JP5526315B2 - Method for producing carbon nanotubes - Google Patents

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Description

本発明は、カーボンナノチューブ類を製造する方法に関する。より詳しくは、家庭用電子レンジのような安価な加熱装置を用いて短時間でカーボンナノチューブ類を製造する方法に関する。なお、本明細書及び請求の範囲等で使用する「カーボンナノチューブ類」の語には、カーボンナノチューブだけでなくカーボンナノカプセルが含まれる。   The present invention relates to a method for producing carbon nanotubes. More specifically, the present invention relates to a method for producing carbon nanotubes in a short time using an inexpensive heating device such as a household microwave oven. The term “carbon nanotubes” used in the present specification, claims, and the like includes not only carbon nanotubes but also carbon nanocapsules.

カーボンナノチューブ類は、一般に、アーク放電法、レーザーアブレーション法、化学気相成長法(CVD法)等により製造されている。これらの方法以外に、電気炉を用いてステアリン酸ニッケルからカーボンナノチューブ類を製造する方法が報告されている(非特許文献1参照)。   Carbon nanotubes are generally produced by an arc discharge method, a laser ablation method, a chemical vapor deposition method (CVD method), or the like. In addition to these methods, a method for producing carbon nanotubes from nickel stearate using an electric furnace has been reported (see Non-Patent Document 1).

この方法は、アルゴン雰囲気下の電気炉内で、ステアリン酸ニッケルを800℃から1000℃に加熱することによって、カーボンナノチューブ類を製造する方法である。   This method is a method for producing carbon nanotubes by heating nickel stearate from 800 ° C. to 1000 ° C. in an electric furnace under an argon atmosphere.

Junfeng Geng、外2名、「Journal of Materials Chemistry」、2005年、第15巻、p.844−849Junfeng Geng, 2 others, "Journal of Materials Chemistry", 2005, Vol. 15, p.844-849

非特許文献1記載の方法によれば、アーク放電法、レーザーアブレーション法、CVD法と比べて、安価な装置を用いて温和な条件でカーボンナノチューブ類が製造できる。しかしながら、電気炉を用いた場合、室温からカーボンナノチューブ類の生成温度に上昇させるまで、及びカーボンナノチューブ類の生成後に室温に降下させるまでに数時間という極めて長い時間がかかってしまう。また、電気炉よりさらに安価な加熱装置を用いたカーボンナノチューブ類の製造方法の出現が望まれる。   According to the method described in Non-Patent Document 1, carbon nanotubes can be produced under mild conditions using an inexpensive apparatus as compared with the arc discharge method, laser ablation method, and CVD method. However, when an electric furnace is used, it takes an extremely long time of several hours until the temperature is increased from room temperature to the temperature at which carbon nanotubes are generated, and after the carbon nanotubes are generated, the temperature is decreased to room temperature. Moreover, the advent of a method for producing carbon nanotubes using a heating device that is cheaper than an electric furnace is desired.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、安価な加熱装置を用いて短時間でカーボンナノチューブ類を製造する方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the method of manufacturing carbon nanotubes in a short time using an inexpensive heating apparatus.

本発明者らは、上述した目的を達成すべく鋭意努力を重ねた結果、電磁波エネルギーが熱エネルギーに変換される環境下で、ナノ繊維とカーボンナノチューブ生成触媒とを有する金属含有ナノ繊維に、電磁波エネルギーを照射すれば、安価な加熱装置を用いて10分程度の極短時間でカーボンナノチューブ類が製造できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive efforts to achieve the above-mentioned object, the present inventors have applied electromagnetic waves to metal-containing nanofibers having nanofibers and carbon nanotube-forming catalysts in an environment where electromagnetic wave energy is converted into thermal energy. It has been found that carbon nanotubes can be produced in an extremely short time of about 10 minutes using an inexpensive heating device by irradiating energy, and the present invention has been completed.

[1]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法は、有機物ポリマーからなるナノ繊維と、カーボンナノチューブ生成触媒作用を有する金属とを有する金属含有ナノ繊維を準備する金属含有ナノ繊維準備工程と、電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質を備える発熱容器内に前記金属含有ナノ繊維を入れた状態で、前記発熱容器に電磁波エネルギーを照射して前記発熱容器を発熱させることにより、前記金属含有ナノ繊維を加熱し、その結果、前記ナノ繊維を炭素源として、前記金属を内包するカーボンナノチューブ類を生成させるカーボンナノチューブ類生成工程とを有することを特徴とする。 [1] The method for producing carbon nanotubes of the present invention includes a metal-containing nanofiber preparation step of preparing a metal-containing nanofiber having a nanofiber made of an organic polymer and a metal having a carbon nanotube production catalytic action, and electromagnetic energy The metal-containing nanofibers are heated by irradiating the heat-generating container with electromagnetic energy and heating the heat-generating container in a state where the metal-containing nanofibers are placed in a heat-generating container provided with a substance that converts the heat into heat energy. As a result, the method includes a carbon nanotube generation step of generating carbon nanotubes including the metal using the nanofiber as a carbon source.

本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法によれば、安価な加熱装置を用いて短時間でカーボンナノチューブ類を製造することができる。また、本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法によれば、金属含有ナノ繊維に含まれるナノ繊維を炭素源として用いるため、金属含有ナノ繊維のほかには炭素源が不要となり、製造工程を簡略化することができるという効果もある。   According to the method for producing carbon nanotubes of the present invention, carbon nanotubes can be produced in a short time using an inexpensive heating device. Moreover, according to the method for producing carbon nanotubes of the present invention, since the nanofiber contained in the metal-containing nanofiber is used as a carbon source, no carbon source is required in addition to the metal-containing nanofiber, thereby simplifying the production process. There is also an effect that can be done.

[2]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法においては、前記金属含有ナノ繊維準備工程と前記カーボンナノチューブ類生成工程との間に、前記金属含有ナノ繊維を前記発熱容器内に収容する金属含有ナノ繊維収容工程をさらに備えることが好ましい。 [2] In the method for producing carbon nanotubes according to the present invention, the metal-containing nanofibers that house the metal-containing nanofibers in the heating container between the metal-containing nanofiber preparation step and the carbon nanotubes generation step. It is preferable to further include a fiber accommodation step.

[3]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法において、前記金属含有ナノ繊維収容工程においては、前記金属含有ナノ繊維を入れた反応容器を前記発熱容器内に収容することにより、前記金属含有ナノ繊維を前記発熱容器内に収容することが好ましい。 [3] In the method for producing carbon nanotubes of the present invention, in the metal-containing nanofiber housing step, the metal-containing nanofiber is accommodated by housing a reaction container containing the metal-containing nanofiber in the heat-generating container. Is preferably accommodated in the exothermic container.

[4]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法において、前記カーボンナノチューブ類生成工程においては、前記発熱容器に電磁波エネルギーを照射して前記発熱容器を発熱させた状態で、前記金属含有ナノ繊維が前記発熱容器内の空間を徐々に通過するようにすることにより、前記金属含有ナノ繊維を加熱することが好ましい。 [4] In the carbon nanotube production method of the present invention, in the carbon nanotube production step, the metal-containing nanofibers are in a state where the heat-generating container is heated by irradiating the heat-generating container with electromagnetic wave energy. It is preferable to heat the metal-containing nanofibers by gradually passing through the space in the exothermic container.

[5]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法において、前記カーボンナノチューブ類生成工程においては、耐熱性管の長手方向所定部分を前記発熱容器内に配置した状態で、前記金属含有ナノ繊維を入れた反応容器を前記耐熱性管内部の長手方向に沿って徐々に移動させることにより、前記金属含有ナノ繊維が前記発熱容器内の空間を徐々に通過するようにすることが好ましい。 [5] In the carbon nanotube production method of the present invention, in the carbon nanotube production step, the metal-containing nanofibers are put in a state in which a predetermined portion in the longitudinal direction of the heat-resistant tube is disposed in the heating container. It is preferable that the metal-containing nanofibers gradually pass through the space in the heat generating container by gradually moving the reaction container along the longitudinal direction inside the heat-resistant tube.

[6]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法においては、前記金属は、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群より選択される少なくとも1つの金属であることが好ましい。 [6] In the method for producing carbon nanotubes of the present invention, the metal is preferably at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel.

