JP5193829B2 - 濾過構造体 - Google Patents

Description

本発明は、濾過構造体に関し、特にカーボンナノチューブを利用した濾過構造体に関するものである。

カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ, ＣＮＴ）は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員の飯島澄男よって１９９１年に発見された（非特許文献１を参照）。カーボンナノチューブは、大きなアスペクト比を有し、例えば、抗張強度が１．０×１０^５ＭＰａであり、ヤング率（ｙｏｕｎｇ'ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）が１．８×１０^５ＭＰａであることなどの独特の力学性能を有し、強酸、強アルカリに耐性を有し、６００℃以下の温度で酸化されないことから、該カーボンナノチューブが良い濾過材料となる。

従来技術では、カーボンナノチューブで製造した濾過構造体は、濾過基材と、該濾過基材に設置されたカーボンナノチューブフィルムと、を含む。該カーボンナノチューブフィルムは分散され、配向せず配列された複数の枝状カーボンナノチューブを含む。図１を参照すると、該枝状カーボンナノチューブはＴ型、Ｙ型、Ｈ型又は他の形状である。該枝状カーボンナノチューブは少なくとも、一つの節点１０を含む。該枝状カーボンナノチューブと、それに隣接するカーボンナノチューブとが分子間力で絡み合って、ネットワーク構造に形成されている。

前記濾過構造体の製造方法は、以下のステップを含む。枝状カーボンナノチューブであるカーボンナノチューブの原料を提供するステップと、溶剤に良く分散させるために、該カーボンナノチューブの原料を酸化するステップと、酸化されたカーボンナノチューブの原料を溶剤に分散し、懸濁液を形成するステップと、濾過装置で該懸濁液を濾過し、カーボンナノチューブフィルムの予備成形体を形成するステップと、真空の雰囲気で前記カーボンナノチューブフィルムの予備成形体を乾燥し、カーボンナノチューブフィルムを形成するステップと、該カーボンナノチューブフィルムを剥離し、該カーボンナノチューブフィルムを濾過基材に設置し、濾過構造体を形成する。
Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、"Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ"、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、ｐ．５６ Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかしながら、従来の濾過構造体では、カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが枝状構造であるから、濾過構造体の靭性及び自立性能が良くない。従って、前記濾過構造体を利用する時には、濾過基材に設置しなければならない。また、該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの直径が大きいので、前記濾過構造体における微孔構造の孔径が大きく、濾過の効果が良くない。また、従来技術では、濾過構造体を製造する時には、枝状カーボンナノチューブが溶剤に分散しにくいので、溶剤に良く分散させるために、カーボンナノチューブに対して酸化処理を行って、真空の雰囲気で乾燥させてカーボンナノチューブフィルムを形成する。前記製造の工程は複雑で、操作が不便であり、コストが高い。

従って、本発明は、靭性及び自立性能が良く、濾過の効果が良く、製造しやすい濾過構造体を提供する。

濾過構造体は、カーボンナノチューブフィルムを含む。該カーボンナノチューブフィルムは複数の線状カーボンナノチューブを含み、該複数の線状カーボンナノチューブは互いに絡み合って複数の微孔構造が形成され、単一の前記微孔構造の孔径は１０ナノメートル以下である。

前記複数の線状カーボンナノチューブは等方的に、均一的に、配向せず配列されている。

前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは１０マイクロメートル〜１０００マイクロメートルである。

単一の前記線状カーボンナノチューブは、一本のカーボンナノチューブである。

前記濾過構造体は濾過基材を含み、前記カーボンナノチューブフィルムが該濾過基材の少なくとも、一つの表面に設置される。

前記濾過基材は、微孔構造を有するセラミック又は繊維ポリマー板である。

従来の濾過構造体と比べると、本発明の濾過構造体は、カーボンナノチューブフィルムを含む。該カーボンナノチューブフィルムは互いに絡み合った複数の線状カーボンナノチューブを含むから、該カーボンナノチューブフィルムは良い靭性を有する。該カーボンナノチューブフィルムには複数の微孔構造が形成されるから、該濾過構造体が優れた濾過効果を有する。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図２を参照すると、本実施形態は濾過構造体２０を提供する。該濾過構造体２０は、濾過基材２２、及び、該濾過基材２２の少なくとも一つの表面に設置されたカーボンナノチューブフィルム２４を含む。

