JP3885710B2 - Carbon nanotube production method and apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はアーク放電法によってカーボンナノチューブを製造するカーボンナノチューブの製造方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
カーボンナノチューブとは、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であり、特異な物性を有していることから、新素材として注目されている。このようなカーボンナノチューブは、2つの炭素材料間にてアーク放電を行うことにより、陰極側の炭素電極側に凝集する堆積物中及びアーク周辺部に飛散する煤状物中に形成されることが知られている。そして、アーク放電法によってカーボンナノチューブの収率を向上させるための技術が種々提案されている。
【0003】
例えば、希ガス中でアーク放電し、カーボンを蒸発させた後凝縮させてカーボンナノチューブを形成させるに際し、希ガスで満たされた反応チャンバーの温度範囲を1000℃〜4000℃としてアーク放電することで、長さと直径の分布のそろったカーボンナノチューブを製造するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
また、炭素陽極と炭素陰極の両方を円筒形状のカーボンヒータで覆い、カーボンヒータの放熱温度が500℃〜2000℃となるようにしてアーク放電を行うようにすることで、生成されるカーボンナノチューブの純度及び収量を増加させるようにしたものもある(例えば、特許文献2参照)。
さらに、炭素電極からなる陽極の先端部分を加熱した後、アーク放電することにより均質なカーボンナノチューブを効率よく生成することが出来るとしているものもある(例えば、特許文献3参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平6−157016号公報
【特許文献2】
特開2000−203820号公報
【特許文献3】
特開2000−344505号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1のように反応チャンバー全体の温度を上げる場合、製造装置が複雑になるという問題がある。
また、両電極または陽極のみを加熱する場合は、陽極電極の消耗量が大きい割りにカーボンナノチューブの合成比率が低いという問題がある。
【0007】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、製造装置の単純化ができると共に生成されるカーボンナノチューブの合成比率を高めることを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法は、炭素材料を陰極として陽極電極との間にて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合成する方法であって、前記炭素材料は、製造時の熱処理温度が1500℃以下であることを特徴とするものである。
【0009】
また、炭素材料を陰極として陽極電極との間にて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合成するカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記炭素材料は、その電気抵抗値が4000μΩ・cm以上で、かつ、熱伝導率が40W/mK以下であることを特徴とするものである。
【0010】
また、陰極と陽極の相対位置を移動させながら直流アーク放電を行うことを特徴とするものである。
【0011】
また、大気雰囲気中にてアーク放電を行うことを特徴とするものである。
【0013】
また、本発明に係るカーボンナノチューブの製造装置は、炭素材料からなる陰極電極と、該陰極電極と所定の間隔を離して対向配置された陽極電極と、該陽極電極及び前記陰極電極に接続されてこれらの電極間にアーク放電を起こさせるアーク放電用電源とを備えてなり、前記炭素材料は、その電気抵抗値が4000μΩ・cm以上で、かつ、熱伝導率が40W/mK以下であることを特徴とするものである。
【0014】
また、陰極電極と陽極電極を相対的に移動させる移動手段を備えたことを特徴とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
具体的な実施の形態を説明する前に、本発明がなされるに至った経緯を説明する。
アーク放電によるカーボンナノチューブ合成の一般的な考えは、主として陽極炭素電極から発生した炭素蒸気および炭素イオンが陰極側に拡散し、陽極より温度の低い陰極電極表面にて凝縮することによりカーボンナノチューブ(特に多層カーボンナノチューブ)が合成されるというものである。
【0016】
そのため、陰極の温度は低い方がカーボンナノチューブの成長速度が速く、陰極材料は耐熱性伝導材料であれば炭素材料である必要もないと考えられている。このような考えを前提として、陽極からの炭素蒸気および炭素イオンを増加させることがカーボンナノチューブの合成比率を高めることに大きく寄与するものとされていた。
このため、従来例で示したようにカーボンナノチューブの収量を大きくするために、反応系全体、あるいは陽極の加熱が行われていたのである。
