JP3867790B2 - Continuous production method of tape-like substance containing carbon nanotube - Google Patents

Continuous production method of tape-like substance containing carbon nanotube Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、合成した高純度カーボンナノチューブを含むテープ状物質を連続的に製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
カーボンナノチューブ(CNT)は、2つの炭素材料の間にてアーク放電を行うことにより得られるもので、炭素原子が6角形に規則正しく並んだグラフェンシートが円筒形に丸まったものがカーボンナノチューブ(CNT)であり、グラフェンシートの筒が一重のものが単層カーボンナノチューブ(SWCNT)で、その直径は1〜数nmである。また、グラフェンシートの筒が同心状に何重も重なっているものが多層カーボンナノチューブ(MWCNT)で、その直径は数nm〜数十nmである。なお、ここでいう炭素材料とは、炭素を主成分とする非晶質または黒鉛質の導電性材料である(以下同じ)。
【0003】
いずれにせよ、従来より2つの炭素材料の間にてアーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブ(CNT)を合成する技術が種々提案されている。
【0004】
例えば、密閉容器内にヘリウムまたはアルゴンを満たし、密閉容器内の圧力を200Torr以上としてカーボン直流アーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブを製造する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
また、不活性ガスで満たされた密閉容器内に水平方向に配置された対向する電極間でアーク放電を行うとともに、電極を相対的にかつ連続的または間欠的に回転または往復移動させることによってカーボンナノチューブを製造する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
さらに、カーボンナノチューブを連続的に合成する方法として、容器内に配置された炭素陽極と該陽極に対向配置された炭素陰極との間にアーク放電される工程と、前記陰極の表面における放電位置を不連続的に移動させ、生成された堆積物を採取する工程と、アーク放電開始前に前記陽極の先端部を平坦化させる陽極先端平坦化工程を有することを特徴とするカーボンナノチューブの製造技術が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
【0007】
また、炭素陽極と炭素陰極の間にアーク放電を発生させ、該陰極を円盤状として、該陰極を連続的あるいは間欠的に回転させながらアーク放電を行うことを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。
【0008】
【特許文献1】
特開平6−280116号公報
【特許文献2】
特開平7−216660号公報
【特許文献3】
特開2001−192205号公報
【特許文献4】
特開2002−88592号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カーボンナノチューブは、アーク放電が行われている部分の陰極側のカーボン電極に堆積する炭素原子からなる物質内もしくはアーク周辺部に付着した煤の一部に生成される。しかしながら、前記従来例のカーボンナノチューブの製造方法によれば、生成物中にカーボンナノチューブ以外の黒鉛、非晶質カーボンなどが混在するのを避けられず、カーボンナノチューブそのものの割合は低いものであった。
【0010】
いずれにしても、従来は、アークの安定とカーボンナノチューブの合成割合を増加させるために、アーク放電装置を密閉容器内に設け、密閉容器内の雰囲気ガス種および圧力や密閉容器内の温度を適正に選定・制御する手法が取られており、密閉容器内の雰囲気ガス種および圧力や密閉容器内温度の調整のみでカーボンナノチューブを合成していたが、依然として多くの不純物とカーボンナノチューブの混合体である陰極堆積物もしくは煤状物質としてしか回収することができず、さらに、陰極堆積物(不純物が多量に混在)を削り取るような手段で回収することしかできなかった。そのため、結果的にカーボンナノチューブの収率が低下するとともに、カーボンナノチューブの純度を高めるために複雑な精製作業を行わなければならず、カーボンナノチューブの製造コストを増加させる原因となっていた。さらに、密閉容器内での合成であるために、連続的な製造工程を実現することは困難であり、装置が大型化し、設備費用がかさむとともに、アーク放電によるカーボンナノチューブの大量合成を難しいものとしていた。
【0011】
本発明は、このような問題に対処するようになされたもので、高純度のカーボンナノチューブからなるテープ状物質を、連続的に製造する方法を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するべくなされたものであり、
アーク放電によりカーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成させる合成工程と、生成されたカーボンナノチューブを含むテープ状物質を回収する工程と、回収後、陰極材料表面を研磨して表面を再生する再生工程からなり、陰極材料表面再生後に、再度合成工程、回収工程、再生工程に供する、カーボンナノチューブを含むテープ状物質を繰り返し製造する方法と、
アーク放電によるカーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成させる合成工程と、生成されたカーボンナノチューブを含むテープ状物質を回収する工程と、回収後、陰極材料表面の状態により以下の(1)〜(3)のいずれかを実施してなる、
(1) 陰極に清浄面が残っている場合には、そのまま合成工程に供する、
(2) 陰極にカーボンナノチューブを含むテープ状物質を合成できるだけの清浄面がなく、テープ状物質を合成できるだけの既にテープ状物質が合成された後の領域以外の煤状物質(非晶質カーボン等)が付着し表面が荒れた領域を有している場合は、陰極表面を研磨する工程を経て、合成工程に供する、
(3) (1),(2)領域がない場合、あるいは陰極全体にひび割れが生じている場合には、陰極表面を研削する工程と、陰極表面を研磨する工程とを経て、合成工程に供する、
カーボンナノチューブを含むテープ状物質を繰り返し製造する方法によってかかる目的を達成したものである。
【0013】
本発明において、カーボンナノチューブを含むテープ状物質は、アーク放電させる陽極または陰極を移動させていくことによって生成させることができる。
【0014】
生成させたカーボンナノチューブを含むテープ状物質は陰極材料表面から剥離していくことによって回収できる。カーボンナノチューブを含むテープ状物質が生成後の冷却過程で剥離するメカニズムは以下の通りである。主としてカーボンナノチューブの集合体からなる綿状物質(テープ状物質)の収縮率と、その表裏面に付着している多結晶カーボンおよび非晶質カーボンの薄皮や粒子の収縮率が異なるため、熱応力が生じ分離するものと考えられる。また、生成および冷却過程での大気による酸化作用により、テープ状物質表裏面に付着している多結晶カーボンおよび非晶質カーボンの薄皮や粒子が燃焼するために、陰極とテープ状物質の付着力が弱まることも考えられる。
【0015】
ところで、カーボンナノチューブを含むテープ状物質を連続的に合成するために、回収後、再び合成工程に供することができれば良いが、高純度のカーボンナノチューブを含むテープ状物質を合成するためには、陰極の表面状態等種々の陰極の条件を適正にする必要である。一度アーク放電が行われた陰極表面は、初期状態の陰極表面状態(以下、陰極清浄面)とは異なり、アークによる高温に曝された部分や飛来等により付着した煤(カーボンナノチューブ以外の非晶質カーボン等)に覆われた部分、および陰極清浄面が混在した状態になっている。陰極清浄面以外の陰極表面状態で、再度放電を行うと、非晶質カーボン等の不純物の存在している面にカーボンナノチューブを含むテープ状物質を合成することになるので、高純度のカーボンナノチューブを含むテープ状物質が形成されにくい。また、合成されたとしてもテープ状物質の剥離が良好に行われず、テープ状として回収ができない場合が生じる。
【0016】
さらに、陰極材料の表面粗さが粗い場合、陰極とテープ状物質の付着力が高まり、容易には剥離を起こさなくなる。厚さ10〜500μmのテープ状物質を機械的に削り落とし、回収することは容易ではない。そこで、陰極炭素材料の表面を平滑にすることで、陰極とテープ状物質の付着力を弱め、熱応力により自然剥離させることにより、テープ状物質の回収をいたって容易にすることができる。つまり、カーボンナノチューブを含むテープ状物質を一度合成した後の陰極表面状態では不純物等により平滑な面が得られていないのでテープ状での良好な剥離が行われない。したがって、カーボンナノチューブを含むテープ状物質の形成性とテープ状物質としての剥離性の向上のために、陰極表面を研磨することにより、陰極清浄面に近づけてやることが必要である。このような工程を経て、再び合成工程、回収工程、陰極表面再生工程を繰り返し行うことで、カーボンナノチューブを含むテープ状物質を連続的に製造できる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明においては、カーボンナノチューブを含む物質はアーク放電によって炭素材料よりなる陰極上に形成され、アーク放電させる陰極と陽極の間を相対的に移動させることによってこれをテープ状にする。