[7]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法においては、前記金属は、ニッケルであることが好ましい。 [7] In the method for producing carbon nanotubes of the present invention, the metal is preferably nickel.

[8]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法においては、前記金属含有ナノ繊維は、ナノ繊維の表面に前記金属が被覆されたものであることが好ましい。 [8] In the method for producing carbon nanotubes of the present invention, the metal-containing nanofibers are preferably those in which the metal is coated on the surface of the nanofibers.

[9]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法においては、前記金属含有ナノ繊維は、ナノ繊維に前記金属のナノ粒子が内包されたものであることが好ましい。 [9] In the method for producing carbon nanotubes of the present invention, the metal-containing nanofibers are preferably those in which the metal nanoparticles are encapsulated in nanofibers.

[10]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法においては、前記金属含有ナノ繊維は、前記金属と前記ナノ繊維の材料樹脂とを含む溶液又は懸濁液を原料としたエレクトロスピニング法によって製造されたものであることが好ましい。 [10] In the method for producing carbon nanotubes of the present invention, the metal-containing nanofiber is produced by an electrospinning method using a solution or a suspension containing the metal and a material resin of the nanofiber as a raw material. It is preferable.

[11]本発明のカーボンナノチューブの製造方法においては、前記カーボンナノチューブ類生成工程は、不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。 [11] In the carbon nanotube production method of the present invention, the carbon nanotube production step is preferably performed in an inert gas atmosphere.

[12]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法においては、前記カーボンナノチューブ類生成工程は、前記発熱容器内を600℃以上900℃以下の温度に5分間以上20分間以下維持する工程を含むことが好ましい。 [12] In the method for producing carbon nanotubes of the present invention, the carbon nanotube generation step includes a step of maintaining the inside of the heat generating container at a temperature of 600 ° C. to 900 ° C. for 5 minutes to 20 minutes. preferable.

[13]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法においては、前記カーボンナノチューブ類生成工程は、前記発熱容器内を600℃以上900℃以下の温度に加熱するとともに、前記金属含有ナノ繊維が前記発熱容器内の空間を5分間以上20分間以下の時間をかけて徐々に通過するようにすることが好ましい。 [13] In the method for producing carbon nanotubes of the present invention, in the carbon nanotube generation step, the inside of the heat generating container is heated to a temperature of 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, and the metal-containing nanofiber is heated to the heat generating container. It is preferable to pass through the space gradually over a period of 5 minutes to 20 minutes.

[14]本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法は、有機物ポリマーからなるナノ繊維と、カーボンナノチューブ類の生成触媒作用を有する金属とを有する金属含有ナノ繊維を準備する金属含有ナノ繊維準備工程と、前記金属含有ナノ繊維を加熱することにより、前記ナノ繊維を炭素源として、前記金属を内包するカーボンナノチューブ類を生成させるカーボンナノチューブ類生成工程とを有することを特徴とする。 [14] The method for producing carbon nanotubes of the present invention comprises a metal-containing nanofiber preparation step of preparing a metal-containing nanofiber having a nanofiber made of an organic polymer and a metal having a catalytic action for producing carbon nanotubes, And a carbon nanotube generation step of generating carbon nanotubes including the metal by heating the metal-containing nanofiber using the nanofiber as a carbon source.

本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法によっても、短時間でカーボンナノチューブ類を製造することができる。また、本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法によれば、金属含有ナノ繊維に含まれるナノ繊維を炭素源として用いるため、金属含有ナノ繊維のほかには炭素源が不要となり、製造工程を簡略化することができるという効果もある。   The carbon nanotubes can be produced in a short time also by the method for producing carbon nanotubes of the present invention. Moreover, according to the method for producing carbon nanotubes of the present invention, since the nanofiber contained in the metal-containing nanofiber is used as a carbon source, no carbon source is required in addition to the metal-containing nanofiber, thereby simplifying the production process. There is also an effect that can be done.

なお、上記[14]に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法においても、上記[1]に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法の場合と同様に、上記[6]〜[11]に記載の特徴を有することが好ましい。   In addition, in the method for producing carbon nanotubes described in [14], the features described in [6] to [11] are the same as in the method for producing carbon nanotubes described in [1]. It is preferable to have.

実施形態1に係るカーボンナノチューブ類の製造装置の模式的な断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a carbon nanotube production apparatus according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係るエレクトロスピニング装置の断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view of an electrospinning apparatus according to Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係るカーボンナノチューブ類の製造装置を説明するために示す図である。It is a figure shown in order to demonstrate the manufacturing apparatus of carbon nanotubes concerning Embodiment 2. FIG. 実施例1で製造されたカーボンナノチューブのTEM画像である。2 is a TEM image of carbon nanotubes manufactured in Example 1. FIG. 実施例1で製造されたカーボンナノカプセルのTEM画像である。2 is a TEM image of carbon nanocapsules manufactured in Example 1. FIG. 実施例2で製造されたカーボンナノチューブ類のTEM画像である。3 is a TEM image of carbon nanotubes produced in Example 2. FIG.

以下、本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法について、図に示す実施の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the method for producing carbon nanotubes of the present invention will be described based on the embodiments shown in the drawings.

[実施形態1]
図1は、実施形態1に係るカーボンナノチューブ類の製造方法に用いる製造装置10の模式的な断面図である。製造装置10は、図1に示すように、外容器12と、電磁波源14と、発熱容器16と、熱電対22と、制御部24とを備える。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a manufacturing apparatus 10 used in the method for manufacturing carbon nanotubes according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the manufacturing apparatus 10 includes an outer container 12, an electromagnetic wave source 14, a heat generating container 16, a thermocouple 22, and a control unit 24.

電磁波源14は電磁波を発生する装置であり、本実施形態においては、マグネトロン及び導波管を有して構成される。図1に示す製造装置10は、照射する電磁波の強度を空間的に均一化するために、外容器12の左右に各1個の電磁波源を有している。しかし、構成を単純にするために、左右どちらか1個だけの電磁波源としてもかまわない。また、電磁波源14を1個とする場合、家庭用電子レンジの例のように、電磁波源14を外容器12の上部に取り付けてもよい。   The electromagnetic wave source 14 is a device that generates an electromagnetic wave. In the present embodiment, the electromagnetic wave source 14 includes a magnetron and a waveguide. The manufacturing apparatus 10 shown in FIG. 1 has one electromagnetic wave source on each of the left and right sides of the outer container 12 in order to spatially equalize the intensity of the electromagnetic waves to be irradiated. However, in order to simplify the configuration, only one of the left and right electromagnetic wave sources may be used. Moreover, when the electromagnetic wave source 14 is made into one, the electromagnetic wave source 14 may be attached to the upper part of the outer container 12 like the example of a household microwave oven.

カーボンナノチューブ類の製造時には、有機物ポリマーからなるナノ繊維と、カーボンナノチューブ生成触媒作用を有する金属とを有する金属含有ナノ繊維28を準備しておき、その後、金属含有ナノ繊維28が入れられた石英試験管(反応容器)40を発熱容器16内に設置する。金属含有ナノ繊維28は、カーボンナノチューブ類を製造する原料である。カーボンナノチューブ生成触媒作用を有する金属としては、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群より選択される少なくとも1つの金属が挙げられる。   At the time of the production of carbon nanotubes, a metal-containing nanofiber 28 having nanofibers made of an organic polymer and a metal having a carbon nanotube production catalytic action is prepared, and then a quartz test in which the metal-containing nanofibers 28 are put. A tube (reaction vessel) 40 is installed in the exothermic vessel 16. The metal-containing nanofiber 28 is a raw material for producing carbon nanotubes. Examples of the metal having a carbon nanotube production catalytic action include at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel.

なお、石英試験管40は耐熱性のある材料ならセラミックスなど石英以外の素材で構成してもよい。   The quartz test tube 40 may be made of a material other than quartz, such as ceramics, as long as it is a heat resistant material.