【0017】
しかしながら、本願発明者の実験によると、陽極からの炭素蒸気および炭素イオンのみを増加させても黒鉛質炭素紛もしくは非晶質炭素紛が陰極表面に多量に付着し、カーボンナノチューブの合成比率の低いものしか生成できなかった。 そこで、本願発明者は種々実験を繰り返した結果、カーボンナノチューブの合成比率を高める重要なファクターは陽極側ではなく、陰極側にあるのではないかとの知見を得た。
【0018】
そこで、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陰極炭素材料について考察した。
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陰極炭素材料は、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・撹拌する。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。
【0019】
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。
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。
【0020】
そこで、まず製造時の熱処理温度に着目して、この熱処理温度の異なる種々の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。
その結果、製造時の熱処理温度が1500℃以下の低温処理の炭素材料を用いると多くのカーボンナノチューブを合成できることが判明した。
製造時の熱処理温度が1500℃以下の炭素材料は、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。
つまり、発明者は、炭素陰極材料として炭素質を用いることで、カーボンナノチューブの収量を贈大させることができるとの知見を得たのである。
【0021】
次に、何故、製造時の熱処理温度が1500℃以下の炭素質材料を用いた場合にカーボンナノチューブの収量を高めることができたのかについて考察した。
この考察に際し、製造時の熱処理温度が低いものと、高温処理したものとを用いてアーク放電を行い、それぞれの放電部をサーモビューアで観察した(図4参照)。図4において、陰極材料Fが低温熱処理のものであり、陰極材料Dが高温熱処理のものである。図4から分かるように、熱処理温度が低い陰極材料Fは放電部の高温領域が広くなっていることが分かる。このことから、発明者はカーボンナノチューブ生成の重要なファクターとして、炭素陰極の放電部の温度が関係しているとの知見得た。
【0022】
そこで、次に、陰極炭素材料の製造時の熱処理温度と、放電部の温度との関係を考察した。
炭素陰極材料に関し、放電部の温度に重要な影響をもたらす因子として、電気抵抗値(固有抵抗)および熱伝導率が考えられる。
ところで、熱処理温度の比較的低い炭素材料は、黒鉛化(結晶化)度が低いため、電気抵抗値(固有抵抗)が高く、熱伝導率の低いものとなる。つまり、このような材料を陰極材料として用いると、アーク発生部の陰極電極はアーク放電時に高い電流密度であるので、電気抵抗発熱のため陰極点近傍が高温度となり、また、熱伝導率が低いため熱が逃げにくく、陰極点近傍の狭い範囲がより高温に加熱されることになる。そのため、陰極の温度がカーボンナノチューブの生成されやすい温度範囲となり、収量ならびに純度の高いカーボンナノチューブが生成したものと考えられる。
【0023】
つまり、発明者は、カーボンナノチューブ生成と陰極炭素材料の性質として、電気抵抗値(固有抵抗)が高いこと、また、熱伝導率の低いことが有用な性質であるとの知見を得たのである。
【0024】
次に、発明者は、陰極炭素材料の製造時の熱処理温度、及び電気抵抗値(固有抵抗)、熱伝導率を具体的に特定するために、各種炭素材料を陰極に用いてアーク放電を行い、この際のカーボンナノチューブ生成の有無と合成されたカーボンナノチューブの純度について調査を行った。
その結果を表1に示す。
【表1】

Figure 0003885710
表1において、カーボンナノチューブ(表中CNTと表記した。)の純度、収量については、アーク放電終了後、陰極に付着した生成物を調べたものである。
【0025】
なお、放電条件は以下の通りである。
(1)炭素陰極:直径36mmの棒状炭素材料で材質を種々変更(A〜G)
(2)陽極 :直径10mmの棒状炭素陽極
(3)放電用ガス:Arガス(陽極放電発生部に供給)
(4)雰囲気ガス:大気雰囲気
【0026】
表1に示されるように、カーボンナノチューブが高純度で多く生成された陰極炭素材料は、表1中、A、F、Gであった。これらは全て材質が炭素質であり、製造時の熱処理温度が1000℃から1500℃のものであった。
一方、表1中、A、F、G以外のものは、材質が黒鉛質、あるいは黒鉛質と炭素質の混ざったものであった。
このことから、カーボンナノチューブが高純度で多く生成するための陰極炭素材料の条件として、材質が炭素質であることが必要であることが確認できたと共に、そのための製造時の熱処理温度としては1000℃から1500℃の範囲にあることが必要であることが分かった。
【0027】
また、陰極炭素材料A、F、Gの固有抵抗値は、それぞれ5900μΩ・cm、4600μΩ・cm、11000μΩ・cmであった。一方、カーボンナノチューブの収量及び純度が普通程度であった陰極炭素材料Eの固有抵抗値は3500μΩ・cmであった。