【0018】
陽極は通常棒状であるが、陰極はカーボンナノチューブを含む物質を表面に形成しうる形状にする。陰極形状の具体例としては円柱あるいは円筒形、円盤形、4角形、長尺状等を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。陰極の大きさは円柱あるいは円筒形の場合は直径(外径)が10〜100mm程度、特に20〜40mm程度である。
【0019】
電極の典型的な動作としては、陰極が円柱あるいは円筒形の場合には陰極の軸を中心に回転させる動作と軸方向に移動させる動作を組み合わせてテープ状物質を陰極の周面に螺旋状に形成させる。円盤形の場合には、陰極の中心を軸として回転させる動作と陽極を半径方向に移動させる動作を組み合わせてテープ状物質を渦巻状に形成させる。4角形の場合は、陽極を辺に沿って移動させる動作と中心と外縁の間を移動させる動作を組み合わせてテープ状物質を渦巻状に形成させ、あるいは一辺方向に往復動させるとともに陰極を該辺と直角方向に移動させてテープ状物質をつづら折り状に形成させる。長尺状の場合には、陰極あるいは陽極を長尺方向に移動させる。上記の陰極あるいは陽極の動作は相対的に実施されればよく、従って、陰極の代わりに陽極をあるいは陽極の代わりに陰極を動かすものであってもよく、両電極を同時に動かしてもよい。
【0020】
上記において陽極は1基の外、複数を並設してテープ状物質を平行線状に形成してもよい。
【0021】
電極の移動は原則として一定速度で行う。
【0022】
この陰極は、通常は着脱可能にしておく。
【0023】
陰極材料として好ましいものは、炭素質の炭素材料である。陰極材料に炭素質の炭素材料を使用する理由は以下の通りである。アーク放電によるカーボンナノチューブの合成に用いられる炭素材料は、一般的に次のような工程にて製造される。石油系または石炭系の各種コークス粉等を原料の炭素質粉とし、それにコールタールピッチや石油系ピッチ等の各種ピッチ類等を結合材とし混合・攪拌する。このように得られた有機物を型込成形、押出成形、CIP形成などの方法により形成し、一般に1500℃以下の温度にて焼成処理を行う。この時点で、原料有機物は重縮合をほぼ完了し、炭素化された状態となる。その後、必要に応じて各種ピッチ類等を含浸し、再熱処理を行ったり、さらに必要により3000℃以下の温度にて黒鉛化熱処理を行う。このようにして、必要とされる機械性能および物性を有する炭素材料が製造されている。
【0024】
このようにして製造された炭素材料は、原料や製造方法および製造時の熱処理温度により、その構造、組織、機械的特性や物性などが大きく異なる。種々炭素材料を陰極材料として用いて、アーク放電を行い、カーボンナノチューブの合成量を比較したところ、製造時の熱処理温度が1000℃から1500℃である炭素材料が最も多くのカーボンナノチューブを合成することが判明した。製造時の熱処理温度が1000℃から1500℃である炭素材料は、炭素の黒鉛化がほとんど進んでいない炭素からなる、いわゆる炭素質といわれる炭素材料である。そこで、陰極材料とする炭素材料を製造時の熱処理温度が1000℃から1500℃である、材質が主として炭素質である炭素材料を選定して使用することにより、より高収率にてカーボンナノチューブを生成することができる。
【0025】
陰極に用いる炭素材料は炭素だけでなく、炭素を90%以上含んでいれば樹脂もしくは金属との混合物でも良い。樹脂の例としては、フェノール樹脂、ユリア樹脂に代表される熱硬化性樹脂、ポリプロピレン、フッ素樹脂に代表される熱可塑性樹脂、ポリカーボネイト、ポリスルホン、ポリアミドイミドに代表されるエンジニアリングプラスチックを、金属の例としては、鉄、コバルト、ニッケル、タングステン、ニオブを挙げることができる。さらに、炭素の結晶構造がランダムである炭素質材料、グラファイト化された黒鉛質材料等のいずれも使用可能である。
【0026】
高い純度と収量のカーボンナノチューブを合成するためには、陰極材料のアーク陰極点の温度をある程度高くすることが有利である。通常、電極として使用されている炭素電極の電気抵抗率(=固有抵抗)は500〜2000μΩ・cm程度の範囲であるが、2500μΩ・cm以上、好ましくは3000μΩ・cm以上、より好ましくは4000μΩ・cm以上、特に好ましくは5000μΩ・cm以上の電気抵抗率を有する炭素材料を陰極材料として使用すると、陰極材料の陰極点近傍では、アーク放電時に高い電流密度となるので、電気抵抗発熱のため陰極点近傍が高温度となる。そのため、陰極を加熱したのと同様な効果が得られ、収量ならびに純度の高いカーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成することができる。好ましい電気抵抗率の上限は実用的観点から20000μΩ・cm程度、好ましくは12000μΩ・cm程度である。
【0027】
また、通常電極として使用されている炭素電極の熱伝導率は、50〜200W/m・Kの範囲であり、炭素材料における電気抵抗率と熱伝導率はほぼ負の相関関係が有る。つまり、電気抵抗率が大きいものは、熱伝導率が低く熱を伝えにくいので、より陰極点近傍が高温度となる。電気抵抗値4000μΩ・cm以上の炭素材料の熱伝導率は、ほぼ40W/m・K以下に相当する。
【0028】
また、本発明に係るカーボンナノチューブを含むテープ状物質の製造においては、このテープ状物質の剥離容易性の観点から陰極電極表面の算術平均粗さ(Ra)が4μm未満、好ましくは3.6μm以下、特に好ましくは3.2μm以下の炭素材料を用いることが望ましい。
【0029】
カーボンナノチューブを含むテープ状物質が生成後の冷却過程で剥離するメカニズムは、主としてカーボンナノチューブの集合体からなる綿状物質の収縮率と、その表裏面に付着している多結晶黒鉛および非晶質炭素の薄皮や粒子の収縮率が異なるため、熱応力が生じ分離するものと考えられる。また、生成および冷却過程での大気による酸化作用により、テープ状物質表裏面に付着している多結晶黒鉛および非晶質炭素の薄皮や粒子が燃焼するために、陰極とテープ状物質の付着力が弱まることも考えられる。
【0030】
しかしながら、陰極材料の表面粗さが粗い場合(算術平均粗さ(Ra)が4.0μm以上の場合)、陰極とテープ状物質の付着力が高まり、容易には剥離を起こさなくなる。厚さ10〜500μmのテープ状物質を機械的に削り落とし、回収することは容易ではない。そこで、陰極炭素材料の表面の算術平均粗さ(Ra)を4.0μm未満とすることで、陰極とテープ状物質の付着力を弱め、熱応力により自然剥離させることにより、テープ状物質の回収をいたって容易にすることができる。
【0031】
陽極は、陰極との間を相対的に移動させながらアーク放電させて陰極上にカーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成させるものであり、形状は通常棒状とされる。しかしながら、アーク放電を誘導させてその方向を安定させるために該陽極部から陰極に向けて不活性ガスを流すことが好ましい。この不活性ガスの吹き出しは、陽極の外側に不活性ガス管を付設してもよく、また、陽極を管内に収容して陽極と該管の間から不活性ガスを環状に吹き出させてもよいが、特に好ましい形状は陽極を筒状に形成して中空電極とし、不活性ガスを内部から吹き出させる構造のものである。
【0032】
このように、陽極電極に中空電極を用い、中空電極の内部から陰極電極に向けてアルゴンガス等の不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスを吹き付けると、ガスの電離度が高くなってガス噴出経路にアークが発生しやすい条件が形成される。また、不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスと接している中空電極内部表面が安定した陽極点を形成せしめるものと考えられる。このため、アーク発生経路が拘束され、陰極電極上のアークの陰極点の不規則な移動が防止される。その結果、この固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)でカーボンナノチューブを優先的に合成することができ、この固定された陰極点の発生位置(アークの中心部)でカーボンナノチューブの合成物を製造することができる。
【0033】
この中空孔の内径は、1mm2当り10〜400ml程度のガス流量となるようにするのが好ましい。中空孔は1個に限らず、複数設けることもできる。
【0034】
アーク放電用陽極に関しては、陰極と同じ炭素材料を用いてもよいが、金属電極も使用可能である。金属電極の例としてはタングステン電極、銅電極、白金、モリブデン、ハフニウム等を挙げることができる。
【0035】
