JP4425083B2 - Polymer-modified nanoscale carbon tube and method for producing the same - Google Patents

Polymer-modified nanoscale carbon tube and method for producing the same Download PDF

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JP4425083B2 JP2004212095A JP2004212095A JP4425083B2 JP 4425083 B2 JP4425083 B2 JP 4425083B2 JP 2004212095 A JP2004212095 A JP 2004212095A JP 2004212095 A JP2004212095 A JP 2004212095A JP 4425083 B2 JP4425083 B2 JP 4425083B2
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本発明は、ポリマーで表面修飾されたナノスケールカーボンチューブ、ポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料及びその製造方法に関する。更に、本発明は、該複合材料の製造法で使用する化合物にも関する。   The present invention relates to a nanoscale carbon tube surface-modified with a polymer, a polymer-nanoscale carbon tube composite material, and a method for producing the same. Furthermore, the present invention also relates to a compound used in the method for producing the composite material.

従来から、帯電防止膜形成などの目的のために、導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを用いることが報告されている(例えば、特許文献1を参照)。しかし、黒鉛質構造を持ったカーボンナノチューブは、溶媒や樹脂との親和性に劣ること、黒鉛質構造の欠陥が存在すると形状に曲がりが生じ、曲がりくねった複数のCNTが絡み合った繭状の凝集体となっている。このため、カーボンナノチューブを溶媒中あるいは樹脂中に解きほぐして分散させることが困難なものとなっている。   Conventionally, it has been reported that a carbon nanotube is used as a conductive filler for the purpose of forming an antistatic film (see, for example, Patent Document 1). However, carbon nanotubes with a graphite structure are inferior in affinity with solvents and resins, and when there are defects in the graphite structure, the shape is bent, and a cocoon-like aggregate in which a plurality of twisted CNTs are intertwined It has become. For this reason, it is difficult to unravel and disperse carbon nanotubes in a solvent or resin.

樹脂成形体に帯電防止性を付与するためにカーボンナノチューブを導電性フィラーとして用いて樹脂中で導電ネットワークを形成する際に、カーボンナノチューブが凝集体となっている場合は、本来必要な導電性フィラー量よりも多くの量で使用することが必要となる。また、たとえ該カーボンナノチューブの凝集体を解きほぐして分散させた場合でも、個々のカーボンナノチューブは、曲がった形状なので導電ネットワークを形成するには、直線状の形状に比べて多くの量で使用する必要がある。   When carbon nanotubes are aggregated when forming a conductive network in a resin using carbon nanotubes as a conductive filler in order to impart antistatic properties to the resin molded body, the conductive fillers that are originally required It is necessary to use a larger amount than the amount. Even if the aggregates of carbon nanotubes are unwound and dispersed, the individual carbon nanotubes are bent so that a large amount of carbon nanotubes must be used to form a conductive network compared to a linear shape. There is.

このため、カーボンナノチューブの溶媒、樹脂等の媒体との相溶性を向上させるべく、カーボンナノチューブの表面を有機物で修飾することが行われている。例えば、有機化合物をカーボンナノチューブ表面に共有結合させることが提案されており、そのような有機化合物として、カルベン類(非特許文献1)、アジド(またはナイトレン)類(非特許文献2)、アゾメチンイリド類(非特許文献3)、ジアゾニウム類(非特許文献4)又はフッ素化合物(非特許文献5)が報告されている。しかしながら、これらの技術は、低分子量の化合物又はオリゴマー領域の化合物で修飾しているだけであるので、樹脂等の媒体との相溶性を向上させる効果が必ずしも満足し得るものではない。   For this reason, in order to improve the compatibility of the carbon nanotube with a medium such as a solvent or a resin, the surface of the carbon nanotube is modified with an organic substance. For example, it has been proposed to covalently bond an organic compound to the surface of a carbon nanotube. Examples of such an organic compound include carbenes (Non-Patent Document 1), azides (or nitrenes) (Non-Patent Document 2), azomethine ylides. (Non-Patent Document 3), diazoniums (Non-Patent Document 4) or fluorine compounds (Non-Patent Document 5) have been reported. However, since these techniques are only modified with a low molecular weight compound or a compound in the oligomer region, the effect of improving the compatibility with a medium such as a resin is not always satisfactory.

また、単層カーボンナノチューブの存在下でスチレンのリビングアニオン重合を行うことにより、ポリスチレンをカーボンナノチューブ側面に直接結合させる手法が報告されている(非特許文献6)。しかし、リビングアニオン重合は操作が煩雑で工業化が困難である。   In addition, a technique has been reported in which polystyrene is directly bonded to the side surface of carbon nanotubes by conducting living anionic polymerization of styrene in the presence of single-walled carbon nanotubes (Non-Patent Document 6). However, living anionic polymerization is complicated to operate and difficult to industrialize.

一方、リビングアニオン重合に比較してより簡便に反応を管理できるラジカル型のリビング重合法であるATRP(Atom Transfer Radical Polymerization)法を用いて、カーボンナノチューブを重合体で修飾する手法が知られている(非特許文献7)。しかしながら、この方法では、単層カーボンナノチューブ表面に開始剤を導入する工程が極めて煩雑である。より詳しくは、この非特許文献7においては、カーボンナノチューブ表面の損傷が懸念される強酸(60%硝酸)でカーボンナノチューブ表面を処理してカルボキシル基を設け、これを更にチオニルクロライドと反応させて酸クロライドを得た後、開始剤を導入するためのブリッジとなるジオール化合物(エチレングリコール)をカーボンナノチューブ同士の架橋が起こらない条件で結合し、更に、開始剤となる2−ブロモー2−メチルプロピオニルブロマイドを反応させて開始点を形成する。この開始点を介してメチルメタクリレート等をリビングラジカル重合する。その結果、カーボンナノチューブ表面とポリマー鎖とは、-COO-CH2CH2-O-CO-C(CH3)2-なる構造の連結基を介して結合している。このように非特許文献7に記載の方法に従って、ラジカル型リビング重合法であるATRP法を用いる場合、開始剤(開始点)の導入法が煩雑であり、工業的生産面及びコスト面で大きな障害になると考えられる。 On the other hand, a method of modifying carbon nanotubes with a polymer using the ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization) method, which is a radical type living polymerization method that can manage the reaction more easily than living anionic polymerization, is known. (Non-patent document 7). However, in this method, the process of introducing the initiator to the surface of the single-walled carbon nanotube is extremely complicated. More specifically, in this Non-Patent Document 7, the surface of the carbon nanotube is treated with a strong acid (60% nitric acid) that may cause damage to the surface of the carbon nanotube to form a carboxyl group, which is further reacted with thionyl chloride to react with the acid. After the chloride is obtained, a diol compound (ethylene glycol) that serves as a bridge for introducing the initiator is bonded under conditions that do not cause cross-linking of the carbon nanotubes, and 2-bromo-2-methylpropionyl bromide that serves as the initiator. To form a starting point. Living radical polymerization of methyl methacrylate and the like is performed through this starting point. As a result, the surface of the carbon nanotube and the polymer chain are bonded through a linking group having a structure of —COO—CH 2 CH 2 —O—CO—C (CH 3 ) 2 —. As described above, when the ATRP method, which is a radical type living polymerization method, is used in accordance with the method described in Non-Patent Document 7, the introduction method of the initiator (starting point) is complicated, which is a major obstacle in terms of industrial production and costs. It is thought that it becomes.

更に、カーボンナノチューブを強酸で処理することによりカーボンナノチューブの両端部にカルボキシル基等の官能基を形成させ、このカルボキシル基と、アミノ基を有する化合物とを反応させることにより、アミド結合を介してカーボンナノチューブの両端部を修飾する手法も報告されている(非特許文献8)。しかし、この手法では、カーボンナノチューブを強酸で処理することが必須であるため、強酸によりカーボンナノチューブ自体の構造が損傷されるおそれが高いという問題点がある。   Further, by treating the carbon nanotube with a strong acid, a functional group such as a carboxyl group is formed at both ends of the carbon nanotube, and by reacting this carboxyl group with a compound having an amino group, carbon is bonded via an amide bond. A technique for modifying both ends of a nanotube has also been reported (Non-patent Document 8). However, in this method, since it is essential to treat the carbon nanotube with a strong acid, there is a problem that the structure of the carbon nanotube itself is likely to be damaged by the strong acid.

また、リビングラジカル重合法であるATRP法にてあらかじめポリ(t−ブチルアクリレート)を製造し、その成長末端をアジド化し、これをフラーレン(C60)に付加させることにより得られた化合物(PtBA−C60)および該化合物のポリ(t−ブチルアクリレート)部分を加水分解してポリアクリル酸に変換して得られた化合物(PAA−C60)が知られている(非特許文献9)。しかし、フラーレンに比較して、サイズが長大であり、また、その側面の反応性が低いカーボンナノチューブに、同様の方法が適用できるかどうかについては記載されていない。 In addition, a compound (PtBA-) obtained by preparing poly (t-butyl acrylate) in advance by the ATRP method, which is a living radical polymerization method, azide the growth terminal, and adding this to fullerene (C 60 ). C 60 ) and a compound (PAA-C 60 ) obtained by hydrolyzing the poly (t-butyl acrylate) moiety of the compound and converting it to polyacrylic acid are known (Non-patent Document 9). However, there is no description as to whether the same method can be applied to carbon nanotubes that are longer in size than fullerenes and have low reactivity on the side surfaces.

上記のようにカーボンナノチューブの分散性向上に関して多くの報告が見られるが、工業的な観点から興味が持たれる、媒体(有機溶媒、樹脂など)への高濃度分散が可能なカーボンナノチューブ類及びその工業的に有利な製造法は未だ開発されていないのが現状である。
特開2002−67209号公報(請求項1) C. Haddon, et al., Science 28295(1998) A. Hirsch, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 40(2), 4002(2001) M., Prato, et al., JACS 124, 760(2002) J.M. Tour, et al., Mancomolecules 35, 8825(2002) R.E. Smally, et al., J. Phys. Chem. B, 1052525(2001) P.M., Ajaya, et al., JACS. 125, 9258(2003) Deyue Yan, et al., J. Am. Chem. Soc., 126, 412 (2004) M.A. Hamon, et al., Adv. Mater. 11, 834(1999) C. Wang, et al., Macromolecules 36, 6060(2003)
As described above, there are many reports on improving the dispersibility of carbon nanotubes, but carbon nanotubes capable of high concentration dispersion in a medium (organic solvent, resin, etc.), which are of interest from an industrial viewpoint, and their At present, an industrially advantageous production method has not yet been developed.
JP 2002-67209 A (Claim 1) C. Haddon, et al., Science 28295 (1998) A. Hirsch, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 40 (2), 4002 (2001) M., Prato, et al., JACS 124, 760 (2002) JM Tour, et al., Mancomolecules 35, 8825 (2002) RE Smally, et al., J. Phys. Chem. B, 1052525 (2001) PM, Ajaya, et al., JACS. 125, 9258 (2003) Deyue Yan, et al., J. Am. Chem. Soc., 126, 412 (2004) MA Hamon, et al., Adv. Mater. 11, 834 (1999) C. Wang, et al., Macromolecules 36, 6060 (2003)

本発明は、有機溶媒、樹脂などの有機媒体中に高濃度に分散可能なカーボンナノチューブ類、並びに、かかる有機媒体に高濃度に分散可能なカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブ類の構造に損傷を与えることなく、且つ、工業的に有利に製造する方法を提供することを主たる目的とする。   The present invention is capable of damaging the structure of carbon nanotubes, such as carbon nanotubes that can be dispersed at high concentration in organic media such as organic solvents and resins, and carbon nanotubes that can be dispersed at high concentration in such organic media. The main object is to provide a method which is advantageous and industrially advantageous.

本発明者らは、従来技術の問題点に鑑みて、上記目的を達成すべく鋭意研究を進めたところ、次の知見を得た。   In light of the problems of the prior art, the present inventors have conducted extensive research to achieve the above object, and have obtained the following knowledge.

(1)特定構造のアジド化合物が、カーボンナノチューブ類と反応してその表面(側面及び両端)に共有結合する。   (1) An azide compound having a specific structure reacts with carbon nanotubes and is covalently bonded to the surface (side surface and both ends).

(2)こうしてカーボンナノチューブ類の表面に共有結合した特定構造のアジド化合物は、リビングラジカル重合のための開始点(開始剤)として機能する。   (2) Thus, the azide compound having a specific structure covalently bonded to the surface of the carbon nanotubes functions as an initiation point (initiator) for living radical polymerization.

(3)そのため、該開始点に、(メタ)アクリレート類及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーをリビングラジカル重合法でグラフト重合させることにより、該モノマーを含むポリマーまたはコポリマーでカーボンナノチューブ類の表面(側面及び両端)を修飾できる。   (3) Therefore, at the starting point, at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes is graft-polymerized by a living radical polymerization method, whereby a polymer or copolymer containing the monomer is carbonized. The surface (side and both ends) of the nanotubes can be modified.

(4)カーボンナノチューブ類と上記アジド化合物との反応、該反応の生成物に対するリビングラジカル重合法によるグラフト重合反応は、カーボンナノチューブ類の構造を実質上損傷させることがない。   (4) The reaction of the carbon nanotubes with the azide compound and the graft polymerization reaction by the living radical polymerization method on the product of the reaction do not substantially damage the structure of the carbon nanotubes.

(5)リビングラジカル重合法は、リビングアニオン重合に比し、工業的応用に適しているため、工業的な実施の面でも有利である。   (5) The living radical polymerization method is more suitable for industrial applications than the living anion polymerization, and is advantageous in terms of industrial implementation.

本発明は、上記知見に基づき、更に検討を重ねて完成されたものであって、次のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ、ポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料及びその製造法を提供するものである。また、本発明は、該製造法で使用するアジド化合物を提供するものでもある。   The present invention has been completed based on the above findings, and has been completed. The present invention provides the following polymer-modified nanoscale carbon tube, polymer-nanoscale carbon tube composite material, and production method thereof. The present invention also provides an azide compound used in the production method.

項1 下記一般式(1a)   Item 1 The following general formula (1a)

Figure 0004425083
[式中、
R1は、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を示し、
R2は、式(p)
Figure 0004425083
[Where:
R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,
R 2 is the formula (p)

Figure 0004425083
で表される基を示すか、又は、一般式(q)
Figure 0004425083
Or a group represented by the general formula (q)

Figure 0004425083
(式中、mは0又は1〜4の整数を示す。)で表される基を示し、
R3は、(メタ)アクリレート及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーの重合体を示す。]
で表される少なくとも1種の修飾基が、ナノスケールカーボンチューブの表面(側面及び両端)に結合していることを特徴とするポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ。
Figure 0004425083
(Wherein m represents an integer of 0 or 1 to 4),
R 3 represents a polymer of at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes. ]
A polymer-modified nanoscale carbon tube, wherein at least one modification group represented by the formula (1) is bonded to the surface (side surface and both ends) of the nanoscale carbon tube.

項2 R2が、式(p)で表される基である項1に記載のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ。 Item 2 The polymer-modified nanoscale carbon tube according to Item 1, wherein R 2 is a group represented by the formula (p).

項3 ナノスケールカーボンチューブが、
(i) 単層カーボンナノチューブ、
(ii) アモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(iii) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ、又は
(iv)上記(iii)のカーボンチューブと炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体
である項1に記載のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブである項1に記載のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ。
Item 3 Nanoscale carbon tube
(i) single-walled carbon nanotubes,
(ii) amorphous nanoscale carbon tube,
(iii) a carbon tube selected from the group consisting of nano flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, or
(iv) An iron-carbon composite comprising the carbon tube of the above (iii) and iron carbide or iron, in which 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube is filled with iron carbide or iron. Item 2. The polymer-modified nanoscale carbon tube according to Item 1, which is a polymer-modified nanoscale carbon tube according to Item 1.

項4 (a)ナノスケールカーボンチューブの表面(側面及び両端)に、(b)下記一般式(1b)   Item 4 (a) On the surface (side surface and both ends) of the nanoscale carbon tube, (b) the following general formula (1b)

Figure 0004425083
[式中、
R1は、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を示し、
R2は、式(p)
Figure 0004425083
[Where:
R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,
R 2 is the formula (p)

Figure 0004425083
で表される基を示すか、又は、一般式(q)
Figure 0004425083
Or a group represented by the general formula (q)

Figure 0004425083
(式中、mは0又は1〜4の整数を示す。)で表される基を示す。]
で表される少なくとも1種の連結基がその窒素原子で結合しており、上記一般式(1b)で表される連結基の基R1、基R2及びメチル基が結合している炭素原子に、(メタ)アクリレート類及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーがリビングラジカル重合法によりグラフト重合されていることを特徴とするポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料。(即ち、前記一般式(1a)で表される少なくとも1種の修飾基が、ナノスケールカーボンチューブの表面(側面及び両端)に結合していることを特徴とするポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ複合材料)。
Figure 0004425083
(Wherein m represents an integer of 0 or 1 to 4). ]
A carbon atom to which at least one linking group represented by general formula (1b) is bonded by the nitrogen atom, and the linking group R 1 , R 2 and methyl group of the general formula (1b) are bonded to each other. A polymer-nanoscale carbon tube composite material, wherein at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes is graft-polymerized by a living radical polymerization method. (In other words, at least one modifying group represented by the general formula (1a) is bonded to the surface (side surface and both ends) of the nanoscale carbon tube, a polymer-modified nanoscale carbon tube composite material ).

