JP5266491B2 - カーボンナノチューブの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノチューブおよび該カーボンナノチューブの製造方法に関するものである。本明細書におけるカーボンナノチューブは、単層や多層のカーボンナノチューブのみならず、グラファイトナノファイバ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ等を含む広義のカーボンナノチューブである。

カーボンナノチューブは、炭素原子が六角形に配置されたグラフェンシートを筒状に巻いた形状で長さ方向にほぼ一様な直径形状をなし、長さと直径との比であるアスペクト比が大きく直径が微細なことから電界電子放出源、等の材料として、また、微細な中空空間を有することから、水素などの吸蔵材、等の材料として期待されている。一方、カーボンナノチューブは、機械的強度が高く、導電性に優れているなどの性質を有することにより、燃料電池、高強度樹脂、導電性樹脂、透明導電フィルム、等の各種材料としてその用途の開発が行われている。

このようなカーボンナノチューブの製造方法には、アーク放電法、レーザー蒸発法、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、等がある。特にＣＶＤ法は、アセチレンやメタン等の炭素含有化合物ガスと触媒金属微粒子とを高温状態で化学反応させることにより、該触媒金属微粒子上にカーボンナノチューブを成長させる製造方法であり、カーボンナノチューブの大量合成が可能で、しかもカーボンナノチューブを高配向に合成することができる有用な製造方法としてその開発も盛んである。

このようなカーボンナノチューブは、その用途として高機械的強度を確保しつつより短寸なカーボンナノチューブが要求される場合、製造当初から短寸でかつ大径に合成したカーボンナノチューブを用意するのではなく、一旦製造されているカーボンナノチューブをその用途が要求する長さ寸法に複数に分断することなどが行われている。

しかしながら、直径が微細で高アスペクト比であるうえ高機械的強度のカーボンナノチューブを損傷させずに所要の長さ寸法に分断することは技術的には必ずしも容易なことではなかった。
特開２００６−２９８７１３号公報 特開２００４−３０７３２ａ，２ｂ号公報

本発明は、所望する長さ寸法に損傷を引き起こすおそれ少なく分断することが可能なカーボンナノチューブを提供することである。

本発明によるカーボンナノチューブの製造方法は、長さ方向に少なくとも途中１箇所にその両側領域部分とは性質が異なる異質領域部分を有し、且つ、上記異質領域部分は、その両側領域部分よりも外径が小径になっているカーボンナノチューブを使って、上記異質領域部分で上記カーボンナノチューブを分断して複数の短寸のカーボンナノチューブを得ることを特徴とする短寸のカーボンナノチューブの製造方法である。

上記カーボンナノチューブの性質には、引張強度や曲げ強度、弾性限界等の機械的強度が高いこと、熱伝導性や耐熱性等の熱的性質に優れていること、反応性や可溶性等の化学的性質を有すること、電界放射等の物理的性質に優れていること、電気伝導性等の電気的性質に優れていること、等が知られる。

そしてこのようなカーボンナノチューブは、長さ方向に直径寸法が一様でかつ長さも微小なカーボンナノチューブに対して例えば高機械的強度を加えても長さ方向のどの箇所から分断されるかは容易に特定することはできず、一定長さ寸法にカーボンナノチューブを分断することは実質的には困難である。

これに対して上記本発明のカーボンナノチューブでは、両側領域部分とは異なる性質の異質領域部分を備えたから、例えば機械的強度において異質領域部分の機械的強度がその両側領域部分の機械的強度よりも低い場合では、カーボンナノチューブ全体にせん断応力等の機械的強度を均等に加えても、その異質領域部分がその両側領域部分よりも低い機械的強度で分断される。すなわち本発明のカーボンナノチューブでは、カーボンナノチューブの長さ方向における異質領域部分の位置設定により要求される長さ寸法にカーボンナノチューブを分断することができる。

上記異質領域部分は、その両側領域部分よりも外径が小径になっているので、例えば異質領域部分では各種性質のうち機械的強度が低下するので機械的応力をカーボンナノチューブ全体に加えてその異質領域部分でカーボンナノチューブは分断して複数のカーボンナノチューブを得ることができる。

本発明の好ましい一態様は、上記異質領域部分が、一旦、加熱雰囲気内で触媒金属微粒子に炭素含有化合物ガスを作用させて所望の長さまでカーボンナノチューブを成長させた後、上記カーボンナノチューブの成長操作を一時停止させることで作成されることである。また、本発明の好ましい一態様は、上記異質領域部分が、当該カーボンナノチューブを長さ方向複数に等分する箇所に設定されていることである。