陰極と陽極間の間隙はアーク放電が安定に持続できる限り特に限定はないが、好ましくは0.5mm〜5mmにてアークがより安定である。
【0036】
本発明でアーク放電が行われる雰囲気は、N2、CO2、不活性ガス雰囲気など如何なる雰囲気でもよいが、大気中で行うのが簡便で好ましい。
【0037】
アーク放電を起こすためには、電極間空間を電離する必要がある。原子の電離には、種々の過程があるが、アーク放電においては、電子との衝突による電離過程が支配的である。一般に、原子番号の小さいHe、Neは除き、Ar、Kr、Xeなどの不活性ガスは、電子との衝突による電離能率が高く、アークを発生しやすい空間を提供する。Ar、Kr、Xeなどの不活性ガスは、酸素、窒素等に比べ電離能率が高いので、大気雰囲気中にて陽極電極から陰極電極に向けて、これらの不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスを供給しながらアーク放電を行うと、アークをガス流路に沿って集中して発生させることができる。つまり、陽極電極から陰極電極に向けて供給する不活性ガスもしくは不活性ガスを含む混合ガスをプラズマガスとして用いることにより、アークを集中させ、陰極点を安定化させることができる。
【0038】
なお、中空電極内部の孔から送給するガスは、純アルゴンもしくは5%程度の水素ガスやヘリウムガスを混入したアルゴンガスを用いてもアーク形態に大きな変化は見られなかった。特に、アルゴン等の不活性ガスに水素ガスを数%〜数十%混ぜると、アークの安定性を損なうことなく、カーボンナノチューブの収量を増加することができた。これは、水素ガスに陽極電極上で昇華した炭素がクラスタとして成長するのを防止する効果があり、陰極電極上でカーボンナノチューブが合成されやすい条件となるためであると考えられる。
【0039】
また、大気雰囲気中では、アーク放電部に酸素を巻き込むため、炭素の酸化・燃焼が起こる。この際、生成されたカーボンナノチューブもいくぶん酸化するが、より燃焼温度の低い非晶質炭素や多結晶黒鉛粉などの不純物が優先的に酸化・燃焼し、結果として生成物中のカーボンナノチューブ純度を向上させる効果がある。
【0040】
本発明に係るカーボンナノチューブを含むテープ状物質は、厚さ10〜500μm、特に20〜100μm、幅1〜10mm、特に1〜6mm、かつ任意の長さを有し、主としてカーボンナノチューブの綿状集合体を有してなるものである。
【0041】
こうして陰極上に形成されたカーボンナノチューブを含むテープ状物質の回収方法は問わないが、例えば該陰極の付着端部にガスを吹き付けて該テープ状物質を陰極から剥離していくのである。
【0042】
吹き付けるガスは、可燃性のもの以外の冷却効果があるものなら空気、窒素等、何でもよい。つまり、テープ状物質は陰極電極表面に薄い膜状に生成されているので、ガスを吹き付けることにより、生成基板の陰極電極より温度低下が急速に進み、テープ状物質と陰極電極との間に熱応力が働いて、剥離が著しく促進されるものと考えられる。
【0043】
さらに、吹き付けるガスが酸素を含んでいる場合や、または酸素を含んでいなくても大気雰囲気中で合成が行われている場合では、ガスを吹き付けることによって大気を多少巻き込むため、テープ状物質表裏面に付着している多結晶黒鉛および非晶質炭素の薄皮や粒子の酸化・燃焼を促進する作用があり、その結果、テープ状物質のカーボンナノチューブ純度が上がるとともに、陰極とテープ状物質の付着力が弱まり、テープ状物質の剥離を促進する効果もあると考えられる。
【0044】
吹き付けはノズルを用いて行うことが好ましく、吹付方向はテープ状物質の長手方向±90°の間である。
【0045】
剥離を進行させるため、ノズルをテープ状物質に対して相対的に移動させていくが、テープ状物質形成のために陰極を移動させている場合にはノズルを固定させておくことも可能である。
【0046】
カーボンナノチューブを含むテープ状物質を回収後は、そのまま陰極材料表面を研磨して表面を再生してもよく、また陰極材料に陰極清浄面が残っている場合にはその個所に放電してさらにカーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成させてもよい。
【0047】
すなわち、アーク放電によるカーボンナノチューブを含むテープ状物質を合成後に再度アーク放電による合成を行う場合には、前記記載のとおり陰極の表面状態を最適なものに再生する工程が必要である。したがって、最も確実に陰極表面状態を整形するには、前記記載のように放電終了毎に陰極表面層を必要量研削し、その後研磨することであるが、表面状態が比較的よい場合に毎回研削工程に供することは、無駄な工程であるとともに材料の歩留まりも悪い。したがって、放電後の陰極表面の状態により陰極再生方法を選択することがより効率的に陰極材料を使用でき歩留まりを向上できることとなる。
【0048】
アーク放電によりカーボンナノチューブを含むテープ状物質を合成すると、合成後の陰極表面状態は、▲1▼陰極清浄面、▲2▼煤状物質(非晶質カーボン等)の付着があるような部分、▲3▼陰極点部直下付近(テープ状物質形成部)、▲4▼ひび割れが発生、という4つのタイプに分類できる。したがって、この4つの状態に応じた陰極表面再生処理を行うことが、有効な手段であるといえる。つまり、陰極表面が▲1▼状態の場合は、陰極清浄面で合成すればよいので、陰極表面に特別な処理を施さずそのまま合成工程に供すればよい。陰極にテープ状物質を合成できるだけの▲1▼状態がなく、テープ状物質が合成できるだけの▲2▼状態がある場合は、陰極表面を研磨する工程を経て、合成工程に供する。陰極にテープ状物質を合成できるだけの▲1▼および▲2▼状態がない場合(▲3▼状態あるいは▲4▼状態)には、陰極表面を研削する工程と、陰極表面を研磨する工程とを経て、合成工程に供することとなる。
【0049】
研削の必要な場合は、次のように生じる。すなわち、陰極として炭素質の炭素材料を使用することにより、より高純度なカーボンナノチューブを含むテープ状物質を合成できる。しかしながら、アーク放電によりテープ状物質を合成した部分(陰極点部)は、最も高温に曝される部分である。陰極点部には優先的にテープ状物質が合成されるとともに、最も高温に曝されることにより、その陰極点付近の陰極材料表面層は炭素質が黒鉛質に変質してしまう。前記記載の通り、テープ状物質合成には黒鉛質の炭素材料よりも炭素質の炭素材料のほうが適している。したがって、一度合成に供した炭素材料を使用し、再度アーク放電を行い高純度カーボンナノチューブを含むテープ状物質を安定に合成するためには、変質した陰極表面層(黒鉛質層)を削り取る(研削する)ことが望ましいのである。
【0050】
さらに、合成が繰り返されると、陰極表面はテープ状物質が合成された部分(アーク直下)が増加し、また、繰り返しの熱応力により陰極材料表面がひび割れてくる場合が生じる。アーク直下の陰極点部にテープ状物質は合成されるが、この部分は最も高温のアークに曝される部分で、この部分には再度放電を行った場合に、テープ状物質が合成されにくいという実験結果を得ている。また、カーボンナノチューブを含むテープ状物質合成には、アークの安定性(陰極点の固定化)と陰極材料への熱の入り方が重要な因子となるので、ひび割れが生じている陰極面では、テープ状物質合成に適した放電状態(陰極点の固定化)や熱伝導条件を作りにくい。以上の理由から、このような陰極表面状態においては、陰極表面を研磨し、表面を平滑にする前に陰極表面層そのものを削り取る(研削する)工程が必要である。
【0051】
削り取る量は、粗面やひびがなくなる迄であり、通常は0.5mm厚以上、好ましくは1mm厚以上、より好ましくは2mm厚以上、特に好ましくは4mm厚以上である。研削量の上限は特に制限されないが、実用的観点から10mm厚程度までである。
【0052】
研磨は、研削後あるいは研削することなく行う。研磨は陰極材料の表面が算術平均粗さ(Ra)で4μm未満、好ましくは3.6μm以下、特に好ましくは3.2μm以下になるまで行う。
【0053】
研磨終了後は、再び合成工程、回収工程、陰極表面再生工程を繰り返し行うことで、カーボンナノチューブを含むテープ状物質を連続的に製造できる。
【0054】
図1にカーボンナノチューブを含むテープ状物質を連続的に合成する工程フローを示す。図1の通り、合成→回収→陰極再生という工程を繰り返し実施することで連続的にカーボンナノチューブを含むテープ状物質を製造できる。
【0055】
次に、カーボンナノチューブを含むテープ状物質を回収後、陰極表面状態に応じて取る手段を変えるフローを図2に示す。この陰極状態による工程フローに従い、陰極に清浄面が残っている場合には、そのまま合成工程に供すればよいし、そのほかの状態では、その状態に応じた陰極表面再生処理工程(研削および研磨)に供する。
【0056】
【実施例】
実施例1
本発明の方法における、カーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成させている状態の一例を図3に示す。
【0057】
陽極は炭素材料からなり、直径10mmの円柱状のものを用いた。陰極は炭素材料よりなり、厚さ15mmの長板状のものを用いた。陰極の炭素材料は電気抵抗値が4600μΩ・cm、熱伝導率が31W/m・K、表面の算術平均粗さ3.2μmであった。
【0058】
