JP4964447B2 - カーボンナノチューブの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭素電極間でアーク放電を行い、同アーク放電を熱源として炭素電極の炭素を蒸発させることにより大量のカーボンナノチューブを効率的に製造することが可能なカーボンナノチューブの製造装置及び製造方法に関する。

カーボンナノチューブは、炭素６員環が連なったグラファイトを円筒状に丸めた形状を有する物質であり、特異な物性を有していることから、将来的に幅広い技術分野への適用が期待されている注目すべき新素材である。現在、カーボンナノチューブの製造方法としては、アーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等が用いられており、その中でもアーク放電を利用した製造方法では、欠陥が少なく品質の良いカーボンナノチューブが得られることが知られている。

このアーク放電を利用したカーボンナノチューブの製造では、炭素電極間に電力（アークプラズマ電力）を印加してアーク放電を行い、このアーク放電の熱によって雰囲気に存在するアルゴン、ヘリウム等の不活性ガス分子がプラズマ化して高温のアークプラズマを形成し、このアークプラズマの熱エネルギーによって炭素電極（陽極）の炭素を蒸発させる。さらに蒸発した炭素がアークプラズマ中で原子状態になった後、アークプラズマの中心部から低温部に移動して冷却される過程で凝縮することにより、カーボンナノチューブが生成される。

カーボンナノチューブの製造において基本となる反応は、アークプラズマの熱によって炭素電極から蒸発した炭素構造（六方晶系のグラファイト構造）を有する炭素を、高温アークプラズマ中でプラズマイオン状態（原子状態）に分解し、その後、炭素の降温過程で元の前記炭素構造とは異なるカーボンナノチューブの結晶構造に組換えが生じることによりカーボンナノチューブを生成することである。なお、凝縮とは、炭素が、プラズマイオン化した原子状態からカーボンナノチューブの結晶構造への組換えが生じてカーボンナノチューブが生成されることをいう。一般に、このようなアーク放電方式によるカーボンナノチューブの製造では、前述のように品質の良好なカーボンナノチューブが得られるものの、その収率は前記ＣＶＤ法等に比べて非常に低く、大量のカーボンナノチューブを効率的に得ることが難しいという問題があった。

アーク放電方式によるカーボンナノチューブの製造において、例えば特開２００２−２４９３０６号公報（特許文献１）では、その収率を向上させて効率的にカーボンナノチューブを製造するために、支持部材に複数のロッドを取り付けたカーボンナノチューブ捕集部材を炭素電極の周囲に配して、アーク放電によって生成されたカーボンナノチューブをその捕集部材で捕集することに特徴を有するカーボンナノチューブの製造装置が開示されている。

特許文献１によれば、アーク放電法によりカーボンナノチューブを製造する場合、電極の炭素を蒸発させることにより得られる生成物の中には、カーボンナノチューブの他に黒鉛、アモルファスカーボン、触媒金属等の不純物が含まれていることから、この不純物の除去に時間を要するために効率的なカーボンナノチューブの製造を行なうことができないとしている。

このため、特許文献１に記載の前記製造装置を用いることにより、アーク放電により生成されるカーボンナノチューブを高含有率で含む生成物は、炭素電極の周囲に設けた捕集部材によって捕集することができ、その一方で、アーク放電の副産物である黒鉛、アモルファスカーボン、触媒金属等は、このカーボンナノチューブ捕集部材の間を通過して、反応容器の内壁に付着する。従って、アーク放電終了後、捕集部材にからみついて捕集された生成物を回収することによって、高い収率で、効率的にカーボンナノチューブを製造することが可能であるとしている。
特開２００２−２４９３０６号公報

ところで、前記特許文献１等のような従来のアーク放電方式による製造では、製造装置自体が小規模で、炭素電極間に印加するアークプラズマ電力が１０ｋＷ前後と小さく（特許文献１では、７ｋＷ程度）、また、電極間距離は数ミリ程度に設定されている。

このようなアーク放電方式による製造において、カーボンナノチューブの生成量を多くしてカーボンナノチューブの大量生産を実現するためには、炭素電極から蒸発させる炭素の蒸発量を多くし、且つ、その蒸発した炭素から効率的にカーボンナノチューブを生成すれば良く、そのためには、例えば炭素電極からの炭素の蒸発量の拡大、即ち電極表面の炭素蒸発領域の拡大を図ることや、また、蒸発した炭素のプラズマイオン化領域の拡大、即ち炭素のプラズマイオン化を進めるアークプラズマ領域の拡大を図ることが考えられる。