前記濾過基材２２は、微孔構造を有するセラミック又は繊維ポリマー基板であり、該濾過基材２２の微孔構造の孔径は４マイクロメートル以下である。本実施形態において、該濾過基材２２が微孔構造を有するセラミックであることが好ましい。前記濾過基材２２を利用して前記カーボンナノチューブフィルムを支持することにより、該濾過構造体２０の利用が便利であり、前記カーボンナノチューブフィルムにかかる引張力が減少し、寿命が延長することができる。

前記カーボンナノチューブフィルム２４は、前記濾過基材２２の一つの表面に設置され、又は同時に該濾過基材２２の両表面に設置されてもよい。該カーボンナノチューブフィルム２４を直接に該濾過基材２２の表面に形成し、或いは、該カーボンナノチューブフィルム２４を接着剤で該濾過基材２２の表面に接着させる。該カーボンナノチューブフィルム２４の厚さは１０マイクロメートル以上である。

図３を参照すると、該カーボンナノチューブフィルム２４は、互いに絡み合った複数の線状カーボンナノチューブを含む。該線状カーボンナノチューブが等方的に、均一的に、配向せず配列され、複数の微孔構造が形成される。前記カーボンナノチューブフィルム２４では、該微孔構造の孔径が１００ナノメートル以下である。該微孔構造の孔径が１０ナノメートル以下であることが好ましい。前記線状カーボンナノチューブが分子間力で互いに吸着し、絡み合って、ネットワーク構造に形成されるので、該カーボンナノチューブフィルム２４が良い靭性を有するようになる。前記カーボンナノチューブフィルム２４が柔軟性を有するので、前記カーボンナノチューブフィルム２４を利用して、任意の形状を有する濾過構造体２０を製造することができる。本実施形態において、該線状カーボンナノチューブは一本のカーボンナノチューブである。該一本のカーボンナノチューブは、長さが１０マイクロメートル以上であり、１００マイクロメートル以上であることが好ましい。該一本のカーボンナノチューブは、直径が１５ナノメートル以下である。該一本のカーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。

実際の応用により、前記カーボンナノチューブフィルム２４の面積を設定できる。また、実際の応用に応じて、前記カーボンナノチューブフィルム２４を任意の形状に切ることができる。本実施形態において、前記カーボンナノチューブフィルム２４は、正方形であり、辺長が１センチメートル〜１０センチメートルであり、厚さが１０マイクロメートル〜１０００マイクロメートルである。実際の応用に応じて異なる面積及び厚さを有するカーボンナノチューブフィルム２４を製造することができ、異なる面積を有する濾過構造体に応用する。

また、前記濾過構造体２０は、前記濾過基材２２を含まず、前記カーボンナノチューブフィルム２４だけを含むことができる。該カーボンナノチューブフィルム２４において、互いに絡み合った複数の線状カーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブフィルム２４が所定の厚さを有するので、該カーボンナノチューブフィルム２４自体が所定の自立性能及び靭性を有する。該カーボンナノチューブフィルム２４を濾過構造体として使用することができる。

本実施形態の濾過構造体２０において、カーボンナノチューブフィルム２４は、直径が１５ナノメートル以下である複数の線状カーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブが等方的に、均一的に、配向せずに配列され、複数の微孔構造が形成され、該微孔構造の孔径が１００ナノメートル以下であるから、優れた濾過効果を有する。

図４を参照すると、本実施形態は前記濾過構造体２０の製造方法を提供する。該製造方法は、下記のようなステップを含む。

第一ステップでは、カーボンナノチューブアレイが形成された基材を提供する。該カーボンナノチューブアレイには、互いに絡み合った複数の線状カーボンナノチューブが含まれる。

本実施形態において、前記カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積（ＣＶＤ）法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材を提供し、該基材はＰ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施形態において、４インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、前記基材の表面に、均一的に触媒層を形成する。該触媒層の材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその両種以上の合金のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒層が形成された基材を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２を参照）を成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは１００マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材に垂直するように生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いから、部分のカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残りの触媒となる金属粒子などの不純物を含まなくなる。