陽極を移動させながらアーク放電を行うと、アークの中心部(陰極点)が通過した陰極電極上にテープ状の物質が生成された。放電は、開放空間(大気圧下・大気雰囲気中)で行い、アーク放電を安定して発生させるために、アーク発生部に向かって、アルゴンガスを図示しないガス供給手段により送給した。この時の放電条件は、100A−20V,ガス流量10リットル/分であり、陽極の移動速度を40mm/分とした。この時、幅2〜3mm程度、厚さ100μm程度のカーボンナノチューブを含むテープ状物質が合成できた。
【0059】
生成したカーボンナノチューブを含むテープ状物質は、前記の通り自然剥離する現象が観察された。このテープ状物質の生成機構(生成メカニズム)は、図4のようであると考えられる。すなわち、カーボンナノチューブはアークの中心部(陰極点)で合成されるが、移動アークの場合は、アーク周辺部で非晶質カーボンが生成されるため、アークが移動した部分の生成物断面は図4上段に示すように、カーボンナノチューブの集合体が非晶質カーボンで狭まれた形となる。しかし、アークが過ぎ去った後、高温の状態で大気と触れ合うため、結晶的構造欠陥の多い非晶質カーボンが優先的に酸化・燃焼し、一部が焼失する(図4中段)。さらに、その後の陰極電極の冷却過程にて、非晶質カーボンの層と高純度カーボンナノチューブ集合体との熱膨張率の相違により、高純度のカーボンナノチューブがテープ状に剥離する現象を起こす(図4下段)ものと考えられる。
【0060】
次に、剥離したテープを回収する工程に供する。テープ状で合成されており、さらに自然剥離した状態なので回収はいたって容易に行うことができた。回収工程は、テープ状物質合成直後から、回収装置(例えは、吸引装置)を追従するような形態を取っても良いし、合成終了後に回収する工程を設けてもよかった。いずれにしても、テープ状物質として剥離した状態にあるので、いたって容易にカーボンナノチューブを含むテープ状物質を回収できる。
【0061】
次に、テープ状物質回収後の陰極表面を再生する工程に供する。
ここで、カーボンナノチューブを含むテープ状物質合成後の陰極表面状態を図5に示す。陰極の状態は、全く初期の陰極表面と変わらない部分(陰極清浄面)、アークフレームに曝されたりして表面が荒れていたり、煤状物質(非晶質カーボン)の付着があるような部分、テープ状物質が合成された後の陰極点部直下付近部分、繰り返しの熱応力によりひび割れが発生している部分、という4つのタイプに分類できることが分かった。前記の通り、陰極の表面状態によりカーボンナノチューブを含むテープ状物質の安定合成性および剥離性が異なる。つまり、適正な処理を施さないと、やみくもに合成しても純度が高く品質のよいカーボンナノチューブは形成されない。
【0062】
陰極表面の研磨は、炭素材料表面の研磨であるので、平滑度を確保するのに特に難しい研磨ではない。したがって、通常の紙ヤスリ程度で研磨すればどのような形態のものでも差し支えない。本実施例では、#400で粗磨きし、以後#800、#1200で研磨し、平滑度を確保した。
【0063】
また、研削工程も同様に難加工材料ではないので、簡単に削り取ることができる。本実施例では、施盤加工機で必要量(4mm厚)削り取った。
【0064】
以上を組み合わせた工程により、カーボンナノチューブを含むテープ状物質の連続的に製造することができた。
【0065】
実施例2
図1において陽極に中空電極を用いた例を示す。陽極電極として、外径10mm、内径4mmの中空炭素電極を用い、陰極電極として直径35mmの円柱状炭素電極(電気抵抗率5900μΩ・cm,熱伝導率23W/m・K,表面の算術平均粗さ4.0μm)を用いた。陰極電極を回転させるとともに、中空炭素電極を陰極電極の軸方向に直線的に移動させて、陰極電極上に螺旋を描く形で陰極点を移動させた。陰極電極の回転速度は1.5回転/分であり、中空炭素電極(陽極電極)の移動速度は、35mm/分であった。また、アーク放電は、開放空間(大気圧下・大気雰囲気中)で行い、中空電極内から送給するガスには純アルゴンガスを用い、流量は1リットル/分とした。放電条件は、電流100A,電圧20V(アーク長約1mm)であった。アーク放電後、陰極電極上で陰極点が移動した螺旋状の位置に、幅2〜3mm程度、厚さ100ミクロン程度のテープ状の高純度CNTが合成された。
【0066】
同時に、テープ剥離用ガス送給装置を、合成されて回転してきたテープ状物質の端部が陰極のほぼ真下にきたときにガスを吹き付けることのできる位置に設置し、ガスをテープ状物質端部に吹き付けた。この時のガスは空気とした。ガスは5リットル/分で吹き付けた。このガス供給装置も陽極と同じ速度で移動させ、常に合成された後のテープ状物質に吹き付けるようにした。すると、元々少し時間が経過すれば、前記の理由により、テープ状物質は自然剥離を始めるが、ガス吹付により剥離が促進され、合成開始部分よりスムーズな剥離が確認できた。
【0067】
さらに、テープが剥離を開始した真下にテープ状物質回収瓶を配置した。この回収瓶も、陽極と同じ速度で移動することとした。図7に示すように、端部から剥離したテープ状物質は、陰極の回転により、下方向に剥がれていき、テープ状物質が途中で切れることなく、回収瓶の中に良好に回収されて行くことが確認できた。
【0068】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、カーボンナノチューブを含むテープ状物質を合成する工程、合成されたテープ状物質を回収する工程、陰極表面を再生する工程、以下合成工程、回収工程、陰極表面再生工程を繰り返し実施するように構成したので、連続的にカーボンナノチューブを含むテープ状物質を合成することができた。
【0069】
さらに、陰極再生工程では、陰極の状態によるカーボンナノチューブを含むテープ状物質の安定合成性や剥離性を明らかにしたので、その時の状態に適した陰極表面再生工程を供するような構成にしたので、より確実に高純度カーボンナノチューブを含むテープ状物質を連続的に合成できるとともに、陰極材料の歩留まりも向上できる効果を得た。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一態様における工程を示す図である。
【図2】 本発明の一態様における工程を示す図である。
【図3】 本発明の一実施例でカーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成させている状態を示す図である。
【図4】 カーボンナノチューブを含むテープ状物質が剥離していく状態をその断面構造を模式的に示して説明した図である。
【図5】 カーボンナノチューブを含むテープ状物質を剥離後の陰極表面の状態を模式的に示した図である。
【図6】 本発明の別の実施例でカーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成させている状態を示す図である。
【図7】 図6においてカーボンナノチューブを含むテープ状物質に風を吹き付けて剥離している状態を示す図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for continuously producing a tape-like substance containing synthesized high-purity carbon nanotubes.
[0002]
[Prior art]
A carbon nanotube (CNT) is obtained by performing an arc discharge between two carbon materials, and a carbon nanotube (CNT) is obtained by rounding a graphene sheet in which carbon atoms are regularly arranged in a hexagonal shape into a cylindrical shape. The single graphene sheet tube is a single-walled carbon nanotube (SWCNT), and its diameter is 1 to several nm. Further, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) in which the graphene sheet cylinders are concentrically overlapped with each other have a diameter of several nanometers to several tens of nanometers. The carbon material here is an amorphous or graphitic conductive material containing carbon as a main component (hereinafter the same).
[0003]
In any case, various techniques for synthesizing carbon nanotubes (CNT) by arc discharge between two carbon materials have been proposed.