しかし、従来のアーク放電により形成されるアークプラズマにおいては、例えば炭素電極にアーク電流を流すと、その磁気作用によるピンチ効果によってアークプラズマの径が細く絞られてしまい、アークプラズマ領域のコントロールが非常に難しかった。従って、カーボンナノチューブの生成量を増加させるために、炭素電極に流すアークプラズマ電流を単に大きくしても、アークプラズマ領域を大きくすることはできず、このアークプラズマ領域から熱エネルギーを受ける炭素電極の炭素蒸発面を拡大することはできなかった。

更に、アークプラズマ領域が小さい場合は、炭素電極から蒸発した炭素のプラズマイオン化領域も狭く、炭素蒸気がプラズマイオン化する前にアークプラズマ領域からはじき出されて温度が下がってしまうため、イオン化されないまま元の炭素結晶構造に戻るものが多く発生する。このため、カーボンナノチューブの生成効率が低く、大量生産を図ることが難しいという問題があった。

従って、前記特許文献１に記載されているアーク放電方式によるカーボンナノチューブの製造においては、前述のように炭素電極の周囲に捕集部材を設けて、生成されたカーボンナノチューブの収率を向上させたとしても、カーボンナノチューブの生成効率自体がＣＶＤ法等に比べてそもそも低いため、カーボンナノチューブの大量製造には向いてなく、小規模生産にとどまっていた。

更に、従来のカーボンナノチューブの製造装置においては、アークプラズマ領域が小さいために単位エネルギー当りの熱放散係数（アークプラズマ塊の比表面積とみなすこともできる）が大きく、また装置全体の断熱対策が何も施されていない。このため、例えばカーボンナノチューブの生成量を増加させるために、装置の大型化を進めてアークプラズマ電力を増大させたとしても、エネルギー損失が非常に大きく、電力消費効率が悪いため、経済性の低下を招いてしまう。またその結果として、装置を構成する部材や材料の耐熱性及び耐久性が低下するという問題もあった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、本発明の具体的な目的は、従来では達成が困難であった炭素電極における炭素蒸発面の拡大と、蒸発した炭素のプラズマイオン化領域の拡大とを図ることにより、カーボンナノチューブを効率的に大量製造することが可能なカーボンナノチューブの製造装置及び製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明により提供されるカーボンナノチューブの製造装置は、基本的な構成として、密閉された反応容器と、同反応容器内に配されてアーク放電を行なう炭素電極とを備え、前記アーク放電を熱源として前記炭素電極の炭素を蒸発させた後、同蒸発させた炭素を凝縮させることによりカーボンナノチューブを製造する製造装置であって、前記炭素電極は、９７．５ｍｍ以上の電極径を有し、且つ、互いに２００ｍｍ以上離間して配され、前記炭素電極間に広がる所望の広さ領域を取り囲むように配され、且つ、前記所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温して、前記炭素電極間に形成するアークプラズマ領域を拡大する加熱・保温手段を更に備え、前記加熱・保温手段の発熱部有効長さは、前記炭素電極間の電極間距離の大きさに等しく設定されてなることを最も主要な特徴とするものである。

また、本発明におけるカーボンナノチューブの製造装置では、前記加熱・保温手段が、電気抵抗加熱ヒータで構成されていることが好ましい。
更に、本発明の製造装置において、前記加熱・保温手段は、前記所望の広さ領域を１５００℃以上の温度に加熱又は保温してなることが好ましい。

また、本発明の製造装置においては、前記反応容器の内面に耐火断熱材が設けられていることが好ましい。

本発明に係るカーボンナノチューブの製造装置は、炭素電極間に広がる所望の広さ領域を取り囲むように配された加熱・保温手段を備えており、この加熱・保温手段を用いて、アーク放電時に炭素電極間の所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温するように構成されている。本発明においては、このように加熱・保温手段でアーク放電時に炭素電極間の所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温することにより、炭素電極間にアークプラズマ領域を形成した際に、そのアークプラズマ領域を非加熱時又は非保温時の場合に比べて大幅に拡大させることができる。