外容器12は、電磁波源14から照射された電磁波エネルギーをその内部に閉じ込めておく機能を有する。電磁波源14は、制御部24で制御された電磁波エネルギーの強度及び照射時間に対応した電磁波エネルギーを照射する。家庭用電子レンジは、外容器12と電磁波源14と制御部24とを備えている。したがって、実施形態1に係るカーボンナノチューブ類の製造方法においては、家庭用電子レンジを使用することができる。家庭用電子レンジを使用すれば、カーボンナノチューブ類の製造装置が安価なものとなる。電磁波源14から照射される電磁波の種類は特に制限されないが、昇温速度、すなわちカーボンナノチューブ類の生成速度を上げるためにマイクロ波が好ましい。   The outer container 12 has a function of confining the electromagnetic wave energy irradiated from the electromagnetic wave source 14 therein. The electromagnetic wave source 14 emits electromagnetic wave energy corresponding to the intensity and irradiation time of the electromagnetic wave energy controlled by the control unit 24. The home microwave oven includes an outer container 12, an electromagnetic wave source 14, and a control unit 24. Therefore, in the method for manufacturing carbon nanotubes according to Embodiment 1, a household microwave oven can be used. If a household microwave oven is used, the carbon nanotube production apparatus becomes inexpensive. The type of electromagnetic wave irradiated from the electromagnetic wave source 14 is not particularly limited, but microwave is preferable in order to increase the rate of temperature rise, that is, the rate of generation of carbon nanotubes.

発熱容器16は電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換して発熱容器16の内部に配置した部材を加熱する機能を有する。
発熱容器16は、略中空円柱形状で、天板に孔が形成され、断熱材からなる側壁の内側表面に電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質が被覆されている(不図示)。電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質としては、アルミナ、ムライト、フェライト、窒化珪素、及び炭化珪素等が挙げられる。発熱容器16の内側表面に電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質を被覆する代わりに、電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質から発熱容器16自体を作製してもよいし、電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質を発熱容器16の壁中に分散させたり充填したりしてもよい。
The heat generating container 16 has a function of converting electromagnetic energy into heat energy and heating a member disposed inside the heat generating container 16.
The heat generating container 16 has a substantially hollow cylindrical shape, a hole is formed in the top plate, and a substance that converts electromagnetic wave energy into heat energy is coated on the inner surface of the side wall made of a heat insulating material (not shown). Examples of the substance that converts electromagnetic wave energy into thermal energy include alumina, mullite, ferrite, silicon nitride, and silicon carbide. Instead of coating the inner surface of the heat generating container 16 with a substance that converts electromagnetic wave energy into heat energy, the heat generating container 16 itself may be made from a substance that converts electromagnetic wave energy into heat energy, or the electromagnetic wave energy is converted into heat energy. The substance to be converted may be dispersed or filled in the wall of the heating container 16.

制御部24は、電磁波源14から照射する電磁波エネルギーの強度及び照射時間を制御する。実施形態1に係るカーボンナノチューブ類の製造方法においては、熱電対22によって測定した発熱容器16内の温度の情報に基づいて、カーボンナノチューブ類が生成する温度、例えば600℃以上900℃以下の一定の温度を、所定の時間、例えば5分間以上20分間以下維持するように、制御部24で制御している。   The control unit 24 controls the intensity and irradiation time of electromagnetic wave energy irradiated from the electromagnetic wave source 14. In the method for producing carbon nanotubes according to the first embodiment, the temperature at which the carbon nanotubes are generated based on the temperature information in the heating container 16 measured by the thermocouple 22, for example, a constant temperature of 600 ° C. or more and 900 ° C. or less. The controller 24 controls the temperature so as to maintain the temperature for a predetermined time, for example, 5 minutes or more and 20 minutes or less.

有機物ポリマーからなるナノ繊維と、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群から選択される少なくとも1つの金属とを有する金属含有ナノ繊維28が石英試験管40の中に入れられて、発熱容器16の内部に収容される。金属含有ナノ繊維28中の有機物ポリマーからなるナノ繊維はカーボンナノチューブ類の炭素源として機能し、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群から選択される少なくとも1つの金属はカーボンナノチューブ類の生成触媒として機能する。   A metal-containing nanofiber 28 having nanofibers made of an organic polymer and at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel is placed in a quartz test tube 40, and the inside of the heat generating container 16. Is housed in. Nanofibers made of organic polymer in metal-containing nanofibers 28 function as a carbon source for carbon nanotubes, and at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel functions as a catalyst for producing carbon nanotubes. To do.

金属含有ナノ繊維28としては、例えば、ナノ繊維の表面に、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群より選択される少なくとも1つの金属が蒸着法等によって被覆されているもの、又はナノ繊維に、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群より選択される少なくとも1つの金属のナノ粒子が内包されているものが挙げられる。   As the metal-containing nanofiber 28, for example, the surface of the nanofiber is coated with at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel by a vapor deposition method or the like, or the nanofiber is coated with iron. , Cobalt, and nickel, and those containing at least one metal nanoparticle selected from the group consisting of nickel and cobalt.

ナノ繊維は、一般的なナノ繊維の形成方法、例えばエレクトロスピニング法、メルトブロウン法等によって形成される。ナノ繊維の材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリエーテルイミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリ乳酸グリコール酸等が挙げられる。   The nanofiber is formed by a general nanofiber forming method, for example, an electrospinning method, a melt blown method, or the like. Examples of nanofiber materials include polyethylene, polystyrene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyamide, polyurethane, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyether imide, polycaprolactone, polylactic acid, and polylactic acid glycolic acid. Etc.

ナノ繊維の表面に金属が被覆されている金属含有ナノ繊維は、一般的な金属被覆方法、例えば真空蒸着法等によって、ナノ繊維に金属を被覆して製造する。また、ナノ繊維に金属のナノ粒子が内包されている金属含有ナノ繊維は、金属のナノ粒子とナノ繊維の材料樹脂とを含む懸濁液、例えばナノ繊維の材料樹脂を溶剤に溶かした溶液中に金属のナノ粒子を分散させた懸濁液を原料としたエレクトロスピニング法によって製造される。ナノ繊維及びナノ繊維に金属のナノ粒子が内包されている金属含有ナノ繊維をエレクトロスピニング法によって製造する方法については後述する。   Metal-containing nanofibers in which a metal is coated on the surface of the nanofibers are manufactured by coating the nanofibers with metal by a general metal coating method, for example, vacuum deposition. In addition, metal-containing nanofibers in which metal nanoparticles are encapsulated in nanofibers are suspensions containing metal nanoparticles and nanofiber material resin, for example, in a solution in which nanofiber material resin is dissolved in a solvent. It is manufactured by an electrospinning method using a suspension in which metal nanoparticles are dispersed. A method for producing nanofibers and metal-containing nanofibers in which metal nanoparticles are encapsulated in the nanofibers will be described later.

石英試験管40は、カーボンナノチューブ類の生成時の温度下で耐えられる。石英試験管40の開口部には、栓42を介してガス導入管44が差し込まれている。カーボンナノチューブ類の生成時及びその前後では、不活性ガス、例えば、ヘリウムもしくはアルゴン等の希ガス、又は窒素ガスが、ガス導入管44から供給され、供給された不活性ガスによって石英試験管40の内部が置換される。不活性ガスによって石英試験管40の内部を置換するのは、酸化反応を防ぎつつカーボンナノチューブ類を生成させるためである。   The quartz test tube 40 can withstand the temperature at which carbon nanotubes are produced. A gas introduction tube 44 is inserted into the opening of the quartz test tube 40 through a plug 42. An inert gas, for example, a rare gas such as helium or argon, or a nitrogen gas is supplied from the gas introduction tube 44 before and after the generation of the carbon nanotubes, and the quartz test tube 40 is supplied by the supplied inert gas. The inside is replaced. The reason why the inside of the quartz test tube 40 is replaced with an inert gas is to generate carbon nanotubes while preventing an oxidation reaction.

実施形態1に係るカーボンナノチューブ類の製造方法は、以下の工程によって実施される。まず、金属含有ナノ繊維28を石英試験管40内に入れ、その後、ガス導入管44が挿入された栓42で石英試験管40の開口部を密閉する。つぎに、外容器12の天板に設けられた孔からこの石英試験管40を通し、金属含有ナノ繊維28が発熱容器16の内部に配置されるような位置で石英試験管40を固定する。   The method for producing carbon nanotubes according to Embodiment 1 is performed by the following steps. First, the metal-containing nanofibers 28 are put in the quartz test tube 40, and then the opening of the quartz test tube 40 is sealed with a stopper 42 into which the gas introduction tube 44 is inserted. Next, the quartz test tube 40 is passed through the hole provided in the top plate of the outer container 12, and the quartz test tube 40 is fixed at a position where the metal-containing nanofibers 28 are disposed inside the heating container 16.