[0004]
For example, a technique has been proposed in which carbon nanotubes are produced by filling a sealed container with helium or argon and performing a carbon direct current arc discharge with the pressure in the sealed container being 200 Torr or higher (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
In addition, arc discharge is performed between opposed electrodes arranged in a horizontal direction in a sealed container filled with an inert gas, and the electrodes are rotated or reciprocated relatively and continuously or intermittently. A technique for manufacturing a nanotube has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
[0006]
Furthermore, as a method for continuously synthesizing carbon nanotubes, a step of arc discharge between a carbon anode disposed in a container and a carbon cathode disposed opposite to the anode, and a discharge position on the surface of the cathode are performed. A carbon nanotube manufacturing technique characterized by having a step of discontinuously moving and collecting a generated deposit, and an anode tip flattening step of flattening the tip of the anode before starting arc discharge It has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
[0007]
A method of producing a carbon nanotube is characterized in that an arc discharge is generated between a carbon anode and a carbon cathode, the cathode is formed into a disk shape, and the arc discharge is performed while rotating the cathode continuously or intermittently. It has been proposed (see, for example, Patent Document 4).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-6-280116
[Patent Document 2]
JP-A-7-216660
[Patent Document 3]
JP 2001-192205 A
[Patent Document 4]
JP 2002-88592 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, carbon nanotubes are generated in a substance made of carbon atoms deposited on a carbon electrode on the cathode side of a portion where arc discharge is performed, or in a part of soot attached to the arc periphery. However, according to the carbon nanotube production method of the conventional example, it is inevitable that graphite other than carbon nanotubes, amorphous carbon, etc. are mixed in the product, and the ratio of carbon nanotubes itself is low. .
[0010]
In any case, conventionally, in order to increase the stability of the arc and the synthesis rate of carbon nanotubes, an arc discharge device is provided in the sealed container, and the atmospheric gas type and pressure in the sealed container and the temperature in the sealed container are set appropriately. The carbon nanotubes were synthesized only by adjusting the atmospheric gas type and pressure in the sealed container and the temperature in the sealed container, but still a mixture of many impurities and carbon nanotubes. It could be recovered only as a certain cathode deposit or soot-like substance, and it could only be recovered by means of scraping off the cathode deposit (mixed with a large amount of impurities). Therefore, as a result, the yield of carbon nanotubes decreases, and complicated purification work must be performed to increase the purity of the carbon nanotubes, which increases the manufacturing cost of the carbon nanotubes. Furthermore, since the synthesis is performed in an airtight container, it is difficult to realize a continuous manufacturing process, the equipment becomes large, equipment costs increase, and mass synthesis of carbon nanotubes by arc discharge is difficult. It was.
[0011]
The present invention has been made to cope with such problems, and provides a method for continuously producing a tape-like substance composed of high-purity carbon nanotubes.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the above problems,
From the synthesis step of generating a tape-like material containing carbon nanotubes by arc discharge, the step of recovering the tape-like material containing carbon nanotubes generated, and the regeneration step of polishing the cathode material surface and recovering the surface after recovery A method of repeatedly producing a tape-like substance containing carbon nanotubes, which is again subjected to a synthesis process, a recovery process, and a regeneration process after regeneration of the cathode material surface;
The following steps (1) to (3) depending on the state of the surface of the cathode material after the synthesis step of generating a tape-like material containing carbon nanotubes by arc discharge, the step of recovering the tape-like material containing the generated carbon nanotubes. )
(1) If the clean surface remains on the cathode, use it as it is for the synthesis process.
(2) There is no clean surface enough to synthesize a tape-like material containing carbon nanotubes at the cathode, and soot-like material other than the region after the tape-like material has already been synthesized (amorphous carbon, etc.) ) Is attached and has a rough surface area, it is subjected to a step of polishing the cathode surface, and then subjected to a synthesis step.
(3) When there is no region (1), (2) or when the entire cathode is cracked, it is subjected to a synthesis step through a step of grinding the cathode surface and a step of polishing the cathode surface. ,
This object has been achieved by a method for repeatedly producing a tape-like substance containing carbon nanotubes.
[0013]
In the present invention, the tape-like substance containing carbon nanotubes can be generated by moving an anode or a cathode to be arc-discharged.
[0014]
The produced tape-like substance containing carbon nanotubes can be recovered by peeling off from the surface of the cathode material. The mechanism by which the tape-like substance containing carbon nanotubes peels off in the cooling process after generation is as follows. Thermal stress, because the shrinkage rate of cotton-like material (tape-like material) mainly composed of aggregates of carbon nanotubes differs from the shrinkage rate of the thin and particles of polycrystalline carbon and amorphous carbon adhering to the front and back surfaces. Is considered to occur and separate. In addition, the adhesion between the cathode and the tape-like substance is caused by the burning of the thin and particles of polycrystalline carbon and amorphous carbon adhering to the front and back surfaces of the tape-like substance due to atmospheric oxidation during the formation and cooling process. May be weakened.
[0015]
By the way, in order to continuously synthesize a tape-like substance containing carbon nanotubes, it is sufficient if it can be used again in the synthesis process after recovery. In order to synthesize a tape-like substance containing high-purity carbon nanotubes, It is necessary to make the conditions of various cathodes, such as the surface state of, appropriate. The cathode surface once arc-discharged is different from the initial cathode surface state (hereinafter referred to as “cathode clean surface”). The portion covered with quality carbon etc.) and the cathode clean surface are mixed. When discharge is performed again in a cathode surface state other than the cathode clean surface, a tape-like substance containing carbon nanotubes is synthesized on the surface where impurities such as amorphous carbon are present. It is difficult to form a tape-like substance containing. Moreover, even if it synthesize | combines, peeling of a tape-shaped substance is not performed favorably, but the case where it cannot collect | recover as a tape shape arises.
[0016]
Furthermore, when the surface roughness of the cathode material is rough, the adhesion between the cathode and the tape-like substance is increased, and peeling does not easily occur. It is not easy to mechanically scrape and collect a tape-like substance having a thickness of 10 to 500 μm. Therefore, by smoothing the surface of the cathode carbon material, the adhesive force between the cathode and the tape-like substance is weakened, and the tape-like substance can be easily recovered by being naturally peeled off by thermal stress. That is, in the state of the cathode surface after once synthesizing the tape-like substance containing carbon nanotubes, a smooth surface is not obtained due to impurities or the like, and therefore good tape-like peeling is not performed. Therefore, in order to improve the formability of the tape-like substance containing carbon nanotubes and the releasability as the tape-like substance, it is necessary to polish the cathode surface closer to the cathode clean surface. Through these steps, a tape-like substance containing carbon nanotubes can be continuously produced by repeating the synthesis step, the recovery step, and the cathode surface regeneration step again.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, a substance containing carbon nanotubes is formed on a cathode made of a carbon material by arc discharge, and is made into a tape shape by relatively moving between the cathode to be arc-discharged and the anode.
[0018]
The anode is usually rod-shaped, but the cathode is shaped so that a substance containing carbon nanotubes can be formed on the surface. Specific examples of the cathode shape include a columnar shape, a cylindrical shape, a disk shape, a quadrangular shape, and a long shape, but are not limited thereto. In the case of a cylindrical or cylindrical shape, the cathode has a diameter (outer diameter) of about 10 to 100 mm, particularly about 20 to 40 mm.
[0019]
As a typical operation of the electrode, when the cathode is cylindrical or cylindrical, a tape-like substance is spirally formed on the peripheral surface of the cathode by combining an operation of rotating about the axis of the cathode and an operation of moving in the axial direction. Let it form. In the case of a disk shape, the tape-like substance is formed in a spiral shape by combining the operation of rotating about the center of the cathode and the operation of moving the anode in the radial direction. In the case of a quadrangular shape, a tape-like substance is formed in a spiral shape by combining the movement of moving the anode along the side and the movement between the center and the outer edge, or reciprocating in one side direction and the cathode is moved to the side. The tape-like substance is formed in a zigzag shape. In the case of a long shape, the cathode or the anode is moved in the long direction. The above-described operation of the cathode or anode may be performed relatively, and therefore the anode may be moved instead of the cathode or the cathode may be moved instead of the anode, or both electrodes may be moved simultaneously.
[0020]
In the above, one or more anodes may be arranged side by side to form a tape-like substance in parallel lines.
[0021]
In principle, the electrodes are moved at a constant speed.
[0022]
This cathode is normally detachable.