このことから、陰極炭素材料の固有抵抗値は、3500μΩ・cmより大きく、好ましくは4000μΩ・cm以上であればよいことが分かる。
【0028】
また、陰極炭素材料A、F、Gの熱伝導率は、それぞれ23W/mK、31W/mK、20W/mKであった。一方、カーボンナノチューブの収量及び純度が普通程度であった陰極炭素材料Eの熱伝導率は52W/mKであった。
このことから、陰極炭素材料の熱伝導率は、52W/mKより小さく、好ましくは40W/mK以下であればよいことが分かる。
【0029】
なお、上記の実験において、陽極炭素材料の材質を変更したが、カーボンナノチューブの収量及び純度にはほとんど影響がなかった。このことからも、陰極炭素材料の材質こそがカーボンナノチューブの収量及び純度に大きく影響することが確認できた。
【0030】
以上詳細に説明したように、本発明は、従来カーボンナノチューブ生成には陽極、特に陽極温度が重要なファクターであるとの既成概念を打破し、陰極の材質に着目するという発想転換から生まれたものである。
そして、発明者が具体的に得た知見は、製造時の熱処理温度が1000℃から1500℃である材質が炭素質からなる炭素材料を陰極として用いることで純度の高いカーボンナノチューブを生成できこと、および、電気抵抗値が4000μΩ・cm以上、熱伝導率が40W/mK以下となる炭素材料を陰極として用いることで純度の高いカーボンナノチューブを生成できことである。
もっとも、たとえ製造時の熱処理温度が1000℃から1500℃の範囲内でなかったとしても、原料炭素質粉や結合材材質を変化させて電気抵抗値が4000μΩ・cm以上、熱伝導率が40W/mK以下となる炭素材料であればよい。
【0031】
なお、通常電極用として使用されている炭素電極の電気抵抗値は500から2000μΩ・cm程度の範囲であり、また熱伝導率は、50から200W/mKの範囲であり、本発明で用いる炭素材料はこれらのものとは大きく異なるものである。
【0032】
以下、上記のような材質からなる陰極炭素電極を用いたカーボンナノチューブ製造装置について説明する。
図1は本発明の一実施の形態の構成説明図であり、カーボンナノチューブ製造装置の基本的な構成を示したものである。
本実施の形態のカーボンナノチューブ製造装置は、炭素材料からなる炭素陰極1、炭素材料からなる陽極3、アーク放電発生用直流電源5、陽極冷却手段7から構成されている。
【0033】
炭素陰極1と陽極3は適当な間隙を介して配置され、それぞれアーク放電発生用直流電源5に接続される。炭素陰極1の材質は、製造時の熱処理温度が1000℃から1500℃の範囲内のもので炭素質からなるもの、または、原料炭素質粉や結合材材質を変化させて電気抵抗値を4000μΩ・cm以上、熱伝導率を40W/mK以下としたものである。
なお、炭素陰極1と陽極3は反応チャンバーに入れてもよいし、あるいは容器外の大気雰囲気下でも構わない。
陽極冷却手段7は、例えば陽極3の放電発生部近傍に取り付けられた水冷銅であり、放電発生部近傍の陽極外周を冷却する。
【0034】
また、陽極側には、図示していない放電ガス供給手段が設けられており、例えば不活性ガス好ましくはArガス、およびこれらのガスを含む混合ガスを、陽極3から炭素陰極1に至る放電発生空間に、陽極側から陰極側に向けて連続供給できるように構成されている。ここに言う放電発生空間とは、陽極側から陰極側に至るアークの発生空間をいう。このように、放電発生空間に不活性ガスを連続供給することで、ガスの電離度が高くなってガス流経路に沿ってアークが発生し、その陰極点の移動が抑制される。これによって、固定された陰極点で高純度のカーボンナノチューブが合成されることになる。
【0035】
上記のように構成されたカーボンナノチューブ製造装置によってカーボンナノチューブを製造するには、陽極冷却手段7によって陽極の放電発生部近傍を冷却した状態で放電用ガス供給手段から放電発生空間に不活性ガスを供給してアーク放電を行う。
【0036】
このとき、炭素陰極1が上記の材質であり、かつ炭素陰極はアーク放電時に高い電流密度であることから、アーク発生部は電気抵抗発熱のため陰極点近傍が高温度となる。また、炭素陰極1は熱伝導率が低いため、陰極点近傍の狭い範囲がより高温に加熱されることになる。そのため、陰極の温度がカーボンナノチューブの生成されやすい温度範囲となり、収量ならびに純度の高いカーボンナノチューブが生成される。
【0037】
また、陽極冷却手段7による冷却により陽極3の過熱を防ぐことができ、陽極3の過度の蒸発を抑制できる。これにより、蒸発した陽極材料が生成されたカーボンナノチューブ表面に不純物として付着し、純度を下げるのを抑制できる。さらに、陽極3の消耗を抑えることができ、陽極の長寿命化が図られる。
【0038】
なお、上記実施の形態においては、炭素陰極1と陽極3は反応チャンバーに入れてもよいし、あるいは容器外の大気雰囲気下でも構わないとした。
しかし、大気雰囲気下で放電を行うようにすれば、密閉したチャンバー内での合成法に比べ、装置が簡略化でき、操作性もいたって向上する。また、合成直後の陰極生成物が高温で大気と触れ合うため、結晶的構造欠陥の多い不純物である多結晶黒鉛や非晶質カーボンが優先的に酸化・燃焼し、高純度のカーボンナノチューブから成る生成物を合成することができる。
【0039】
実施の形態2.