そして、製造装置10の外側から外容器12及び発熱容器16の天板に設けられた孔(いずれも不図示)を通すようにして、熱電対22の先端部22aを金属含有ナノ繊維28付近に近づける。つぎに、ガス導入管44に不活性ガスを供給し、石英試験管40内が不活性ガスで充分に置換されたら、制御部24を操作して電磁波源14から電磁波エネルギーを照射する。   Then, through the holes (both not shown) provided in the top plate of the outer container 12 and the heating container 16 from the outside of the manufacturing apparatus 10, the tip 22 a of the thermocouple 22 is placed near the metal-containing nanofiber 28. Move closer. Next, an inert gas is supplied to the gas introduction tube 44, and when the quartz test tube 40 is sufficiently replaced with the inert gas, the controller 24 is operated to irradiate the electromagnetic wave energy from the electromagnetic wave source 14.

電磁波源14から照射された電磁波エネルギーは、発熱容器16に照射されて熱エネルギーに変換され、この熱エネルギーによって発熱容器内の温度が急速に上昇し、発熱容器内の温度はカーボンナノチューブ類の生成温度、例えば600℃以上900℃以下の所望の一定温度に、例えば加熱開始から5分以内で達する。ついで、制御部24を用いて発熱容器16内をカーボンナノチューブ類が生成する一定の温度に数分間、例えば5分間以上20分間以下維持する。   The electromagnetic wave energy irradiated from the electromagnetic wave source 14 is irradiated to the heat generating container 16 and converted into heat energy. The heat energy rapidly increases the temperature in the heat generating container, and the temperature in the heat generating container generates carbon nanotubes. A desired constant temperature of, for example, 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower is reached, for example, within 5 minutes from the start of heating. Subsequently, the inside of the heat generating container 16 is maintained at a constant temperature at which the carbon nanotubes are generated using the control unit 24 for several minutes, for example, 5 minutes or more and 20 minutes or less.

その後、電磁波源14からの電磁波エネルギーの照射を停止する。電磁波エネルギーの照射を停止してから数分経過すると、発熱容器16内は室温近くまで下降する。そして、石英試験管40を外容器12から取り出す。このようにして金属含有ナノ繊維28から金属を内包するカーボンナノチューブ類が生成する。このように、金属触媒とナノ繊維とを有する金属含有ナノ繊維を収容し、発熱容器に電磁波エネルギーを照射してカーボンナノチューブ類の生成温度を維持することにより、短時間でカーボンナノチューブ類を製造することができる。   Thereafter, the irradiation of electromagnetic wave energy from the electromagnetic wave source 14 is stopped. When a few minutes have passed since the irradiation of electromagnetic energy was stopped, the inside of the heating container 16 descends to near room temperature. Then, the quartz test tube 40 is taken out from the outer container 12. In this way, carbon nanotubes encapsulating metal are generated from the metal-containing nanofibers 28. In this manner, carbon nanotubes are produced in a short time by storing metal-containing nanofibers having a metal catalyst and nanofibers, and irradiating the heat generating container with electromagnetic wave energy to maintain the generation temperature of the carbon nanotubes. be able to.

図2は、実施形態1で用いるエレクトロスピニング装置50の模式的な断面である。実施形態1で用いるナノ繊維は、エレクトロスピニング装置50を用いて、以下の工程によって製造される。まず、ナノ繊維の材料樹脂を、溶媒に溶解した状態でタンク52に供給する。つぎに、基材54が巻き付けられた繰り出し側ロール56から基材54を繰り出す。   FIG. 2 is a schematic cross section of the electrospinning apparatus 50 used in the first embodiment. The nanofiber used in Embodiment 1 is manufactured by the following process using the electrospinning apparatus 50. First, the nanofiber material resin is supplied to the tank 52 in a state dissolved in a solvent. Next, the base material 54 is fed out from the feeding-side roll 56 around which the base material 54 is wound.

そして、基材54が送りローラ58を経由して対向電極70上を通過するときに、ノズル74と対向電極70との間に高電圧電源72によって高電圧が印加された状態でバルブ76を開いて、ノズル74から樹脂溶液78を基材54に向けて飛ばす。ノズル74から飛び出た樹脂溶液78は、基材54上でナノ繊維となる。   When the substrate 54 passes over the counter electrode 70 via the feed roller 58, the valve 76 is opened with a high voltage applied by the high voltage power source 72 between the nozzle 74 and the counter electrode 70. Then, the resin solution 78 is blown off from the nozzle 74 toward the base material 54. The resin solution 78 jumping out from the nozzle 74 becomes nanofibers on the substrate 54.

溶媒は樹脂溶液78がノズル74から基材54に向かう途中で蒸発する。また、ヒータ(不図示)によって対向電極70が加熱されており、仮にナノ繊維中に溶媒が残存したとしても、この溶媒はヒータからの熱によって蒸発する。こうして、基材54とナノ繊維の層からなるナノ繊維積層シート80が得られる。その後、ナノ繊維積層シート80は、送りローラ58を経由して巻き取り側ロール84に巻き取られる。   The solvent evaporates in the middle of the resin solution 78 from the nozzle 74 toward the substrate 54. Further, even if the counter electrode 70 is heated by a heater (not shown) and the solvent remains in the nanofiber, the solvent evaporates due to heat from the heater. Thus, a nanofiber laminated sheet 80 composed of the base material 54 and the nanofiber layer is obtained. Thereafter, the nanofiber laminated sheet 80 is wound around the winding-side roll 84 via the feed roller 58.

また、ナノ繊維に金属のナノ粒子が内包されている金属含有ナノ繊維28を製造する際には、ナノ繊維の材料樹脂が溶解した溶液中に金属のナノ粒子を分散させた懸濁液をタンク52に供給する。この点を除けば、ナノ繊維を製造する場合と同じである。   Further, when the metal-containing nanofibers 28 in which metal nanoparticles are encapsulated in the nanofibers are produced, a suspension in which the metal nanoparticles are dispersed in a solution in which the nanofiber material resin is dissolved is tanked. 52. Except this point, it is the same as the case of producing nanofibers.

[実施形態2]
図3は、実施形態2に係るカーボンナノチューブ類の製造方法に用いる製造装置110を説明するために示す図である。図3(a)は製造装置110を上面から見た断面図であり、図3(b)は製造装置110を正面から見た断面図であり、図3(c)は図3(b)の符号A1で示す部分の拡大図であり、図3(d)は図3(b)の符号A2で示す部分の拡大図である。図3においては、カーボンナノチューブ類を製造している最中の製造装置110中を示している。
[Embodiment 2]
FIG. 3 is a view for explaining the production apparatus 110 used in the method for producing carbon nanotubes according to the second embodiment. 3A is a cross-sectional view of the manufacturing apparatus 110 as viewed from above, FIG. 3B is a cross-sectional view of the manufacturing apparatus 110 as viewed from the front, and FIG. 3C is a cross-sectional view of FIG. FIG. 3D is an enlarged view of a portion indicated by reference numeral A1, and FIG. 3D is an enlarged view of a portion indicated by reference numeral A2 in FIG. In FIG. 3, the inside of the manufacturing apparatus 110 in the middle of manufacturing carbon nanotubes is shown.

製造装置110は、図3に示すように、外容器112と、電磁波源114と、発熱容器116と、熱電対122と、制御部124と、耐熱性管としての石英ガラス管132とを備える。石英ガラス管132は、その長手方向所定部分が発熱容器116内に位置するように取り付けられている。   As shown in FIG. 3, the manufacturing apparatus 110 includes an outer container 112, an electromagnetic wave source 114, a heating container 116, a thermocouple 122, a control unit 124, and a quartz glass tube 132 as a heat resistant tube. The quartz glass tube 132 is attached so that a predetermined portion in the longitudinal direction is located in the heat generating container 116.

