JP5735234B2 - カーボンナノチューブ連続繊維の製造方法およびその製造装置 - Google Patents
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Description
カーボンナノチューブは単層のものと、二つ以上の円筒が重なった多層のものとがある。単層のものの直径は細いもので0.7ナノメートル、太いもので3ナノメートル以上である。多層ナノチューブは2層から数十層までのものが知られている。
なかでも、気相流動法は、スケールアップが容易であることからカーボンナノチューブを工業的に大量に生産するのに、最も適していると一般的に考えられる。
例えば、特許文献1では、CVD法により製造された微細炭素繊維を、反応炉の回収部またはその近傍に巻き取り部材を回転させることによってロール上に巻き取る方法が開示されている。
特許文献3では、微細炭素繊維の回収方法としてカーボンナノチューブを合成しながら、反応管出口でカーボンナノチューブを巻き取り回収する方法が開示されている。
該縦型反応管の上部に、または該縦型反応管より上部に配置される、炭素源の供給路、触媒の供給路、およびキャリアガスの供給路と、
該縦型反応管の下部に、または該縦型反応管より下部に配置される、連続繊維化ガスの供給路、および該供給路が接続され、該連続繊維化ガスを旋回流にすることにより上記カーボンナノチューブを連続繊維化することができる、内部が逆円錐台状の旋回ノズルと、
を有するカーボンナノチューブ連続繊維の製造装置であって、該旋回ノズルに複数の該供給路が接続されていることを特徴とする、カーボンナノチューブ連続繊維の製造装置。
2. 該旋回ノズルより下部に、カーボンナノチューブ連続繊維の捕集装置を有する上記1項記載の製造装置。
3. 該連続繊維化ガスの供給路の中心線と、該旋回ノズルの鉛直方向の中心線のなす連続繊維化ガス導入角が、90〜175°の範囲にある上記1項または2項に記載の製造装置。
4. 該旋回ノズルを2個以上重ねて有する上記1項〜3項のいずれかに記載の製造装置。
5. 2個以上重ねた該旋回ノズルが、上段の旋回ノズルの連続繊維化ガス供給路と、下段の旋回ノズルの連続繊維化ガス供給路とが、互い違いに位置するよう配置されている、上記4項に記載の製造装置。
6. 旋回ノズルに、連続繊維化ガス供給路が偶数個接続され、かつ各連続繊維化ガス供給路が対角になるよう接続されている上記1項〜5項のいずれかに記載の製造装置。
7. 上記1〜6項いずれかに記載の製造装置を用いて、該縦型反応管に、炭素源、触媒、およびキャリアガスを連続的に供給し、気相流動法により連続的に生成させたカーボンナノチューブに対して、連続繊維化ガスを線速度25〜250m/秒にて供給して生じさせた旋回流を作用させることにより連続繊維化することを特徴とする、カーボンナノチューブ連続繊維の製造方法。
8. 連続繊維化ガスが不活性ガスである上記7項記載の製造方法。
1)カーボンナノチューブ連続繊維の製造装置
本発明のカーボンナノチューブ連続繊維製造装置は、加熱手段を有し、炭素源と触媒およびキャリアガスからカーボンナノチューブを生成せしめることができる縦型反応管と、
該縦型反応管の上部に、または該縦型反応管より上部に炭素源の供給路、触媒の供給路、およびキャリアガスの供給路と、
該縦型反応管の下部に、または該縦型反応管より下部に、連続繊維化ガスの供給路、および該供給路が接続され、該連続繊維化ガスを旋回流にすることにより上記カーボンナノチューブを連続繊維化することができる、内部が逆円錐台状の旋回ノズルと、
を有することを特徴とするものであり、更に、該旋回ノズルより下部に、生成されたカーボンナノチューブ連続繊維を捕集する捕集ボックスを有するものであると好ましい。