カーボンナノチューブ合成方法においては、アークが集中した中心部に高純度のカーボンナノチューブから成る生成物が得られるが、常に同一場所にて放電を行うと、徐々に単位時間当りのカーボンナノチューブの合成量が低下してくる。これは、合成されたカーボンナノチューブが長時間アークに曝されことから、カーボンナノチューブの合成過程と分解過程が同時に進行しているためであると考えられる。
そこで、本実施の形態においては両電極の相対位置を連続的に移動させ、アークの陰極点を陰極材料上で連続的に移動させるようにしたものである。以下、具体的に説明する。
【0040】
本実施の形態のカーボンナノチューブ製造装置は、実施の形態1と同様の材質からなる炭素陰極1、陽極3、アーク放電発生用直流電源5、陽極冷却手段7、陽極3を炭素陰極1に対して相対的に移動させる移動機構9から構成されている。
【0041】
移動機構9はレール11上を所定速度で走行できる台車13から構成され、台車13に陽極3が取り付けられている。
陽極冷却手段7は実施の形態1と同様のものであり、陽極3の放電発生部近傍に設置された水冷銅である。
【0042】
以上のように構成されたカーボンナノチューブ製造装置によってカーボンナノチューブを製造する方法について説明する。
基本的な装置の動作は実施の形態1と同様であり、陽極3の放電発生部近傍を冷却しながら、図示しない放電用ガス供給手段から放電発生空間に不活性ガスを噴射してアーク放電を行いつつ、台車13を所定の速度、例えば10cm/minで移動させる。
【0043】
このようにすることで、両電極の相対位置を連続的に移動させ、アークの陰極点を陰極材料上で連続的に移動させることができる。これにより、カーボンナノチューブの合成量に対する分解量の割合を減少でき、適正な移動速度においては常に単位時間当りのカーボンナノチューブの合成量を最大にすることができる。
【0044】
なお、上記の実施の形態2においては、炭素陰極1の例として、平板又は角柱状のものを想定し、陽極3が炭素陰極1の表面に沿う方向に移動する例を示した。
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば図3の模式図に示すように、炭素陰極1として円柱状のものを用いて該炭素陰極1を回転させると共に、陽極3を円柱の軸線方向に移動させ、螺旋を描く形で陰極点を移動させるようにしてもよい。
【0045】
(実施例)
上記実施形態の装置を用いて、以下の条件で実際に放電を行った。
(1)陽極電極:外径6mmの円柱状炭素電極
(2)陰極電極:直径35mmの円柱状炭素電極
(3)陰極電極の回転速度:1.5回転/分
(4)陽極電極の移動速度:35mm/分
(5)雰囲気ガス:大気雰囲気中(圧力は大気圧)
(6)放電条件:電流100A、電圧20V(アーク長約1mm)
【0046】
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2mm〜3mm程度、厚さ100ミクロン程度の高純度カーボンナノチューブが合成された。なお、このカーボンナノチューブテープの幅および厚さは、電極の形状、サイズおよび合成条件により変化させることができる。
【0047】
上記の実施の形態においては、陽極として炭素電極を用いた例を挙げたが、この陽極電極は特に特性に制限はなく、黒鉛化された炭素材料を用いてもよい。
また、必ずしも炭素材料を用いる必要もなく、例えば水冷銅電極などの非消耗金属電極を用いてもよい。
【0048】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明においては、製造時の熱処理温度が1500℃以下である炭素材料を陰極として用いてアーク放電を行うようにしたので、簡単な装置でカーボンナノチューブの収量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態の構成の説明図である。
【図2】 本発明の他の実施の形態の構成の説明図である。
【図3】 本発明の他の実施の形態の他の態様の説明図である。
【図4】 放電部の温度状態を説明するための説明図である。
【符号の説明】
1 炭素陰極
3 陽極
5 アーク放電用電源
7 陽極冷却手段
9 移動機構[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon nanotube production method and apparatus for producing carbon nanotubes by an arc discharge method.
[0002]
[Prior art]
A carbon nanotube is a graphene sheet in which carbon atoms are regularly arranged in a hexagonal shape, which is rounded into a cylindrical shape, and has a special physical property, and thus attracts attention as a new material. Such a carbon nanotube may be formed in a deposit aggregated on the carbon electrode side on the cathode side and in a cage-like material scattered around the arc by performing an arc discharge between the two carbon materials. Are known. Various techniques for improving the yield of carbon nanotubes by the arc discharge method have been proposed.
[0003]
For example, when arc discharge is performed in a rare gas, carbon is evaporated and then condensed to form a carbon nanotube, the temperature range of the reaction chamber filled with the rare gas is set to 1000 ° C. to 4000 ° C., and arc discharge is performed. One that produces carbon nanotubes with a uniform distribution of length and diameter is known (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
Further, by covering both the carbon anode and the carbon cathode with a cylindrical carbon heater and performing arc discharge so that the heat radiation temperature of the carbon heater is 500 ° C. to 2000 ° C., Some have increased purity and yield (see, for example, Patent Document 2).
Furthermore, there is a technique in which homogeneous carbon nanotubes can be efficiently generated by heating the tip of an anode made of a carbon electrode and then performing arc discharge (see, for example, Patent Document 3).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-157016 [Patent Document 2]
JP 2000-203820 [Patent Document 3]
JP 2000-344505 A
[Problems to be solved by the invention]
When raising the temperature of the whole reaction chamber like patent document 1, there exists a problem that a manufacturing apparatus becomes complicated.
