2, wherein the siloxane polymer having a weight average molecular weight of 1,000 to 20,000 is produced in the solution preparing step. 前記第1工程では、前記アルコキシシランと前記アルコキシシランの低縮合物との合計100重量部に対して、14〜50重量部の水を添加することを特徴とする請求項2に記載のカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法。 The carbon nanotube according to claim 2, wherein in the first step, 14 to 50 parts by weight of water is added to 100 parts by weight of the total of the alkoxysilane and the low condensate of the alkoxysilane. Method for manufacturing growth substrate. 前記成膜工程は、
前記シロキサンポリマーの硬化を促進させる第2触媒を含む第4溶液を調製する第3工程と、
前記第1溶液と前記第4溶液との混合液を前記基材に塗布する第4工程と、
前記基材に塗布された前記混合液を焼成して前記シリカ膜を形成する第5工程と、
前記シリカ膜に触媒層を形成する第6工程と、を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ成長用基板の製造方法。
The film forming step is
A third step of preparing a fourth solution containing a second catalyst that accelerates the curing of the siloxane polymer,
A fourth step of applying a mixed solution of the first solution and the fourth solution to the base material;
A fifth step of forming the silica film by baking the mixed liquid applied to the base material,
A sixth step of forming a catalyst layer on the silica film, the method for producing a substrate for growing carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 4.
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