ここで、加熱・保温手段によりアークプラズマ領域を拡大させるためのアークプラズマの制御機構についてより詳しく説明する。例えば図２にアークプラズマ電力Ｘとアークプラズマ領域の寸法とのおおよその関係を示すように、炭素電極間に生じるアークプラズマ領域の寸法は、炭素電極に印加するアークプラズマ電力Ｘ（ｋＷ）が増大するほど大きくなる傾向にある。このアークプラズマ電力Ｘは、アークプラズマ電流Ｙ（Ａｍｐ）とアークプラズマ電圧Ｚ（Ｖｏｌｔ）との積で表され、アークプラズマ電流Ｙを大きくするとアークプラズマ領域の直径は太くなり、アークプラズマ電圧Ｚを高くするとアークプラズマ領域の長さは長くなる。従って、炭素電極に対して、より大きなアークプラズマ電流を流し、また、より高いアークプラズマ電圧を加えることにより、アークプラズマ領域の直径及び長さを拡大することが可能となる。

一方、従来のカーボンナノチューブの製造において、炭素電極間に形成されるアークプラズマ領域は、前述のようにアーク電流の磁気作用によるピンチ効果によって、その直径が実際には細く絞られてしまうため、アークプラズマ電力を大きくしてもアークプラズマ領域を例えば図２に示したように拡大させることはできなかった。

従って、本発明では、その対策として、前記加熱・保温手段により炭素電極間の所望の広さ領域を加熱又は保温することにより、炭素電極間に存在するガス分子に、アークプラズマ自体の熱以外の熱、即ち、加熱・保温手段による熱によってエネルギーを与えることで、同ガス分子を活性化してプラズマイオン化させ易くする。これにより、炭素電極間でアーク放電を行なう際に、加熱・保温手段で加熱又は保温された所望の広さ領域内で、例えば前記図２に示すようなアークプラズマ電力Ｘの値に対応したアークプラズマの寸法（長さ及び径）、又はそれよりも大きな寸法でアークプラズマ領域を形成することが可能となる。

このようにアークプラズマ領域を容易に拡大できることにより、炭素電極表面における炭素蒸発面も拡大することができるため、カーボンナノチューブの原料となる炭素の蒸発量を増大させることが可能となる。また、この炭素電極から蒸発した大量の炭素を、拡大させたアークプラズマ領域中で十分にプラズマイオン化させることができ、蒸発した大量の炭素からカーボンナノチューブを効率的に生成することができる。従って、本発明の製造装置によれば、従来ではできなかった炭素電極からの炭素の蒸発量の拡大と、蒸発した炭素のプラズマイオン化領域の拡大とを促進することができ、その結果、アーク放電方式によるカーボンナノチューブの大量製造を行なうことが可能となる。

また、本発明のカーボンナノチューブの製造装置においては、アークプラズマ領域を取り囲むように配設する加熱・保温手段が、電気抵抗加熱ヒータで構成されている。これにより、アーク放電時に、加熱・保温手段で取り囲まれた空間の加熱又は保温を安定して行なうことができる。また、電気抵抗加熱ヒータとして、特にカーボン発熱体を用いることにより、耐熱性に非常に優れており、また不純物元素によるカーボンナノチューブの汚染を効果的に防止するといった効果を得ることができる。

更に、前記加熱・保温手段は、同加熱・保温手段によって囲まれている所望の広さ領域を１５００℃以上、好ましくは２０００℃以上の温度に加熱又は保温する。このように加熱・保温手段により１５００℃以上の所定の温度で加熱又は保温が行なわれることにより、アーク放電時に領域の炭素、ガス分子のプラズマイオン化が促進されアークプラズマ領域が安定して拡大し、カーボンナノチューブの大量製造を効果的に行なうことができる。

更にまた、本発明の製造装置では、炭素電極間の距離が１０ｍｍ以上、好ましくは１００ｍｍ以上、より好ましくは２００ｍｍ以上となるように炭素電極を配設することができる。即ち、従来では、アーク放電時に前記ピンチ効果が生じることによりアークプラズマ径が小さくなる結果、アークプラズマの長さも長くすることは難しく、また電力消費効率等も考慮すると、炭素電極間の距離は実際には２〜３ｍｍ程度にすることが多かった。

また、例え炭素電極に印加するアークプラズマ電力を増大させてアークプラズマ長さを長くすることを試みた場合でも、極めて大きなアークプラズマ電力を印加することが必要とされるため、例えば１００ｍｍ以上、更には２００ｍｍ以上離間した炭素電極間にアークプラズマ領域を形成することは極めて困難であった。