Further, when only both electrodes or the anode is heated, there is a problem that the synthesis ratio of the carbon nanotubes is low although the consumption amount of the anode electrode is large.
[0007]
The present invention has been made to solve such problems, and it is an object of the present invention to simplify the production apparatus and increase the synthesis ratio of the produced carbon nanotubes.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A method of producing a carbon nanotube according to the present invention is a method of synthesizing a carbon nanotube by performing a direct current arc discharge between a carbon material as a cathode and an anode electrode, wherein the carbon material is a heat treatment during production. The temperature is 1500 ° C. or lower .
[0009]
Also, a carbon nanotube production method for synthesizing carbon nanotubes by performing a direct current arc discharge between a carbon material as a cathode and an anode electrode,
The carbon material has an electrical resistance value of 4000 μΩ · cm or more and a thermal conductivity of 40 W / mK or less.
[0010]
In addition, a direct current arc discharge is performed while moving a relative position between the cathode and the anode.
[0011]
Further, the arc discharge is performed in an air atmosphere.
[0013]
In addition, the carbon nanotube manufacturing apparatus according to the present invention includes a cathode electrode made of a carbon material, an anode electrode disposed opposite to the cathode electrode at a predetermined interval, and connected to the anode electrode and the cathode electrode. An arc discharge power source for causing arc discharge between these electrodes, and the carbon material has an electric resistance value of 4000 μΩ · cm or more and a thermal conductivity of 40 W / mK or less. It is a feature.
[0014]
In addition, a moving means for moving the cathode electrode and the anode electrode relatively is provided.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Before describing specific embodiments, the background to the present invention will be described.
The general idea of carbon nanotube synthesis by arc discharge is that carbon vapor and carbon ions generated mainly from the anode carbon electrode diffuse to the cathode side and condense on the surface of the cathode electrode at a lower temperature than the anode. Multi-walled carbon nanotubes) are synthesized.
[0016]
For this reason, it is considered that the lower the temperature of the cathode, the faster the growth rate of carbon nanotubes, and the cathode material need not be a carbon material if it is a heat-resistant conductive material. On the premise of such an idea, increasing carbon vapor and carbon ions from the anode has been considered to greatly contribute to increasing the synthesis ratio of carbon nanotubes.
For this reason, as shown in the conventional example, the entire reaction system or the anode is heated in order to increase the yield of carbon nanotubes.
[0017]
However, according to the experiments of the present inventor, even if only carbon vapor and carbon ions from the anode are increased, a large amount of graphitic carbon powder or amorphous carbon powder adheres to the cathode surface, and the synthesis ratio of carbon nanotubes is low. Only things could be generated. Thus, as a result of repeating various experiments, the present inventor obtained knowledge that an important factor for increasing the synthesis ratio of carbon nanotubes is not on the anode side but on the cathode side.
[0018]
Therefore, the cathode carbon material used for the synthesis of carbon nanotubes by arc discharge was considered.
Cathode carbon materials used for the synthesis of carbon nanotubes by arc discharge are generally produced by the following process.
Petroleum or coal-based coke powder is used as a raw material carbonaceous powder, and various pitches such as coal tar pitch or 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.
[0019]
Thereafter, various pitches and the like are impregnated as necessary, and re-heat treatment is performed, and 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.
The produced carbon materials vary greatly in structure, structure, mechanical properties, physical properties, and the like depending on the raw materials, the production method, and the heat treatment temperature during production.
[0020]
Therefore, paying attention to the heat treatment temperature at the time of manufacture, arc discharge was performed using various carbon materials having different heat treatment temperatures as cathode materials, and the synthesis amounts of carbon nanotubes were compared.
As a result, it has been found that many carbon nanotubes can be synthesized by using a low-temperature treated carbon material having a heat treatment temperature of 1500 ° C. or lower during production.
A carbon material having a heat treatment temperature of 1500 ° C. or less during production is a so-called carbonaceous carbon material composed of carbon in which carbon has not been graphitized.
That is, the inventor has obtained the knowledge that the yield of carbon nanotubes can be increased by using carbonaceous as the carbon cathode material.
[0021]
Next, the reason why the yield of carbon nanotubes could be increased when using a carbonaceous material having a heat treatment temperature of 1500 ° C. or lower during production was considered.
In consideration of this, arc discharge was performed using a low heat treatment temperature during manufacture and a high heat treatment temperature, and each discharge portion was observed with a thermo viewer (see FIG. 4). In FIG. 4, the cathode material F is a low-temperature heat treatment, and the cathode material D is a high-temperature heat treatment. As can be seen from FIG. 4, it can be seen that the cathode material F having a low heat treatment temperature has a wide high temperature region in the discharge portion. From this, the inventor has found that the temperature of the discharge part of the carbon cathode is related as an important factor for the production of carbon nanotubes.