電磁波源114は電磁波を発生する装置であり、本実施形態においては、マグネトロン及び導波管を有して構成される。図2に示す製造装置110は、照射する電磁波の強度を空間的に均一化するために、外容器112の左右に各1個の電磁波源を有している。しかし、構成を単純にするために、左右どちらか1個だけの電磁波源としてもかまわない。また、電磁波源114を1個とする場合、家庭用電子レンジの例のように、電磁波源114を外容器112の上部に取り付けてもよい。
なお、石英ガラス管132は耐熱性のある材料ならセラミックスなど石英以外の素材で構成してもよい。
The electromagnetic wave source 114 is a device that generates an electromagnetic wave. In the present embodiment, the electromagnetic wave source 114 includes a magnetron and a waveguide. The manufacturing apparatus 110 shown in FIG. 2 has one electromagnetic wave source on each of the left and right sides of the outer container 112 in order to spatially equalize the intensity of the electromagnetic waves to be irradiated. However, in order to simplify the configuration, only one of the left and right electromagnetic wave sources may be used. Further, when the number of the electromagnetic wave sources 114 is one, the electromagnetic wave source 114 may be attached to the upper portion of the outer container 112 as in the example of a home microwave oven.
The quartz glass tube 132 may be made of a material other than quartz, such as ceramics, as long as it is a heat resistant material.

カーボンナノチューブ類の製造時には、まず、有機物ポリマーからなるナノ繊維と、カーボンナノチューブ生成触媒作用を有する金属とを有する金属含有ナノ繊維128(例えば不織布)を準備する。その後、発熱容器116に電磁波エネルギーを照射して発熱容器116を発熱させた状態で、金属含有ナノ繊維128が入れられた石英ボート(反応容器)136を石英ガラス管132内部の長手方向に沿って徐々に移動させる。その結果、金属含有ナノ繊維128が発熱容器116内の空間を徐々に通過するようになり、これにより、金属含有ナノ繊維128を効率的に加熱することができる。なお、石英ボート136の移動は、図示しない駆動手段により矢印方向に徐々に進行する石英製のコンベア134に石英ボート136を載置することにより行う。金属含有ナノ繊維128は、カーボンナノチューブ類を製造する原料である。カーボンナノチューブ生成触媒作用を有する金属としては、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群より選択される少なくとも1つの金属が挙げられる。   When producing carbon nanotubes, first, metal-containing nanofibers 128 (for example, non-woven fabric) having nanofibers made of an organic polymer and a metal having a carbon nanotube production catalytic action are prepared. Thereafter, the quartz vessel (reaction vessel) 136 in which the metal-containing nanofibers 128 are put is placed along the longitudinal direction inside the quartz glass tube 132 in a state where the heating vessel 116 is irradiated with electromagnetic wave energy to generate heat. Move gradually. As a result, the metal-containing nanofibers 128 gradually pass through the space in the heat generating container 116, whereby the metal-containing nanofibers 128 can be efficiently heated. The quartz boat 136 is moved by placing the quartz boat 136 on a quartz conveyor 134 that gradually moves in the direction of the arrow by a driving means (not shown). The metal-containing nanofiber 128 is a raw material for producing carbon nanotubes. Examples of the metal having a carbon nanotube production catalytic action include at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel.

なお、石英ボート136及びコンベア134は耐熱性のある材料ならセラミックスなど石英以外の素材で構成してもよい。   The quartz boat 136 and the conveyor 134 may be made of materials other than quartz, such as ceramics, as long as they have heat resistance.

外容器112は、電磁波源114から照射された電磁波エネルギーをその内部に閉じ込めておく機能を有する。電磁波源114は、制御部124で制御された電磁波エネルギーの強度及び照射時間に対応した電磁波エネルギーを照射する。電磁波源114から照射される電磁波の種類は特に制限されないが、昇温速度、すなわちカーボンナノチューブ類の生成速度を上げるためにマイクロ波が好ましい。   The outer container 112 has a function of confining the electromagnetic wave energy irradiated from the electromagnetic wave source 114 inside. The electromagnetic wave source 114 irradiates the electromagnetic wave energy corresponding to the intensity and irradiation time of the electromagnetic wave energy controlled by the control unit 124. The type of electromagnetic wave irradiated from the electromagnetic wave source 114 is not particularly limited, but microwave is preferable in order to increase the rate of temperature rise, that is, the rate of generation of carbon nanotubes.

発熱容器116は電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換して発熱容器116の内部に配置した部材を加熱する機能を有する。
発熱容器116は、略中空円柱形状で、両側面に孔が形成され、断熱材からなる壁の内側表面に電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質が被覆されている(不図示)。電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質としては、アルミナ、ムライト、フェライト、窒化珪素、及び炭化珪素等が挙げられる。発熱容器116の内側表面に電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質を被覆する代わりに、電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質から発熱容器116自体を作製してもよいし、電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質を発熱容器116の壁中に分散させたり充填したりしてもよい。
The heat generating container 116 has a function of converting the electromagnetic wave energy into heat energy and heating a member disposed inside the heat generating container 116.
The exothermic container 116 has a substantially hollow cylindrical shape, holes are formed on both sides, and a substance that converts electromagnetic wave energy into heat energy is coated on the inner surface of the wall made of a heat insulating material (not shown). Examples of the substance that converts electromagnetic wave energy into thermal energy include alumina, mullite, ferrite, silicon nitride, and silicon carbide. Instead of coating the inner surface of the heat generating container 116 with a substance that converts electromagnetic wave energy into heat energy, the heat generating container 116 itself may be made from a substance that converts electromagnetic wave energy into heat energy, or the electromagnetic wave energy is converted into heat energy. The substance to be converted may be dispersed or filled in the wall of the heating container 116.

制御部124は、電磁波源114から照射する電磁波エネルギーの強度及び照射時間を制御する。実施形態2に係るカーボンナノチューブ類の製造方法においては、熱電対122によって測定した発熱容器116内の温度の情報に基づいて、発熱容器116内の温度が、カーボンナノチューブ類が生成する温度、例えば600℃以上900℃以下の一定の温度で維持されるように、制御部124で制御している。   The control unit 124 controls the intensity and irradiation time of electromagnetic wave energy irradiated from the electromagnetic wave source 114. In the method for producing carbon nanotubes according to the second embodiment, based on the temperature information in the heating container 116 measured by the thermocouple 122, the temperature in the heating container 116 is the temperature at which the carbon nanotubes are generated, for example, 600. It is controlled by the control unit 124 so as to be maintained at a constant temperature of not less than 900 ° C and not more than 900 ° C.

有機物ポリマーからなるナノ繊維と、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群から選択される少なくとも1つの金属とを有する金属含有ナノ繊維128が石英ボート136の中に入れられて、図3の矢印方向に徐々に進行する石英製のコンベア134に載置される。有機物ポリマーからなるナノ繊維は、カーボンナノチューブ類の炭素源として機能し、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群から選択される少なくとも1つの金属は、カーボンナノチューブ類の生成触媒として機能する。   A metal-containing nanofiber 128 having nanofibers made of an organic polymer and at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel is placed in a quartz boat 136 and is moved in the direction of the arrow in FIG. It is placed on a quartz conveyor 134 that gradually advances. Nanofibers made of an organic polymer function as a carbon source for carbon nanotubes, and at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel functions as a catalyst for producing carbon nanotubes.

金属含有ナノ繊維128、ナノ繊維、金属のナノ粒子の構造、材料、製造方法に関しては、例えば実施形態1で例示したとおりである。   The structure, material, and manufacturing method of the metal-containing nanofiber 128, the nanofiber, and the metal nanoparticle are as exemplified in Embodiment 1, for example.

石英ガラス管132は、カーボンナノチューブ類の生成時の温度下で耐えられる。石英ガラス管132には不活性ガス導入管が設けられ、カーボンナノチューブ類の生成時及びその前後に、不活性ガス、例えば、ヘリウムもしくはアルゴン等の希ガス、又は窒素ガスを石英ガラス管132に導入することにより、石英ガラス管132の内部がこれらの不活性ガスによって置換される。不活性ガスによって石英ガラス管132の内部を置換するのは、酸化反応を防ぎつつカーボンナノチューブ類を生成させるためである。   The quartz glass tube 132 can withstand the temperature at which the carbon nanotubes are produced. The quartz glass tube 132 is provided with an inert gas introduction tube, and an inert gas, for example, a rare gas such as helium or argon, or nitrogen gas is introduced into the quartz glass tube 132 before and after the generation of carbon nanotubes. By doing so, the inside of the quartz glass tube 132 is replaced by these inert gases. The reason why the inside of the quartz glass tube 132 is replaced with an inert gas is to generate carbon nanotubes while preventing an oxidation reaction.