項5 R2が、式(p)で表される基である項4に記載のポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料。 Item 5 The polymer-nanoscale carbon tube composite material according to Item 4, wherein R 2 is a group represented by the formula (p).

項6 ナノスケールカーボンチューブが、
(i) 単層カーボンナノチューブ、
(ii) アモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(iii) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ、又は
(iv)上記(iii)のカーボンチューブと炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体
である項4に記載のポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料。
Item 6 Nanoscale carbon tube
(i) single-walled carbon nanotubes,
(ii) amorphous nanoscale carbon tube,
(iii) a carbon tube selected from the group consisting of nano flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, or
(iv) An iron-carbon composite comprising the carbon tube of the above (iii) and iron carbide or iron, in which 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube is filled with iron carbide or iron. Item 5. The polymer-nanoscale carbon tube composite material according to Item 4.

項7 ナノスケールカーボンチューブと、一般式(1)   Item 7 Nanoscale carbon tube and general formula (1)

Figure 0004425083
[式中、
Xは、ハロゲン原子を示し、
R1は、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を示し、
R2は、式(p)
Figure 0004425083
[Where:
X represents a halogen atom,
R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,
R 2 is the formula (p)

Figure 0004425083
で表される基を示すか、又は、一般式(q)
Figure 0004425083
Or a group represented by the general formula (q)

Figure 0004425083
(式中、mは0又は1〜4の整数を示す。)で表される基を示す。]
で表されるアジド化合物の少なくとも1種とを反応させ、得られた反応生成物に、(メタ)アクリレート及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーをリビングラジカル重合法でグラフト重合させることを特徴とするポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料の製造方法。
Figure 0004425083
(Wherein m represents an integer of 0 or 1 to 4). ]
And at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes is graft-polymerized by a living radical polymerization method to the obtained reaction product. A method for producing a polymer-nanoscale carbon tube composite material.

項8 R2が、式(p)で表される基である項7に記載の製造方法。 Item 8 The method according to Item 7, wherein R 2 is a group represented by the formula (p).

項9 ナノスケールカーボンチューブが、
(i) 単層カーボンナノチューブ、
(ii) アモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(iii) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ、又は
(iv)上記(iii)のカーボンチューブと炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体
である項7に記載の製造方法。
Item 9 Nanoscale carbon tube
(i) single-walled carbon nanotubes,
(ii) amorphous nanoscale carbon tube,
(iii) a carbon tube selected from the group consisting of nano flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, or
(iv) An iron-carbon composite comprising the carbon tube of the above (iii) and iron carbide or iron, in which 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube is filled with iron carbide or iron. Item 8. The manufacturing method according to Item 7.

項10 リビングラジカル重合法が、ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization)法である項7に記載の製造方法。   Item 10 The production method according to Item 7, wherein the living radical polymerization method is an ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization) method.

項11 リビングラジカル重合を、塩化第一銅(CuCl)及び臭化第一銅(CuBr)から選択される触媒及び2,2'−ビピリジル、4,4'−ジ−tert−ブチル−2,2'−ビピリジル、4,4'−ジヘプチル−2,2'−ビピリジル、4,4'−ジ(1−ブチル−ペンチル)−2,2'−ビピリジル、4,4'−ジトリデシル−2,2'−ビピリジル、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン及び下記式(3)   Item 11 Living radical polymerization is carried out using a catalyst selected from cuprous chloride (CuCl) and cuprous bromide (CuBr) and 2,2′-bipyridyl, 4,4′-di-tert-butyl-2,2 '-Bipyridyl, 4,4'-diheptyl-2,2'-bipyridyl, 4,4'-di (1-butyl-pentyl) -2,2'-bipyridyl, 4,4'-ditridecyl-2,2' -Bipyridyl, 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine and the following formula (3)

Figure 0004425083
で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の配位子の存在下で、又は、NiBr2(P(n-C4H9)3)2の存在下で行う項7〜10のいずれかに記載の製造方法。
Figure 0004425083
Any one of Items 7 to 10 performed in the presence of at least one ligand selected from the group consisting of compounds represented by: or in the presence of NiBr 2 (P (nC 4 H 9 ) 3 ) 2 . The manufacturing method as described in.

項12 項7〜11のいずれかに記載の製造方法により得られるポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料。   Item 12 A polymer-nanoscale carbon tube composite material obtained by the production method according to any one of Items 7 to 11.

項13 一般式(1)   Item 13 General formula (1)

Figure 0004425083
[式中、
Xは、ハロゲン原子を示し、
R1は、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を示し、
R2は、式(p)
Figure 0004425083
[Where:
X represents a halogen atom,
R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,
R 2 is the formula (p)

Figure 0004425083
で表される基を示すか、又は、一般式(q)
Figure 0004425083
Or a group represented by the general formula (q)

Figure 0004425083
(式中、mは0又は1〜4の整数を示す。)で表される基を示す。]
で表されるアジド化合物。
Figure 0004425083
(Wherein m represents an integer of 0 or 1 to 4). ]
The azide compound represented by these.

本発明によれば、下記のような顕著な効果が達成される。   According to the present invention, the following remarkable effects are achieved.

本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ、ポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料は、ナノスケールカーボンチューブの表面(側面及び両端)がポリマーで修飾されているので、溶媒、樹脂等の媒体に対する親和性が劇的に向上しており、これら媒体への均一分散が極めて容易であり、また、ナノスケールカーボンチューブが該媒体中で沈殿したり、相分離したりすることが実質上ないという利点を有する。   The polymer-modified nanoscale carbon tube and polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention has an affinity for a medium such as a solvent or a resin because the surface (side surface and both ends) of the nanoscale carbon tube is modified with a polymer. It has improved dramatically, has the advantage that uniform dispersion in these media is very easy and that the nanoscale carbon tubes are substantially free of precipitation and phase separation in the media.

このことは、後述の実施例で得られたポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ分散液の遠心分離実験からも確認できる。   This can also be confirmed from a centrifugation experiment of the polymer-modified nanoscale carbon tube dispersion obtained in the examples described later.

従って、本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブは、樹脂中に又は樹脂と溶媒との混合物中に容易に均一分散させることができ、得られる分散物は、各種の分野、例えば、電磁遮蔽フィルム、塗料、帯電防止材料などの分野で使用するのに適している。   Therefore, the polymer-modified nanoscale carbon tube of the present invention can be easily and uniformly dispersed in a resin or a mixture of a resin and a solvent, and the resulting dispersion can be used in various fields, for example, an electromagnetic shielding film, Suitable for use in fields such as paints and antistatic materials.

本発明の製造法は、ナノスケールカーボンチューブの構造を実質上損傷させることがなく、また、リビングアニオン重合を使用する従来法に比し、工業的な実施の面でも有利である。   The production method of the present invention does not substantially damage the structure of the nanoscale carbon tube, and is advantageous in terms of industrial implementation as compared with the conventional method using living anionic polymerization.

また、本発明の一般式(1)で表されるアジド化合物は、ナノスケールカーボンチューブの構造を実質上損傷させることなく、ナノスケールカーボンチューブの表面と反応して、該表面に結合し、リビングラジカル重合法の開始剤として働く。   Further, the azide compound represented by the general formula (1) of the present invention reacts with the surface of the nanoscale carbon tube without substantially damaging the structure of the nanoscale carbon tube, binds to the surface, and Acts as an initiator for radical polymerization.

ナノスケールカーボンチューブ
本発明においてポリマーで修飾されるナノスケールカーボンチューブとしては、各種のものが使用できるが、特に、次のものが例示できる。
Nanoscale carbon tube In the present invention, various types of nanoscale carbon tubes modified with a polymer can be used.

(i) 単層カーボンナノチューブ、
(ii) アモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(iii) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ、又は
(iv)上記(iii)のカーボンチューブと炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体。
(i) single-walled carbon nanotubes,
(ii) amorphous nanoscale carbon tube,
(iii) a carbon tube selected from the group consisting of nano flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, or
(iv) An iron-carbon composite comprising the carbon tube of the above (iii) and iron carbide or iron, in which 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube is filled with iron carbide or iron.

これらのうちでも、特に、上記アモルファスナノスケールカーボンチューブ、ナノフレークカーボンチューブおよび鉄−炭素複合体が、溶媒、樹脂中での分散が良好であり、好ましい。これらチューブが溶媒、樹脂中での分散が良好である理由は完全には解明されていないが、これらチューブの最外層の炭素網面が不連続であるため、溶媒、樹脂等との親和性が高くなっているためと推察される。そして、更に、本発明に従い、かかるナノスケールカーボンチューブの表面をポリマーで修飾すると、樹脂、溶媒などの媒体に対する相溶性が更に一層向上する。   Among these, the amorphous nanoscale carbon tube, the nano flake carbon tube, and the iron-carbon composite are particularly preferable because of good dispersion in the solvent and the resin. The reason why these tubes are well dispersed in solvents and resins has not been fully elucidated, but because the carbon network surface of the outermost layer of these tubes is discontinuous, the affinity with solvents, resins, etc. It is assumed that it is higher. Furthermore, when the surface of the nanoscale carbon tube is modified with a polymer according to the present invention, the compatibility with a medium such as a resin or a solvent is further improved.

カーボンナノチューブ
カーボンナノチューブは、黒鉛シート(即ち、黒鉛構造の炭素原子面ないしグラフェンシート)がチューブ状に閉じた中空炭素物質であり、その直径はナノメートルスケールであり、壁構造は黒鉛構造を有している。カーボンナノチューブのうち、壁構造が一枚の黒鉛シートでチューブ状に閉じたものは単層カーボンナノチューブと呼ばれ、複数枚の黒鉛シートがそれぞれチューブ状に閉じて、入れ子状になっているものは入れ子構造の多層カーボンナノチューブと呼ばれている。本発明では、これら単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブがいずれも使用できる。
< Carbon nanotube >
A carbon nanotube is a hollow carbon material in which a graphite sheet (that is, a carbon atom plane or graphene sheet of a graphite structure) is closed like a tube, its diameter is nanometer scale, and the wall structure has a graphite structure. . Among the carbon nanotubes, one with a single graphite sheet whose wall structure is closed in a tube shape is called a single-walled carbon nanotube, and a plurality of graphite sheets are each closed in a tube shape and are nested. It is called a multi-walled carbon nanotube with a nested structure. In the present invention, both single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes can be used.

本発明で使用できる単層カーボンナノチューブとしては、直径が0.4〜10nm程度、長さが1〜500μm程度のものが好ましく、直径が0.7〜5nm程度、長さが1〜100μm程度のものがさらに好ましく、特に、直径が0.7〜2nm程度、長さが1〜20μm程度のものが好ましい。   The single-walled carbon nanotube that can be used in the present invention preferably has a diameter of about 0.4 to 10 nm and a length of about 1 to 500 μm, and more preferably has a diameter of about 0.7 to 5 nm and a length of about 1 to 100 μm. In particular, those having a diameter of about 0.7 to 2 nm and a length of about 1 to 20 μm are preferable.

また、本発明で使用できる多層カーボンナノチューブとしては、直径が1〜100nm程度、長さが1〜500μm程度のものが好ましく、直径が1〜50nm程度、長さが1〜100μm程度のものがさらに好ましく、特に、直径が1〜40nm程度、長さが1〜20μm程度のものが好ましい。   The multi-walled carbon nanotube that can be used in the present invention preferably has a diameter of about 1 to 100 nm and a length of about 1 to 500 μm, and further has a diameter of about 1 to 50 nm and a length of about 1 to 100 μm. Particularly preferred are those having a diameter of about 1 to 40 nm and a length of about 1 to 20 μm.

アモルファスナノスケールカーボンチューブ
また、上記アモルファスナノスケールカーボンチューブは、WO00/40509(特許第3355442号)に記載されており、カーボンからなる主骨格を有し、直径が0.1〜1000nmであり、アモルファス構造を有するナノスケールカーボンチューブであって、直線状の形態を有し、X線回折法(入射X線:CuKα)において、ディフラクトメーター法により測定される炭素網平面(002)の平面間隔(d002)が3.54Å以上、特に3.7Å以上であり、回折角度(2θ)が25.1度以下、特に24.1度以下であり、2θバンドの半値幅が3.2度以上、特に7.0度以上であることを特徴とするものである。
< Amorphous nanoscale carbon tube >
The amorphous nanoscale carbon tube is described in WO 00/40509 (Patent No. 3355442), has a main skeleton made of carbon, has a diameter of 0.1 to 1000 nm, and has an amorphous structure. The carbon tube has a linear shape, and in the X-ray diffraction method (incident X-ray: CuKα), the plane interval (d002) of the carbon mesh plane (002) measured by the diffractometer method is 3.54 mm. In particular, it is 3.7 mm or more, the diffraction angle (2θ) is 25.1 degrees or less, particularly 24.1 degrees or less, and the half-value width of 2θ band is 3.2 degrees or more, particularly 7.0 degrees or more. It is characterized by.

該アモルファスナノスケールカーボンチューブは、マグネシウム、鉄、コバルト、ニッケル等の金属の塩化物の少なくとも1種からなる触媒の存在下で、分解温度が200〜900℃である熱分解性樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール等を、励起処理することにより得られる。   The amorphous nanoscale carbon tube is a thermally decomposable resin having a decomposition temperature of 200 to 900 ° C. in the presence of a catalyst made of at least one metal chloride such as magnesium, iron, cobalt, nickel, etc. It can be obtained by subjecting tetrafluoroethylene, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol or the like to excitation treatment.

出発原料としての熱分解性樹脂の形状は、フィルム状乃至シート状、粉末状、塊状などの任意の形状であって良い。例えば、基板上に薄膜化アモルファスナノスケールカーボンチューブを形成させた炭素材料を得る場合には、基板上に熱分解性樹脂を塗布あるいは載置した状態で、適切な条件下に励起処理すればよい。   The shape of the thermally decomposable resin as a starting material may be any shape such as a film shape, a sheet shape, a powder shape, or a lump shape. For example, when obtaining a carbon material in which a thin amorphous nanoscale carbon tube is formed on a substrate, excitation treatment may be performed under appropriate conditions with a thermally decomposable resin applied or placed on the substrate. .

該励起処理としては、例えば、不活性雰囲気中、好ましくは450〜1800℃程度の温度域でかつ原料の熱分解温度以上で加熱する、室温〜3000℃程度の温度域でかつ原料の熱分解温度以上でのプラズマ処理する等の処理が例示できる。   As the excitation treatment, for example, heating is performed in an inert atmosphere, preferably in a temperature range of about 450 to 1800 ° C. and at or above the thermal decomposition temperature of the raw material, and in a temperature range of about room temperature to 3000 ° C. and the thermal decomposition temperature of the raw material. Examples of the processing such as the above plasma processing can be given.

本発明で使用するアモルファスナノスケールカーボンチューブは、アモルファス構造(非晶質構造)を有するナノスケールのカーボンナノチューブで、中空直線状であり、細孔が高度に制御されている。その形状は、主に円柱、四角柱などであり、先端の少なくとも一方が、キャップを有していない(開口している)場合が多い。先端が閉口している場合には、形状がフラット状である場合が多い。   The amorphous nanoscale carbon tube used in the present invention is a nanoscale carbon nanotube having an amorphous structure (amorphous structure), has a hollow linear shape, and the pores are highly controlled. The shape is mainly a cylinder, a quadrangular prism, etc., and at least one of the tips often has no cap (open). When the tip is closed, the shape is often flat.

該アモルファスナノスケールカーボンチューブの外径は、通常1〜1000nm程度の範囲にあり、好ましくは1〜200nm程度の範囲にあり、より好ましくは、1〜100nm程度の範囲にある。そのアスペクト比(チューブの長さ/直径)は2倍以上であり、好ましくは5倍以上である。   The outer diameter of the amorphous nanoscale carbon tube is usually in the range of about 1 to 1000 nm, preferably in the range of about 1 to 200 nm, and more preferably in the range of about 1 to 100 nm. The aspect ratio (tube length / diameter) is 2 times or more, preferably 5 times or more.