[0023]
Preferred as the cathode material is a carbonaceous carbon material. The reason for using a carbonaceous carbon material as the cathode material is as follows. Carbon materials used for the synthesis of carbon nanotubes by arc discharge are generally manufactured by the following process. Petroleum or coal-based coke powder is used as raw material carbonaceous powder, and various pitches such as coal tar pitch and petroleum-based pitch are mixed and stirred. The organic material thus obtained is formed by a method such as mold molding, extrusion molding or CIP formation, and is generally fired at a temperature of 1500 ° C. or lower. At this point, the raw organic material is almost completely polycondensed and is in a carbonized state. Thereafter, various pitches and the like are impregnated as necessary, and re-heat treatment is performed, and further, if necessary, graphitization heat treatment is performed at a temperature of 3000 ° C. or lower. In this way, a carbon material having the required mechanical performance and physical properties is produced.
[0024]
The carbon material produced in this way varies greatly in structure, structure, mechanical properties, physical properties, etc. depending on the raw material, production method, and heat treatment temperature during production. Using various carbon materials as cathode materials, arc discharge was performed, and the amount of carbon nanotubes synthesized was compared. Carbon materials with a heat treatment temperature during production of 1000 ° C. to 1500 ° C. synthesized the most carbon nanotubes. There was found. A carbon material having a heat treatment temperature of 1000 ° C. to 1500 ° C. at the time of manufacture is a so-called carbonaceous carbon material made of carbon in which carbon graphitization has hardly progressed. Therefore, by selecting and using a carbon material whose material is mainly carbonaceous with a heat treatment temperature of 1000 ° C. to 1500 ° C. as a cathode material, carbon nanotubes can be produced at a higher yield. Can be generated.
[0025]
The carbon material used for the cathode is not limited to carbon, but may be a resin or a mixture with metal as long as it contains 90% or more of carbon. Examples of resins include phenolic resins, thermosetting resins typified by urea resins, polypropylene, thermoplastic resins typified by fluororesins, engineering plastics typified by polycarbonate, polysulfone, and polyamideimide. May include iron, cobalt, nickel, tungsten, and niobium. Furthermore, any of carbonaceous materials having a random carbon crystal structure, graphitized graphite materials, and the like can be used.
[0026]
In order to synthesize carbon nanotubes with high purity and yield, it is advantageous to raise the temperature of the arc cathode spot of the cathode material to some extent. Usually, the electric resistivity (= specific resistance) of a carbon electrode used as an electrode is in the range of about 500 to 2000 μΩ · cm, but 2500 μΩ · cm or more, preferably 3000 μΩ · cm or more, more preferably 4000 μΩ · cm. In particular, when a carbon material having an electrical resistivity of 5000 μΩ · cm or more is used as the cathode material, a high current density is obtained at the arc discharge in the vicinity of the cathode point of the cathode material. Becomes a high temperature. Therefore, the same effect as that obtained by heating the cathode can be obtained, and a tape-like substance containing carbon nanotubes with high yield and purity can be produced. The upper limit of the preferred electrical resistivity is about 20000 μΩ · cm, preferably about 12000 μΩ · cm, from a practical viewpoint.
[0027]
Moreover, the thermal conductivity of the carbon electrode normally used as an electrode is in the range of 50 to 200 W / m · K, and the electrical resistivity and the thermal conductivity in the carbon material have a substantially negative correlation. In other words, a material having a high electrical resistivity has a low thermal conductivity and is difficult to transfer heat, so that the temperature near the cathode spot becomes higher. The thermal conductivity of a carbon material having an electric resistance value of 4000 μΩ · cm or more corresponds to approximately 40 W / m · K or less.
[0028]
Further, in the production of a tape-shaped material containing carbon nanotubes according to the present invention, the arithmetic average roughness (Ra) of the surface of the cathode electrode is less than 4 μm, preferably 3.6 μm or less from the viewpoint of easy peeling of the tape-shaped material. In particular, it is desirable to use a carbon material of 3.2 μm or less.
[0029]
The tape-like substance containing carbon nanotubes peels off during the cooling process after generation. The shrinkage rate of the cotton-like substance mainly composed of aggregates of carbon nanotubes, and the polycrystalline graphite and amorphous materials adhering to the front and back surfaces. It is considered that thermal stress is generated and separated because the shrinkage of carbon skin and particles are different. In addition, the adhesion between the cathode and the tape-like substance is caused by the burning of the thin graphite and amorphous carbon and amorphous carbon particles adhering to the front and back surfaces of the tape-like substance due to atmospheric oxidation during the formation and cooling process. May be weakened.
[0030]
However, when the surface roughness of the cathode material is rough (when the arithmetic average roughness (Ra) is 4.0 μm or more), the adhesion between the cathode and the tape-like substance increases, and peeling does not easily occur. It is not easy to mechanically scrape and collect a tape-like substance having a thickness of 10 to 500 μm. Therefore, by reducing the arithmetic average roughness (Ra) of the surface of the cathode carbon material to less than 4.0 μm, the adhesive force between the cathode and the tape-like material is weakened, and the tape-like material is recovered by spontaneous separation by thermal stress. It can be made easier.
[0031]
The anode is an arc discharge while moving relative to the cathode to generate a tape-like substance containing carbon nanotubes on the cathode, and the shape is usually a rod. However, it is preferable to flow an inert gas from the anode portion toward the cathode in order to induce arc discharge and stabilize its direction. The inert gas may be blown out by attaching an inert gas pipe outside the anode, or accommodating the anode in the pipe and blowing out the inert gas between the anode and the pipe in an annular shape. However, a particularly preferable shape is a structure in which the anode is formed in a cylindrical shape to form a hollow electrode, and an inert gas is blown out from the inside.
[0032]
Thus, when a hollow electrode is used for the anode electrode and an inert gas such as argon gas or a mixed gas containing an inert gas is sprayed from the inside of the hollow electrode toward the cathode electrode, the ionization degree of the gas increases and the gas A condition that an arc is likely to be generated in the ejection path is formed. Moreover, it is considered that the inner surface of the hollow electrode in contact with the inert gas or the mixed gas containing the inert gas forms a stable anode spot. For this reason, the arc generation path is restricted, and irregular movement of the cathode spot of the arc on the cathode electrode is prevented. As a result, carbon nanotubes can be preferentially synthesized at the fixed cathode spot generation position (arc center), and the carbon nanotubes can be synthesized at the fixed cathode spot generation position (arc center). Composites can be produced.
[0033]
The inner diameter of this hollow hole is 1mm 2 The gas flow rate is preferably about 10 to 400 ml per unit. The number of hollow holes is not limited to one, and a plurality of hollow holes can be provided.
[0034]
For the arc discharge anode, the same carbon material as the cathode may be used, but a metal electrode can also be used. Examples of metal electrodes include tungsten electrodes, copper electrodes, platinum, molybdenum, hafnium, and the like.
[0035]
The gap between the cathode and the anode is not particularly limited as long as the arc discharge can be stably maintained, but the arc is preferably more stable at 0.5 mm to 5 mm.
[0036]
The atmosphere in which arc discharge is performed in the present invention is N 2 , CO 2 Any atmosphere such as an inert gas atmosphere may be used.
[0037]
In order to cause arc discharge, it is necessary to ionize the space between the electrodes. There are various processes for ionization of atoms. In arc discharge, the ionization process by collision with electrons is dominant. In general, except for He and Ne having a small atomic number, inert gases such as Ar, Kr, and Xe have a high ionization efficiency due to collision with electrons and provide a space in which an arc is easily generated. Inert gases such as Ar, Kr, and Xe have a higher ionization efficiency than oxygen, nitrogen, etc., and therefore, these inert gases or a mixture containing an inert gas from the anode electrode to the cathode electrode in the air atmosphere When arc discharge is performed while supplying gas, the arc can be generated in a concentrated manner along the gas flow path. That is, by using an inert gas or a mixed gas containing an inert gas supplied from the anode electrode toward the cathode electrode as the plasma gas, the arc can be concentrated and the cathode spot can be stabilized.
[0038]
In addition, even if the gas delivered from the hole inside the hollow electrode was pure argon or argon gas mixed with about 5% hydrogen gas or helium gas, no significant change was observed in the arc form. In particular, when hydrogen gas was mixed in an inert gas such as argon by several percent to several tens of percent, the yield of carbon nanotubes could be increased without impairing arc stability. This is considered to be because hydrogen gas has an effect of preventing carbon sublimated on the anode electrode from growing as a cluster, and the carbon nanotubes are easily synthesized on the cathode electrode.
[0039]
Further, in the atmosphere, carbon is oxidized and burned because oxygen is involved in the arc discharge part. At this time, the produced carbon nanotubes are also somewhat oxidized, but impurities such as amorphous carbon and polycrystalline graphite powder having a lower combustion temperature are preferentially oxidized and burned, resulting in the purity of the carbon nanotubes in the product. There is an effect to improve.