本発明のカーボンナノチューブによれば、長さ方向少なくとも途中１箇所にその両側領域部分とは性質が異なる異質領域部分を有するので、上記１箇所を例えば用途に応じた所要分断部位に設定することにより、その異質領域部分から分断を容易に行うことが可能となる。したがって、本発明では、複数のカーボンナノチューブそれぞれにこの異質領域部分の設定位置を均等位置に設定すれば、複数のカーボンナノチューブを長さ寸法均等に分断することができるようになり、用途に適した長さ寸法のカーボンナノチューブを得ることができるようになる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るカーボンナノチューブとその製造方法を説明する。

図１は基板８上に集合している実施の形態のカーボンナノチューブ１を示し、図２に、図１の基板上における１つのカーボンナノチューブ１を拡大して示す。これらの図において、カーボンナノチューブ１は、長さ方向ほぼ中央の１箇所にその両側領域部分２ａ，２ｂとは性質が異なる異質領域部分４を有する。カーボンナノチューブ１は、異質領域部分４がその両側領域部分２ａ，２ｂよりも外径が小径になっている。この異質領域部分４はその両側領域部分２ａ，２ｂの長さの好ましくは５％以下であり、異質領域部分４において当該カーボンナノチューブ１を分断可能となっている。このカーボンナノチューブ１では、異質領域部分４はその両側領域部分２ａ，２ｂよりも引張強度や専断強度、曲げ強度、弾性限界等の機械的強度が低い。

図３（ａ）で示すようにカーボンナノチューブ１に対して異質領域部分４に機械力、例えば、繰り返し屈曲を与えると、図３（ｂ）で示すように両側領域部分２ａ，２ｂにはその機械力を加えたことの影響を与えずに、異質領域部分４で容易にカーボンナノチューブ１を２つの両側領域部分２ａ，２ｂからなる等寸でかつ短寸の分断カーボンナノチューブ１ａ，１ｂを得ることができる。この分断カーボンナノチューブ１ａ，１ｂは図３（ａ）の分断前のカーボンナノチューブ１と比較して直径同一で長さ半分であるからより強度が高いカーボンナノチューブを得ることができる。

図４（ａ）に他の実施の形態に係るカーボンナノチューブ１を側面から見た図である。なお、符号は上記実施の形態と対応する部分には同一ないし対応する符号を付している。この実施の形態のカーボンナノチューブ１は、長さ方向ほぼ均等間隔で複数、この例では２箇所にその両側領域部分２ｃ，２ｄ，２ｅとは性質が異なる異質領域部分４ａ，４ｂを有する。これら異質領域部分４ａ，４ｂは、その両側領域部分２ｃ，２ｄ，２ｅよりも外径が小径になっている。図４（ａ）で示す実施の形態のカーボンナノチューブ１では、複数の異質領域部分４ａ，４ｂを有するので、各異質領域部分４ａ，４ｂで、図４（ｂ）で示すようにカーボンナノチューブ１を３つの長さ均等で短寸の分断カーボンナノチューブ１ｃ，１ｄ，１ｅに分断することができる。

上記実施の形態でのカーボンナノチューブ１は異質領域部分４が両側領域部分２ａ，２ｂよりも外径が小径になっているが、異質領域部分４が両側領域部分２ａ，２ｂとその外径が同径であっても異径であっても、性質において異質であればよい。図５にそのカーボンナノチューブ１の概念的な構成を示す。このカーボンナノチューブ１は図５で点線により異質領域部分４ｃと両側領域部分２ｆ，２ｇとの境界を示す。この実施の形態のカーボンナノチューブ１は、異質領域部分４ｃとその両側領域部分２ｆ，２ｇと性質を比較すると、引張強度や専断強度、曲げ強度、弾性限界等の機械的強度が低い。反応性や可溶性、等の化学的性質、電気伝導性等の電気的性質、耐熱性、等において相違する。例えば、異質領域部分４ｃの耐熱性を両側領域部分２ｆ，２ｇのそれよりも低く設定することにより加熱切断が可能であり、また、異質領域部分４ｃの耐屈曲性を両側領域部分２ａ，２ｂのそれよりも低く設定することにより屈曲繰り返しで異質領域部分４ｃで分断が容易になり、また、異質領域部分４の電気抵抗を両側領域部分２ｆ，２ｇのそれよりも高く設定することにより、通電加熱により異質領域部分４ｃを切断することができる。