ここで、「アモルファス構造」とは、規則的に配列した炭素原子の連続的な炭素層からなる黒鉛質構造ではなく、不規則な炭素網平面からなる炭素質構造を意味し、多数の微細なグラフェンシートが不規則に配列し、原子の配列が不規則になっている。代表的な分析手法である透過型電子顕微鏡による像からは、本発明による非晶質構造のナノスケールカーボンチューブは、炭素網平面の平面方向の広がりがアモルファスナノスケールカーボンチューブの直径の1倍より小さい。このように、アモルファスナノスケールカーボンチューブは、その壁部が黒鉛構造ではなく多数の微細なグラフェンシート(炭素網面)が不規則に分布したアモルファス構造を有しているため、最外層を構成する炭素網面は、チューブ長手方向の全長にわたって連続しておらず、不連続となっている。特に、最外層を構成する炭素網面の長さは、20nm未満、特に5nm未満である。   Here, “amorphous structure” means a carbonaceous structure consisting of an irregular carbon network plane, not a graphite structure consisting of a continuous carbon layer of regularly arranged carbon atoms. The graphene sheets are irregularly arranged, and the atomic arrangement is irregular. From an image obtained by a transmission electron microscope, which is a typical analysis technique, the nanoscale carbon tube having an amorphous structure according to the present invention has a spread in the plane direction of the carbon network plane that is one time larger than the diameter of the amorphous nanoscale carbon tube. small. As described above, the amorphous nanoscale carbon tube has an amorphous structure in which a large number of fine graphene sheets (carbon network surface) are irregularly distributed instead of a graphite structure, so that the outermost layer is formed. The carbon mesh surface is not continuous over the entire length in the tube longitudinal direction but is discontinuous. In particular, the length of the carbon network surface constituting the outermost layer is less than 20 nm, particularly less than 5 nm.

非晶質炭素は一般的にはX線回折を示さないが、ブロードな反射を示す。黒鉛質構造では、炭素網平面が規則的に積み重なっているので、炭素網平面間隔(d002)が狭くなり、ブロードな反射は高角側(2θ)に移行して、次第に鋭くなり(2θバンドの半値幅が狭くなり)、d002回折線として観測できるようになる(黒鉛的位置関係で規則正しく積み重なっている場合はd002=3.354Åである)。 Amorphous carbon generally does not exhibit X-ray diffraction, but exhibits broad reflection. In the graphitic structure, the carbon mesh planes are regularly stacked, so the carbon mesh plane spacing (d 002 ) is narrowed, and the broad reflection shifts to the high angle side (2θ) and becomes gradually sharper (in the 2θ band). It becomes observable as d 002 diffraction lines (d 002 = 3.354 mm when they are regularly stacked due to the graphite positional relationship).

これに対し、非晶質構造は、上記のように一般的にはX線による回折を示さないが、部分的に非常に弱い干渉性散乱を示す。X線回折法(入射X線=CuKα)において、ディフラクトメーター法により測定される本発明によるアモルファスナノスケールカーボンチューブの理論的な結晶学的特性は、以下の様に規定される:炭素網平面間隔(d002)は、3.54Å以上であり、より好ましくは3.7Å以上である;回折角度(2θ)は、25.1度以下であり、より好ましくは24.1度以下である;前記2θバンドの半値幅は、3.2度以上であり、より好ましくは7.0度以上である。 In contrast, an amorphous structure generally does not exhibit X-ray diffraction as described above, but partially exhibits very weak coherent scattering. The theoretical crystallographic properties of the amorphous nanoscale carbon tube according to the present invention measured by the diffractometer method in the X-ray diffraction method (incident X-ray = CuKα) are defined as follows: carbon network plane The interval (d 002 ) is 3.54 mm or more, more preferably 3.7 mm or more; the diffraction angle (2θ) is 25.1 degrees or less, more preferably 24.1 degrees or less; the half width of the 2θ band Is 3.2 degrees or more, more preferably 7.0 degrees or more.

典型的には、本発明で使用するアモルファスナノスケールカーボンチューブは、X線回折による回折角度(2θ)が18.9〜22.6度の範囲内にあり、炭素網平面間隔(d002)は3.9〜4.7Åの範囲内にあり、2θバンドの半値幅は7.6〜8.2度の範囲内にある。 Typically, the amorphous nanoscale carbon tube used in the present invention has a diffraction angle (2θ) by X-ray diffraction in the range of 18.9 to 22.6 degrees, and the carbon network plane spacing (d 002 ) is 3.9 to 4.7 mm. The full width at half maximum of the 2θ band is in the range of 7.6 to 8.2 degrees.

本発明のアモルファスナノスケールカーボンチューブの形状を表す一つの用語である「直線状」なる語句は、次のように定義される。すなわち、透過型電子顕微鏡によるアモルファスナノスケールカーボンチューブ像の長さをLとし、そのアモルファスナノスケールカーボンチューブを伸ばした時の長さをL0とした場合に、L/L0が0.9以上となる形状特性を意味するものとする。 The phrase “linear”, which is one term representing the shape of the amorphous nanoscale carbon tube of the present invention, is defined as follows. That is, when the length of the amorphous nanoscale carbon tube image obtained by a transmission electron microscope is L and the length when the amorphous nanoscale carbon tube is extended is L 0 , L / L 0 is 0.9 or more. It shall mean shape characteristics.

かかるアモルファスナノスケールカーボンチューブのチューブ壁部分は、あらゆる方向に配向した複数の微細な炭素網平面(グラフェンシート)からなる非晶質構造であり、これらの炭素網平面の炭素平面間隔により活性点を有するためか、媒体である溶媒、樹脂との親和性に優れているという利点を有する。   The tube wall portion of such an amorphous nanoscale carbon tube has an amorphous structure composed of a plurality of fine carbon network planes (graphene sheets) oriented in all directions, and the active point is determined by the carbon plane spacing of these carbon network planes. It has the advantage that it is excellent in affinity with the solvent and resin which are media.

鉄−炭素複合体
また、本発明で使用する上記鉄−炭素複合体は、特開2002−338220号公報に記載されており、(a)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブ(a)のチューブ内空間部の10〜90%の範囲に(b)の炭化鉄又は鉄が充填されている。即ち、チューブ内空間部の100%の範囲に完全に充填されているものではなく、上記金属又は合金がそのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に充填されている(即ち、部分的に充填されている)ことを特徴とするものである。壁部は、パッチワーク状ないし張り子状(いわゆるpaper mache状)のナノフレークカーボンチューブである。
< Iron-carbon composite >
The iron-carbon composite used in the present invention is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-338220, and (a) a carbon tube selected from the group consisting of a nano flake carbon tube and a multi-layer carbon nanotube with a nested structure. And (b) iron carbide or iron, and 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube (a) is filled with the iron carbide or iron (b). That is, 100% of the space in the tube is not completely filled, and the metal or alloy is filled in the range of 10 to 90% of the space in the tube (that is, partially). It is characterized in that it is filled). The wall portion is a patchwork-like or machete-like (so-called paper mache-like) nano-flake carbon tube.

本願特許請求の範囲及び明細書において、「ナノフレークカーボンチューブ」とは、フレーク状の黒鉛シートが複数枚(通常は多数)パッチワーク状ないし張り子状(paper mache状)に集合して構成されている、黒鉛シートの集合体からなる炭素製チューブを指す。   In the claims and the specification of the present application, the “nano flake carbon tube” is composed of a plurality of (usually many) flake-like graphite sheets assembled into a patchwork shape or a paper mache shape. This refers to a carbon tube made of an aggregate of graphite sheets.

かかる鉄−炭素複合体は、
(1)不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1となる濃度に調整した反応炉内でハロゲン化鉄を600〜900℃まで加熱する工程、及び
(2)上記反応炉内に不活性ガスを導入し、圧力10-5Pa〜200kPaで熱分解性炭素源を導入して600〜900℃で加熱処理を行う工程
を包含する製造方法により製造される。
Such iron-carbon composites are
(1) Ratio when the pressure is adjusted to 10 −5 Pa to 200 kPa in an inert gas atmosphere, the oxygen concentration in the reactor is A (liter), and the oxygen amount is B (Ncc). Heating the iron halide to 600 to 900 ° C. in a reaction furnace adjusted to a concentration at which B / A is 1 × 10 −10 to 1 × 10 −1 , and
(2) It is manufactured by a manufacturing method including a step of introducing an inert gas into the reaction furnace, introducing a pyrolytic carbon source at a pressure of 10 −5 Pa to 200 kPa, and performing a heat treatment at 600 to 900 ° C. The

ここで、酸素量Bの単位である「Ncc」は、気体の25℃での標準状態に換算したときの体積(cc)という意味である。   Here, “Ncc”, which is a unit of the oxygen amount B, means a volume (cc) when converted to a standard state of gas at 25 ° C.

該鉄−炭素複合体は、(a) ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからなるものであって、該カーボンチューブ内空間部(即ち、チューブ壁で囲まれた空間)の実質上全てが充填されているのではなく、該空間部の一部、より具体的には10〜90%程度、特に30〜80%程度、好ましくは40〜70%程度が炭化鉄又は鉄により充填されている。   The iron-carbon composite is composed of (a) a carbon tube selected from the group consisting of nano flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, and (b) iron carbide or iron. The space portion (that is, the space surrounded by the tube wall) is not completely filled, but a part of the space portion, more specifically, about 10 to 90%, particularly about 30 to 80%. Preferably, about 40 to 70% is filled with iron carbide or iron.

本発明で使用する鉄−炭素複合体においては、特開2002−338220号公報に記載されているように、炭素部分は、製造工程(1)及び(2)を行った後、特定の速度で冷却するとナノフレークカーボンチューブとなり、製造工程(1)及び(2)を行った後、不活性気体中で加熱処理を行い、特定の冷却速度で冷却することにより、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとなる。   In the iron-carbon composite used in the present invention, as described in JP-A No. 2002-338220, the carbon portion is produced at a specific rate after performing the production steps (1) and (2). When cooled, it becomes a nano flake carbon tube, and after performing the manufacturing steps (1) and (2), heat treatment is performed in an inert gas, and cooling is performed at a specific cooling rate, thereby forming a multi-walled carbon nanotube with a nested structure. .

<(a-1)ナノフレークカーボンチューブ>
本発明のナノフレークカーボンチューブと炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭素複合体は、典型的には円柱状であるが、そのような円柱状の鉄−炭素複合体(特開2002−338220号の実施例1で得られたもの)の長手方向に垂直な断面の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を図3に示し、側面のTEM写真を図1に示す。
<(A-1) Nano flake carbon tube>
The nano-flake carbon tube of the present invention and the iron-carbon composite made of iron carbide or iron are typically cylindrical, but such a cylindrical iron-carbon composite (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-338220). A transmission electron microscope (TEM) photograph of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of that obtained in Example 1 is shown in FIG. 3, and a side TEM photograph is shown in FIG.

また、図4の(a-1)にそのような円柱状のナノフレークカーボンチューブのTEM像の模式図を示す。図4の(a-1)において、100は、ナノフレークカーボンチューブの長手方向のTEM像を模式的に示しており、200は、ナノフレークカーボンチューブの長手方向にほぼ垂直な断面のTEM像を模式的に示している。   FIG. 4 (a-1) shows a schematic diagram of a TEM image of such a columnar nanoflake carbon tube. In (a-1) of FIG. 4, 100 schematically shows a TEM image in the longitudinal direction of the nano flake carbon tube, and 200 indicates a TEM image in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction of the nano flake carbon tube. This is shown schematically.

本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成するナノフレークカーボンチューブは、代表的には、中空円筒状の形態を有し、その断面をTEM観察した場合、弧状グラフェンシート像が同心円状に集合しており、個々のグラフェンシート像は、不連続な環を形成しており、その長手方向をTEMで観察した場合、略直線状のグラフェンシート像が、長手方向にほぼ並行に多層状に配列しており、個々のグラフェンシート像は、長手方向全長にわたって連続しておらず、不連続となっているという特徴を有している。   The nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention typically has a hollow cylindrical shape, and when the cross section is observed by TEM, arc-shaped graphene sheet images are concentrically assembled. Each graphene sheet image forms a discontinuous ring, and when the longitudinal direction is observed with TEM, the substantially straight graphene sheet images are arranged in multiple layers almost parallel to the longitudinal direction. The individual graphene sheet images are not continuous over the entire length in the longitudinal direction, but are discontinuous.

より詳しくは、本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブは、図3及び図4の(a-1)の200から明らかなように、その長手方向に垂直な断面をTEM観察した場合、多数の弧状グラフェンシート像が同心円状(多層構造のチューブ状)に集合しているが、個々のグラフェンシート像は、例えば210、214に示すように、完全に閉じた連続的な環を形成しておらず、途中で途切れた不連続な環を形成している。一部のグラフェンシート像は、211に示すように、分岐している場合もある。不連続点においては、一つの不連続環を構成する複数の弧状TEM像は、図4の(a-1)の222に示すように、層構造が部分的に乱れている場合もあれば、223に示すように隣接するグラフェンシート像との間に間隔が存在している場合もあるが、TEMで観察される多数の弧状グラフェンシート像は、全体として、多層状のチューブ構造を形成している。   More specifically, the nanoflake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention is perpendicular to the longitudinal direction, as is apparent from 200 in FIGS. 3 and 4 (a-1). When the cross section is observed by TEM, many arc-shaped graphene sheet images are concentrically (multi-layered tube shape), but each graphene sheet image is completely closed as shown in 210 and 214, for example. It does not form a continuous ring, but forms a discontinuous ring that is interrupted. Some graphene sheet images may be branched as indicated by 211. At the discontinuity point, a plurality of arc-shaped TEM images constituting one discontinuous ring may have a partially disturbed layer structure as indicated by 222 in FIG. As shown by 223, there may be a space between adjacent graphene sheet images, but a large number of arc-shaped graphene sheet images observed by TEM form a multilayer tube structure as a whole. Yes.

また、図1及び図4の(a-1)の100から明らかなように、ナノフレークカーボンチューブの長手方向をTEMで観察した場合、多数の略直線状のグラフェンシート像が本発明で使用する鉄−炭素複合体の長手方向にほぼ並行に多層状に配列しているが、個々のグラフェンシート像110は、鉄−炭素複合体の長手方向全長にわたって連続しておらず、途中で不連続となっている。一部のグラフェンシート像は、図4の(a-1)の111に示すように、分岐している場合もある。また、不連続点においては、層状に配列したTEM像のうち、一つの不連続層のTEM像は、図4の(a-1)の112に示すように、隣接するグラフェンシート像と少なくとも部分的に重なり合っている場合もあれば、113に示すように隣接するグラフェンシート像と少し離れている場合もあるが、多数の略直線状のTEM像が、全体として多層構造を形成している。   Further, as is clear from 100 of FIGS. 1 and 4 (a-1), when the longitudinal direction of the nanoflake carbon tube is observed by TEM, a large number of substantially straight graphene sheet images are used in the present invention. Although it is arranged in multiple layers substantially parallel to the longitudinal direction of the iron-carbon composite, the individual graphene sheet images 110 are not continuous over the entire length in the longitudinal direction of the iron-carbon composite, and are discontinuous in the middle. It has become. Some graphene sheet images may be branched as indicated by reference numeral 111 in FIG. Further, at the discontinuous points, among the TEM images arranged in a layered manner, the TEM image of one discontinuous layer is at least partly adjacent to the adjacent graphene sheet image as indicated by 112 in FIG. In some cases, they may overlap each other, or as shown at 113, they may be slightly apart from the adjacent graphene sheet images, but a large number of substantially linear TEM images form a multilayer structure as a whole.

かかる本発明のナノフレークカーボンチューブの構造は、従来の多層カーボンナノチューブと大きく異なっている。即ち、図4の(a-2)の400に示すように、入れ子構造の多層カーボンナノチューブは、その長手方向に垂直な断面のTEM像が、410に示すように、実質上完全な円形のTEM像となっている同心円状のチューブであり、且つ、図4の(a-2)の300に示すように、その長手方向の全長にわたって連続する直線状グラフェンシート像310等が平行に配列している構造(同心円筒状ないし入れ子状の構造)である。   The structure of the nanoflake carbon tube of the present invention is greatly different from the conventional multi-walled carbon nanotube. That is, as shown by 400 in FIG. 4A-2, the multi-walled carbon nanotube with a nested structure has a cross-sectional TEM image perpendicular to its longitudinal direction. As shown by 300 in FIG. 4 (a-2), the straight graphene sheet images 310 and the like continuous over the entire length in the longitudinal direction are arranged in parallel. Structure (concentric cylindrical or nested structure).

以上より、詳細は未だ完全には解明されていないが、本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成するナノフレークカーボンチューブは、フレーク状のグラフェンシートが多数パッチワーク状ないし張り子状に重なり合って全体としてチューブを形成しているようにみえる。   Although the details have not been fully elucidated yet, the nano-flake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention has a large number of flake-like graphene sheets overlapped in a patchwork or tension form. It seems to form a tube as a whole.

