JP5068330B2 - カーボンナノチューブバルク素材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
ここで、上記a、c、d及びfは、互いに独立的に、0乃至20の整数であり、上記b、eは、互いに独立的に、0または1の整数であることができる。
下記のように混合物1、2及び3を準備した:
混合物1:41.2mgのジヒドロキシベンゼンプロパン酸(3、4-dihydroxybenzenepropanoic acid)を10mLのジメチルホルムアミド(DMF)に溶解させた。
混合物2:42.5mgの1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミドヒドロクロライド(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride;EDC)を30mLのメタノールに溶解させた。
混合物3:1gのポリエチレンイミン(PEI)(Mwは、約25,000である)を30mLのメタノールに溶解させた。
上記混合物1のうちジヒドロキシベンゼンプロパン酸の含量を15mgに調節したことを除いて、上記製造例1と同一の方法を利用して、サンプル2(ジヒドロキシベンゼンプロパン酸がグラフトされたPEIであり、グラフト割合=7.47%)を8.3g収得した。
シリコンウェーハの上にスパッタリング装置を利用してAlバッファー層とFe触媒を3nm〜10nmの厚さで蒸着した後、化学気相蒸着法を使用して反応温度を650〜800℃に制御し、反応時間を15〜60分に調節して、カーボンナノチューブフォレスト(forest)を製造した。このように製造されたカーボンナノチューブフォレストからナノ繊維紡績糸を紡績(spinning)工程を通じて得た。メタノールに上記サンプル1を10質量%溶解した溶液を上記ナノ繊維紡績糸に浸透させて、紡績糸形状のカーボンナノチューブバルク素材を製造した。
上記紡績工程後、メタノール溶媒のみを使用してナノ繊維紡績糸に浸透させて緻密化させることを除いて、上記実施例1と同一の方法で紡績糸形状のカーボンナノチューブバルク素材を製造した。
上記実施例1と同一の製造工程によってカーボンナノチューブフォレストをシリコンウェーハの上に製造した。メタノールに上記サンプル2を20質量%溶解した溶液を上記カーボンナノチューブフォレストに浸透させて、シート形状の垂直配向された(super-aligned)カーボンナノチューブバルク素材を製造した。
メタノール溶媒のみを使用してカーボンナノチューブフォレストに浸透させて緻密化させることを除いて、上記実施例2と同一の方法でシート形状の垂直配向されたカーボンナノチューブバルク素材を製造した。
ラウリル硫酸ナトリウム(sodium dodecyl sulfate;SDS)界面活性剤を1質量%濃度に溶解した水にカーボンナノチューブ(HiPCO、Carbon Nanotechnologies Incorporated)5mg/mLの濃度になるように投入した後、4時間超音波処理を行い、水に分散させて、カーボンナノチューブ水分散液を製造した。上記水分散液を真空濾過した後、2時間80℃で乾燥させることによって、濾過紙の上にカーボンナノチューブバッキーペーパーを製造した。エタノールに上記サンプル2を20質量%溶解した溶液を製造されたカーボンナノチューブバッキーペーパーに浸透させて、シート形状のカーボンナノチューブバルク素材を製造した。
上記実施例2及び比較例2で製造されたシート形状の垂直配向されたカーボンナノチューブバルク素材の組成をX線光電子分光法(XPS)を通じて分析し、その結果を図5に示した。図5を参照すれば、高分子結合剤処理を実施した実施例2(結合エネルギー500eVでのカウントが高い方)のカーボンナノチューブバルク素材の場合、比較例2のカーボンナノチューブバルク素材に比べて炭素含量が高く現われるので、高分子結合剤がカーボンナノチューブバルク素材に均一に侵透していることを確認することができる。
上記実施例1及び比較例1で製造されたエアロゲル状態の紡績糸形状のカーボンナノチューブバルク素材の引張強度試験を行った。引張試験は、歪みゲージ(ゲージ長さ=1cm)を利用して0.1mm/分の速度で引っ張りながら測定した。図6は、実施例1及び比較例1で製造された紡績糸形状のカーボンナノチューブバルク素材の引張試験結果を示すグラフである。図6を参照すれば、実施例1(工学的歪み0.005での工学的応力が高い方)の紡績糸形状のカーボンナノチューブバルク素材の場合、引張強度は、1180MPaであり、モジュラスは、120GPaであって、比較例1の紡績糸形状のカーボンナノチューブバルク素材の引張強度320MPa、モジュラス28GPaより大きく増加することを確認することができる。
110 カーボンナノチューブ
120 高分子結合剤
Claims (15)
- マトリックスを構成するカーボンナノチューブと、
上記カーボンナノチューブの間に介在される高分子結合剤と、を含み、