本実施形態において、前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。

本実施形態から提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもいい。

第二ステップでは、前記カーボンナノチューブアレイを前記基材から剥離し、カーボンナノチューブの原料を形成する。

ナイフのような工具で前記カーボンナノチューブを前記基材から剥離し、カーボンナノチューブの原料が形成される。該カーボンナノチューブの原料では、複数の線状カーボンナノチューブを含み、該線状カーボンナノチューブは、ある程度互いに絡み合っている。前記カーボンナノチューブの原料においては、該カーボンナノチューブは単一のカーボンナノチューブであり、長さが１０マイクロメートル以上であり、直径が１５ナノメートル以下である。

第三ステップでは、前記カーボンナノチューブの原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブの原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を形成する。

前記カーボンナノチューブ原料を前記溶剤に浸漬した後、超音波式分散又は高強度攪拌又は振動などの方法により、前記カーボンナノチューブを綿毛構造に形成させる。本実施形態において、前記溶剤は水または揮発性有機溶剤である。超音波式分散方法により、カーボンナノチューブを含む溶剤に対して１０〜３０分間処理する。カーボンナノチューブは大きい比表面積を持ち、カーボンナノチューブの間に大きい分子間力があるので、前記カーボンナノチューブはそれぞれもつれて、綿毛構造に形成されている。

第四ステップでは、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を濾過して、カーボンナノチューブ濾過構造体２０を形成する。前記第四ステップは、次の二種の方法により行われる。

第一方法では、まず、濾紙が置かれたファネルを提供する。前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を含む溶剤を濾紙が置かれたファネルに注いで、しばらく放置して、乾燥させて、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を分離させる。図５は、前記濾紙に置かれた綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を示す。図５を参照すると、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造において、線状カーボンナノチューブが互いに絡み合っていることが分かる。

次に、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を容器に置き、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を所定の形状に展開し、展開された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造に所定の圧力をかけて、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を焙って、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造に残留した溶剤を蒸着させ、或いは、該溶剤を自然に揮発させて、カーボンナノチューブフィルム２４を形成して、濾過構造体２０を形成する。

本実施形態において、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を展開する程度によって、カーボンナノチューブフィルム２４の厚さと面密度を制御できる。即ち、一定の体積を有する前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を展開する面積が大きくなるほど、カーボンナノチューブフィルム２４の厚さと面密度が小さくなる。該カーボンナノチューブフィルム２４の厚さは１０マイクロメートル〜1０００マイクロメートルであり、幅は１センチメートル〜１０センチメートルである。図６は、本実施形態において形成されたカーボンナノチューブフィルム２４である。

本実施形態において、前記カーボンナノチューブフィルム２４は、互いに絡み合った複数の線状カーボンナノチューブを含む。該カーボンナノチューブフィルム２４が所定の厚さを有するので、該カーボンナノチューブフィルム２４自体が自立性能及び靭性を有する。従って、実際に応用する時には、直接にカーボンナノチューブフィルム２４を濾過構造体２０として使用することもできる。

本実施形態において、更に、濾過基材２２を提供し、前記カーボンナノチューブフィルム２４を該濾過基材２２の少なくとも、一つの表面に設置する。

前記濾過基材２２は、微孔構造を有するセラミック又は繊維ポリマー基板であり、該濾過基材２２の微孔構造の孔径が４マイクロメートル以下である。本実施形態において、該濾過基材２２が微孔構造を有するセラミックであることが好ましい。

前記カーボンナノチューブフィルム２４に圧力をかけて、前記濾過基材２２の表面に形成し、或いは、接着剤を利用して、前記濾過基材２２の表面に接着する。

第二方法では、前記カーボンナノチューブフィルム２４を直接に前記濾過基材２２の表面に形成する。具体的には、下記のようなステップを含む。

まず、濾過基材２２及びエアーポンプファネル（Ａｉｒ−ｐｕｍｐｉｎｇ Ｆｕｎｎｅｌ）を提供する。該濾過基材２２をエアーポンプファネルに置く。

次に、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を含む溶剤を前記濾過基材２２を通して、前記エアーポンプファネルに注ぐ。該綿毛構造のカーボンナノチューブ構造が濾過され、該濾過基材２２の表面に残留する。