このような本発明のナノフレークカーボンチューブとそのチューブ内空間部に内包された炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭素複合体は、特許第2546114号に記載されているような入れ子構造の多層カーボンナノチューブのチューブ内空間部に金属が内包された複合体に比し、カーボンチューブの構造において大きく異なっている。   Such a nano-flake carbon tube of the present invention and an iron-carbon composite made of iron carbide or iron encapsulated in the inner space of the tube are nested multi-walled carbon nanotubes as described in Japanese Patent No. 2546114. The structure of the carbon tube is greatly different from that of the composite in which the metal is included in the inner space of the tube.

本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成しているナノフレークカーボンチューブをTEM観察した場合において、その長手方向に配向している多数の略直線状のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート像の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。即ち、図4の(a-1)の100に示されるように、110で示される略直線状のグラフェンシートのTEM像が多数集まってナノフレークカーボンチューブの壁部のTEM像を構成しており、個々の略直線状のグラフェンシート像の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。   In the case of TEM observation of the nano-flake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention, each graphene sheet image relates to a number of substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction. The length is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm. That is, as indicated by 100 in FIG. 4 (a-1), a large number of TEM images of the substantially linear graphene sheet indicated by 110 are collected to constitute a TEM image of the wall portion of the nanoflake carbon tube. The length of each substantially linear graphene sheet image is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm.

このように、鉄−炭素複合体においては、その壁部を構成するナノフレークカーボンチューブの最外層は、チューブ長手方向の全長にわたって連続していない不連続なグラフェンシートから形成されており、その最外面の炭素網面の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。   Thus, in the iron-carbon composite, the outermost layer of the nanoflake carbon tube constituting the wall portion is formed of a discontinuous graphene sheet that is not continuous over the entire length in the tube longitudinal direction. The length of the outer carbon net surface is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm.

本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成するナノフレークカーボンチューブの壁部の炭素部分は、上記のようにフレーク状のグラフェンシートが多数長手方向に配向して全体としてチューブ状となっているが、X線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するものである。   As described above, the carbon portion of the wall portion of the nano-flake carbon tube constituting the iron-carbon composite used in the present invention has a tube shape in which a large number of flake-like graphene sheets are oriented in the longitudinal direction. However, when measured by the X-ray diffraction method, the average distance (d002) between the carbon network surfaces has a graphite structure of 0.34 nm or less.

また、本発明で使用する鉄−炭素複合体のナノフレークカーボンチューブからなる壁部の厚さは、49nm以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは1〜10nm程度であって、全長に亘って実質的に均一である。   Moreover, the thickness of the wall part which consists of a nano flake carbon tube of the iron-carbon composite used by this invention is 49 nm or less, Especially about 0.1-20 nm, Preferably it is about 1-10 nm, Comprising: Over the full length, And substantially uniform.

<(a-2)入れ子構造の多層カーボンナノチューブ>
前記のように、工程(1)及び(2)を行った後、特開2002−338220号に記載のように、不活性気体中で加熱処理を行い、特定の冷却速度で冷却することにより、得られる鉄−炭素複合体を構成するカーボンチューブは、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとなる。
<(A-2) Nested multi-walled carbon nanotubes>
As described above, after performing steps (1) and (2), as described in JP-A-2002-338220, by performing a heat treatment in an inert gas and cooling at a specific cooling rate, The carbon tube constituting the obtained iron-carbon composite becomes a multi-walled carbon nanotube with a nested structure.

こうして得られる入れ子構造の多層カーボンナノチューブは、図4の(a-2)の400に示すように、その長手方向に垂直な断面のTEM像が実質上完全な円を構成する同心円状のチューブであり、且つ、その長手方向の全長にわたって連続したグラフェンシート像が平行に配列している構造(同心円筒状ないし入れ子状の構造)である。   The nested multi-walled carbon nanotube thus obtained is a concentric tube whose cross section perpendicular to the longitudinal direction forms a substantially perfect circle as indicated by reference numeral 400 in FIG. There is a structure (concentric cylindrical or nested structure) in which continuous graphene sheet images are arranged in parallel over the entire length in the longitudinal direction.

本発明で使用する鉄−炭素複合体を構成する入れ子構造の多層カーボンナノチューブの壁部の炭素部分は、X線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するものである。   The carbon portion of the wall portion of the multi-walled carbon nanotube of the nested structure constituting the iron-carbon composite used in the present invention has an average distance (d002) between carbon network surfaces of 0, as measured by X-ray diffraction. It has a graphite structure of 34 nm or less.

また、本発明で使用する鉄−炭素複合体の入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる壁部の厚さは、49nm以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは1〜10nm程度であって、全長に亘って実質的に均一である。   Further, the thickness of the wall portion composed of the multi-walled carbon nanotube of the iron-carbon composite nested structure used in the present invention is 49 nm or less, particularly about 0.1 to 20 nm, preferably about 1 to 10 nm. Substantially uniform.

<(b)内包されている炭化鉄又は鉄>
本明細書において、上記ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ内空間部の炭化鉄又は鉄による充填率(10〜90%)は、本発明により得られた鉄−炭素複合体を透過型電子顕微鏡で観察し、各カーボンチューブの空間部(即ち、カーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)の像の面積に対する、炭化鉄又は鉄が充填されている部分の像の面積の割合である。
<(B) Iron carbide or iron contained>
In the present specification, the filling ratio (10 to 90%) with iron carbide or iron in the space portion in the carbon tube selected from the group consisting of the nano flake carbon tube and the nested multi-walled carbon nanotube was obtained by the present invention. The portion filled with iron carbide or iron with respect to the area of the image of the space portion of each carbon tube (that is, the space surrounded by the tube wall of the carbon tube) when the iron-carbon composite is observed with a transmission electron microscope Is the ratio of the area of the image.

炭化鉄又は鉄の充填形態は、カーボンチューブ内空間部に連続的に充填されている形態、カーボンチューブ内空間部に断続的に充填されている形態等があるが、基本的には断続的に充填されている。従って、本発明で使用する鉄−炭素複合体は、金属内包炭素複合体ないし鉄化合物内包炭素複合体、炭化鉄又は鉄内包炭素複合体とも言うべきものである。   The filling form of iron carbide or iron includes a form in which the space in the carbon tube is continuously filled and a form in which the space in the carbon tube is filled intermittently. Filled. Therefore, the iron-carbon composite used in the present invention should also be referred to as a metal-encapsulated carbon composite, an iron compound-encapsulated carbon composite, iron carbide, or an iron-encapsulated carbon composite.

また、本発明で使用する鉄−炭素複合体に内包されている炭化鉄又は鉄は、カーボンチューブの長手方向に配向しており、結晶性が高く、炭化鉄又は鉄が充填されている範囲のTEM像の面積に対する、結晶性炭化鉄又は鉄のTEM像の面積の割合(以下「結晶化率」という)は、一般に、90〜100%程度、特に95〜100%程度である。   In addition, the iron carbide or iron included in the iron-carbon composite used in the present invention is oriented in the longitudinal direction of the carbon tube, has high crystallinity, and is in a range where iron carbide or iron is filled. The ratio of the area of the crystalline iron carbide or iron TEM image to the area of the TEM image (hereinafter referred to as “crystallization rate”) is generally about 90 to 100%, particularly about 95 to 100%.

内包されている炭化鉄又は鉄の結晶性が高いことは、本発明鉄−炭素複合体の側面からTEM観察した場合、内包物のTEM像が格子状に配列していることから明らかであり、電子線回折において明確な回折パターンが得られることからも明らかである。   The high crystallinity of the iron carbide or iron contained is apparent from the fact that the TEM images of the inclusions are arranged in a lattice form when observed from the side of the iron-carbon composite of the present invention, It is clear from the fact that a clear diffraction pattern can be obtained in electron beam diffraction.

また、本発明で使用する鉄−炭素複合体に炭化鉄又は鉄が内包されていることは、電子顕微鏡、EDX(エネルギー分散型X線検出器)により容易に確認することができる。   Moreover, it can be easily confirmed by an electron microscope and EDX (energy dispersive X-ray detector) that iron carbide or iron is included in the iron-carbon composite used in the present invention.

<鉄−炭素複合体の全体形状>
本発明で使用する鉄−炭素複合体は、湾曲が少なく、直線状であり、壁部の厚さが全長に亘ってほぼ一定の均一厚さを有しているので、全長に亘って均質な形状を有している。その形状は、柱状で、主に円柱状である。
<Overall shape of iron-carbon composite>
The iron-carbon composite used in the present invention is less curved, straight, and has a uniform thickness over the entire length of the wall, so it is homogeneous over the entire length. It has a shape. The shape is columnar and mainly cylindrical.

本発明による鉄−炭素複合体の外径は、通常、1〜100nm程度、特に1〜50nm程度の範囲にあり、好ましくは1〜30nm程度の範囲にあり、より好ましくは10〜30nm程度の範囲にある。チューブの長さ(L)の外径(D)に対するアスペクト比(L/D)は、5〜10000程度であり、特に10〜1000程度である。   The outer diameter of the iron-carbon composite according to the present invention is usually about 1 to 100 nm, particularly about 1 to 50 nm, preferably about 1 to 30 nm, more preferably about 10 to 30 nm. It is in. The aspect ratio (L / D) of the tube length (L) to the outer diameter (D) is about 5 to 10,000, and particularly about 10 to 1,000.

本発明で使用する鉄−炭素複合体の形状を表す一つの用語である「直線状」なる語句は、次のように定義される。即ち、透過型電子顕微鏡により本発明で使用する鉄−炭素複合体を含む炭素質材料を200〜2000nm四方の範囲で観察し、像の長さをWとし、該像を直線状に伸ばした時の長さをWoとした場合に、比W/Woが、0.8以上、特に、0.9以上となる形状特性を意味するものとする。   The term “linear”, which is one term representing the shape of the iron-carbon composite used in the present invention, is defined as follows. That is, when the carbonaceous material containing the iron-carbon composite used in the present invention is observed in a range of 200 to 2000 nm square by a transmission electron microscope, the length of the image is W, and the image is linearly extended. In this case, the shape characteristic means that the ratio W / Wo is 0.8 or more, particularly 0.9 or more.

本発明で使用する鉄−炭素複合体は、バルク材料としてみた場合、次の性質を有する。即ち、本発明では、上記のようなナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブから選ばれるカーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に鉄または炭化鉄が充填されている鉄−炭素複合体は、顕微鏡観察によりかろうじて観察できる程度の微量ではなく、多数の該鉄−炭素複合体を含むバルク材料であって、鉄−炭素複合体を含む炭素質材料、或いは、炭化鉄又は鉄内包炭素質材料ともいうべき材料の形態で大量に得られる。   The iron-carbon composite used in the present invention has the following properties when viewed as a bulk material. That is, in the present invention, iron- or iron carbide is filled in a range of 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube selected from the nano flake carbon tube and the nested multi-walled carbon nanotube as described above. The carbon composite is not a minute amount that can be barely observed by microscopic observation, but is a bulk material containing a large number of the iron-carbon composite, and is a carbonaceous material containing iron-carbon composite, or iron carbide or iron. It can be obtained in large quantities in the form of a material that should be referred to as an encapsulated carbonaceous material.

特開2002−338220の実施例1で製造されたナノフレークカーボンチューブとそのチューブ内空間に充填された炭化鉄からなる本発明炭素質材料の電子顕微鏡写真を、図2に示す。   FIG. 2 shows an electron micrograph of the carbonaceous material of the present invention comprising the nanoflake carbon tube produced in Example 1 of JP-A-2002-338220 and iron carbide filled in the space in the tube.

図2から判るように、本発明で使用する鉄−炭素複合体を含む炭素質材料においては、基本的にはほとんど全ての(特に99%又はそれ以上の)カーボンチューブにおいて、その空間部(即ち、カーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されており、空間部が充填されていないカーボンチューブは実質上存在しないのが通常である。但し、場合によっては、炭化鉄又は鉄が充填されていないカーボンチューブも微量混在することがある。   As can be seen from FIG. 2, in the carbonaceous material containing the iron-carbon composite used in the present invention, basically, in almost all (particularly 99% or more) carbon tubes, the space portion (that is, In general, iron carbide or iron is filled in a range of 10 to 90% of the space surrounded by the tube wall of the carbon tube, and there is usually substantially no carbon tube in which the space is not filled. However, in some cases, a small amount of carbon tubes not filled with iron carbide or iron may be mixed.

また、本発明の炭素質材料においては、上記のようなカーボンチューブ内空間部の10〜90%に鉄または炭化鉄が充填されている鉄−炭素複合体が主要構成成分であるが、本発明の鉄−炭素質複合体以外に、スス等が含まれている場合がある。そのような場合は、本発明の鉄−炭素質複合体以外の成分を除去して、本発明の炭素質材料中の鉄−炭素質複合体の純度を向上させ、実質上本発明で使用する鉄−炭素複合体のみからなる炭素質材料を得ることもできる。   Further, in the carbonaceous material of the present invention, an iron-carbon composite in which 10 to 90% of the space in the carbon tube as described above is filled with iron or iron carbide is a main constituent component. In addition to the iron-carbonaceous composite, soot may be contained. In such a case, components other than the iron-carbonaceous composite of the present invention are removed to improve the purity of the iron-carbonaceous composite in the carbonaceous material of the present invention, which is substantially used in the present invention. A carbonaceous material consisting only of an iron-carbon composite can also be obtained.

また、従来の顕微鏡観察で微量確認し得るに過ぎなかった材料とは異なり、本発明で使用する鉄−炭素複合体を含む炭素質材料は大量に合成できるので、その重量を容易に1mg以上とすることができる。後述する本発明製法をスケールアップするか又は何度も繰り返すことにより本発明の該材料は無限に製造できる。   In addition, unlike materials that could only be confirmed in microscopic amounts by conventional microscopic observation, the carbonaceous material containing the iron-carbon composite used in the present invention can be synthesized in large quantities, and its weight can easily be increased to 1 mg or more. can do. The material of the present invention can be produced infinitely by scaling up or repeating the process of the present invention described later.

本発明炭素質材料は、該炭素質材料1mgに対して25mm2以上の照射面積で、CuKαのX線を照射した粉末X線回折測定において、内包されている鉄または炭化鉄に帰属される40°<2θ<50°のピークの中で最も強い積分強度を示すピークの積分強度をIaとし、カーボンチューブの炭素網面間の平均距離(d002)に帰属される26°<2θ<27°のピークの積分強度Ibとした場合に、IaのIbに対する比R(=Ia/Ib)が、0.35〜5程度、特に0.5〜4程度であるのが好ましく、より好ましくは1〜3程度である。 The carbonaceous material of the present invention is attributed to iron or iron carbide contained in powder X-ray diffraction measurement in which X-rays of CuKα are irradiated with an irradiation area of 25 mm 2 or more with respect to 1 mg of the carbonaceous material. The integrated intensity of the peak showing the strongest integrated intensity among the peaks of ° <2θ <50 ° is Ia, and 26 ° <2θ <27 ° attributed to the average distance (d002) between the carbon network surfaces of the carbon tubes. When the integrated intensity Ib of the peak is set, the ratio R (= Ia / Ib) of Ia to Ib is preferably about 0.35 to 5, particularly about 0.5 to 4, more preferably 1 to 3. Degree.

本明細書において、上記Ia/Ibの比をR値と呼ぶ。このR値は、本発明で使用する鉄−炭素複合体を含む炭素質材料を、X線回折法において25mm2以上のX線照射面積で観察した場合に、炭素質材料全体の平均値としてピーク強度が観察されるために、TEM分析で測定できる1本の鉄−炭素複合体における内包率ないし充填率ではなく、鉄−炭素複合体の集合物である炭素質材料全体としての、炭化鉄又は鉄充填率ないし内包率の平均値を示すものである。 In this specification, the ratio of Ia / Ib is referred to as an R value. This R value peaks as an average value of the entire carbonaceous material when the carbonaceous material containing the iron-carbon composite used in the present invention is observed in an X-ray diffraction method with an X-ray irradiation area of 25 mm 2 or more. Since the strength is observed, not the inclusion rate or filling rate in one iron-carbon composite that can be measured by TEM analysis, but the entire carbonaceous material as an aggregate of iron-carbon composites, It shows the average value of iron filling rate or inclusion rate.

尚、多数の本発明鉄−炭素複合体を含む炭素質材料全体としての平均充填率は、TEMで複数の視野を観察し、各視野で観察される複数の鉄−炭素複合体における炭化鉄又は鉄の平均充填率を測定し、更に複数の視野の平均充填率の平均値を算出することによっても求めることができる。かかる方法で測定した場合、本発明で使用する鉄−炭素複合体からなる炭素質材料全体としての炭化鉄又は鉄の平均充填率は、10〜90%程度、特に40〜70%程度である。   In addition, the average filling rate as a whole carbonaceous material containing a large number of the present invention iron-carbon composites is observed by TEM, and a plurality of iron carbides in a plurality of iron-carbon composites observed in each field of view. It can also be obtained by measuring the average filling rate of iron and calculating the average value of the average filling rates of a plurality of visual fields. When measured by such a method, the average filling rate of iron carbide or iron as a whole carbonaceous material comprising the iron-carbon composite used in the present invention is about 10 to 90%, particularly about 40 to 70%.