実施形態2に係るカーボンナノチューブ類の製造方法は、以下の工程によって実施される。まず、不活性ガス導入管に不活性ガスを流すことにより、石英ガラス管132の内部を不活性ガスで十分に置換する。その後、発熱容器116に電磁波エネルギーを照射して発熱容器116を発熱させ、石英ガラス管132の所定領域を、例えば600℃以上900℃以下の所望の一定温度まで昇温する。このとき、熱電対122の先端部122aを石英ガラス管132における所定領域に置き、この熱電対122の温度の情報に基づいて、制御装置124の出力を制御する。その後、この温度を維持した状態で、図3の矢印方向に徐々に進行する石英製のコンベア134に、金属含有ナノ繊維128が入れられた石英ボート136(反応容器)を載置する。   The method for producing carbon nanotubes according to Embodiment 2 is performed by the following steps. First, by flowing an inert gas through the inert gas introduction tube, the inside of the quartz glass tube 132 is sufficiently replaced with the inert gas. Thereafter, the heat generating container 116 is irradiated with electromagnetic wave energy to cause the heat generating container 116 to generate heat, and the predetermined region of the quartz glass tube 132 is heated to a desired constant temperature of, for example, 600 ° C. or more and 900 ° C. or less. At this time, the tip 122a of the thermocouple 122 is placed in a predetermined region in the quartz glass tube 132, and the output of the control device 124 is controlled based on the temperature information of the thermocouple 122. Thereafter, with this temperature maintained, a quartz boat 136 (reaction vessel) in which the metal-containing nanofibers 128 are placed is placed on a quartz conveyor 134 that gradually advances in the direction of the arrow in FIG.

その結果、金属含有ナノ繊維128が発熱容器116内の空間を徐々に通過するようになり、これにより、金属含有ナノ繊維128を必要な時間だけ加熱することが可能となる。なお、石英ガラス管132の所定領域を通り過ぎた石英ボート136は徐々に冷却され、石英ガラス管132の出口に到達したときには、室温近くにまで冷却されることとなる。実施形態2に係るカーボンナノチューブ類の製造方法においては、複数の石英ボート136を準備しておき、これらの石英ボート136を順次コンベアに載置することによって高い生産性でカーボンナノチューブ類を製造することができる。   As a result, the metal-containing nanofibers 128 gradually pass through the space in the heat generating container 116, and thus the metal-containing nanofibers 128 can be heated for a necessary time. The quartz boat 136 that has passed through a predetermined region of the quartz glass tube 132 is gradually cooled, and when it reaches the outlet of the quartz glass tube 132, it is cooled to near room temperature. In the method for producing carbon nanotubes according to the second embodiment, a plurality of quartz boats 136 are prepared, and the carbon boats are produced with high productivity by sequentially placing these quartz boats 136 on a conveyor. Can do.

以下の実施例においては、上記した実施形態1に係る製造装置10を用いてカーボンナノチューブ類を製造した。   In the following examples, carbon nanotubes were manufactured using the manufacturing apparatus 10 according to Embodiment 1 described above.

1.カーボンナノチューブ類の製造装置
家庭用電子レンジ(象印マホービン株式会社ES−HA196)を製造装置10用に改造して使用した。すなわち、発熱容器16内を一定の温度に維持できるように熱電対22を電子レンジに設け、熱電対22からの温度情報に基づいて電磁波エネルギー(マイクロ波エネルギー)の出力が調整できるように、電子レンジの操作部(制御部24に相当する)を改造した。発熱容器16は、電子レンジのマイクロ波によって内部の温度が上昇する焼成器(一般名 microwave kiln;商品名「アートボックス」)を用いた。なお、この焼成器は、底部と容器本体部の二体から構成されている。
1. Carbon Nanotube Manufacturing Apparatus A household microwave oven (Elephant Mahobin Co., Ltd. ES-HA196) was modified for the manufacturing apparatus 10 and used. That is, the thermocouple 22 is provided in a microwave oven so that the inside of the heating container 16 can be maintained at a constant temperature, and the output of electromagnetic wave energy (microwave energy) can be adjusted based on temperature information from the thermocouple 22. The range operation unit (corresponding to the control unit 24) was modified. The exothermic container 16 used was a calciner (generic name: microwave oven; trade name “Art Box”) in which the internal temperature was increased by microwaves in a microwave oven. In addition, this baking machine is comprised from two bodies of a bottom part and a container main-body part .

2.カーボンナノチューブ類の製造
[実施例1]
実施例1は、ナノ繊維の表面に金属が被覆されている金属含有ナノ繊維を用いた実施例である。
2. Production of carbon nanotubes [Example 1]
Example 1 is an example using a metal-containing nanofiber in which a metal is coated on the surface of the nanofiber.

(1)ナノ繊維の調製
ポリスチレンのDMF溶液(約30重量%)を原料としたエレクトロスピニング法によって、基材54上にポリスチレンナノ繊維の不織布を作製した。得られたナノ繊維の不織布の厚さは1〜10μmで、ナノ繊維の直径は500〜2000nmであった。ナノ繊維の直径は、電子顕微鏡写真に写っている多数のナノ繊維の繊維幅を測定して求めた。
(1) Preparation of nanofibers A nonwoven fabric of polystyrene nanofibers was produced on the base material 54 by an electrospinning method using a DMF solution of polystyrene (about 30% by weight) as a raw material. The resulting nanofiber nonwoven fabric had a thickness of 1 to 10 μm and a nanofiber diameter of 500 to 2000 nm. The diameter of the nanofiber was determined by measuring the fiber width of a large number of nanofibers shown in the electron micrograph.

(2)ナノ繊維表面への金属の被覆
真空蒸着法によって基材54上に作製されたナノ繊維の表面にニッケルを被覆した。ニッケル被覆層の厚さは10〜300nmであった。ニッケル被覆層の厚さは、金属含有ナノ繊維の断面顕微鏡写真のニッケル層の厚さを測定して求めた。
(2) Coating of metal on the nanofiber surface Nickel was coated on the surface of the nanofiber produced on the substrate 54 by vacuum deposition. The thickness of the nickel coating layer was 10 to 300 nm. The thickness of the nickel coating layer was determined by measuring the thickness of the nickel layer in the cross-sectional micrograph of the metal-containing nanofiber.

(3)カーボンナノチューブ類の生成
直径15mm、長さ180mmの石英試験管40内に、上記工程で得られた金属含有ナノ繊維28(基材から剥離したもの)を入れ、電子レンジの中に設置されている焼成器の内部に石英試験管40を収容し、石英試験管40の内部を窒素ガスで10分間置換した。そして、石英試験管40の内部が窒素ガス雰囲気の状態でマイクロ波エネルギー(出力600W)を焼成器に5分間照射し、焼成器内の温度を800℃に上昇させた。つづいて、マイクロ波エネルギーを焼成器に照射し続けて焼成器内の温度を800℃で10分間維持した後、マイクロ波エネルギーの照射を停止した。マイクロ波エネルギーの照射停止から5分経過後、焼成器内部の温度は室温近くまで下降した。これにより、カーボンナノチューブ類が得られた。
(3) Generation of carbon nanotubes The metal-containing nanofibers 28 (exfoliated from the base material) obtained in the above process are placed in a quartz test tube 40 having a diameter of 15 mm and a length of 180 mm, and placed in a microwave oven. The quartz test tube 40 was accommodated in the fired oven, and the inside of the quartz test tube 40 was replaced with nitrogen gas for 10 minutes. And the microwave energy (output 600W) was irradiated to the baking machine for 5 minutes in the state where the inside of the quartz test tube 40 was nitrogen gas atmosphere, and the temperature in a baking machine was raised to 800 degreeC. Subsequently, microwave energy was continuously irradiated to the calciner and the temperature in the calciner was maintained at 800 ° C. for 10 minutes, and then the microwave energy irradiation was stopped. After 5 minutes from the stop of microwave energy irradiation, the temperature inside the calciner dropped to near room temperature. Thereby, carbon nanotubes were obtained.