具体的には、従来では２ｍｍ程度離間した炭素電極間にアークプラズマ領域を形成する場合、約１０ｋＷのアークプラズマ電力が炭素電極に与えられる。これを踏まえて、例えば２００ｍｍ離間した炭素電極間にアークプラズマ領域を形成する場合に、炭素電極に印加するアークプラズマ電力の大きさを単純に比例計算すると、およそ１０００ｋＷの電力が必要となる。一方、本発明においては、下記実施形態で詳述するように、炭素電極間を加熱・保温手段で加熱又は保温することにより、１０００ｋＷよりも遥かに小さい約１５０ｋＷ程度のアークプラズマ電力によって、２００ｍｍ離間した炭素電極間にアークプラズマ領域を形成することが可能となる。

即ち、本発明によれば、従来の製造装置の場合よりも小さなアークプラズマ電力で、長さが１０ｍｍ以上の大きなアークプラズマ領域を容易に形成することができる。これにより、炭素電極間の距離を従来よりも長くしてアークプラズマ領域を拡大し、カーボンナノチューブをより安定して生成することができる。

また、本発明において、反応容器の内面には耐火断熱材が設けられている。これにより、反応容器を伝導して容器外部に放散される熱を遮断し、熱放散により損失する電力消費を抑制することができる。従って、炭素電極間に大きなアークプラズマ電力をかけてアークプラズマ領域を拡大しても、単位エネルギー当りの熱放散係数を小さくしてアークプラズマの熱効率を高めることができるため、経済性の向上、ひいては製造コストの削減を図ることができる。

次に、本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法は、アーク放電を行なうときに、炭素電極間で所望の広さ領域を取り囲むように配された加熱・保温手段を用いて、その所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温することにより、炭素電極間に形成するアークプラズマ領域を拡大させることができる。これにより、炭素電極とプラズマ領域の接触面が増大し、炭素電極表面の炭素蒸発面が拡大されるため、カーボンナノチューブの原料となる炭素の蒸発量を増大させることができる。また、この炭素電極から蒸発した大量の炭素を、拡大させたアークプラズマ領域中で十分にプラズマイオン化させることができるため、蒸発した炭素からカーボンナノチューブを効率的に生成することができ、その結果、大量のカーボンナノチューブを優れた生成効率で安定して製造することができる。

以下、本発明における好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、図１は、本実施形態におけるカーボンナノチューブの製造装置の構成を模式的に表す模式図である。
図１に示したように、本実施形態におけるカーボンナノチューブの製造装置１は、密閉された反応容器５と、この反応容器５内に配されてアーク放電を行なう炭素材料からなる陰極７及び陽極８と、陰極７及び陽極８間に広がる所望の広さ領域（空間）を囲むように配された加熱・保温手段４とを備えている。

前記反応容器５は、炭素鋼又はステンレス鋼からなり、この反応容器５には、アルゴンガスやヘリウムガスを反応容器５内に導入できるように不図示のガス供給手段が設けられている。この反応容器５の形状や寸法は特に限定されるものではないが、例えば所定の直径及び長さを有する横型円筒状の反応容器を用いることができる。また、反応容器５の内面には、隙間が生じないように耐火断熱材６が設けられている。

この反応容器５に設けられる耐火断熱材６は、アーク放電時にプラズマアークや加熱・保温手段４の高温の輻射熱や対流熱に晒されるため、耐火断熱材６として、例えば１５００℃以上、好ましくは２０００℃以上の耐熱性と、良好な断熱性とを有するセラミック耐火断熱板、特にアルミナバブル成型板を用いることが好ましい。このような耐火断熱材６を設けることによって、アーク放電時に反応容器５を伝導して容器外部に放散される熱を遮断し、熱放散により損失する電力消費を抑制すると同時に、反応容器５の溶存や熱変形を防止することができる。更に、反応容器５の外面には、必要に応じて、反応容器５の熱変形を一層防止するために、冷却用水冷蛇管を設けることもできる。

前記炭素陰極７及び炭素陽極８の形状及び寸法は、特に限定されるものではないが、例えばカーボンナノチューブの製造を安定して行なえるように、炭素陰極７は、炭素陽極８と同等の直径又は炭素陽極８よりも大きな直径を有していることが好ましい。また、炭素陽極８は、炭素陰極７に対して前後方向に直線的に移動可能なように、不図示の電極移動手段が設けられている。