ナノフレークカーボンチューブ
上記の鉄又は炭化鉄がナノフレークカーボンチューブのチューブ内空間に部分内包されている鉄−炭素複合体を酸処理することにより、内包されている鉄又は炭化鉄が溶解除去され、チューブ内空間部に鉄又は炭化鉄が存在しない中空のナノフレークカーボンチューブを得ることができる。
< Nano flake carbon tube >
By treating the iron-carbon composite in which the iron or iron carbide is partially encapsulated in the inner space of the nano flake carbon tube with acid, the encapsulated iron or iron carbide is dissolved and removed, and the inner space of the tube A hollow nanoflake carbon tube in which no iron or iron carbide is present can be obtained.

上記酸処理に使用する酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸等を例示でき、その濃度は0.1N程度のものが好ましい。酸処理方法としては、種々の方法により行うことが可能であるが、例えば、0.1Nの塩酸100mlに対して、1gの鉄内包ナノフレークカーボンチューブを分散し、室温で6時間撹拌処理し、ろ過分離した後、さらに、2回0.1Nの塩酸100mlで同様の処理を行なうことで、中空のナノフレークカーボンチューブを得ることができる。   Examples of the acid used for the acid treatment include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, and the like, and the concentration is preferably about 0.1N. As the acid treatment method, various methods can be used. For example, 1 g of iron-encapsulated nanoflake carbon tube is dispersed in 100 ml of 0.1N hydrochloric acid, and stirred at room temperature for 6 hours. After separation by filtration, a hollow nanoflake carbon tube can be obtained by performing the same treatment twice with 100 ml of 0.1N hydrochloric acid twice.

この酸処理によってもナノフレークカーボンチューブの基本的構成は特に変化を受けない。よって、チューブ内空間部に鉄又は炭化鉄が存在しない中空のナノフレークカーボンチューブにおいても、その最外面を構成する炭素網面の長さは、500nm以下であり、特に2〜500nm、特に10〜100nmである。   The basic structure of the nano flake carbon tube is not particularly changed by this acid treatment. Therefore, even in a hollow nanoflake carbon tube in which iron or iron carbide does not exist in the inner space of the tube, the length of the carbon network surface constituting the outermost surface is 500 nm or less, particularly 2 to 500 nm, particularly 10 to 10. 100 nm.

アジド化合物
本発明で使用するアジド化合物は、次の一般式(1)で表される化合物である。
Azide Compound The azide compound used in the present invention is a compound represented by the following general formula (1).

Figure 0004425083
[式中、
Xはハロゲン原子を示し、
R1は、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を示し、
R2は、下記の式(p)で表されるカルボニル基又は下記一般式(q)で表される基を示す。
Figure 0004425083
[Where:
X represents a halogen atom,
R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,
R 2 represents a carbonyl group represented by the following formula (p) or a group represented by the following general formula (q).

Figure 0004425083
Figure 0004425083

Figure 0004425083
(一般式(q)において、mは0又は1〜4の整数を示す。)]。
Figure 0004425083
(In general formula (q), m represents 0 or an integer of 1 to 4.)].

上記一般式(1)において、R1で示されるアルキル基としては、炭素数1〜4の直鎖又は分岐のアルキル基、特に炭素数1〜3の直鎖又は分岐のアルキル基が好ましく、なかでもメチル基、エチル基等が好ましい。 In the general formula (1), the alkyl group represented by R 1 is preferably a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, particularly a linear or branched alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. However, a methyl group, an ethyl group or the like is preferable.

また、上記一般式(1)において、Xで示されるハロゲン原子としては、塩素原子、臭素原子が好ましく、なかでも臭素原子が好ましい。   In the general formula (1), the halogen atom represented by X is preferably a chlorine atom or a bromine atom, and more preferably a bromine atom.

一般式(1)で表される化合物は、一般に、例えば、次の反応工程式1に示す方法に従って製造できる。
反応工程式1
The compound represented by the general formula (1) can generally be produced, for example, according to the method shown in the following reaction process formula 1.
Reaction process formula 1

Figure 0004425083
上記反応工程式1において、X、R1及びR2は前記に同じであり、Yはハロゲン原子(塩素原子、臭素原子)を示す。
Figure 0004425083
In the above reaction process formula 1, X, R 1 and R 2 are the same as above, and Y represents a halogen atom (chlorine atom, bromine atom).

上記反応工程式1の反応をより詳しく説明すると、まず、一般式(s1)で表されるカルボン酸誘導体とハロゲン化剤とを、適当な溶媒中、塩基の存在下で反応させる。一般式(s1)で表されるカルボン酸誘導体は、公知であるか、又は、公知方法により容易に製造できる化合物である。ハロゲン化剤としては、例えば、クロロ炭酸エチルを例示できる。溶媒としては、例えば、アセトン等の有機溶媒を例示できる。塩基としては、例えば、トリエチルアミン等のアミン類等を例示できる。一般式(s1)で表されるカルボン酸誘導体1モルに対して、ハロゲン化剤を等モル以上、特に1〜3モル程度使用するのが好ましい。塩基は、ハロゲン化剤1モルに対して、等モル以上、特に1〜3モル程度使用するのが好ましい。一般式(s1)で表されるカルボン酸誘導体とハロゲン化剤との反応は、通常、−10℃〜室温程度で行うのが好ましい。こうして、一般式(s2)で表される酸ハライド(中間体)を得る。   The reaction of the above reaction process formula 1 will be described in more detail. First, the carboxylic acid derivative represented by the general formula (s1) and the halogenating agent are reacted in a suitable solvent in the presence of a base. The carboxylic acid derivative represented by the general formula (s1) is a known compound or can be easily produced by a known method. Examples of the halogenating agent include ethyl chlorocarbonate. Examples of the solvent include organic solvents such as acetone. Examples of the base include amines such as triethylamine. It is preferable to use an equimolar amount or more, particularly about 1 to 3 moles of the halogenating agent with respect to 1 mole of the carboxylic acid derivative represented by the general formula (s1). The base is preferably used in an amount of at least equimolar, particularly about 1 to 3 moles per mole of the halogenating agent. The reaction between the carboxylic acid derivative represented by the general formula (s1) and the halogenating agent is usually preferably performed at about −10 ° C. to room temperature. Thus, an acid halide (intermediate) represented by the general formula (s2) is obtained.

次いで、こうして得られた一般式(s2)で表される酸ハライドにアジ化ナトリウムを適当な溶媒中で反応させる。溶媒としては、例えば、水等を例示できる。アジ化ナトリウムの使用量は、一般式(s2)で表される酸ハライド1モルに対して、等モル以上、特に1〜3モル程度であるのが好ましい。この反応は、0〜50℃程度、特に室温付近の温度で行うのが好ましい。こうして、目的とする一般式(1)で表されるアジド化合物を得る。   Next, sodium azide is reacted with the acid halide represented by the general formula (s2) thus obtained in a suitable solvent. Examples of the solvent include water. The amount of sodium azide used is preferably equimolar or more, particularly about 1 to 3 moles per mole of the acid halide represented by the general formula (s2). This reaction is preferably performed at a temperature of about 0 to 50 ° C., particularly near room temperature. In this way, the target azide compound represented by the general formula (1) is obtained.

得られる粗製の一般式(1)で表されるアジド化合物は、必要であれば、通常公知の精製手段、例えば、溶媒抽出法、再結晶法等により精製できる。   The obtained crude azide compound represented by the general formula (1) can be purified by a generally known purification means, for example, a solvent extraction method, a recrystallization method or the like, if necessary.

一般式(1)で表されるアジド化合物は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。   The azide compound represented by the general formula (1) may be used singly or in combination of two or more.

モノマー
本発明において、リビングラジカル重合法で重合させるモノマーとしては、例えば、(メタ)アクリレート類、スチレン類が好ましい。
Monomer In the present invention, as the monomer polymerized by the living radical polymerization method, for example, (meth) acrylates and styrenes are preferable.

本明細書及び特許請求の範囲において、「(メタ)アクリレート」という用語は、アクリレート及び/又はメタクリレートを指すものとする。同様に、「(メタ)アクリル酸」という用語は、アクリル酸及び/又はメタクリル酸を指す。   In the present description and claims, the term “(meth) acrylate” shall refer to acrylate and / or methacrylate. Similarly, the term “(meth) acrylic acid” refers to acrylic acid and / or methacrylic acid.

上記(メタ)アクリレート類としては、(メタ)アクリル酸の(C1−C12)アルキルエステル、ヒドロキシ低級(C1−C3)アルキルエステル、アラルキルエステル(特にベンジルエステル)、炭素数1〜4のパーフルオロアルキルエステル等が使用できる。なかでも、メチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、t−ブチルアクリレート、N,N−ジメチルアクリルアミド、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレートを挙げることができる。   Examples of the (meth) acrylates include (C1-C12) alkyl esters of (meth) acrylic acid, hydroxy lower (C1-C3) alkyl esters, aralkyl esters (particularly benzyl esters), and C 1-4 perfluoroalkyls. Esters can be used. Among these, methyl methacrylate, benzyl methacrylate, t-butyl acrylate, N, N-dimethylacrylamide, 2-hydroxyethyl acrylate, and 2-hydroxyethyl methacrylate can be exemplified.

また、スチレン類としては、スチレンの他、下記一般式(M1)又は(M2)で表されるものを例示できる。   In addition to styrene, examples of styrenes include those represented by the following general formula (M1) or (M2).

Figure 0004425083
[一般式(M1)において、Raは、CF3、F、Br、Cl、CH3、i-C4H9、Si(CH3)3、CH2Cl、−O−(C=O)−CH3、−CH2−O−CH3、−CH2−O−(C=O)−CH3、−SO3C2H5を示す。]
Figure 0004425083
[In General Formula (M1), Ra is CF 3 , F, Br, Cl, CH 3 , iC 4 H 9 , Si (CH 3 ) 3 , CH 2 Cl, —O— (C═O) —CH 3, -CH 2 -O-CH 3 , -CH 2 -O- (C = O) -CH 3, showing a -SO 3 C 2 H 5. ]

Figure 0004425083
[一般式(M2)において、Rbは、CF3又はCH3を示す。]
これらモノマーは、1種単独で使用してもよく、また、2種以上を併用してもよい。これら一般式(M1)及び一般式(M2)で表されるモノマーは、いずれも公知のモノマーである。これらモノマーのうちでも、スチレン、スチレンスルホン酸エチル等を使用するのが好ましい。
Figure 0004425083
[In General Formula (M2), R b represents CF 3 or CH 3 . ]
These monomers may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. The monomers represented by these general formulas (M1) and (M2) are both known monomers. Among these monomers, it is preferable to use styrene, ethyl styrenesulfonate, or the like.

本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブの製造法
本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブは、例えば、上記一般式(1)で表されるアジド化合物により、ナノスケールカーボンチューブの表面(側面及び両端)を修飾する工程(第1工程)およびリビングラジカル重合法により上記モノマーをグラフト重合させる工程(第2工程)を含む方法により製造できる。
Production Method of Polymer-Modified Nanoscale Carbon Tube of the Present Invention The polymer-modified nanoscale carbon tube of the present invention is produced by, for example, the surface (side surface and both ends) of the nanoscale carbon tube by an azide compound represented by the general formula (1). Can be produced by a method comprising a step of modifying the monomer (first step) and a step of graft polymerization of the monomer by a living radical polymerization method (second step).

<第1工程:アジド化合物による修飾工程>
まず、第1工程として、ナノスケールカーボンチューブに一般式(1)で表されるアジド化合物を反応させる。該アジド化合物の使用量は、広い範囲から適宜選択できるが、一般には、ナノスケールカーボンチューブ100重量部当たり、5〜5000重量部程度、特に50〜500重量部程度とするのが好ましい。
<First step: Modification step with azide compound>
First, as a first step, a nanoscale carbon tube is reacted with an azide compound represented by the general formula (1). The amount of the azide compound used can be appropriately selected from a wide range, but generally it is preferably about 5 to 5000 parts by weight, particularly about 50 to 500 parts by weight, per 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube.

反応は、不活性溶媒中で行うのが好ましい。かかる不活性溶媒としては、上記アジド化合物を溶解させると共に、ナノスケールカーボンチューブとは実質上反応しない溶媒が挙げられ、例えば、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等を挙げることができる。溶媒の使用量は、広い範囲から適宜選択できるが、通常は、ナノスケールカーボンチューブ100重量部当たり、1000〜1,000,000重量部程度、特に10000〜200,000重量部程度とするのが好ましい。   The reaction is preferably carried out in an inert solvent. Examples of the inert solvent include solvents that dissolve the azide compound and that do not substantially react with the nanoscale carbon tube. Examples thereof include dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone. it can. The amount of the solvent used can be appropriately selected from a wide range, but is usually about 1000 to 1,000,000 parts by weight, particularly about 10,000 to 200,000 parts by weight per 100 parts by weight of the nanoscale carbon tube. preferable.

反応に際しては、上記溶媒にナノスケールカーボンチューブを分散させる。分散は、公知の分散装置、例えば、超音波ホモジナイザー等の装置を用いて行えばよい。次いで、上記一般式(1)で表されるアジド化合物を添加して、反応させる。   In the reaction, the nanoscale carbon tube is dispersed in the solvent. The dispersion may be performed using a known dispersion device such as an ultrasonic homogenizer. Next, the azide compound represented by the general formula (1) is added and reacted.

反応は、酸素の非存在下で行うのが好ましく、アルゴン、チッ素等の不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましい。また、上記溶媒中の溶存酸素についても脱酸素するのが好ましく、例えば、事前に溶媒に上記不活性ガスを吹き込む等の方法で脱酸素しておくと有利である。   The reaction is preferably performed in the absence of oxygen, and is preferably performed in an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen. Moreover, it is preferable to deoxygenate also about the dissolved oxygen in the said solvent, for example, it is advantageous to deoxygenate beforehand, for example by blowing the said inert gas in a solvent.

反応温度は、広い範囲から適宜選択できるが、一般には、80〜150℃程度、特に100〜130℃程度とするのが好ましい。反応時間は、反応温度、アジド化合物の使用量などによっても異なるが、一般には、30分〜200時間程度である。   The reaction temperature can be appropriately selected from a wide range, but in general, it is preferably about 80 to 150 ° C, particularly preferably about 100 to 130 ° C. The reaction time varies depending on the reaction temperature, the amount of azide compound used, etc., but is generally about 30 minutes to 200 hours.

上記反応により、ナノスケールカーボンチューブの側面及び両端に、一般式(1c)   By the above reaction, the general formula (1c)

Figure 0004425083
[式中、X、R1及びR2は、一般式(1)におけると同じ意味を有する。]
で表される基がその窒素原子で結合する。上記一般式(1c)で表される基は、その窒素原子とナノスケールカーボンチューブ表面の炭素原子との間で化学結合(共有結合)を形成して、ナノスケールカーボンチューブ表面に結合している。
Figure 0004425083
[Wherein X, R 1 and R 2 have the same meaning as in general formula (1). ]
The group represented by this is bonded by the nitrogen atom. The group represented by the general formula (1c) is bonded to the nanoscale carbon tube surface by forming a chemical bond (covalent bond) between the nitrogen atom and the carbon atom on the nanoscale carbon tube surface. .

ナノスケールカーボンチューブ表面に結合する上記一般式(1c)で表される基の量は、一般に、一般式(1)で表されるアジド化合物の使用量が増大するに連れて増大する。従って、一般式(1)で表されるアジド化合物の使用量を調整することにより、ナノスケールカーボンチューブ表面に結合する上記一般式(1c)で表される基の量を調整することもできる。   The amount of the group represented by the general formula (1c) bonded to the nanoscale carbon tube surface generally increases as the amount of the azide compound represented by the general formula (1) increases. Therefore, by adjusting the amount of the azide compound represented by the general formula (1), the amount of the group represented by the general formula (1c) bonded to the nanoscale carbon tube surface can be adjusted.

こうして上記一般式(1c)で表される基が結合したナノスケールカーボンチューブを含む反応混合物が得られるが、この連結基が結合したナノスケールカーボンチューブを含む反応混合物は、そのまま引き続きリビングラジカル重合工程に使用してもよく、また、連結基が結合したナノスケールカーボンチューブを公知の単離法により単離してから引き続くリビングラジカル重合工程に使用してもよい。   In this way, a reaction mixture containing the nanoscale carbon tube to which the group represented by the general formula (1c) is bonded is obtained, and the reaction mixture including the nanoscale carbon tube to which the linking group is bonded is continued as it is in the living radical polymerization step. In addition, the nanoscale carbon tube to which the linking group is bonded may be isolated by a known isolation method and then used in the subsequent living radical polymerization step.

