JP2020184422A - カーボンナノチューブ複合線、カーボンナノチューブ被覆電線及びワイヤハーネス - Google Patents
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Abstract
Description
[1]複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ集合体の複数が束ねられてなるカーボンナノチューブ線材の複数が撚り合わされてなるカーボンナノチューブ複合線であって、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1及び前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2の少なくとも一方が1000T/m以上であり、前記カーボンナノチューブ線材および前記カーボンナノチューブ複合線の少なくとも一方がメッキされている、カーボンナノチューブ複合線。
[2]前記カーボンナノチューブ線材と前記カーボンナノチューブ複合線とがメッキされている、上記[1]記載のカーボンナノチューブ複合線。
[3]前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が、20μm以上200μm以下であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の円相当直径が、0.1mm以上60mm以下であり、
前記カーボンナノチューブ複合線を構成する前記カーボンナノチューブ線材の本数が、15以上5000以下である、上記[1]または[2]記載のカーボンナノチューブ複合線。
[4]前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1が0を超え500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2が1000T/m以上2500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向d1がS方向及びZ方向のうちの一方であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の撚り方向d2が前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向と同じである、上記[1]または[2]記載のカーボンナノチューブ複合線。
[5]前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1が500T/m以上1000T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2が1000T/m以上2500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向d1がS方向及びZ方向のうちの一方であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の撚り方向d2が前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向と同じである、上記[1]または[2]記載のカーボンナノチューブ複合線。
[6]前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1が1000T/m以上2500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2が0を超え1000T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向d1がS方向及びZ方向のうちの一方であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の撚り方向d2が前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向と同じである、上記[1]または[2]記載のカーボンナノチューブ複合線。
[7]前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1が2500T/m以上であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2が0を超え500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向d1がS方向及びZ方向のうちの一方であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の撚り方向d2が前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向と同じである、上記[1]または[2]記載のカーボンナノチューブ複合線。
[8]前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が0.01mm以上30mm以下であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の円相当直径が0.1mm以上60mm以下である、[1]または[2]記載のカーボンナノチューブ複合線。
[9]上記[1]乃至[8]のいずれかに記載のカーボンナノチューブ複合線と、前記カーボンナノチューブ複合線の外周に設けられた絶縁被覆層とを有する、カーボンナノチューブ被覆電線。
[10]上記[9]記載のカーボンナノチューブ被覆電線を有するワイヤハーネス。
図1に示すように、本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブ被覆電線(以下、「CNT被覆電線」ということがある。)1は、メッキされたカーボンナノチューブ複合線(以下、「CNT複合線」ということがある。)2の外周面に絶縁被覆層21が被覆された構成となっている。なお、図1ではCNT複合線2に施されたメッキは示していない。すなわち、CNT複合線2の長手方向に沿って絶縁被覆層21が被覆されている。CNT被覆電線1では、メッキされたCNT複合線2の外周面全体が、絶縁被覆層21によって被覆されている。また、CNT被覆電線1では、絶縁被覆層21はCNT複合線2の外周面とメッキを介して接した態様となっている。