こうして得られたカーボンナノチューブ類の粗生成物に含まれる裸のニッケル金属粒子を除去するため、カーボンナノチューブ類の粗生成物と濃塩酸を、生成時に用いた試験管とは別の試験管に入れ、この試験管を超音波洗浄器(シャープ株式会社UT−105S)の水槽に浸して超音波洗浄を行った。つぎに、試験管立てで一晩放置した後、上澄み液を除去し、洗浄水が中性になるまで水の添加及び上澄み液の除去を繰り返した。そして、この生成物を減圧下で乾燥させてカーボンナノチューブ類を得た。ナノ繊維の炭素含有量に基づいて算出したカーボンナノチューブ類の収率は約4%だった。   In order to remove the bare nickel metal particles contained in the crude product of carbon nanotubes obtained in this way, the crude product of carbon nanotubes and concentrated hydrochloric acid are put in a test tube different from the test tube used at the time of production. The test tube was immersed in a water tank of an ultrasonic cleaner (Sharp Corporation UT-105S) for ultrasonic cleaning. Next, after standing overnight in a test tube stand, the supernatant was removed, and the addition of water and the removal of the supernatant were repeated until the wash water became neutral. And this product was dried under reduced pressure and carbon nanotubes were obtained. The yield of carbon nanotubes calculated based on the carbon content of the nanofibers was about 4%.

[実施例2]
実施例2は、ナノ繊維に金属のナノ粒子が内包されている金属含有ナノ繊維を用いた実施例である。
[Example 2]
Example 2 is an example using metal-containing nanofibers in which metal nanoparticles are encapsulated in nanofibers.

(1)金属含有ナノ繊維の調製
ポリスチレンのDMF溶液に直径10〜130nmのニッケル粒子を分散させた懸濁液を原料としたエレクトロスピニング法によって、ポリスチレンナノ繊維に金属のナノ粒子が内包されている金属含有ナノ繊維の不織布を作製した。なお、懸濁液中のポリスチレンの濃度を30重量%とし、懸濁液中のニッケル粒子の濃度を1.0重量%とした。得られた金属含有ナノ繊維層の厚さは1〜10μmで、金属含有ナノ繊維の直径は600〜2500nmであった。金属含有ナノ繊維の直径は、電子顕微鏡写真に写っている金属含有ナノ繊維の繊維幅を測定して求めた。
(1) Preparation of metal-containing nanofibers Metal nanoparticles are encapsulated in polystyrene nanofibers by electrospinning using a suspension of nickel particles having a diameter of 10 to 130 nm dispersed in a DMF solution of polystyrene as a raw material. A metal-containing nanofiber nonwoven fabric was prepared. The concentration of polystyrene in the suspension was 30% by weight, and the concentration of nickel particles in the suspension was 1.0% by weight. The thickness of the obtained metal-containing nanofiber layer was 1 to 10 μm, and the diameter of the metal-containing nanofiber was 600 to 2500 nm. The diameter of the metal-containing nanofiber was determined by measuring the fiber width of the metal-containing nanofiber in the electron micrograph.

(2)カーボンナノチューブ類の生成
ナノ繊維に金属のナノ粒子が内包されている金属含有ナノ繊維を石英試験管40内に入れた点のみが実施例1と異なり、この点を除いて実施例1と同じ方法によってカーボンナノチューブ類を生成させた。
(2) Generation of Carbon Nanotubes Only the point that metal-containing nanofibers in which metal nanoparticles are encapsulated in nanofibers is placed in quartz test tube 40 is different from Example 1, and except for this point, Example 1 Carbon nanotubes were produced by the same method.

3.カーボンナノチューブ類の確認
実施例1では、カーボンナノチューブ及びカーボンナノカプセルが得られた。図4A、図4B及び図4Cは、実施例1で製造されたカーボンナノチューブのTEM画像である。また、図5A及び図5Bは、実施例1で製造されたカーボンナノカプセルのTEM画像である。
3. Confirmation of carbon nanotubes In Example 1, carbon nanotubes and carbon nanocapsules were obtained. 4A, 4B, and 4C are TEM images of the carbon nanotubes produced in Example 1. FIG. 5A and 5B are TEM images of the carbon nanocapsules produced in Example 1. FIG.

図4A、図4B及び図4Cに示すように、実施例1の方法によってカーボンナノチューブが生成することが確認できた。得られたカーボンナノチューブは、図4Aに示すようなシェルの厚さが約42nmで中空部の直径が約17nmのもの、図4Bに示すようなシェルの厚さが約47nmで中空部の直径が約15nmのもの、図4Cに示すようなシェルの厚さが約10nmで中空部の直径が約5nmのものと様々な大きさだった。   As shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, it was confirmed that carbon nanotubes were generated by the method of Example 1. The obtained carbon nanotube has a shell thickness of about 42 nm and a hollow portion diameter of about 17 nm as shown in FIG. 4A, and a shell thickness of about 47 nm and a hollow portion diameter as shown in FIG. 4B. The thickness was about 15 nm, the shell thickness as shown in FIG. 4C was about 10 nm, and the diameter of the hollow portion was about 5 nm.

また、図5A及び図5Bに示すように、実施例1の方法によってカーボンナノカプセルが生成することが確認できた。得られたカーボンナノカプセルは、シェルの厚さが約8nm〜9nmで、中心部に直径約10nmのニッケル微粒子を内包していた。そして、図4A、図4B、図4C、図5A及び図5Bに示すように、実施例1で製造されたカーボンナノチューブ類は、ニッケル(TEM画像の黒色部分)を内包していることが分かった。   Moreover, as shown to FIG. 5A and FIG. 5B, it has confirmed that the carbon nanocapsule was produced | generated by the method of Example 1. FIG. The obtained carbon nanocapsule contained nickel fine particles having a shell thickness of about 8 nm to 9 nm and a diameter of about 10 nm in the center. And as shown to FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 4C, FIG. 5A, and FIG. 5B, it turned out that the carbon nanotubes manufactured in Example 1 include nickel (black part of a TEM image). .

実施例1においては、ナノ繊維の表面に金属が被覆されている金属含有ナノ繊維を原料として、金属を内包するカーボンナノチューブ類が製造された。金属触媒の内側に炭素源であるナノ繊維が存在するにも関わらず、金属触媒の外側にカーボンナノチューブ類が生成したのは、加熱によって、ナノ繊維の金属が被覆されていない部分から炭素源となる有機物の蒸気が噴出し、この蒸気が金属触媒層の周囲でカーボンナノチューブ類になったためだと考えられる。   In Example 1, carbon nanotubes encapsulating metal were manufactured using metal-containing nanofibers whose surfaces are coated with metal as raw materials. Despite the presence of nanofibers, which are carbon sources, inside the metal catalyst, carbon nanotubes were formed outside the metal catalyst. It is thought that this was because the vapor of organic matter was ejected, and this vapor became carbon nanotubes around the metal catalyst layer.

一方、実施例2においても、カーボンナノチューブ及びカーボンナノカプセルが得られた。図6A及び図6Cは、実施例2で製造されたカーボンナノチューブのTEM画像である。図6Bは、実施例2で製造されたカーボンナノチューブ及びカーボンナノカプセルのTEM画像である。図6Bでは、カーボンナノカプセルの集合体が観察された(TEM画像の左側参照)。図6A、図6B及び図6Cに示すように、実施例2の方法によってカーボンナノチューブ及びカーボンナノカプセルが生成することが確認できた。得られたカーボンナノチューブは、図6A及び図6Bに示すようなシェルの厚さと中空部の直径が約10nm〜15nmのもの、図6Cに示すようなシェルの厚さと中空部の直径が約20nm〜30nmのものと様々な大きさだった。また、図6A、図6B及び図6Cに示すように、実施例2で製造されたカーボンナノチューブ類は、ニッケル(TEM画像の黒色部分)を内包していることが分かった。   On the other hand, also in Example 2, carbon nanotubes and carbon nanocapsules were obtained. 6A and 6C are TEM images of the carbon nanotubes produced in Example 2. FIG. 6B is a TEM image of the carbon nanotubes and carbon nanocapsules produced in Example 2. FIG. In FIG. 6B, an aggregate of carbon nanocapsules was observed (see the left side of the TEM image). As shown in FIGS. 6A, 6B and 6C, it was confirmed that carbon nanotubes and carbon nanocapsules were produced by the method of Example 2. The obtained carbon nanotubes have a shell thickness and hollow part diameter of about 10 nm to 15 nm as shown in FIGS. 6A and 6B, and a shell thickness and hollow part diameter of about 20 nm to about 20 nm as shown in FIG. 6C. The size was 30 nm and various sizes. Further, as shown in FIGS. 6A, 6B and 6C, it was found that the carbon nanotubes produced in Example 2 contained nickel (black portion of the TEM image).