上記高分子結合剤は、高分子バックボーンと、1つ以上のヒドロキシ基が結合されたC3−C24芳香族作用基を含み、且つ上記高分子バックボーンの末端または側面にグラフトされる1つ以上の有機モイアティと、を含むカーボンナノチューブバルク素材。 - 上記マトリックスは、紡績糸形状またはシート形状のカーボンナノチューブエアロゲルであることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブバルク素材。
- 上記高分子結合剤は、上記カーボンナノチューブ100質量部に対して1乃至100質量部が含まれることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブバルク素材。
- 上記高分子の重量平均分子量は、500乃至1,000,000であることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブバルク素材。
- 上記高分子は、親水性高分子であることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブバルク素材。
- 上記親水性高分子は、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリビニルピロール、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、及び鹸化ポリエチレン−ビニルアセテート共重合体よりなる群から選択される1種以上であることを特徴とする請求項5に記載のカーボンナノチューブバルク素材。
- 上記1つ以上のヒドロキシ基が結合されたC3−C24芳香族作用基が、フェノール基、カテコール基、及びガロール基よりなる群から選択される1種以上であることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブバルク素材。
- 上記有機モイアティが下記化学式1で示されることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブバルク素材:
(化学式1)
上記化学式1において、*は、上記高分子バックボーンとの結合地点を示すものであり、
上記Lは、−C(=O)−(CH2CH2O)a−(C(=O)NH)b−(CH2)c−及び−NH−(CH2CH2O)d−(C(=O)NH)e−(CH2)f−よりなる群から選択された連結基であることができる。
ここで、上記a、c、d及びfは、互いに独立的に0乃至20の整数であり、上記b、eは、互いに独立的に0または1の整数であり、
上記Arは、C6−C24アリール基またはC3−C24ヘテロアリール基であり、
上記nは、1乃至17の整数である。 - 上記高分子結合剤は、下記化学式2aまたは2bの繰り返し単位を含むことを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブバルク素材。
(化学式2a)
(化学式2b)
- 上記有機モイアティのグラフト割合は、1乃至90%であることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブバルク素材。
- 歪みゲージ(ゲージ長さ=1cm)を利用して0.1mm/分の速度で引張強度試験を行うとき、引張強度が800乃至1400MPa、モジュラスが80乃至140GPaであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載のカーボンナノチューブバルク素材。
- カーボンナノチューブエアロゲルをマトリックスとして提供する段階と、
高分子バックボーンと、1つ以上のヒドロキシ基が結合されたC3−C24芳香族作用基を含み、且つ上記高分子バックボーンの末端または側面にグラフトされる1つ以上の有機モイアティと、を含む高分子結合剤を揮発性溶媒に溶解した高分子結合剤溶液を提供する段階と、
上記カーボンナノチューブエアロゲルに上記高分子結合剤溶液を浸透させる段階と、
上記揮発性溶媒を除去し、上記カーボンナノチューブエアロゲルを緻密化させる段階と、を含むカーボンナノチューブバルク素材の製造方法。 - 上記有機モイアティが下記化学式1で示されることを特徴とする請求項12に記載のカーボンナノチューブバルク素材の製造方法:
(化学式1)
上記化学式1において、*は、上記高分子バックボーンとの結合地点を示すものであり、
上記Lは、−C(=O)−(CH2CH2O)a−(C(=O)NH)b−(CH2)c−及び−NH−(CH2CH2O)d−(C(=O)NH)e−(CH2)f−よりなる群から選択された連結基であることができる。
ここで、上記a、c、d及びfは、互いに独立的に0乃至20の整数であり、上記b、eは、互いに独立的に0または1の整数であり、
上記Arは、C6−C24アリール基またはC3−C24ヘテロアリール基であり、
上記nは、1乃至17の整数である。 - 上記揮発性溶媒は、メタノール、エタノール、またはイソプロピルアルコールであることを特徴とする請求項12に記載のカーボンナノチューブバルク素材の製造方法。
- 上記高分子結合剤溶液の濃度は、0.01乃至50質量%であることを特徴とする請求項12に記載のカーボンナノチューブバルク素材の製造方法。
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