[0040]
The tape-like substance containing carbon nanotubes according to the present invention has a thickness of 10 to 500 μm, particularly 20 to 100 μm, a width of 1 to 10 mm, particularly 1 to 6 mm, and an arbitrary length, and is mainly a cotton-like aggregate of carbon nanotubes It has a body.
[0041]
The method for recovering the tape-like substance containing the carbon nanotubes formed on the cathode in this way is not limited. For example, the tape-like substance is peeled off from the cathode by blowing a gas to the attached end of the cathode.
[0042]
The gas to be blown may be anything such as air or nitrogen as long as it has a cooling effect other than the flammable gas. That is, since the tape-like substance is formed in a thin film on the surface of the cathode electrode, by blowing gas, the temperature lowers more rapidly than the cathode electrode of the production substrate, and heat is generated between the tape-like substance and the cathode electrode. It is considered that the stress works and peeling is remarkably accelerated.
[0043]
Furthermore, when the gas to be blown contains oxygen, or when synthesis is performed in an air atmosphere without containing oxygen, the air is slightly involved by blowing the gas, so the tape-like substance table is used. It has the effect of promoting the oxidation and combustion of polycrystalline graphite and amorphous carbon skin and particles adhering to the back surface. As a result, the carbon nanotube purity of the tape-like substance increases, and the cathode and the tape-like substance are attached. It is thought that there is also an effect of facilitating the peeling of the tape-like substance because the adhesion is weakened.
[0044]
The spraying is preferably performed using a nozzle, and the spraying direction is between ± 90 ° in the longitudinal direction of the tape-like substance.
[0045]
The nozzle is moved relative to the tape-like substance in order to advance the peeling, but it is also possible to keep the nozzle fixed when the cathode is moved to form the tape-like substance. .
[0046]
After collecting the tape-like substance containing carbon nanotubes, the surface of the cathode material may be polished as it is, and if the cathode material remains on the cathode material, it is discharged and carbon is further discharged. A tape-like material containing nanotubes may be generated.
[0047]
That is, when synthesizing again by arc discharge after synthesizing a tape-like substance containing carbon nanotubes by arc discharge, a step of regenerating the surface state of the cathode to an optimum one as described above is required. Therefore, the most reliable way to shape the cathode surface state is to grind the required amount of the cathode surface layer after every discharge as described above, and then polish it. Using the process is a wasteful process and the yield of the material is also poor. Therefore, selecting the cathode regeneration method according to the state of the cathode surface after discharge can use the cathode material more efficiently and improve the yield.
[0048]
When a tape-like substance containing carbon nanotubes is synthesized by arc discharge, the cathode surface state after synthesis is as follows: (1) a cathode clean surface, (2) a part where adhesion of cage-like substances (amorphous carbon, etc.) (3) It can be classified into four types: near the cathode spot (tape-like substance forming part) and (4) cracking. Therefore, it can be said that performing the cathode surface regeneration treatment according to these four states is an effective means. That is, when the cathode surface is in the state (1), it is sufficient to synthesize it on the clean surface of the cathode. Therefore, the cathode surface may be used as it is without being subjected to special treatment. If there is no state {circle around (1)} sufficient to synthesize the tape-like substance on the cathode and there is a state {circle around (2)} sufficient to synthesize the tape-like substance, the cathode surface is subjected to a step of polishing and used for the synthesis step. When there are no (1) and (2) states sufficient to synthesize a tape-like substance on the cathode ((3) state or (4) state), the steps of grinding the cathode surface and polishing the cathode surface are performed. Then, it will be used for the synthesis process.
[0049]
When grinding is necessary, it occurs as follows. That is, by using a carbonaceous carbon material as the cathode, a tape-like substance containing higher purity carbon nanotubes can be synthesized. However, the portion (cathode spot portion) where the tape-like material is synthesized by arc discharge is the portion exposed to the highest temperature. A tape-like substance is preferentially synthesized at the cathode spot portion, and when exposed to the highest temperature, the surface of the cathode material near the cathode spot is changed from carbonaceous to graphite. As described above, a carbonaceous carbon material is more suitable for synthesizing a tape-like material than a graphitic carbon material. Therefore, in order to stably synthesize a tape-like substance containing high-purity carbon nanotubes by using a carbon material once subjected to synthesis and performing arc discharge again, the altered cathode surface layer (graphitic layer) is scraped off (grinding) Is desirable).
[0050]
Furthermore, when the synthesis is repeated, the portion of the cathode surface where the tape-like substance is synthesized (directly under the arc) increases, and the cathode material surface may crack due to repeated thermal stress. Tape-like material is synthesized at the cathode spot directly under the arc, but this part is the part that is exposed to the hottest arc, and it is difficult to synthesize the tape-like substance when this part is discharged again. Experimental results are obtained. In addition, the stability of the arc (fixation of the cathode spot) and the way heat enters the cathode material are important factors for the synthesis of tape-like materials containing carbon nanotubes. It is difficult to create a discharge state (cathode spot fixation) and heat conduction conditions suitable for tape-like material synthesis. For the above reasons, in such a cathode surface state, a step of grinding (grinding) the cathode surface layer itself before polishing the cathode surface and smoothing the surface is necessary.
[0051]
The amount to be scraped is until there is no rough surface or crack, and is usually 0.5 mm or more, preferably 1 mm or more, more preferably 2 mm or more, and particularly preferably 4 mm or more. The upper limit of the grinding amount is not particularly limited, but is about 10 mm thick from a practical viewpoint.
[0052]
Polishing is performed after grinding or without grinding. Polishing is performed until the surface of the cathode material has an arithmetic average roughness (Ra) of less than 4 μm, preferably 3.6 μm or less, particularly preferably 3.2 μm or less.
[0053]
After the polishing is completed, a tape-like substance containing carbon nanotubes can be continuously produced by repeating the synthesis process, the recovery process, and the cathode surface regeneration process again.
[0054]
FIG. 1 shows a process flow for continuously synthesizing a tape-like substance containing carbon nanotubes. As shown in FIG. 1, a tape-like substance containing carbon nanotubes can be continuously produced by repeatedly performing the steps of synthesis → recovery → cathode regeneration.
[0055]
Next, FIG. 2 shows a flow of changing means to be taken according to the cathode surface state after the tape-like substance containing carbon nanotubes is collected. According to the process flow in the cathode state, if a clean surface remains on the cathode, it can be used as it is in the synthesis process. In other states, the cathode surface regeneration process (grinding and polishing) according to the state. To serve.
[0056]
【Example】
Example 1
An example of a state in which a tape-like substance containing carbon nanotubes is generated in the method of the present invention is shown in FIG.
[0057]
The anode was made of a carbon material, and a cylindrical one having a diameter of 10 mm was used. The cathode was made of a carbon material, and a long plate having a thickness of 15 mm was used. The carbon material of the cathode had an electric resistance value of 4600 μΩ · cm, a thermal conductivity of 31 W / m · K, and an arithmetic average roughness of the surface of 3.2 μm.
[0058]
When arc discharge was performed while moving the anode, a tape-like substance was formed on the cathode electrode through which the center of the arc (cathode spot) passed. Discharge was performed in an open space (under atmospheric pressure and in an atmospheric atmosphere), and argon gas was supplied by a gas supply unit (not shown) toward the arc generation unit in order to stably generate arc discharge. The discharge conditions at this time were 100A-20V, the gas flow rate was 10 liters / minute, and the moving speed of the anode was 40 mm / minute. At this time, a tape-like substance containing carbon nanotubes having a width of about 2 to 3 mm and a thickness of about 100 μm could be synthesized.
[0059]
The phenomenon that the tape-like substance containing the produced carbon nanotubes spontaneously peeled as described above was observed. The generation mechanism (generation mechanism) of this tape-like substance is considered as shown in FIG. In other words, carbon nanotubes are synthesized at the center of the arc (cathode spot), but in the case of a moving arc, amorphous carbon is generated at the periphery of the arc, so the product cross section of the part where the arc has moved is shown in the figure. 4 As shown in the upper part, the aggregate of carbon nanotubes is narrowed by amorphous carbon. However, after the arc has passed, it comes into contact with the atmosphere at a high temperature, so that amorphous carbon having many crystal structure defects is preferentially oxidized and burned, and a part thereof is burned out (middle in FIG. 4). Furthermore, in the subsequent cooling process of the cathode electrode, the phenomenon that the high-purity carbon nanotubes are peeled off in a tape shape is caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the amorphous carbon layer and the high-purity carbon nanotube aggregate (Fig. 4 bottom).