本実施形態において、これら炭素陰極７及び炭素陽極８間の距離は、従来よりも長い値である１０ｍｍ以上に設定することができるが、この炭素電極７，８間の距離を更に長く設定し、電極７，８間に形成するアークプラズマ領域３を長くしてアークプラズマ領域３の拡大を図ることによって、カーボンナノチューブの生産効率を更に向上させて大量製造の需要に応えることが可能となる。

アークプラズマ領域３の寸法は、前述のように、アークプラズマ電流Ｙを大きくするとアークプラズマ領域の直径は太くなり、アークプラズマ電圧Ｚを高くするとアークプラズマ領域の長さは長くなる。従って、炭素陰極７及び炭素陽極８間の電極間距離は、カーボンナノチューブを製造する際における電極７，８に印加するアークプラズマ電力の大きさ、特にアークプラズマ電圧の大きさに基づいて設定することが好ましい。

ここで、図３に、アークプラズマ電力Ｘ（ｋＷ）と、アークプラズマ電流Ｙ（Ａｍｐ）及びアークプラズマ電圧Ｚ（Ｖｏｌｔ）との関係を表すグラフを示し、図４に、アークプラズマ電圧Ｚ（Ｖｏｌｔ）と炭素陰極７及び炭素陽極８間の電極間距離Ｌ（ｍｍ）との関係を表すグラフを示す。

本実施形態においては、カーボンナノチューブを大量製造するためにアークプラズマ電力Ｘの大きさを１５０ｋＷ以上にすることが好ましい。従って、アークプラズマ電圧Ｚの大きさは、図３に示した関係から、従来一般的に実施されているカーボンナノチューブの製造条件（装置の運転条件）よりも高い２００Ｖ以上にすることができる。

また、このように２００Ｖ以上のアークプラズマ電圧Ｚを印加した場合、長さが２００ｍｍ以上のアークプラズマ領域を安定して形成することが可能となる。従って、カーボンナノチューブを製造する際には、生産効率を考慮して、炭素電極７，８間の距離Ｌは、炭素電極７，８に印加するアークプラズマ電力で形成可能な最長のアークプラズマ領域の長さ以下の範囲で任意に選択することができ、例えば炭素電極７，８間の距離Ｌを前記のように１０ｍｍ以上、好ましくは１００ｍｍ以上、更に好ましくは２００ｍｍ以上に設定することができる。なお、炭素電極７，８間の距離Ｌは、例えば前記電極移動手段（不図示）を用いることによって容易に変更することができる。

前記加熱・保温手段４は、炭素陰極７と炭素陽極８との間に広がる所望の広さ領域（空間）を取り囲むように配設されている。加熱・保温手段４は、炭素電極７，８間でアーク放電を行なう際に、加熱・保温手段４で囲まれた領域のガス分子を加熱し、同ガス分子に熱によるエネルギーを与えることにより活性化してプラズマイオン化することによって、炭素電極７，８間に生じるアークプラズマ領域３を拡大させることができる。

この加熱・保温手段４は、電気抵抗加熱ヒータで構成されており、例えばタングステンのような融点３０００℃以上の高融点金属発熱体、炭化珪素のような高耐熱性炭素化合物、又はカーボン発熱体等を用いることができ、特にその中でも、耐熱性や不純物元素による製品の汚染を考慮するとカーボン発熱体を用いることが好ましい。

また、加熱・保温手段４は、炭素電極７，８間に広がる所望の広さ領域を取り囲めるように円筒形状を有している。この加熱・保温手段４において、その発熱部有効長さは、陰極７及び陽極８間の電極間距離の大きさに等しくすることが好ましく、また円筒形状の内径は、電極７，８間の所望の広さ領域を十分に囲めるように、太い側の炭素電極、例えば炭素陰極７の直径の１．２倍以上の大きさにすることが好ましい。なお、加熱・保温手段４は、炭素電極７，８や同炭素電極７，８を支持する電極支持具（不図示）と接触しないように、所定の位置に設けられている。