<第2工程:リビングラジカル重合工程>
上記一般式(1c)で表される基は、前記のように、リビングラジカル重合のための開始点(開始剤)として機能し、前記モノマーをリビングラジカル重合法により重合させて、ポリマーを成長させることができる。
<Second step: Living radical polymerization step>
As described above, the group represented by the general formula (1c) functions as an initiation point (initiator) for living radical polymerization, and the polymer is grown by living radical polymerization to grow the polymer. be able to.

従って、上記第1工程で得られた、アジド化合物で修飾されたナノスケールカーボンチューブに、前記モノマーをリビングラジカル重合反応させることにより、対応するポリマーをグラフト重合させることができる。   Therefore, the corresponding polymer can be graft-polymerized by conducting a living radical polymerization reaction of the monomer on the nanoscale carbon tube modified with the azide compound obtained in the first step.

リビングラジカル重合反応としては、ATRP(atom transfer radical polymerization)法が使用できる。ATRP法は、分子量分布の狭いポリマーの生成が可能な重合方法であり、リビングアニオン重合法に比し、工業的に有利である。例えば、リビングアニオン重合にあっては、微量の水分等の不純物混入防止の管理が重要であり、当該管理のために操作が煩雑である。これに対して、ATRP法は、通常の脱酸素操作を行う程度で良好な反応が継続できるという簡便さを有し、工業的な製造法として、スケ−ルアップの際にも有利である。   As the living radical polymerization reaction, an atom transfer radical polymerization (ATRP) method can be used. The ATRP method is a polymerization method capable of producing a polymer having a narrow molecular weight distribution, and is industrially advantageous as compared with the living anion polymerization method. For example, in living anionic polymerization, it is important to prevent contamination of impurities such as trace amounts of water, and the operation is complicated for the management. On the other hand, the ATRP method has the convenience that a good reaction can be continued to the extent that a normal deoxygenation operation is performed, and is also advantageous for scale-up as an industrial production method.

一般に、ATRP法においては、開始剤及び触媒の存在下、必要に応じて溶媒を使用し、前記モノマーをリビングラジカル重合させる。本発明のポリマーの重合法としてATRP法を用いる場合、前記一般式(1)で表されるアジド化合物の少なくとも1種で表面修飾したナノスケールカーボンチューブ、即ち、前記一般式(1c)で表される基が側面及び両端に結合したナノスケールカーボンチューブが、開始剤として働く。その結果、ナノスケールカーボンチューブの表面に結合した前記一般式(1c)で表される基を開始点(開始剤)として、リビングラジカル重合が進行し、得られるポリマーによりナノスケールカーボンチューブの側面及び両端を修飾することができる。   In general, in the ATRP method, the monomer is subjected to living radical polymerization in the presence of an initiator and a catalyst, if necessary, using a solvent. When the ATRP method is used as a polymerization method of the polymer of the present invention, a nanoscale carbon tube surface-modified with at least one azide compound represented by the general formula (1), that is, represented by the general formula (1c) A nanoscale carbon tube with a group attached to the side and both ends serves as an initiator. As a result, the living radical polymerization proceeds with the group represented by the general formula (1c) bonded to the surface of the nanoscale carbon tube as an initiation point (initiator), and the resulting polymer causes the side surface of the nanoscale carbon tube and Both ends can be modified.

また、触媒としては、一般的なATRP法の触媒が使用でき、例えば、遷移金属、特に、銅、ニッケル、鉄、ルテニウム等の塩化物及び臭化物が好ましい。ただし、銅は1価のイオン、ニッケル、鉄、およびルテニウムは2価のイオンが用いられる。これら金属触媒は、通常は、有機金属錯体として、または、ビピリジル系やアミン系の化合物を配位子として併用して用いられる。これら触媒のなかでも、塩化第一銅(CuCl)、臭化第一銅(CuBr)、NiBr2(P(n-C4H9)3)2が好ましい。 Moreover, as a catalyst, the catalyst of a general ATRP method can be used, for example, chlorides and bromides, such as transition metals, especially copper, nickel, iron, ruthenium, etc. are preferable. However, monovalent ions are used for copper, and divalent ions are used for nickel, iron, and ruthenium. These metal catalysts are usually used as an organometallic complex or in combination with a bipyridyl or amine compound as a ligand. Among these catalysts, cuprous chloride (CuCl), cuprous bromide (CuBr), and NiBr 2 (P (nC 4 H 9 ) 3 ) 2 are preferable.

また、上記配位子の代表例としては、2,2'−ビピリジル、4,4'−ジ−tert−ブチル−2,2'−ビピリジル、4,4'−ジヘプチル−2,2'−ビピリジル、4,4'−ジ(1−ブチル−ペンチル)−2,2'−ビピリジル、4,4'−ジトリデシル−2,2'−ビピリジル、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン、化合物(3)(即ち、下記式(3)で表される化合物)などが挙げられる。またルテニウム2+錯体を使用する場合は、トリイソプロポキシアルミニウムなどのルイス酸の併用が好ましい。これらの中でも、臭化第一銅及び塩化第一銅からなる群から選ばれる銅系触媒と2,2'−ビピリジルまたは1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミンとを組み合わせた触媒が特に好ましい。   Moreover, as a representative example of the above ligand, 2,2′-bipyridyl, 4,4′-di-tert-butyl-2,2′-bipyridyl, 4,4′-diheptyl-2,2′-bipyridyl 4,4′-di (1-butyl-pentyl) -2,2′-bipyridyl, 4,4′-ditridecyl-2,2′-bipyridyl, 1,1,4,7,10,10-hexamethyl Examples include triethylenetetramine, compound (3) (that is, a compound represented by the following formula (3)), and the like. When a ruthenium 2+ complex is used, a Lewis acid such as triisopropoxyaluminum is preferably used in combination. Among these, a copper-based catalyst selected from the group consisting of cuprous bromide and cuprous chloride and 2,2′-bipyridyl or 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine are used. A combined catalyst is particularly preferred.

Figure 0004425083
特に、本発明では、上記ATRP法によるリビングラジカル重合を、塩化第一銅(CuCl)及び臭化第一銅(CuBr)から選択される触媒及び2,2'−ビピリジル、4,4'−ジ−tert−ブチル−2,2'−ビピリジル、4,4'−ジヘプチル−2,2'−ビピリジル、4,4'−ジ(1−ブチル−ペンチル)−2,2'−ビピリジル、4,4'−ジトリデシル−2,2'−ビピリジル、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン及び上記化合物(3)からなる群から選ばれる少なくとも1種の配位子の存在下で、又は、NiBr2(P(n-C4H9)3)2の存在下で行うのが好ましい。
Figure 0004425083
In particular, in the present invention, the living radical polymerization by the ATRP method is performed using a catalyst selected from cuprous chloride (CuCl) and cuprous bromide (CuBr), and 2,2′-bipyridyl, 4,4′-di -Tert-butyl-2,2'-bipyridyl, 4,4'-diheptyl-2,2'-bipyridyl, 4,4'-di (1-butyl-pentyl) -2,2'-bipyridyl, 4,4 In the presence of at least one ligand selected from the group consisting of '-ditridecyl-2,2'-bipyridyl, 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine and the above compound (3) Or in the presence of NiBr 2 (P (nC 4 H 9 ) 3 ) 2 .

本発明の第2工程であるリビングラジカル重合工程においては、無溶媒で重合を行うことができるが、必要に応じて溶媒を使用することもできる。溶媒の種類は特に限定されないが、原料モノマー及び触媒(又は触媒と配位子とからなる触媒系)を溶解するものが広い範囲から使用できる。なかでも、連鎖移動、不均化等の停止反応を促進しないものが好ましい。かかる溶媒としては、例えば、トルエン、テトラヒドロフラン(THF)、メタノール、水、炭酸エチル等が使用できる。さらに、通常のラジカル重合で連鎖移動剤として作用するもの、例えば、クロロホルム等の他の溶媒も使用可能である。   In the living radical polymerization step, which is the second step of the present invention, polymerization can be carried out without solvent, but a solvent can also be used as necessary. Although the kind of solvent is not specifically limited, what melt | dissolves a raw material monomer and a catalyst (or catalyst system which consists of a catalyst and a ligand) can be used from a wide range. Among them, those that do not promote a stop reaction such as chain transfer and disproportionation are preferable. As such a solvent, for example, toluene, tetrahydrofuran (THF), methanol, water, ethyl carbonate and the like can be used. Furthermore, other solvents that act as chain transfer agents in normal radical polymerization, such as chloroform, can also be used.

本発明においてリビングラジカル重合反応は、第1工程の反応混合物に、又は、前記一般式(1c)で表される基が結合したナノスケールカーボンチューブに、前記モノマー、触媒(又は触媒と配位子とからなる触媒系)及び必要に応じて上記溶媒等を添加して行う。   In the present invention, the living radical polymerization reaction is carried out by using the monomer, catalyst (or catalyst and ligand) on the reaction mixture in the first step or on the nanoscale carbon tube to which the group represented by the general formula (1c) is bonded. And a solvent system as necessary.

モノマーの使用量は、適宜選択すればよいが、一般には、ナノスケールカーボンチューブ1重量部に対して、大過剰、例えば、10〜10,000重量部程度、好ましくは100〜1000重量部程度とすると良好な結果が得られる。   The amount of the monomer used may be selected as appropriate, but in general, it is in large excess with respect to 1 part by weight of the nanoscale carbon tube, for example, about 10 to 10,000 parts by weight, preferably about 100 to 1000 parts by weight Good results are then obtained.

また、触媒の使用量は、広い範囲から適宜選択できるが、一般には、ナノスケールカーボンチューブ1重量部に対して、大過剰、例えば、10〜1000重量部程度、特に50〜200重量部程度とするのが好ましい。   Moreover, although the usage-amount of a catalyst can be suitably selected from a wide range, generally it is large excess with respect to 1 weight part of nanoscale carbon tubes, for example, about 10-1000 weight part, especially about 50-200 weight part. It is preferable to do this.

触媒と配位子とからなる触媒系を使用する場合、一般には、触媒1重量部に対して、配位子を0.1〜10重量部程度、特に0.5〜3重量部程度使用するのが好ましい。   When a catalyst system comprising a catalyst and a ligand is used, generally, about 0.1 to 10 parts by weight, particularly about 0.5 to 3 parts by weight of the ligand is used with respect to 1 part by weight of the catalyst. Is preferred.

溶媒を使用する場合、溶媒の使用量は、広い範囲から適宜選択できるが、一般には、モノマー1重量部に対して、0〜10重量部程度、特に0〜3重量部程度とするのが好ましい。   When the solvent is used, the amount of the solvent used can be appropriately selected from a wide range, but generally it is preferably about 0 to 10 parts by weight, particularly preferably about 0 to 3 parts by weight with respect to 1 part by weight of the monomer. .

反応系は、酸素の不存在下で行うのが好ましく、アルゴン、チッソ、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましい。また、上記溶媒中の溶存酸素についても脱酸素するのが好ましく、例えば、事前に溶媒に上記不活性ガスを吹き込む等の方法で脱酸素しておくと有利である。   The reaction system is preferably carried out in the absence of oxygen, and is preferably carried out in an inert gas atmosphere such as argon, nitrogen and helium. Moreover, it is preferable to deoxygenate also about the dissolved oxygen in the said solvent, for example, it is advantageous to deoxygenate beforehand, for example by blowing the said inert gas in a solvent.

重合反応温度は、広い範囲から適宜選択できるが、モノマーの自発的な反応を抑制する観点から、一般には、15〜90℃程度、特に20〜60℃程度とするのが好ましい。室温程度の低温でも、溶媒として水を用いて、容易に重合が進行する例もある。本発明のリビング重合に要する反応時間は、他の重合条件にもよるが、一般には、0.5〜72時間程度である。   The polymerization reaction temperature can be appropriately selected from a wide range, but is generally about 15 to 90 ° C, particularly preferably about 20 to 60 ° C, from the viewpoint of suppressing the spontaneous reaction of the monomer. There is an example in which polymerization proceeds easily using water as a solvent even at a low temperature of about room temperature. The reaction time required for the living polymerization of the present invention is generally about 0.5 to 72 hours, although it depends on other polymerization conditions.

また、2種以上のモノマーを同時に重合させるとランダム共重合体を生成でき、順次重合させると通常のラジカル重合法では合成困難であったブロック共重合体を生成できる。たとえば、最初にアクリレート類(A)の重合を行い、その後に上記以外の他の単量体(B)の重合を行うと、重合体ブロックAと重合体ブロックBとからなるA−B型のブロック共重合体を生成できる。上記単量体Bの重合に続いて、再度単量体Aの重合を行うと、A−B−A型のブロック共重合体を生成できる。また、単量体A,Bを上記とは逆の順に重合させると、B−A−B型のブロック共重合体を生成できる。上記他の単量体(B)としては、例えば、前記スチレン類を例示できる。   Further, when two or more kinds of monomers are polymerized simultaneously, a random copolymer can be produced, and when polymerized sequentially, a block copolymer that has been difficult to synthesize by a normal radical polymerization method can be produced. For example, when an acrylate (A) is polymerized first, and then a monomer (B) other than the above is polymerized, an AB type consisting of a polymer block A and a polymer block B is obtained. Block copolymers can be produced. When the monomer A is polymerized again following the polymerization of the monomer B, an ABA type block copolymer can be produced. Further, when the monomers A and B are polymerized in the reverse order, a B-A-B type block copolymer can be produced. As said other monomer (B), the said styrene can be illustrated, for example.

こうして、ナノスケールカーボンチューブの側面及び両端に、一般式(1a)   Thus, on the side and both ends of the nanoscale carbon tube, the general formula (1a)

Figure 0004425083
[式中、R1及びR2は、一般式(1)におけると同じ意味を有し、R3は、(メタ)アクリレート及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーのリビングラジカル重合体を示す。]
で表される修飾基が結合した本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブないしポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料を含有する反応混合物を得る。
Figure 0004425083
[Wherein R 1 and R 2 have the same meaning as in general formula (1), and R 3 represents the living radical weight of at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes. Indicates coalescence. ]
A reaction mixture containing the polymer-modified nanoscale carbon tube or polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention to which a modifying group represented by formula (1) is bonded is obtained.

こうして得られた反応混合物から本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブないしポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料を単離するには、各種の方法が使用できる。例えば、上記反応混合物に、使用したモノマーを溶解し得る溶媒、例えば、トルエン、キシレン、ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン等の有機溶媒を過剰量加えて希釈し、この希釈液を濾過すればよい。必要であれば、この希釈及び濾過の操作を繰り返してもよい。本発明では、ナノスケールカーボンチューブの大きさに対して十分小さい細孔サイズを有するフィルターで濾過することによって、触媒、未反応モノマー、反応溶媒、配位子等を除去することができ、これにより目的生成物を単離できる。   Various methods can be used to isolate the polymer-modified nanoscale carbon tube or polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention from the reaction mixture thus obtained. For example, a solvent capable of dissolving the used monomer, for example, an organic solvent such as toluene, xylene, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone and the like is added to the reaction mixture to dilute, and the diluted solution may be filtered. If necessary, this dilution and filtration operation may be repeated. In the present invention, the catalyst, unreacted monomer, reaction solvent, ligand, etc. can be removed by filtering with a filter having a pore size sufficiently small with respect to the size of the nanoscale carbon tube. The desired product can be isolated.

本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブないしポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料
本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブは、ナノスケールカーボンチューブの側面及び両端に、前記一般式(1a)で表される修飾基が結合していることを特徴とする。
Polymer-modified nanoscale carbon tube or polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention The polymer-modified nanoscale carbon tube of the present invention is modified on the side and both ends of the nanoscale carbon tube by the general formula (1a). It is characterized in that the groups are bonded.

本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブにおいて、ナノスケールカーボンチューブ表面に結合している前記一般式(1a)で表される修飾基の量は、本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブの5〜50重量%、特に10〜40重量%である。   In the polymer-modified nanoscale carbon tube of the present invention, the amount of the modifying group represented by the general formula (1a) bonded to the surface of the nanoscale carbon tube is 5 to 50 of the polymer-modified nanoscale carbon tube of the present invention. % By weight, in particular 10 to 40% by weight.

前記一般式(1a)中のR3は、(メタ)アクリレート及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーをリビングラジカル重合させてなる基(ポリマー鎖)を示す。即ち、R3は、該モノマーが前記リビングラジカル重合により成長したポリマー鎖からなる基である。かかるポリマー鎖の例としては、前記(メタ)アクリレート及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のポリマー又はコポリマーであり、具体的には、アクリレート類のホモポリマー及びコポリマー、スチレン類のホモポリマー及びコポリマー、アクリレート類とスチレン類とのランダム共重合体、アクリレート類からなるブロックとスチレン類からなるブロックとからなるブロック共重合体等が挙げられる。 R 3 in the general formula (1a) represents a group (polymer chain) obtained by living radical polymerization of at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes. That is, R 3 is a group composed of a polymer chain in which the monomer is grown by the living radical polymerization. Examples of such polymer chains are at least one polymer or copolymer selected from the group consisting of the (meth) acrylates and styrenes. Specifically, homopolymers and copolymers of acrylates, homopolymers of styrenes And a copolymer, a random copolymer of acrylates and styrene, a block copolymer composed of a block composed of acrylates and a block composed of styrenes, and the like.