実施例1及び実施例2で製造されたカーボンナノチューブ類は、磁石に引き寄せられた。この現象は、カーボンナノチューブ類に含まれていたニッケルが、塩酸処理によっても除去されなかったことを示している。つまり、実施例1及び実施例2で製造されたカーボンナノチューブ類は、ニッケル粒子が内包された状態で、化学的に安定していると考えられる。したがって、本発明のカーボンナノチューブ類の製造方法によれば、磁性を有するカーボンナノチューブ類を選択的に製造できるという効果を有する。磁性を有するカーボンナノチューブ類は、コピー機用のトナー、磁気記録・記憶材料、磁性塗料など広汎に利用できる。その他、電極材料、導電性付与剤、タイヤへの添加剤などにも利用できる。   The carbon nanotubes produced in Example 1 and Example 2 were attracted to the magnet. This phenomenon indicates that the nickel contained in the carbon nanotubes was not removed by the hydrochloric acid treatment. That is, it is considered that the carbon nanotubes produced in Example 1 and Example 2 are chemically stable in a state where nickel particles are included. Therefore, according to the method for producing carbon nanotubes of the present invention, there is an effect that carbon nanotubes having magnetism can be selectively produced. Carbon nanotubes having magnetism can be widely used such as toner for copying machines, magnetic recording / memory materials, magnetic paints and the like. In addition, it can also be used for electrode materials, conductivity imparting agents, additives for tires, and the like.

Claims (14)

有機物ポリマーからなるナノ繊維と、カーボンナノチューブ生成触媒作用を有する金属とを有する金属含有ナノ繊維を準備する金属含有ナノ繊維準備工程と、
電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する物質を備える発熱容器内に前記金属含有ナノ繊維を入れた状態で、前記発熱容器に電磁波エネルギーを照射して前記発熱容器を発熱させることにより、前記金属含有ナノ繊維を加熱し、その結果、前記ナノ繊維を炭素源として、前記金属を内包するカーボンナノチューブ類を生成させるカーボンナノチューブ類生成工程とを有することを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
A metal-containing nanofiber preparation step of preparing a metal-containing nanofiber having a nanofiber made of an organic polymer and a metal having a carbon nanotube production catalytic action;
In a state where the metal-containing nanofibers are placed in a heat generating container including a substance that converts electromagnetic wave energy into heat energy, the metal-containing nanofibers are heated by irradiating the heat generating container with electromagnetic wave energy to generate heat. And, as a result, a carbon nanotube production process for producing carbon nanotubes encapsulating the metal using the nanofiber as a carbon source.
請求項1に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記金属含有ナノ繊維準備工程と前記カーボンナノチューブ類生成工程との間に、前記金属含有ナノ繊維を前記発熱容器内に収容する金属含有ナノ繊維収容工程をさらに備えることを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 1,
The carbon nanotubes further comprising a metal-containing nanofiber housing step of housing the metal-containing nanofibers in the heating container between the metal-containing nanofiber preparation step and the carbon nanotubes generating step. Production method.
請求項2に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記金属含有ナノ繊維収容工程においては、前記金属含有ナノ繊維を入れた反応容器を前記発熱容器内に収容することにより、前記金属含有ナノ繊維を前記発熱容器内に収容することを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 2,
In the metal-containing nanofiber housing step, the metal-containing nanofibers are housed in the heat-generating container by housing a reaction container containing the metal-containing nanofibers in the heat-generating container. A method for producing nanotubes.
請求項1に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記カーボンナノチューブ類生成工程においては、前記発熱容器に電磁波エネルギーを照射して前記発熱容器を発熱させた状態で、前記金属含有ナノ繊維が前記発熱容器内の空間を徐々に通過するようにすることにより、前記金属含有ナノ繊維を加熱することを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 1,
In the carbon nanotube generation step, the metal-containing nanofibers gradually pass through the space in the heat generating container in a state where the heat generating container is heated by irradiating the heat generating container with electromagnetic wave energy. The method for producing carbon nanotubes characterized in that the metal-containing nanofibers are heated.
請求項4に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記カーボンナノチューブ類生成工程においては、耐熱性管の長手方向所定部分を前記発熱容器内に配置した状態で、前記金属含有ナノ繊維を入れた反応容器を前記耐熱性管内部の長手方向に沿って徐々に移動させることにより、前記金属含有ナノ繊維が前記発熱容器内の空間を徐々に通過するようにすることを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 4,
In the carbon nanotube generation step, the reaction vessel containing the metal-containing nanofibers is placed along the longitudinal direction inside the heat-resistant tube in a state where a predetermined portion in the longitudinal direction of the heat-resistant tube is disposed in the heating container. A method for producing carbon nanotubes, characterized in that the metal-containing nanofibers gradually pass through the space in the heating container by being gradually moved.
請求項1に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記金属は、鉄、コバルト、及びニッケルからなる群より選択される少なくとも1つの金属であることを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 1,
The method for producing carbon nanotubes, wherein the metal is at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel.
請求項6に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記金属は、ニッケルであることを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 6,
The method for producing carbon nanotubes, wherein the metal is nickel.
請求項1に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記金属含有ナノ繊維は、ナノ繊維の表面に前記金属が被覆されたものであることを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 1,
The method for producing carbon nanotubes, wherein the metal-containing nanofiber is a nanofiber having a surface coated with the metal.
請求項1に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記金属含有ナノ繊維は、ナノ繊維に前記金属のナノ粒子が内包されたものであることを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 1,
The method for producing carbon nanotubes, wherein the metal-containing nanofiber is a nanofiber in which the metal nanoparticles are encapsulated.
請求項9に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記金属含有ナノ繊維は、前記金属と前記ナノ繊維の材料樹脂とを含む溶液又は懸濁液を原料としたエレクトロスピニング法によって製造されたものであることを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes according to claim 9,
The method for producing carbon nanotubes, wherein the metal-containing nanofiber is produced by an electrospinning method using a solution or a suspension containing the metal and a material resin of the nanofiber as a raw material.
請求項1に記載のカーボンナノチューブの製造方法において、
前記カーボンナノチューブ類生成工程は、不活性ガス雰囲気中で行うことを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
In the manufacturing method of the carbon nanotube of Claim 1,
The carbon nanotube production process is performed in an inert gas atmosphere.
請求項2に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記カーボンナノチューブ類生成工程は、前記発熱容器内を600℃以上900℃以下の温度に5分間以上20分間以下維持する工程を含むことを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 2,
The method for producing carbon nanotubes includes the step of maintaining the inside of the heat generating container at a temperature of 600 ° C. to 900 ° C. for 5 minutes to 20 minutes.
請求項4に記載のカーボンナノチューブ類の製造方法において、
前記カーボンナノチューブ類生成工程は、前記発熱容器内を600℃以上900℃以下の温度に加熱するとともに、前記金属含有ナノ繊維が前記発熱容器内の空間を5分間以上20分間以下の時間をかけて徐々に通過するようにすることを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
In the manufacturing method of carbon nanotubes of Claim 4,
In the carbon nanotube generation step, the inside of the heat generating container is heated to a temperature of 600 ° C. or more and 900 ° C. or less, and the metal-containing nanofibers spend a time of 5 minutes or more and 20 minutes or less in the space in the heat generating container A method for producing carbon nanotubes, wherein the carbon nanotubes are allowed to pass gradually.
有機物ポリマーからなるナノ繊維と、カーボンナノチューブ類の生成触媒作用を有する金属とを有する金属含有ナノ繊維を準備する金属含有ナノ繊維準備工程と、
前記金属含有ナノ繊維を加熱することにより、前記ナノ繊維を炭素源として、前記金属を内包するカーボンナノチューブ類を生成させるカーボンナノチューブ類生成工程とを有することを特徴とするカーボンナノチューブ類の製造方法。
A metal-containing nanofiber preparation step of preparing a metal-containing nanofiber having a nanofiber made of an organic polymer and a metal having a catalytic action to generate carbon nanotubes;
A method for producing carbon nanotubes, comprising: a step of producing carbon nanotubes by heating the metal-containing nanofibers to produce carbon nanotubes containing the metal using the nanofibers as a carbon source.
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