[0022]
Then, next, the relationship between the heat treatment temperature during the production of the cathode carbon material and the temperature of the discharge part was considered.
With respect to the carbon cathode material, electrical resistance (specific resistance) and thermal conductivity are considered as factors that have an important influence on the temperature of the discharge part.
Incidentally, a carbon material having a relatively low heat treatment temperature has a low degree of graphitization (crystallization), and therefore has a high electric resistance value (specific resistance) and a low thermal conductivity. In other words, when such a material is used as the cathode material, the cathode electrode of the arc generating portion has a high current density during arc discharge, so that the temperature near the cathode spot is high due to electric resistance heat generation, and the thermal conductivity is low. Therefore, heat is difficult to escape, and a narrow range near the cathode spot is heated to a higher temperature. Therefore, it is considered that the temperature of the cathode is in a temperature range in which carbon nanotubes are easily generated, and carbon nanotubes with high yield and purity are generated.
[0023]
In other words, the inventor obtained knowledge that high electrical resistance (specific resistance) and low thermal conductivity are useful properties as the properties of carbon nanotube production and cathode carbon material. .
[0024]
Next, the inventor performs arc discharge using various carbon materials for the cathode in order to specifically specify the heat treatment temperature, electrical resistance value (specific resistance), and thermal conductivity during the production of the cathode carbon material. In this case, the presence or absence of carbon nanotube generation and the purity of the synthesized carbon nanotube were investigated.
The results are shown in Table 1.
[Table 1]
Figure 0003885710
In Table 1, the purity and yield of carbon nanotubes (denoted as CNT in the table) were determined by examining the product attached to the cathode after the end of arc discharge.
[0025]
The discharge conditions are as follows.
(1) Carbon cathode: A rod-shaped carbon material having a diameter of 36 mm and various materials (A to G)
(2) Anode: Rod-shaped carbon anode with a diameter of 10 mm (3) Discharge gas: Ar gas (supplied to the anode discharge generation part)
(4) Atmospheric gas: Atmospheric atmosphere
As shown in Table 1, the cathode carbon materials in which many carbon nanotubes were produced with high purity were A, F, and G in Table 1. All of these materials were carbonaceous, and the heat treatment temperature during production was 1000 ° C. to 1500 ° C.
On the other hand, in Table 1, materials other than A, F and G were made of graphite or a mixture of graphite and carbon.
From this, it has been confirmed that the material of the cathode carbon material for producing a large amount of carbon nanotubes with high purity is required to be carbonaceous, and the heat treatment temperature during production thereof is 1000 It was found that it was necessary to be in the range of from ℃ to 1500 ℃.
[0027]
The specific resistance values of the cathode carbon materials A, F, and G were 5900 μΩ · cm, 4600 μΩ · cm, and 11000 μΩ · cm, respectively. On the other hand, the specific resistance value of the cathode carbon material E in which the yield and purity of the carbon nanotubes were normal was 3500 μΩ · cm.
From this, it is understood that the specific resistance value of the cathode carbon material may be larger than 3500 μΩ · cm, preferably 4000 μΩ · cm or more.
[0028]
Moreover, the thermal conductivity of the cathode carbon materials A, F, and G was 23 W / mK, 31 W / mK, and 20 W / mK, respectively. On the other hand, the thermal conductivity of the cathode carbon material E in which the yield and purity of the carbon nanotubes were normal was 52 W / mK.
From this, it can be seen that the thermal conductivity of the cathode carbon material is smaller than 52 W / mK, and preferably 40 W / mK or less.
[0029]
In the above experiment, the material of the anode carbon material was changed, but the yield and purity of the carbon nanotubes were hardly affected. This also confirmed that the material of the cathode carbon material greatly affects the yield and purity of the carbon nanotubes.
[0030]
As explained in detail above, the present invention was born from a change in the idea of overcoming the existing concept that the anode, in particular the anode temperature, is an important factor in the production of carbon nanotubes and focusing on the cathode material. It is.
And the knowledge that the inventor specifically obtained is that a carbon material having a carbonaceous material made of carbonaceous material having a heat treatment temperature of 1000 ° C. to 1500 ° C. can be produced as a cathode, In addition, high-purity carbon nanotubes can be generated by using a carbon material having an electric resistance value of 4000 μΩ · cm or more and a thermal conductivity of 40 W / mK or less as a cathode.
However, even if the heat treatment temperature at the time of manufacture is not within the range of 1000 ° C. to 1500 ° C., the electric resistance value is 4000 μΩ · cm or more and the thermal conductivity is 40 W / Any carbon material may be used as long as it is mK or less.
[0031]
In addition, the electrical resistance value of the carbon electrode normally used for the electrode is in the range of about 500 to 2000 μΩ · cm, and the thermal conductivity is in the range of 50 to 200 W / mK. The carbon material used in the present invention Is very different from these.