断面積は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)観察の画像から測定することができる。具体的には、CNT被覆電線1の径方向断面のSEM像(100倍〜10,000倍)を得た後に、CNT複合線2の外周で囲われた部分の面積からCNT線材10内部に入り込んだ絶縁被覆層21の材料の面積を差し引いた面積、CNT複合線2の外周を被覆する絶縁被覆層の部分の面積とCNT線材10内部に入り込んだ絶縁被覆層21の材料の面積との合計を、それぞれ、CNT複合線2の径方向の面積、絶縁被覆層21の径方向の断面積とする。絶縁被覆層21の径方向の断面積には、CNT線材10間に入り込んだ樹脂も含む。なお、上記断面積の判断において、CNT複合線2の断面積には、メッキ部分の断面積は含まれない。
次に、本発明の実施形態に係るCNT被覆電線1の製造方法例について説明する。CNT被覆電線1は、まず、CNT11aを製造し、得られた複数のCNT11aをそのまま束ねるか、或いはS方向またはZ方向に撚り合わせてCNT素線を形成し、必要に応じてCNT素線をメッキする。次いで、CNT素線をそのまま束ねるか、或いはS方向またはZ方向に撚り合わせてCNT線材10を形成し、必要に応じてCNT線材10をメッキする。なお、この際CNT線材10は、複数の素線から構成してもよい。更に、CNT線材10の複数本をS方向或いはZ方向に撚り合わせてCNT複合線2を形成する。この際、CNT素線またはCNT線材10をメッキした場合には、不活性雰囲気もしくは還元雰囲気でCNT複合線2を加熱し、メッキを溶融させることでCNT11aおよびCNT線材10間をメッキで融着させる。次に、このようにして得られたCNT複合線2を必要に応じてメッキする。この後、CNT複合線2の外周面に絶縁被覆層21を被覆することで、本発明の実施形態に係るCNT被覆電線1を製造することができる。CNT線材10およびCNT複合線2のメッキ方法は特に限定されないが、電解メッキ法や無電解メッキ法を挙げることができる。
CNT線材の製造方法について
先ず、浮遊触媒法で作製したCNTを直接紡糸する乾式紡糸方法(特許第5819888号公報)または湿式紡糸する方法(特許第5135620号公報、特許第5131571号公報、特許第5288359号公報)でCNT線材の素線(単線)を得て、その後CNT線材の素線を束ねるか、或いは撚り方向及び撚り数を調節して撚り合わせて表1〜表4に示すような断面積のCNT線材を得た。
CNT複合線の径方向の断面をイオンミリング装置(日立ハイテクノロジーズ社製IM4000)により切り出した後、走査電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製SU8020、倍率:100〜10,000倍)で得られたSEM像から、CNT複合線の径方向の断面積を測定した。CNT被覆電線の長手方向中心側の任意の1.0mにおいて10cmごとに同様の測定を繰り返し、その平均値をCNT複合線の径方向の断面積とした。なお、CNT複合線の断面積として、CNT複合線内部に入り込んだ樹脂は測定に含めなかった。
また、CNT線材についても同様に、CNT線材の径方向の断面をイオンミリング装置(日立ハイテクノロジーズ社製IM4000)により切り出した後、走査電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製SU8020、倍率:100〜10,000倍)で得られたSEM像から、CNT線材の径方向の断面積を測定した。CNT被覆電線の長手方向中心側の任意の1.0mにおいて10cmごとに同様の測定を繰り返し、その平均値をCNT線材の径方向の断面積とした。CNT線材の断面積として、CNT線材内部に入り込んだ樹脂は測定に含めなかった。
撚り線の場合、複数の単線を束ね、一端を固定した状態で、もう一端を所定の回数ひねることで、撚り線とすることができる。撚り数は、ひねった回数(T)を線の長さ(m)で割った値(単位:T/m)で表すことができる。
CNT線材及びその複合線をカーボンテープの上に設置し、走査型電子顕微鏡で得られたSEM像を観察する。観察する際は、倍率を1000〜100000倍に設定する。1.0mサンプルで5cmごとに測定し、平均値をひと巻きの長さとして1mあたりの撚り数を算出する。ひと巻き長さの測定方法は、SEM像より、一つの撚り線が線側面の端部から他方の端部までたどり着くまでの距離とCNT線材及び複合線の断面より、線の長手方向の距離を算出し、その二倍の値を一巻きの長手方向の長さとする。この一巻きの長さの逆数をT/mとした。
抵抗測定機(ケースレー社製、装置名「DMM2000」)にCNT集合体を接続し、4端子法により抵抗測定を実施した。抵抗率は、r=RA/L(R:抵抗、A:CNT集合体の断面積、L:測定長さ)の計算式に基づいて抵抗率を算出した。試験片は、長さ40mmとした。なお、上記試験は、150℃、1時間の加熱処理の前後において、各CNT集合体3本ずつについて行い(N=3)、その平均値を求め、それぞれのCNT集合体の加熱前後の抵抗率(Ω・cm)とした。抵抗率は、小さいほど好ましく、本実施例では、上記加熱前においては7.5×10−5Ω・cm以下を合格レベルとし、上記熱処理後の抵抗率の上昇率(%)[(熱処理後の抵抗率−熱処理前の抵抗率)×100/熱処理前の抵抗率]は、35%以下を合格レベルとし、加熱前の上記抵抗率及び加熱後の抵抗率の上昇率のいずれも合格レベルであるものを良好「〇」、いずれか或いは双方が合格レベルでないものを不良「×」とした。
IEC60227−2に準拠した方法で、100cmのCNT被覆電線に荷重500gfで90度の屈曲を1000回行った。その後、軸方向10cmごとに断面観察を行い、導体と被覆の間に剥離があるかどうかを確認した。剥離がないものを〇、一部剥離したものを△、導体が断線したものを×とした。
CNT被覆電線を用いて、直径10mmのコアに幅10mmで5層の巻線を手巻きで一定速度で行った。得られたコイルの断面観察から、占積率(占積率(%)=(CNT被覆電線の断面積の和)/(コイル断面積) × 100)を求めた。コイルは、各CNT被覆電線について5回作製し、占積率は5回の平均値とした。占積率が50%以上はハンドリング性がよいとして「○」、占積率が50%未満はハンドリング性がよくないとして「×」とした。
特に、実施例用の複合線34および41については、以下のようにしてメッキ処理を行った。作製したCNTの素線に予め酸などで表面を化学処理しメッキを形成しやすい状態にした。その後、電解メッキ法にてCNTの素線上に銀メッキを施した。次に、上記のように銀メッキを施したCNT素線を、穴の開いたディスク状の基板に各素線を、基板の中心の穴から法線状に通した後、CNT素線を基板に巻きつけて固定した。もう一方のCNT素線の端部を一箇所に集めて固定し、その後所定の巻き数になる様に基板を回転させて撚り、その撚り状態を維持したまま、アルゴン雰囲気下で、800〜1000℃でアニールして複数のCNT線材を得た。得られた複数のCNT線材を撚り方向及び撚り数を調節して撚り合わせてCNT複合線を得た。次いで、CNT複合線に電解メッキ法により銅メッキを施した。このようにメッキ処理後の実施例用の複合線34および41について導電性と端子への接続性を評価したところ、何れも良好な結果が得られた。