また、本発明は、ナノスケールカーボンチューブの側面及び両端に前記一般式(1b)で表される連結基の窒素原子が結合しており、更に該一般式(1b)で表される連結基の基R1、基R2及びメチル基が結合している炭素原子に、(メタ)アクリレート類及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーがリビングラジカル重合法によりグラフト重合されていることを特徴とするポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料を提供するものである。 In the present invention, the nitrogen atom of the linking group represented by the general formula (1b) is bonded to the side surface and both ends of the nanoscale carbon tube, and the linking group represented by the general formula (1b) At least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes is graft-polymerized by a living radical polymerization method to the carbon atom to which the group R 1 , the group R 2 and the methyl group are bonded. A polymer-nanoscale carbon tube composite material is provided.

本発明のポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料において、ナノスケールカーボンチューブ表面に結合している一般式(1b)で表される連結基と該連結基を開始点としてリビングラジカル重合法によりグラフト重合された、(メタ)アクリレート類及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーからなるポリマーの合計量は、本発明のポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料の5〜50重量%、特に10〜40重量%である。   In the polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention, the linking group represented by the general formula (1b) bonded to the nanoscale carbon tube surface is graft-polymerized by a living radical polymerization method starting from the linking group. The total amount of the polymer comprising at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes is 5 to 50% by weight of the polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention, particularly 10 to 10%. 40% by weight.

本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ、ポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料は、ナノスケールカーボンチューブに、前記リビングラジカル重合法により成長した重合体が、前記一般式(1b)で表される連結基を介して結合(グラフト重合)しているという点で、前記非特許文献6に記載の複合材料とは明確に異なる新規な材料である。   In the polymer-modified nanoscale carbon tube and polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention, a polymer grown on the nanoscale carbon tube by the living radical polymerization method is a linking group represented by the general formula (1b). It is a novel material that is clearly different from the composite material described in Non-Patent Document 6 in that it is bonded (graft polymerization) via a polymer.

また、前記非特許文献7に記載のポリマー修飾多層カーボンナノチューブと比べると、本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ、ポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料は、連結基の構造において全く異なっている。   In addition, compared with the polymer-modified multi-walled carbon nanotube described in Non-Patent Document 7, the polymer-modified nanoscale carbon tube and the polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention are completely different in the structure of the linking group.

また、本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ、ポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料は、前記非特許文献8に記載の材料と対比しても、連結基の構造において、明確に異なっている。   Further, the polymer-modified nanoscale carbon tube and polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention are clearly different in the structure of the linking group even when compared with the material described in Non-Patent Document 8.

本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ、ポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料は、溶媒、樹脂等の媒体に対する親和性が劇的に向上しており、これら媒体への均一分散が極めて容易であり、また、ナノスケールカーボンチューブが該媒体中で沈殿したり、相分離したりすることが実質上ないという利点を有する。このような優れた分散性ないし分散安定性は、本発明のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブないしポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料に固有の性質である。   The polymer-modified nanoscale carbon tube and polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention has dramatically improved affinity for a medium such as a solvent and a resin, and uniform dispersion in these medium is extremely easy. In addition, there is an advantage that the nanoscale carbon tube is not substantially precipitated or phase-separated in the medium. Such excellent dispersibility or dispersion stability is an intrinsic property of the polymer-modified nanoscale carbon tube or polymer-nanoscale carbon tube composite material of the present invention.

以下に参考例(ナノスケールカーボンチューブの製造例)、実施例および比較例を示して本発明の特徴とするところをより一層明確にするが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。   Reference examples (manufacturing examples of nanoscale carbon tubes), examples and comparative examples are shown below to further clarify the features of the present invention. However, the present invention is not limited to these examples. Absent.

参考例1
アモルファスナノスケールカーボンナノチューブの製造
アモルファスナノスケールカーボンナノチューブは以下に示す方法で作製した:
60μm×10mm×10mmのPTFEフィルムに無水塩化鉄粉末(粒径500μm以下)10mgを均一に振りかけた後、プラズマ励起した。プラズマ励起の条件は、以下の通りであった:
雰囲気 :アルゴン(Ar)
内圧 :0.01torr
投入電力 :300W
RF周波数:13.56MHz。
Reference example 1
Production of amorphous nanoscale carbon nanotubes Amorphous nanoscale carbon nanotubes were prepared by the following method:
10 mg of anhydrous iron chloride powder (particle size of 500 μm or less) was uniformly sprinkled onto a 60 μm × 10 mm × 10 mm PTFE film, and then plasma-excited. Plasma excitation conditions were as follows:
Atmosphere: Argon (Ar)
Internal pressure: 0.01 torr
Input power: 300W
RF frequency: 13.56 MHz.

反応終了後、アモルファスナノスケールカーボンチューブ(外径;10〜60nm、長さ;5〜6μm)が形成されたことを、走査電子顕微鏡(SEM)およびX線回折により確認した。   After completion of the reaction, it was confirmed by a scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction that an amorphous nanoscale carbon tube (outer diameter: 10-60 nm, length: 5-6 μm) was formed.

また、得られたアモルファスナノスケールカーボンチューブのX線回折角度(2θ)は19.1度であり、それから計算される炭素網平面間隔(d002)は4.6Å、2θのバンドの半値幅は8.1度であった。   The obtained amorphous nanoscale carbon tube has an X-ray diffraction angle (2θ) of 19.1 degrees, and the calculated carbon network plane spacing (d002) is 4.6 mm, and the half-width of the band of 2θ is 8 It was 1 degree.

参考例2
原料としてトルエンを用い、触媒として塩化第2鉄を用い、特開2002−338220号に記載の方法に従って反応を行うことにより、炭化鉄がナノフレークカーボンチューブのチューブ内空間部に部分的に内包された鉄−炭素複合体を含む炭素質材料を得た。
Reference example 2
By using toluene as a raw material and ferric chloride as a catalyst and performing a reaction according to the method described in JP-A-2002-338220, iron carbide is partially included in the inner space of the nanoflake carbon tube. A carbonaceous material containing an iron-carbon composite was obtained.

得られた鉄−炭素複合体は、SEM観察の結果から、外径20〜100nm、長さ1〜10ミクロンで直線性の高いものであった。また、炭素からなる壁部の厚さは、5〜40nmであり、全長に亘って実質的に均一であった。該壁部は、TEM観察において、その炭素壁面が、入れ子状でもスクロール状でもなく、パッチワーク状(いわゆる paper mache 状ないし張り子状)になっているように見え、また、X線回折法から炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するナノフレークカーボンチューブであることを確認した。また、X線回折、EDXにより、上記本発明の鉄−炭素複合体には炭化鉄が内包されていることを確認した。   The obtained iron-carbon composite was highly linear with an outer diameter of 20 to 100 nm and a length of 1 to 10 microns from the result of SEM observation. Moreover, the thickness of the wall part which consists of carbon was 5-40 nm, and was substantially uniform over the full length. In TEM observation, the wall surface appears to be a patchwork shape (so-called paper mache shape or cord shape), not a nested shape or a scroll shape. It was confirmed that the nanoflake carbon tube had a graphite structure with an average distance (d002) between the mesh surfaces of 0.34 nm or less. Further, it was confirmed by X-ray diffraction and EDX that the iron-carbon composite of the present invention contained iron carbide.

得られた本発明の炭素質材料を構成する多数の鉄−炭素複合体を含む炭素質材料を電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、ナノフレークカーボンチューブの空間部(即ち、ナノフレークカーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)への炭化鉄の充填率が20〜60%の範囲の種々の充填率を有する鉄−炭素複合体が混在していた。   When the carbonaceous material containing many iron-carbon composites which comprise the obtained carbonaceous material of this invention was observed with the electron microscope (TEM), the space part (namely, nanoflake carbon tube of a nanoflake carbon tube) was observed. Iron-carbon composites having various filling rates in the range of 20 to 60% filling rate of iron carbide in the space surrounded by the tube wall were mixed.

該多数の鉄−炭素複合体のナノフレークカーボンチューブ内空間部への炭化鉄のTEM観察像の複数の視野を観察して算出した平均充填率は30%であった。また、X線回折から算出されたR値は、0.57であった。   The average filling factor calculated by observing a plurality of fields of view of the TEM observation image of iron carbide into the space in the nano flake carbon tube of the large number of iron-carbon composites was 30%. The R value calculated from X-ray diffraction was 0.57.

実施例1
2−ブロモイソ酪酸10.9g、トリエチルアミン7.26g及びアセトン約30gからなる溶液中に、クロロ炭酸エチル7.15gを約30gのアセトンに溶解させた溶液を、氷冷下、滴下して反応させ、活性な中間体(酸クロライド)を得た。
Example 1
In a solution consisting of 10.9 g of 2-bromoisobutyric acid, 7.26 g of triethylamine and about 30 g of acetone, a solution prepared by dissolving 7.15 g of ethyl chlorocarbonate in about 30 g of acetone was added dropwise under ice cooling to react. An active intermediate (acid chloride) was obtained.

得られた反応混合物に、次いで、アジ化ナトリウム6.74gを水30gに溶解してなる溶液を、撹拌下、室温で30分程度を要して滴下した。   Next, a solution obtained by dissolving 6.74 g of sodium azide in 30 g of water was dropped into the obtained reaction mixture at room temperature for about 30 minutes with stirring.

得られたアジド化合物を含む反応混合物に、水と酢酸エチルを添加し、目的物を有機層に抽出した。酢酸エチル層をロータリーエバポレータを用いて全量の20%程度まで濃縮し、この濃縮液を下記の実施例2においてそのまま使用した。   Water and ethyl acetate were added to the reaction mixture containing the obtained azide compound, and the target product was extracted into an organic layer. The ethyl acetate layer was concentrated to about 20% of the total amount using a rotary evaporator, and this concentrated solution was used as it was in Example 2 below.

なお、該濃縮液の一部をサンプリングして、生成物の構造を、1H-NMR、IR及び元素分析により分析した。1H-NMRにおいて、δ=1.95ppmにシングレットピークが観察された。また、IR分析において、2100cm-1にアジド基特有の吸収が見られた。これら分析結果より、得られたアジド化合物は、一般式(1)において、R1=メチル基、R2=カルボニル基、X=Brである化合物であることを確認した。 A part of the concentrated solution was sampled, and the structure of the product was analyzed by 1 H-NMR, IR, and elemental analysis. In 1 H-NMR, a singlet peak was observed at δ = 1.95 ppm. Further, in the IR analysis, absorption specific to the azide group was observed at 2100 cm −1 . From these analysis results, it was confirmed that the obtained azide compound was a compound in which R 1 = methyl group, R 2 = carbonyl group, and X = Br in the general formula (1).

実施例2
(1) 第1工程:アジド化合物での修飾工程
容量100mlの丸底フラスコに、上記参考例2と同様にして得られた鉄−炭素複合体(炭化鉄を部分内包しているナノフレークカーボンチューブ)35mgおよびジメチルホルムアミド(DMF)23.2gを仕込み、超音波ホモジナイザーを用いて予備分散をおこなった。その後、得られた分散液にアルゴンガスを吹き込み、脱酸素した。得られた分散液にアルゴンガスを吹き込んで脱酸素し、次いで、上記実施例1で得たアジド化合物含有濃縮液(アジド化合物を0.141g含有)を添加し、撹拌下、バス温度130℃まで昇温した。同温度で撹拌を2日間行った。
Example 2
(1) First step: Modification step with an azide compound An iron-carbon composite (a nanoflake carbon tube partially encapsulating iron carbide) obtained in the same manner as in Reference Example 2 above in a 100 ml round bottom flask ) 35 mg and 23.2 g of dimethylformamide (DMF) were charged, and preliminary dispersion was performed using an ultrasonic homogenizer. Thereafter, argon gas was blown into the obtained dispersion to deoxygenate. The resulting dispersion was deoxygenated by blowing argon gas, and then the azide compound-containing concentrate obtained in Example 1 (containing 0.141 g of azide compound) was added, and the bath temperature was increased to 130 ° C. with stirring. The temperature rose. Stirring was carried out at the same temperature for 2 days.

得られた反応混合物を、0.2μmPTFEフィルターで濾過し、DMFで十分洗浄した。   The resulting reaction mixture was filtered through a 0.2 μm PTFE filter and washed thoroughly with DMF.

(2) 第2工程:リビングラジカル重合工程(ATRP法)
容量100mlの丸底フラスコに、上記第1工程で得られたアジド化合物修飾鉄−炭素複合体全量及びスチレン20gを仕込み、系内にアルゴンガスを吹き込んで脱酸素し、直ちに、ニッケル触媒としてNiBr2(P(n-C4H9)3)22.9gを添加し、バス温度100℃まで昇温して同温度で4時間撹拌した。
(2) Second step: Living radical polymerization step (ATRP method)
A 100 ml round bottom flask was charged with the total amount of the azide compound-modified iron-carbon composite obtained in the first step and 20 g of styrene, and deoxygenated by blowing argon gas into the system, and immediately using NiBr 2 as a nickel catalyst. (P (nC 4 H 9 ) 3 ) 2 ( 2.9 g) was added, the bath temperature was raised to 100 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 4 hours.

得られた反応混合物を大量のトルエンで希釈し、希釈液を0.2μmPTFEフィルターを用いて濾過し、トルエンで十分洗浄し、減圧乾燥機を用いて60℃、1日間乾燥した。こうして、実施例1で得たアジド化合物で修飾され、更にスチレンをリビングラジカル重合によりグラフトさせた鉄−炭素複合体を得た。   The obtained reaction mixture was diluted with a large amount of toluene, the diluted solution was filtered using a 0.2 μm PTFE filter, sufficiently washed with toluene, and dried at 60 ° C. for 1 day using a vacuum dryer. Thus, an iron-carbon composite modified with the azide compound obtained in Example 1 and further grafted with styrene by living radical polymerization was obtained.

得られたポリスチレンで修飾された鉄−炭素複合体の熱分析結果を下記に示す。即ち、上記ポリスチレンをグラフト重合させることにより修飾した鉄−炭素複合体と、未修飾品(本実施例2で原料として使用した鉄−炭素複合体そのもの)の熱分析(TG−DTA)を行い、ポリマーによる修飾率(ポリマーの存在割合)を決定した。熱分析は、昇温速度10℃/分で室温から900℃まで昇温する間に減少した重量を測定した。ポリスチレンをグラフト重合して修飾した鉄−炭素複合体は、約70%重量減少した。一方、未修飾品は約55%重量減少した。この結果から、グラフト重合により結合されたポリスチレン及びアジド化合物由来の連結基の合計量は、ポリスチレンで修飾された鉄−炭素複合体全量の約15重量%であることが判った。   The thermal analysis result of the obtained polystyrene-modified iron-carbon composite is shown below. That is, the thermal analysis (TG-DTA) of the iron-carbon composite modified by graft polymerization of the polystyrene and the unmodified product (the iron-carbon composite itself used as a raw material in Example 2) was performed. The modification rate by the polymer (the proportion of the polymer present) was determined. In the thermal analysis, the weight decreased while the temperature was increased from room temperature to 900 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min was measured. The iron-carbon composite modified by graft polymerization of polystyrene lost about 70% by weight. On the other hand, the unmodified product lost about 55% in weight. From this result, it was found that the total amount of the linking group derived from the polystyrene and the azide compound bonded by graft polymerization was about 15% by weight of the total amount of the iron-carbon complex modified with polystyrene.

また、得られた本発明のポリスチレン修飾鉄−炭素複合体は、トルエンに良く分散し、分散安定性が優れていた(後記試験例1参照)。   Moreover, the obtained polystyrene-modified iron-carbon composite of the present invention was well dispersed in toluene and was excellent in dispersion stability (see Test Example 1 below).

比較例1
従来技術における代表的なカーボンナノチューブの化学修飾法であるジアゾニウム法(前記非特許文献4、J.M. Tour, et al., Mancomolecules 35, 8825(2002))を、実施例2で原料として用いたナノスケールカーボンチューブ(鉄−炭素複合体、すなわち、炭化鉄を部分内包しているナノフレークカーボンチューブ)に適用した。より詳しくは、下記の通りである。
Comparative Example 1
Nanoscale using the diazonium method (Non-Patent Document 4, JM Tour, et al., Mancomolecules 35, 8825 (2002)), which is a typical carbon nanotube chemical modification method in the prior art, as a raw material in Example 2. This was applied to a carbon tube (an iron-carbon composite, that is, a nanoflake carbon tube partially containing iron carbide). More details are as follows.