最後に、該エアーポンプファネルに抽気し、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を乾燥させると、該濾過基材２２の表面にカーボンナノチューブフィルム２４が形成され、濾過構造体２０を形成する。

前記濾過基材２２は、表面が平滑で、孔径が０．２２マイクロメートルであるセラミックである。濾過及び抽気の方式により、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造に大きな気圧をかけるので、直接に均一的なカーボンナノチューブフィルム２４を形成する。前記濾過基材２２の表面が平滑であるので、該カーボンナノチューブフィルム２４が剥離しやすい。前記の方法で製造したカーボンナノチューブフィルム２４を前記濾過基材２２から剥離して、単独に濾過構造体２０として利用してもよく、または、前記濾過基材２２と共に濾過構造体２０として利用してもよい。

本実施形態において製造されたカーボンナノチューブフィルム２４では、複数の線状カーボンナノチューブが等方的に、均一的に、配向せず配列され、複数の微孔構造を形成する。該微孔構造の孔径は１００ナノメートル以下である。本実施形態において、前記カーボンナノチューブフィルム２４の密度を制御することによって、更に小さい孔径を有する微孔構造を形成することができる。この場合、該微孔構造の孔径が１０ナノメートル以下程度に達することができる。単層カーボンナノチューブでカーボンナノチューブフィルム２４を製造する場合、孔径が１ナノメートルである微孔構造を形成することができる。該カーボンナノチューブフィルム２４を濾過構造体２０として利用する場合、更に優れた濾過効果を有し、粒径が２ナノメートル以下である不純物を濾過することができる。また、該カーボンナノチューブフィルム２４には、互いに絡み合った線状カーボンナノチューブが含まれ、該線状カーボンナノチューブが分子間力で互いに吸着し、ネットワーク構造が形成されるので、該カーボンナノチューブフィルム２４が良い靭性を有するようになる。

一実験として、厚さが１０マイクロメートルであるカーボンナノチューブフィルム２４を濾過構造体２０として利用して、それぞれ、万年筆の黒色のインク溶液、インクジェット用赤色のインク溶液、青色の飽和硫酸銅水溶液を濾過した。前記溶液では、溶質の粒径が１０ナノメートル以下である。前記溶液が濾過されて、無色透明溶液になった。従って、該濾過構造体２０を材料の純化、環境の保護、医薬衛生及び科学研究などの領域に広く応用することができる。

従来技術のカーボンナノチューブ濾過構造体において、異なる形状を有する枝状カーボンチューブの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る濾過構造体の構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る濾過構造体におけるカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 本発明の実施形態に係る濾過構造体の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施形態から製造された綿毛構造のカーボンナノチューブ構造の写真である。 本発明の実施形態から製造された、所定の形状を有するカーボンナノチューブフィルムの写真である。

符号の説明

１０ 節点
２０ 濾過構造体
２２ 濾過基材
２４ カーボンナノチューブフィルム

Claims (5)

1. カーボンナノチューブフィルムを含む濾過構造体において、
   前記カーボンナノチューブフィルムが複数の線状カーボンナノチューブのみからなり、
   該複数の線状カーボンナノチューブが互いに絡み合って複数の微孔構造が形成され、
   単一の前記微孔構造の孔径が１０ナノメートル以下であり、
   前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが１０マイクロメートル〜１０００マイクロメートルであることを特徴とする濾過構造体。
2. 前記複数の線状カーボンナノチューブが等方的に、均一的に、配向せず配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の濾過構造体。
3. 単一の前記線状カーボンナノチューブが、一本のカーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１または２に記載の濾過構造体。
4. 前記濾過構造体が濾過基材を含み、
   前記カーボンナノチューブフィルムが該濾過基材の少なくとも、一つの表面に設置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の濾過構造体。
5. 前記濾過基材は、微孔構造を有するセラミック又は繊維ポリマー板であることを特徴とする、請求項４に記載の濾過構造体。