本実施形態における製造装置１においては、カーボンナノチューブを大量製造するために、所定の大きさの炭素陽極８の電極径Ｄ（ｍｍ）とアークプラズマ電力Ｘ（ｋＷ）とが選定される。炭素陽極８の電極径Ｄは、アークプラズマ３との接触面（即ち、炭素陽極８表面の炭素蒸発面）を広くして、炭素の蒸発量を増大させるために、陽極８及び陰極７間に印加するアークプラズマ電力Ｘに対して次式（１）により求められる。
電極径Ｄ（ｍｍ）＝アークプラズマ電力Ｘ（ｋＷ）×０．６５ …（１）

但し、アークプラズマ電力Ｘは、アークプラズマ領域３を安定して形成しカーボンナノチューブの大量製造を可能とするために、Ｘ≧１５０ｋＷとすることが好ましい。例えば従来における炭素電極径は数ｍｍ程度であり、その炭素電極に印加されるアークプラズマ電力も１０ｋＷ程度であったが、本実施形態のようにアークプラズマ電力Ｘを１５０ｋＷ以上とし、このアークプラズマ電力Ｘの大きさに応じて炭素陽極８の電極径Ｄを例えば９７．５ｍｍ以上にすることによって、炭素陽極８の炭素蒸発面を拡大し、炭素陽極８からの炭素蒸発量を増大させることができる。

また、アークプラズマ電力Ｘ（ｋＷ）の大きさは、炭素陽極８の炭素蒸発面に十分なエネルギーを与えて、炭素蒸発面からの炭素の蒸発速度を大きくするために、炭素蒸発面の蒸発面積Ｓ（ｍｍ²）に応じて次式（２）により求められた値、又はその近似の値を用いることができる。
アークプラズマ電力Ｘ（ｋＷ）＝蒸発面積Ｓ（ｍｍ²）×０．０７６ …（２）
但し、蒸発面積Ｓの大きさは、十分な炭素蒸発量を得るために、Ｓ≧２０００ｍｍ²とすることが好ましい。

なお、本実施形態においては、例えば前記式（１）を用いて炭素陽極８の電極径Ｄを求める際に所定の値のアークプラズマ電力Ｘを選定し、またそれとは別に、前記式（２）を用いて蒸発面積Ｓからアークプラズマ電力Ｘの値を求めた後、これら２つの値を比較して大きい値の方を、アークプラズマ電力Ｘの値として採用することもできる。

本実施形態においては、上記のようなカーボンナノチューブの製造装置１を用いることにより、以下のようにしてカーボンナノチューブを大量製造することができる。
カーボンナノチューブの製造を行なう際には、先ず、反応容器５内にヘリウムガスを導入するとともに、反応容器５内の圧力を２６６Ｐａ（２００Ｔｏｒｒ）に保持した後、加熱・保温手段４により、炭素電極間で加熱・保温手段４によって囲まれた空間を１５００℃以上、好ましくは２０００℃以上の温度に加熱して、炭素電極７，８間の空間を所定の温度に維持する。

次に、炭素電極７，８間の電極間距離が例えば２００ｍｍとなるように電極移動手段（不図示）を用いて陽極８の位置を調節し、炭素電極７，８間に１５０ｋＷのアークプラズマ電力（アークプラズマ電流：７５０Ａ、アークプラズマ電圧：２００Ｖ）を印加することによりアーク放電を行なって、炭素電極７，８間にアークプラズマ領域３を形成する。

このようなアーク放電を行なう際に、従来では、アークプラズマ電流の磁気作用によるピンチ効果によってアークプラズマの径が細く絞られてしまうため、例えば図５（ｂ）に示したように、炭素電極７，８間に径の細いアークプラズマ領域９が形成される。

しかし、本実施形態においては、炭素電極７，８間の空間が加熱・保温手段４によって加熱されているため、炭素電極７，８間に存在するガス分子は、アークプラズマ自体の熱と加熱・保温手段４による熱の双方によりエネルギーが与えられることによって活性化してプラズマイオン化する。このため、炭素電極７，８間に形成するアークプラズマが細く絞られることを防いで、アークプラズマ領域を従来よりも大幅に拡大することができ、例えば図５（ａ）に示したように、炭素電極７，８間に大きなアークプラズマ領域３を形成することができる。

このように炭素電極７，８間に形成されるアークプラズマ領域３が従来よりも大幅に拡大されることによって、炭素陽極８におけるの炭素蒸発面も拡大されるため、炭素の蒸発量を増大させることができる。また、この炭素電極から蒸発した大量の炭素は、拡大させたアークプラズマ領域３内で十分にイオン化させた後に凝縮させることができるため、蒸発した炭素からカーボンナノチューブを非常に効率的に生成することができる。