[0032]
Hereinafter, a carbon nanotube manufacturing apparatus using a cathode carbon electrode made of the above-described material will be described.
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of an embodiment of the present invention, and shows the basic configuration of a carbon nanotube production apparatus.
The carbon nanotube manufacturing apparatus according to the present embodiment includes a carbon cathode 1 made of a carbon material, an anode 3 made of a carbon material, a DC power source 5 for generating arc discharge, and an anode cooling means 7.
[0033]
The carbon cathode 1 and the anode 3 are arranged with an appropriate gap, and each is connected to a DC power source 5 for generating arc discharge. The material of the carbon cathode 1 is a material having a heat treatment temperature in the range of 1000 ° C. to 1500 ° C. and made of carbonaceous material, or an electric resistance value of 4000 μΩ · cm or more and the thermal conductivity is 40 W / mK or less.
The carbon cathode 1 and the anode 3 may be placed in a reaction chamber or in an atmospheric atmosphere outside the container.
The anode cooling means 7 is, for example, water-cooled copper attached in the vicinity of the discharge generation part of the anode 3 and cools the outer periphery of the anode in the vicinity of the discharge generation part.
[0034]
Discharge gas supply means (not shown) is provided on the anode side. For example, an inert gas, preferably Ar gas, and a mixed gas containing these gases are discharged from the anode 3 to the carbon cathode 1. The space can be continuously supplied from the anode side to the cathode side. The discharge generation space here refers to an arc generation space from the anode side to the cathode side. In this way, by continuously supplying the inert gas to the discharge generation space, the ionization degree of the gas is increased, an arc is generated along the gas flow path, and the movement of the cathode spot is suppressed. As a result, high-purity carbon nanotubes are synthesized at the fixed cathode spot.
[0035]
In order to manufacture carbon nanotubes with the carbon nanotube manufacturing apparatus configured as described above, an inert gas is supplied from the discharge gas supply means to the discharge generation space in a state where the vicinity of the discharge generation portion of the anode is cooled by the anode cooling means 7. Supply arc discharge.
[0036]
At this time, since the carbon cathode 1 is made of the above-mentioned material and the carbon cathode has a high current density during arc discharge, the arc generating portion has a high temperature in the vicinity of the cathode spot due to electric resistance heat generation. Moreover, since the carbon cathode 1 has low thermal conductivity, a narrow range near the cathode spot is heated to a higher temperature. Therefore, the temperature of the cathode is in a temperature range in which carbon nanotubes are easily generated, and carbon nanotubes with high yield and purity are generated.
[0037]
Moreover, the anode 3 can be prevented from being overheated by the cooling by the anode cooling means 7, and excessive evaporation of the anode 3 can be suppressed. Thereby, it can suppress that the evaporated anode material adheres as an impurity to the carbon nanotube surface in which the anode material was generated, and lowers the purity. Furthermore, consumption of the anode 3 can be suppressed, and the life of the anode can be extended.
[0038]
In the above embodiment, the carbon cathode 1 and the anode 3 may be placed in the reaction chamber or in an atmospheric atmosphere outside the container.
However, if the discharge is performed in an air atmosphere, the apparatus can be simplified and the operability is improved as compared with the synthesis method in a sealed chamber. In addition, since the cathode product immediately after synthesis comes into contact with the atmosphere at high temperature, polycrystalline graphite and amorphous carbon, which are impurities with many crystal structure defects, are preferentially oxidized and burned to form high-purity carbon nanotubes. Products can be synthesized.
[0039]
Embodiment 2. FIG.
In the carbon nanotube synthesis method, a product composed of high-purity carbon nanotubes is obtained in the center where the arc is concentrated. However, if discharge is always performed at the same location, the amount of carbon nanotube synthesis per unit time gradually increases. It will decline. This is thought to be because the synthesis process and the decomposition process of the carbon nanotube proceed simultaneously because the synthesized carbon nanotube is exposed to the arc for a long time.
Therefore, in this embodiment, the relative positions of both electrodes are continuously moved so that the cathode spot of the arc is continuously moved on the cathode material. This will be specifically described below.
[0040]
The carbon nanotube manufacturing apparatus according to the present embodiment includes a carbon cathode 1, an anode 3, an arc discharge generating DC power source 5, an anode cooling means 7, and an anode 3 that are made of the same material as in the first embodiment. The moving mechanism 9 is relatively moved.
[0041]
The moving mechanism 9 is composed of a carriage 13 that can run on the rail 11 at a predetermined speed, and the anode 3 is attached to the carriage 13.
The anode cooling means 7 is the same as that of the first embodiment, and is water-cooled copper installed in the vicinity of the discharge generating portion of the anode 3.
[0042]
A method for producing carbon nanotubes using the carbon nanotube production apparatus configured as described above will be described.