また、実施例用の複合線18および27については、CNTの素線に予め有機溶剤や酸などで表面を化学処理し不純物を取り除いた状態にした。この後、CNT素線を、穴の開いたディスク状の基板に各素線を、基板の中心の穴から法線状に通した後、CNT素線を基板に巻きつけて固定した。もう一方のCNT素線の端部を一箇所に集めて固定し、その後所定の巻き数になる様に基板を回転させて撚り、その撚り状態を維持したまま、溶融アルミニウムメッキ方法によりメッキを施したCNT線材を複数、得た。この際、CNTを保護するためにアルゴン雰囲気下でCNT素線を溶融したアルミニウム液中に浸漬させた。得られた複数のCNT線材を撚り方向及び撚り数を調節して撚り合わせてCNT複合線を得た。次いで、CNT複合線に電解メッキ法により銅メッキを施した。このようにメッキ処理後の実施例用の複合線18および27について導電性と端子への接続性を評価したところ、何れも良好な結果が得られた。
2 カーボンナノチューブ複合線(CNT複合線)
10 カーボンナノチューブ線材(CNT線材)
11 カーボンナノチューブ集合体(CNT集合体)
11a カーボンナノチューブ(CNT)
21 絶縁被覆層
Claims (10)
- 複数のカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ集合体の複数が束ねられてなるカーボンナノチューブ線材の複数が撚り合わされてなるカーボンナノチューブ複合線であって、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1及び前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2の少なくとも一方が1000T/m以上であり、前記カーボンナノチューブ線材および前記カーボンナノチューブ複合線の少なくとも一方がメッキされている、カーボンナノチューブ複合線。 - 前記カーボンナノチューブ線材と前記カーボンナノチューブ複合線とがメッキされている、請求項1記載のカーボンナノチューブ複合線。
- 前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が、20μm以上200μm以下であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の円相当直径が、0.1mm以上60mm以下であり、
前記カーボンナノチューブ複合線を構成する前記カーボンナノチューブ線材の本数が、15以上5000以下である、請求項1または2記載のカーボンナノチューブ複合線。 - 前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1が0を超え500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2が1000T/m以上2500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向d1がS方向及びZ方向のうちの一方であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の撚り方向d2が前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向と同じである、請求項1または2記載のカーボンナノチューブ複合線。 - 前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1が500T/m以上1000T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2が1000T/m以上2500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向d1がS方向及びZ方向のうちの一方であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の撚り方向d2が前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向と同じである、請求項1または2記載のカーボンナノチューブ複合線。 - 前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1が1000T/m以上2500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2が0を超え1000T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向d1がS方向及びZ方向のうちの一方であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の撚り方向d2が前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向と同じである、請求項1または2記載のカーボンナノチューブ複合線。 - 前記カーボンナノチューブ線材の撚り数t1が2500T/m以上であり、
前記カーボンナノチューブ複合線の撚り数t2が0を超え500T/m未満であり、
前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向d1がS方向及びZ方向のうちの一方であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の撚り方向d2が前記カーボンナノチューブ線材の撚り方向と同じである、請求項1または2記載のカーボンナノチューブ複合線。 - 前記カーボンナノチューブ線材の円相当直径が0.01mm以上30mm以下であり、且つ前記カーボンナノチューブ複合線の円相当直径が0.1mm以上60mm以下である、請求項1または2に記載のカーボンナノチューブ複合線。
- 請求項1乃至8のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ複合線と、前記カーボンナノチューブ複合線の外周に設けられた絶縁被覆層とを有する、カーボンナノチューブ被覆電線。
- 請求項9記載のカーボンナノチューブ被覆電線を有するワイヤハーネス。
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