以上の構成において、実施の形態のカーボンナノチューブ１は両側領域部分とは性質が相違する異質領域部分を設けたので、カーボンナノチューブ１を分断するに際して両側領域部分に損傷を起こすおそれ少なく異質領域部分から分断することができるようになる。

図６以降を参照して図２で示すカーボンナノチューブ１の製造方法を説明する。この製造方法では基板８の触媒金属微粒子６上にカーボンナノチューブ１を成長させるＣＶＤ法によるが、この製造方法に限定されるものではない。

まず、図６で示すように図示略の加熱雰囲気内で触媒金属微粒子６を備えた基板８を準備する。次いで、この加熱雰囲気内に原料ガスである例えばアセチレンガスと希釈ガスである水素ガスとを導入することにより、図７で示すように成長操作工程として触媒金属微粒子６上にカーボンナノチューブ１を成長させる。カーボンナノチューブ１の成長長さが所望する成長長さ寸法に到達すると、成長操作一時停止工程として、アセチレンガスの導入を停止しアセチレンガス分圧をゼロにすることにより、カーボンナノチューブ１の成長操作を一時停止させる。この一時停止は加熱雰囲気内の全圧をゼロにすることにより行ってもよい。

次いで、アセチレンガスを導入することにより成長操作再開工程として触媒金属微粒子６上でのカーボンナノチューブ１の成長操作を再開して図８で示すように触媒金属微粒子６上にカーボンナノチューブ１を成長させる。以上の成長操作、一時停止、成長操作再開の工程により、図２で示すカーボンナノチューブ１を製造することができる。

以上説明したように本実施の形態のカーボンナノチューブ１では、長さ方向の少なくとも１箇所にその両側領域部分２ａ，２ｂとは性質が異なる異質領域部分４を有するので、例えばその異質領域部分４が機械的強度において両側領域部分２ａ，２ｂよりも低いという性質を有する場合では、異質領域部分４にせん断応力等の機械的強度を加えると、その異質領域部分４がその両側領域部分２ａ，２ｂよりも低い機械的強度で分断される結果、カーボンナノチューブ１の長さ方向における異質領域部分４の位置設定により要求される長さ寸法でかつ両側領域部分２ａ，２ｂに損傷を引き起こすおそれ少なくカーボンナノチューブ１を容易に分断することができるようになる。

図１は基板上に本発明の実施の形態に係るカーボンナノチューブが集合した状態を示す側面図である。 図２は実施の形態のカーボンナノチューブを拡大して示す図である。 図３（ａ）は実施の形態のカーボンナノチューブを分断している状態を示す図、図３（ｂ）は分断された分断カーボンナノチューブを示す図である。 図４（ａ）は本発明の他の実施の形態のカーボンナノチューブを拡大して示す図、図４（ｂ）は分断された分断カーボンナノチューブを示す図である。 図５は本発明のカーボンナノチューブを概念的に示す図である。 図６は本発明のカーボンナノチューブの製造方法において加熱雰囲気内で触媒金属微粒子を備えた基板を準備する工程を示す図である。 図７は触媒金属微粒子上にカーボンナノチューブを成長させる成長操作工程を示す図である。 図８は触媒金属微粒子上にカーボンナノチューブを成長させる成長操作再開工程を示す図である。

符号の説明

１ カーボンナノチューブ
２ａ，２ｂ 両側領域部分
４ 異質領域部分

Claims (3)

1. 長さ方向に少なくとも途中１箇所にその両側領域部分とは性質が異なる異質領域部分を有し、
   且つ、上記異質領域部分は、その両側領域部分よりも外径が小径になっているカーボンナノチューブを使って、
   上記異質領域部分で上記カーボンナノチューブを分断して複数の短寸のカーボンナノチューブを得ることを特徴とする
   短寸のカーボンナノチューブの製造方法。
2. 請求項１に記載の上記異質領域部分は、
   一旦、加熱雰囲気内で触媒金属微粒子に炭素含有化合物ガスを作用させて所望の長さまでカーボンナノチューブを成長させた後、上記カーボンナノチューブの成長操作を一時停止させることで作成されることを特徴とする請求項１に記載の短寸のカーボンナノチューブの製造方法
3. 請求項１または２に記載の上記異質領域部分が、
   当該カーボンナノチューブを長さ方向複数に等分する箇所に設定されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の短寸のカーボンナノチューブの製造方法。

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