即ち、本実施形態によれば、上述のようなアーク放電を所定時間行なうことにより、アークプラズマ領域３が大幅に拡大されて、炭素電極８の炭素蒸発領域を拡大するとともに、蒸発した炭素のプラズマイオン化領域も拡大することができる。このため、カーボンナノチューブの生成を効率的に行なって、単位時間当たりのカーボンナノチューブの生成量を大幅に増加させることができる。また同時に、反応容器５の内面に耐火断熱材６を配設したことにより、電力消費効率の向上を図ることができるため、従来では達成することができなかったカーボンナノチューブの大量製造を安定して行なって、安価で良好な品質のカーボンナノチューブを提供することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例においては、図１に示した前記カーボンナノチューブの製造装置１を用いて、カーボンナノチューブの製造を２時間行なった場合について説明する。

本実施例においては、カーボンナノチューブの製造を行なうに際し、先ず、炭素電極７，８の電極径を、前記式（１）に基づいて求めた。なお、本実施例では、陰極７と陽極８の電極径は等しくさせ、また、これら炭素電極７，８間に印加するプラズマアーク電力を、例えば炭素電極７，８間に形成するアークプラズマ領域３の大きさ等を考慮して、１５０ｋＷと選定した。従って、炭素電極７，８の電極径Ｄは、前記式（１）に従って以下のようにして求めた。
電極径Ｄ（ｍｍ）＝１５０（ｋＷ）×０．６５＝９７．５（ｍｍ）

なお、前記式（１）によって求めた電極径Ｄの値（９７．５ｍｍ）が、既製品の４インチ径炭素電極（人造黒鉛電極、直径１０２ｍｍ）に近似する値であるため、本実施例においては、炭素電極７，８として、この４インチ径炭素電極を使用することにした。更に、炭素電極７，８の電極間距離Ｌについては、プラズマアーク電力値１５０ｋＷ（即ち、アークプラズマ電圧は２００Ｖ）に基づいて、２００ｍｍに設定した。

また、上述のようにして求めた炭素電極７，８の電極径Ｄの大きさと、炭素電極７，８の電極間距離Ｌとに基づいて、加熱・保温手段４となる円筒状のカーボン発熱体の寸法を設定した。即ち、円筒状カーボン発熱体の内径を、炭素電極７，８の電極径１０２ｍｍの１．２倍となる１２２．４ｍｍに設定し、またカーボン発熱体の発熱部有効長さを、炭素電極７，８の電極間距離Ｌに等しい２００ｍｍに設定した。

次に、前記電極径Ｄの計算とは別に、炭素陽極８の炭素蒸発面に十分なエネルギーを与え、この炭素蒸発面からの炭素蒸速度を大きくするために、炭素電極７，８間に印加するプラズマアーク電力を、設定した炭素蒸発面の面積Ｓの大きさ（２０００ｍｍ²）に基づいて、前記式（２）に従って求めた。
アークプラズマ電力Ｘ（ｋＷ）＝２０００（ｍｍ²）×０．０７６＝１５２（ｋＷ）
この結果、炭素蒸発面積Ｓに基づいて求めたプラズマアーク電力の大きさ１５２ｋＷは、前記電極径Ｄの計算の際に選定したプラズマアーク電力の大きさ１５０ｋＷと近似の値であるため、本実施例においては、プラズマアーク電力の大きさを１５０ｋＷに定めた。

一方、前記反応容器５としては、直径が１．６ｍ、長さが２．２ｍとなる横型円筒状のステンレス鋼製容器を使用した。また、この反応容器５の内面には、厚さ５０ｍｍのアルミナバブル成型板をハッチ部も含めて隙間無く貼り付けた。更に、反応容器５の外面には、ステンレス鋼板の熱変形を防止するために、冷却用水冷蛇管を全体的に配設した。

以上のような形状及び寸法を有するカーボンナノチューブの製造装置１を用いて、先ず、反応容器５内にヘリウムガスを導入するとともに、反応容器５内の圧力を２６６Ｐａに保持し、その後、カーボン発熱体４に囲まれた空間をカーボン発熱体４で１６００℃に加熱して、その温度を維持した。