(1)p-アミノ安息香酸エステルの合成
還流管付き丸底フラスコ(容量500ml)に、tert-ブチルアルコール11.0gを入れ、次にジクロロメタン約200gとピリジン12.8gを添加し、溶解させた。得られた溶液に、p-ニトロ安息香酸クロライド25gを徐々に加え、その後バス温度60℃で1日間反応を続けた。得られた反応混合物をジクロロメタンで希釈後、純水、希塩酸さらに重曹飽和水溶液で洗浄した。再結晶は、ヘキサンで行った。
(1) Synthesis of p-aminobenzoic acid ester In a round bottom flask with a reflux tube (capacity 500 ml), 11.0 g of tert-butyl alcohol was added, and then about 200 g of dichloromethane and 12.8 g of pyridine were added and dissolved. To the resulting solution, 25 g of p-nitrobenzoic acid chloride was gradually added, and then the reaction was continued at a bath temperature of 60 ° C. for 1 day. The resulting reaction mixture was diluted with dichloromethane and then washed with pure water, dilute hydrochloric acid and a saturated aqueous sodium bicarbonate solution. Recrystallization was performed with hexane.

得られた精製品18.32gをエタノール約400mLに溶解後、触媒としてパラジウム担持炭素2gを分散し、水素約5.6Lを添加した。計算量の水素を反応させた後、触媒を除去し、乾燥し、粗製品を得た。再結晶は、ヘキサン/酢酸エチルで行った。   After dissolving 18.32 g of the obtained purified product in about 400 mL of ethanol, 2 g of palladium-supported carbon was dispersed as a catalyst, and about 5.6 L of hydrogen was added. After reacting the calculated amount of hydrogen, the catalyst was removed and dried to obtain a crude product. Recrystallization was performed with hexane / ethyl acetate.

1H-NMRにおいて、tert-ブチル基に由来するシグナル及び芳香環に由来するシグナルが測定されたことから、生成物がp−アミノ安息香酸tert-ブチルであることを確認した。 In 1 H-NMR, a signal derived from a tert-butyl group and a signal derived from an aromatic ring were measured, so that the product was confirmed to be tert-butyl p-aminobenzoate.

(2) 修飾反応
丸底フラスコにジクロロベンゼン75mLとテトラヒドロフラン(THF)15mLとの混合溶媒に、上記参考例2と同様にして得られた鉄−炭素複合体50mgを加え、超音波ホモジナイザーで分散を促進した。その後、アルゴンガスを吹き込んで脱酸素し、p-アミノ安息香酸tert-ブチルエステル8.59gと亜硝酸イソアミル0.9gを添加し、昇温してバス温約55〜60℃で約2日反応を続けた。
(2) Modification reaction Add 50 mg of the iron-carbon complex obtained in the same manner as in Reference Example 2 above to a mixed solvent of 75 mL of dichlorobenzene and 15 mL of tetrahydrofuran (THF) in a round bottom flask, and disperse with an ultrasonic homogenizer. Promoted. Then, argon gas was blown to deoxygenate, p-aminobenzoic acid tert-butyl ester 8.59 g and isoamyl nitrite 0.9 g were added, and the reaction was continued for about 2 days at a bath temperature of about 55-60 ° C. It was.

反応終了後、0.2μポリテトラフロオロエチレン(PTFE)製フィルターで、生成物を濾取し、DMFで洗浄を繰り返し、乾燥して精製品を得た。   After completion of the reaction, the product was collected by filtration with a 0.2 μ polytetrafluoroethylene (PTFE) filter, washed repeatedly with DMF, and dried to obtain a purified product.

試験例1
溶媒に対する分散安定性の評価
R. Yerushalmi-Rosen, et al., Nano Lett. 2(1)25(2002)に記載の手法に従い、上記実施例2及び比較例1で得られた修飾された鉄−炭素複合体(炭化鉄が部分内包されたナノフレークカーボンチューブ)及び無修飾の鉄−炭素複合体のトルエンに対する分散性を評価した。
Test example 1
Evaluation of dispersion stability in solvents
According to the method described in R. Yerushalmi-Rosen, et al., Nano Lett. 2 (1) 25 (2002), the modified iron-carbon composite (iron carbide) obtained in Example 2 and Comparative Example 1 was used. The dispersibility of toluene in the non-modified iron-carbon composite was evaluated.

トルエン100gに、実施例2および比較例1で得られた修飾鉄−炭素複合体又は無修飾の鉄−炭素複合体0.2gを添加し、超音波ホモジナイザー(超音波照射条件:周波数=20kHz、150ワット、照射時間=3分間)で十分混合した。得られた混合液を遠心分離機を用いて4,000回転/分(3130g)で20分間処理した。その後、混合液を取り出し、その様子を観察した。   To 100 g of toluene, 0.2 g of the modified iron-carbon composite or unmodified iron-carbon composite obtained in Example 2 and Comparative Example 1 was added, and an ultrasonic homogenizer (ultrasonic irradiation condition: frequency = 20 kHz, 150 (Watt, irradiation time = 3 minutes). The resulting mixed solution was treated at 4,000 rpm (3130 g) for 20 minutes using a centrifuge. Then, the liquid mixture was taken out and the state was observed.

評価に用いた修飾又は無修飾ナノスケールカーボンチューブのトルエンに対する分散性が優れている場合、遠心分離処理後も、混合液は、ナノスケールカーボンチューブの黒色を呈する。一方、トルエンに対する分散性が低い場合、遠心分離処理後は、上澄み液中のナノスケールカーボンチューブの量が少ないか、または存在しない。   When the modified or unmodified nanoscale carbon tube used for evaluation has excellent dispersibility in toluene, the mixed solution exhibits the black color of the nanoscale carbon tube even after the centrifugal separation treatment. On the other hand, when the dispersibility with respect to toluene is low, the amount of nanoscale carbon tubes in the supernatant liquid is small or absent after the centrifugation treatment.

実施例2で得た修飾ナノスケールカーボンチューブをトルエンに分散させた分散液は、遠心分離処理後も、当該分散液全体が当初の黒色を維持しており、分散液中に修飾ナノスケールカーボンチューブが実質上沈殿することなく多量に存在しており、沈殿は、ごく少量しか認められなかった。また、遠心分離後の分散液は、3ヶ月放置した後も、同様に当初の黒色を維持していた。   The dispersion obtained by dispersing the modified nanoscale carbon tube obtained in Example 2 in toluene maintains the original black color even after the centrifugal treatment, and the modified nanoscale carbon tube is contained in the dispersion. Was present in a large amount without substantial precipitation, and only a very small amount of precipitation was observed. Moreover, the dispersion liquid after centrifugation maintained the original black color even after being left for 3 months.

一方、比較例1で得た修飾ナノスケールカーボンチューブをトルエンに分散させた分散液は、遠心分離処理後は、上澄み液がほとんど無色透明となり、大量の沈殿が遠心分離用ビーカーの底部に認められたことから、上澄み液中に修飾ナノスケールカーボンチューブが殆ど存在しないことが明らかであった。   On the other hand, in the dispersion obtained by dispersing the modified nanoscale carbon tube obtained in Comparative Example 1 in toluene, the supernatant is almost colorless and transparent after centrifugation, and a large amount of precipitate is observed at the bottom of the centrifuge beaker. From this, it was clear that there was almost no modified nanoscale carbon tube in the supernatant.

また、無修飾のナノスケールカーボンチューブ(実施例2で原料として使用した鉄−炭素複合体そのもの)も、比較例1と同様に遠心分離処理後は、上澄み液中に殆ど存在しなかった。   Further, the unmodified nanoscale carbon tube (the iron-carbon composite itself used as a raw material in Example 2) was hardly present in the supernatant after the centrifugation treatment as in Comparative Example 1.

上記結果から明らかなように、本発明のポリスチレン修飾鉄−炭素複合体は、非特許文献4の方法で修飾した鉄−炭素複合体(比較例1)およびポリマーで修飾していない鉄−炭素複合体そのものに比し、遙かに分散性及び分散安定性において優れていることが判る。   As is clear from the above results, the polystyrene-modified iron-carbon composite of the present invention includes an iron-carbon composite modified by the method of Non-Patent Document 4 (Comparative Example 1) and an iron-carbon composite not modified with a polymer. It can be seen that the dispersibility and dispersion stability are far superior to the body itself.

特開2002−338220号の実施例1で得られた炭素質材料を構成する鉄−炭素複合体1本の電子顕微鏡(TEM)写真である。It is an electron microscope (TEM) photograph of one iron-carbon complex which comprises the carbonaceous material obtained in Example 1 of Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-338220. 特開2002−338220号の実施例1で得られた炭素質材料における鉄−炭素複合体の存在状態を示す電子顕微鏡(TEM)写真である。It is an electron microscope (TEM) photograph which shows the presence state of the iron-carbon composite in the carbonaceous material obtained in Example 1 of Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-338220. 特開2002−338220号の実施例1で得られた鉄−炭素複合体1本を輪切状にした電子顕微鏡(TEM)写真である。尚、図3の写真中に示されている黒三角(▲)は、組成分析のためのEDX測定ポイントを示している。It is the electron microscope (TEM) photograph which made one iron-carbon composite_body | complex obtained in Example 1 of Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-338220 into the shape of a ring. In addition, the black triangle ((triangle | delta)) shown in the photograph of FIG. 3 has shown the EDX measurement point for a composition analysis. カーボンチューブのTEM像の模式図を示し、(a-1)は、円柱状のナノフレークカーボンチューブのTEM像の模式図であり、(a-2)は入れ子構造の多層カーボンナノチューブのTEM像の模式図である。A schematic diagram of a TEM image of a carbon tube is shown, (a-1) is a schematic diagram of a TEM image of a cylindrical nanoflake carbon tube, and (a-2) is a TEM image of a nested multi-wall carbon nanotube. It is a schematic diagram.

符号の説明Explanation of symbols

100 ナノフレークカーボンチューブの長手方向のTEM像
110 略直線状のグラフェンシート像
200 ナノフレークカーボンチューブの長手方向にほぼ垂直な断面のTEM像
210 弧状グラフェンシート像
300 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの長手方向の全長にわたって連続する直線状グラフェンシート像
400 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの長手方向に垂直な断面のTEM像
100 TEM image in the longitudinal direction of the nano flake carbon tube 110 Approximate linear graphene sheet image 200 TEM image in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction of the nano flake carbon tube 210 Arc-shaped graphene sheet image 300 Longitudinal direction of the multi-layered carbon nanotube in a nested structure Straight graphene sheet image continuous over the entire length of 400 TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of a nested multi-walled carbon nanotube

Claims (9)

下記一般式(1a)
Figure 0004425083
[式中、
R1は、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を示し、
R2は、式(p)
Figure 0004425083
で表される基を示し、
R3は、(メタ)アクリレート及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーの重合体を示す。]
で表される少なくとも1種の修飾基が、ナノスケールカーボンチューブの側面及び両端に結合していることを特徴とするポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ。
The following general formula (1a)
Figure 0004425083
[Where:
R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,
R 2 is the formula (p)
Figure 0004425083
Represents a group represented by
R 3 represents a polymer of at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes. ]
A polymer-modified nanoscale carbon tube, wherein at least one modification group represented by the formula (1) is bonded to the side surface and both ends of the nanoscale carbon tube.
ナノスケールカーボンチューブが、
(i)単層カーボンナノチューブ、
(ii)アモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(iii)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ、又は
(iv)上記(iii)のカーボンチューブと炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体
である請求項1に記載のポリマー修飾ナノスケールカーボンチューブ。
Nanoscale carbon tube
(I) single-walled carbon nanotubes,
(Ii) amorphous nanoscale carbon tube,
(Iii) a carbon tube selected from the group consisting of nano-flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, or (iv) the carbon tube of (iii) above and iron carbide or iron, and the inner space of the carbon tube iron 10 to 90% of the section iron or iron carbide is filled - polymer-modified nanoscale carbon tubes according to claim 1 is a carbon composite.
(a)ナノスケールカーボンチューブの側面及び両端に、(b)下記一般式(1b)
Figure 0004425083
[式中、
R1は、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を示し、
R2は、式(p)
Figure 0004425083
で表される基を示す。]
で表される少なくとも1種の連結基がその窒素原子で結合しており、上記一般式(1b)で表される連結基の基R1、基R2及びメチル基が結合している炭素原子に、(メタ)アクリレート類及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーがリビングラジカル重合法によりグラフト重合されていることを特徴とするポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料。
(A) On the side and both ends of the nanoscale carbon tube, (b) the following general formula (1b)
Figure 0004425083
[Where:
R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,
R 2 is the formula (p)
Figure 0004425083
The group represented by these is shown. ]
A carbon atom to which at least one linking group represented by general formula (1b) is bonded to the group R 1 , the group R 2 and the methyl group. A polymer-nanoscale carbon tube composite material, wherein at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes is graft-polymerized by a living radical polymerization method.
ナノスケールカーボンチューブが、
(i)単層カーボンナノチューブ、
(ii)アモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(iii)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ、又は
(iv)上記(iii)のカーボンチューブと炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体
である請求項に記載のポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料。
Nanoscale carbon tube
(I) single-walled carbon nanotubes,
(Ii) amorphous nanoscale carbon tube,
(Iii) a carbon tube selected from the group consisting of nano-flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, or (iv) the carbon tube of (iii) above and iron carbide or iron, and the inner space of the carbon tube The polymer-nanoscale carbon tube composite material according to claim 3 , which is an iron-carbon composite in which iron carbide or iron is filled in a range of 10 to 90% of the part.
ナノスケールカーボンチューブと、一般式(1)
Figure 0004425083
[式中、
Xは、ハロゲン原子を示し、
R1は、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を示し、
R2は、式(p)
Figure 0004425083
で表される基を示す。]
で表されるアジド化合物の少なくとも1種とを反応させ、得られた反応生成物に、(メタ)アクリレート及びスチレン類からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーをリビングラジカル重合法でグラフト重合させることを特徴とするポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料の製造方法。
Nanoscale carbon tube and general formula (1)
Figure 0004425083
[Where:
X represents a halogen atom,
R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,
R 2 is the formula (p)
Figure 0004425083
The group represented by these is shown. ]
And at least one monomer selected from the group consisting of (meth) acrylates and styrenes is graft-polymerized by a living radical polymerization method to the obtained reaction product. A method for producing a polymer-nanoscale carbon tube composite material.
ナノスケールカーボンチューブが、
(i)単層カーボンナノチューブ、
(ii)アモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(iii)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ、又は
(iv)上記(iii)のカーボンチューブと炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体
である請求項に記載の製造方法。
Nanoscale carbon tube
(I) single-walled carbon nanotubes,
(Ii) amorphous nanoscale carbon tube,
(Iii) a carbon tube selected from the group consisting of nano-flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, or (iv) the carbon tube of (iii) above and iron carbide or iron, and the inner space of the carbon tube The manufacturing method according to claim 5 , which is an iron-carbon composite in which iron carbide or iron is filled in a range of 10 to 90% of the part.
リビングラジカル重合法が、ATRP(Atom Transfer Radical Polymerization)法である請求項に記載の製造方法。 6. The production method according to claim 5 , wherein the living radical polymerization method is an ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization) method. リビングラジカル重合を、塩化第一銅(CuCl)及び臭化第一銅(CuBr)から選択される触媒及び2,2’−ビピリジル、4,4’−ジ−tert−ブチル−2,2’−ビピリジル、4,4’−ジヘプチル−2,2’−ビピリジル、4,4’−ジ(1−ブチル−ペンチル)−2,2’−ビピリジル、4,4’−ジトリデシル−2,2’−ビピリジル、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン及び下記式(3)
Figure 0004425083
で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の配位子の存在下で、又は、NiBr2(P(n-C4H9)3)2の存在下で行う請求項のいずれかに記載の製造方法。
Living radical polymerization is carried out using a catalyst selected from cuprous chloride (CuCl) and cuprous bromide (CuBr) and 2,2′-bipyridyl, 4,4′-di-tert-butyl-2,2′- Bipyridyl, 4,4′-diheptyl-2,2′-bipyridyl, 4,4′-di (1-butyl-pentyl) -2,2′-bipyridyl, 4,4′-ditridecyl-2,2′-bipyridyl 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine and the following formula (3)
Figure 0004425083
At least one in the presence of a ligand selected from in represented by the group consisting of the compounds or any of the claims 5-7 carried out in the presence of NiBr 2 (P (nC 4 H 9) 3) 2 The manufacturing method of crab.
請求項のいずれかに記載の製造方法により得られるポリマー−ナノスケールカーボンチューブ複合材料。 A polymer-nanoscale carbon tube composite material obtained by the production method according to any one of claims 5 to 8 .
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