[0060]
Next, it is subjected to a step of collecting the peeled tape. It was synthesized in the form of a tape, and since it was peeled off spontaneously, it could be easily recovered. The recovery step may take the form of following the recovery device (for example, a suction device) immediately after synthesis of the tape-like substance, or may be provided with a recovery step after the end of the synthesis. In any case, since the tape-like substance is peeled off, the tape-like substance containing carbon nanotubes can be easily recovered.
[0061]
Next, it is subjected to a step of regenerating the cathode surface after the tape-like material is recovered.
Here, the state of the cathode surface after the synthesis of the tape-like substance containing carbon nanotubes is shown in FIG. The cathode state is the same as the initial cathode surface (cathode clean surface), the surface is rough due to exposure to the arc frame, or the part where the soot-like substance (amorphous carbon) is attached It has been found that it can be classified into four types: a portion immediately below the cathode spot after the tape-like material is synthesized, and a portion where cracks are generated due to repeated thermal stress. As described above, the stable synthesis property and peelability of the tape-like material containing carbon nanotubes differ depending on the surface state of the cathode. In other words, unless proper treatment is performed, carbon nanotubes with high purity and good quality will not be formed even if they are synthesized indiscriminately.
[0062]
Since the polishing of the cathode surface is a polishing of the surface of the carbon material, it is not particularly difficult to ensure smoothness. Therefore, any shape can be used as long as it is polished with a normal paper file. In this example, rough polishing was performed at # 400, and thereafter polishing was performed at # 800 and # 1200 to ensure smoothness.
[0063]
Also, since the grinding process is not a difficult-to-process material, it can be easily scraped off. In this example, the required amount (4 mm thickness) was cut off with a lathe machine.
[0064]
A tape-like substance containing carbon nanotubes could be continuously produced by a process combining the above.
[0065]
Example 2
FIG. 1 shows an example in which a hollow electrode is used for the anode. A hollow carbon electrode having an outer diameter of 10 mm and an inner diameter of 4 mm is used as the anode electrode, and a cylindrical carbon electrode having a diameter of 35 mm is used as the cathode electrode (electric resistivity 5900 μΩ · cm, thermal conductivity 23 W / m · K, arithmetic mean roughness of the surface 4.0 μm) was used. While rotating the cathode electrode, the hollow carbon electrode was linearly moved in the axial direction of the cathode electrode, and the cathode spot was moved in a spiral pattern on the cathode electrode. The rotational speed of the cathode electrode was 1.5 revolutions / minute, and the moving speed of the hollow carbon electrode (anode electrode) was 35 mm / minute. Arc discharge was performed in an open space (under atmospheric pressure and in atmospheric air), pure argon gas was used as the gas fed from the hollow electrode, and the flow rate was 1 liter / min. The discharge conditions were a current of 100 A and a voltage of 20 V (arc length of about 1 mm). After the arc discharge, a tape-like high purity CNT having a width of about 2 to 3 mm and a thickness of about 100 microns was synthesized at a spiral position where the cathode spot moved on the cathode electrode.
[0066]
At the same time, the tape peeling gas feeding device is installed at a position where the gas can be blown when the end of the synthesized and rotated tape-like substance is almost directly below the cathode, and the gas is fed to the end of the tape-like substance. Sprayed on. The gas at this time was air. Gas was blown at 5 liters / minute. This gas supply device was also moved at the same speed as the anode, and was always sprayed onto the tape-like material after synthesis. Then, when a little time has passed from the beginning, the tape-like substance starts to peel spontaneously for the reasons described above, but the peeling was promoted by gas blowing, and smooth peeling was confirmed from the synthesis start part.
[0067]
Furthermore, a tape-like substance recovery bottle was placed immediately below where the tape started to peel. This collection bottle was also moved at the same speed as the anode. As shown in FIG. 7, the tape-like substance peeled from the end part is peeled downward by the rotation of the cathode, and the tape-like substance is recovered well in the collection bottle without being cut off halfway. I was able to confirm.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the step of synthesizing the tape-like material containing carbon nanotubes, the step of recovering the synthesized tape-like material, the step of regenerating the cathode surface, the synthesis step, the recovery step, the cathode surface Since the regeneration process was repeated, a tape-like substance containing carbon nanotubes could be synthesized continuously.
[0069]
Furthermore, in the cathode regeneration process, since the stable synthesis and releasability of the tape-like material containing carbon nanotubes according to the state of the cathode was clarified, the cathode surface regeneration process suitable for the state at that time was provided, As a result, it was possible to continuously synthesize a tape-like substance containing high-purity carbon nanotubes more reliably and to improve the yield of the cathode material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a process in one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a process in one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a state in which a tape-like substance containing carbon nanotubes is generated in an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional structure of a state where a tape-like substance containing carbon nanotubes is peeled off.
FIG. 5 is a diagram schematically showing the state of the cathode surface after peeling off the tape-like substance containing carbon nanotubes.
FIG. 6 is a view showing a state in which a tape-like substance containing carbon nanotubes is generated in another example of the present invention.
7 is a view showing a state where the tape-like substance containing carbon nanotubes is peeled off by blowing air in FIG. 6. FIG.

Claims (3)

アーク放電によりカーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成させる合成工程と、生成されたカーボンナノチューブを含むテープ状物質を回収する工程と、回収後、陰極材料表面を研磨して表面を再生する再生工程からなり、陰極材料表面再生後に、再度合成工程、回収工程、再生工程に供する、カーボンナノチューブを含むテープ状物質を繰り返し製造する方法From the synthesis step of generating a tape-like material containing carbon nanotubes by arc discharge, the step of recovering the tape-like material containing carbon nanotubes generated, and the regeneration step of polishing the cathode material surface and recovering the surface after recovery A method of repeatedly producing a tape-like substance containing carbon nanotubes, which is again subjected to a synthesis process, a recovery process, and a regeneration process after regeneration of the cathode material surface アーク放電に供する陰極材料に炭素質の炭素材料を用い、再生工程の表面研磨では、アーク放電によるカーボンナノチューブを含むテープ状物質合成後に黒鉛質に変質した陰極炭素材料表面層を削り取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を含むテープ状物質を繰り返し製造する方法A carbonaceous carbon material is used as the cathode material for arc discharge, and the surface polishing in the regeneration process is characterized by scraping off the surface layer of the cathode carbon material that has changed to graphite after synthesizing a tape-like material containing carbon nanotubes by arc discharge. A method for repeatedly producing a tape-like substance containing carbon nanotubes according to claim 1 アーク放電によるカーボンナノチューブを含むテープ状物質を生成させる合成工程と、生成されたカーボンナノチューブを含むテープ状物質を回収する工程と、回収後、陰極材料表面の状態により以下の(1)〜(3)のいずれかを実施してなる、
(1) 陰極に清浄面が残っている場合には、そのまま合成工程に供する、
(2) 陰極にカーボンナノチューブを含むテープ状物質を合成できるだけの清浄面がなく、テープ状物質を合成できるだけの既にテープ状物質が合成された後の領域以外の煤状物質(非晶質カーボン等)が付着し表面が荒れた領域を有している場合は、陰極表面を研磨する工程を経て、合成工程に供する、
(3) (1),(2)領域がない場合、あるいは陰極全体にひび割れが生じている場合には、陰極表面を研削する工程と、陰極表面を研磨する工程とを経て、合成工程に供する、
カーボンナノチューブを含むテープ状物質を繰り返し製造する方法
The following steps (1) to (3) depending on the state of the surface of the cathode material after the synthesis step of generating a tape-like material containing carbon nanotubes by arc discharge, the step of recovering the tape-like material containing the generated carbon nanotubes. )
(1) If the clean surface remains on the cathode, use it as it is for the synthesis process.
(2) There is no clean surface enough to synthesize a tape-like material containing carbon nanotubes at the cathode, and soot-like material other than the region after the tape-like material has already been synthesized (amorphous carbon, etc.) ) Is attached and has a rough surface area, it is subjected to a step of polishing the cathode surface, and then subjected to a synthesis step.
(3) When there is no region (1), (2) or when the entire cathode is cracked, it is subjected to a synthesis step through a step of grinding the cathode surface and a step of polishing the cathode surface. ,
Method for repeatedly producing a tape-like substance containing carbon nanotubes
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