The basic operation of the apparatus is the same as that of the first embodiment. While the vicinity of the discharge generating portion of the anode 3 is cooled, an inert gas is injected into the discharge generating space from a discharge gas supply means (not shown) to cause arc discharge. While performing, the carriage 13 is moved at a predetermined speed, for example, 10 cm / min.
[0043]
By doing in this way, the relative position of both electrodes can be moved continuously, and the cathode spot of the arc can be moved continuously on the cathode material. Thereby, the ratio of the decomposition amount with respect to the synthesis amount of the carbon nanotube can be reduced, and the synthesis amount of the carbon nanotube per unit time can always be maximized at an appropriate moving speed.
[0044]
In the second embodiment, the example of the carbon cathode 1 is assumed to be a flat plate or a prism, and the anode 3 moves in the direction along the surface of the carbon cathode 1.
However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in the schematic diagram of FIG. 3, the carbon cathode 1 is rotated using a columnar carbon cathode 1 and the anode 3 is moved along the axis of the cylinder. You may make it move to a direction and to move a cathode spot in the shape of drawing a spiral.
[0045]
(Example)
Using the apparatus of the above embodiment, discharge was actually performed under the following conditions.
(1) Anode electrode: cylindrical carbon electrode with an outer diameter of 6 mm (2) Cathode electrode: cylindrical carbon electrode with a diameter of 35 mm (3) Rotational speed of the cathode electrode: 1.5 rev / min (4) Moving speed of the anode electrode : 35 mm / min (5) Atmospheric gas: In air atmosphere (pressure is atmospheric pressure)
(6) Discharge conditions: current 100A, voltage 20V (arc length of about 1 mm)
[0046]
After the arc discharge, high-purity carbon nanotubes having a width of about 2 mm to 3 mm and a thickness of about 100 microns were synthesized at a spiral position where the cathode spot moved on the cathode electrode. The width and thickness of the carbon nanotube tape can be changed depending on the shape, size and synthesis conditions of the electrode.
[0047]
In the above embodiment, the carbon electrode is used as the anode. However, the anode electrode is not particularly limited in characteristics, and a graphitized carbon material may be used.
Further, it is not always necessary to use a carbon material, and a non-consumable metal electrode such as a water-cooled copper electrode may be used.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, arc discharge is performed by using a carbon material having a heat treatment temperature of 1500 ° C. or less as a cathode as a cathode, so that the yield of carbon nanotubes can be increased with a simple apparatus. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a configuration of another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of another aspect of another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a temperature state of a discharge unit.
[Explanation of symbols]
1 Carbon cathode 3 Anode 5 Power source for arc discharge 7 Anode cooling means 9 Moving mechanism

Claims (6)

炭素材料を陰極として陽極電極との間にて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合成するカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記炭素材料は、製造時の熱処理温度が1500℃以下であることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
A carbon nanotube production method for synthesizing carbon nanotubes by performing a direct current arc discharge between a carbon material as a cathode and an anode electrode,
The method for producing a carbon nanotube, wherein the carbon material has a heat treatment temperature of 1500 ° C. or less during production.
炭素材料を陰極として陽極電極との間にて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合成するカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記炭素材料は、その電気抵抗値が4000μΩ・cm以上で、かつ、熱伝導率が40W/mK以下であることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
A carbon nanotube production method for synthesizing carbon nanotubes by performing a direct current arc discharge between a carbon material as a cathode and an anode electrode,
The carbon material has an electrical resistance value of 4000 μΩ · cm or more and a thermal conductivity of 40 W / mK or less.
陰極と陽極の相対位置を移動させながら直流アーク放電を行うことを特徴とする請求項1又は2記載のカーボンナノチューブの製造方法。  3. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein direct current arc discharge is performed while moving the relative position of the cathode and the anode. 大気雰囲気中にてアーク放電を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。  The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein arc discharge is performed in an air atmosphere. 炭素材料からなる陰極電極と、該陰極電極と所定の間隔を離して対向配置された陽極電極と、該陽極電極及び前記陰極電極に接続されてこれらの電極間にアーク放電を起こさせるアーク放電用電源とを備えてなり、
前記炭素材料は、その電気抵抗値が4000μΩ・cm以上で、かつ、熱伝導率が40W/mK以下であることを特徴とするカーボンナノチューブ製造装置。
A cathode electrode made of a carbon material, an anode electrode arranged opposite to the cathode electrode at a predetermined interval, and an arc discharge connected to the anode electrode and the cathode electrode to cause an arc discharge between these electrodes With a power supply,
The carbon nanotube manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the carbon material has an electric resistance value of 4000 μΩ · cm or more and a thermal conductivity of 40 W / mK or less.
陰極電極と陽極電極を相対的に移動させる移動手段を備えたことを特徴とする請求項5記載のカーボンナノチューブ製造装置。6. The carbon nanotube production apparatus according to claim 5, further comprising moving means for relatively moving the cathode electrode and the anode electrode.
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