次に、炭素電極７，８間に１５０ｋＷのアークプラズマ電力（アークプラズマ電流：７５０Ａ、アークプラズマ電圧：２００Ｖ）を印加することによりアーク放電を行なって、炭素電極７，８間にアークプラズマ領域３を形成し、このアーク放電を２時間に渡って行なうことにより、カーボンナノチューブの製造を行なった。なお、今回行なったカーボンナノチューブの製造条件を把握しやすくするために、その製造条件を以下にまとめて記載する。なお、下記のアークプラズマ領域３の直径については、アークプラズマ領域３の略中心部における直径の大きさを表している。

（カーボンナノチューブの製造条件）
炭素電極７，８の電極径Ｄ： １０２ｍｍ
炭素電極７，８の電極間距離Ｌ： ２００ｍｍ
アークプラズマ電力Ｘ： １５０ｋＷ
アークプラズマ電流： ７５０Ａｍｐ
アークプラズマ電圧： ２００Ｖｏｌｔ
アークプラズマ領域３の寸法： 直径６０ｍｍ×長さ２００ｍｍ
カーボン発熱体４による加熱・保温温度： １６００℃
反応容器５内の雰囲気ガス： ヘリウムガス
反応容器５内の雰囲気圧力： ２６６Ｐａ

前記２時間のアーク放電を行なった後、反応容器５内の各部の温度、特に高温部である炭素電極７，８周辺部の温度が、カーボン粉末およびカーボンナノチューブの発火点温度以下に下がったことを確認してから、反応容器５を大気圧に開放し、炭素電極７およびカーボン発熱体４の周辺部に生成したカーボンナノチューブおよびカーボン粉末を回収した。回収した回収物からカーボンナノチューブを選別し、得られたカーボンナノチューブの生成量を測定した。その結果、本実施例においては、２時間の製造時間において、約６０ｇのカーボンナノチューブが製造できたことが確認され、カーボンナノチューブの１時間当たりの生成量は３０ｇ／ｈであることが判った。また、今回のカーボンナノチューブの製造における電力消費量は３００ｋＷｈであるため、電力原単位は５ｋＷｈ／ｇであった。

本発明は、アーク放電を利用したカーボンナノチューブの製造に有効に適用することができる。

カーボンナノチューブの製造装置の構成を模式的に表す模式図である。 アークプラズマ電力Ｘとアークプラズマ領域の寸法との関係を示すグラフである。 アークプラズマ電力Ｘと、アークプラズマ電流Ｙ及びアークプラズマ電圧Ｚとの関係を表すグラフである。 アークプラズマ電圧Ｚと炭素電極間距離Ｌとの関係を表すグラフである。 炭素電極間に形成されるアークプラズマ領域の形状を模式的に表す部分模式図である。

符号の説明

１ カーボンナノチューブの製造装置
３ アークプラズマ領域
４ 加熱・保温手段（カーボン発熱体）
５ 反応容器
６ 耐火断熱材
７ 炭素電極（陰極）
８ 炭素電極（陽極）
９ アークプラズマ領域

Claims (4)

1. 密閉された反応容器と、同反応容器内に配されてアーク放電を行なう炭素電極とを備え、前記アーク放電を熱源として前記炭素電極の炭素を蒸発させた後、同蒸発させた炭素を凝縮させることによりカーボンナノチューブを製造する製造装置であって、
   前記炭素電極は、９７．５ｍｍ以上の電極径を有し、且つ、互いに２００ｍｍ以上離間して配され、
   前記炭素電極間に広がる所望の広さ領域を取り囲むように配され、且つ、前記所望の広さ領域を所定温度に加熱又は保温して、前記炭素電極間に形成するアークプラズマ領域を拡大する加熱・保温手段を更に備え、
   前記加熱・保温手段の発熱部有効長さは、前記炭素電極間の電極間距離の大きさに等しく設定されてなる
   ことを特徴とするカーボンナノチューブ製造装置。
2. 前記加熱・保温手段が、電気抵抗加熱ヒータで構成されてなることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブ製造装置。
3. 前記加熱・保温手段は、前記所望の広さ領域を１５００℃以上の温度に加熱又は保温してなることを特徴とする請求項１又は２記載のカーボンナノチューブ製造装置。
4. 前記反応容器の内面に耐火断熱材が設けられてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカーボンナノチューブ製造装置。

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