本発明のカーボンナノチューブ連続繊維製造装置が有する、加熱手段を有し、炭素源と触媒からカーボンナノチューブを生成せしめることができる縦型反応管とは、縦方向に立設されたところの、例えば円筒形、楕円筒形、または四角筒形などに形成された管であり、セラミック等の耐熱性の素材で形成されたものが好ましい。該縦型反応管の寸法はカーボンナノチューブ(連続繊維)の製造量に応じて適宜調整して設計される。
本発明においては、前記の製造装置を用いてカーボンナノチューブ連続繊維を製造することができる。
本発明の製造方法においては、まず、前記の縦型反応管に、炭素源、触媒、およびキャリアガスを連続的に供給し、気相流動法により連続的に生成させたカーボンナノチューブを生成させる。
本発明の製造方法において、気相流動法によりカーボンナノチューブを生成させる条件としては公知の条件を採用できるが、気相流動法による反応温度として、600〜1500℃好ましくは、800〜1300℃であるとより好ましい。
該縦型反応管にて、生成したカーボンナノチューブはキャリアガス、未反応の原料混合物ガスとともに該縦型反応機の下方に流れていき、旋回ノズル(図1の38)に到達する。
線速度(m/秒)=連続繊維化ガス流量(m3/秒)/{連続繊維化ガス供給路断面積(m2)×連続繊維化ガス供給路数)}
上記の製造方法によって得られるカーボンナノチューブ連続繊維は、カーボンナノチューブが束になりながら集まり撚り糸になったものであり、優れた電気・熱伝導性、及び機械的性質を備えており、各種用途に好適である。
実施例1、2および比較例1において、図1に示される構成からなり、以下の仕様からなるカーボンナノチューブ連続繊維製造装置を使用した。
・ 縦型反応管: 内径φ52mm、外径φ60mm、長さ1200mm、内有効加熱長さ600mm。
・ 旋回ノズル: 長さ55mm、入口径φ55mm、テーパー角度(β)27°、旋回ガス導入口径φ2mm、連続繊維化ガス導入路 2個、連続繊維化ガス導入角度(α)90°。
ガス状炭素源は用いず、液状炭素源としてトルエン、触媒としてフェロセン、助触媒としてチオフェンを用い、これらを混合した原料混合物の液(原料混合液中、フェロセンが2質量%、助触媒であるチオフェンが0.5質量%、残りがトルエンである)を定量ポンプにて0.2mL/分の流量で、キャリアガスとして水素(流量 12mL/分)と共に、中間部分400mmの平均温度が1200℃になるよう加熱された縦型反応管に供給した。旋回ノズルには繊維化ガスとして線速度26.5m/秒の窒素を供給し旋回流を発生させ、捕集ボックスにてカーボンナノチューブ連続繊維を捕集した。閉塞などのトラブルは起きず、長時間安定にカーボンナノチューブ連続繊維を生産することができた。得られたカーボンナノチューブ連続繊維の繊維径は約0.5mmφであった。また、図5に示した写真から分かるように、該カーボンナノチューブ連続繊維は撚りがかかった糸であった)。
原料混合物の流量(供給速度)を0.1mL/分に変更した以外は実施例1と同様に操作を行い、繊維径約0.3mmφの撚りがかかったカーボンナノチューブ連続繊維を得た。写真を図6に示す。
連続繊維化ガスの流量(供給速度)を線速度13.3m/秒とした以外は実施例1と同様に操作を行ったが、カーボンナノチューブは連続繊維化しなかった。
12 ガス炭素源
13 ガス流量制御装置
14 液状炭素源
15 液状原料定量ポンプ
21 上部フランジ
22 下部フランジ
23 液状原料スプレー
24 縦型反応管
25 加熱手段(外熱式電気ヒーター)
31 液体タンク
32 ヒーター
33 連続繊維化ガス
34 連続繊維化ガス供給路
35 金網
36 排ガス出口
37 捕集ボックス
38 旋回ノズル
39 カーボンナノチューブ連続繊維ガイド管
LA 連続繊維化ガス供給路の中心線
LB 旋回ノズルの鉛直方向の中心線
α 連続繊維化ガス供給路の中心線(LA)と、旋回ノズルの鉛直方向の中心線(LB)のなす連続繊維化ガス導入角度
β 旋回ノズルのテーパー角度
Claims (8)
- 加熱手段を有し、炭素源、触媒、およびキャリアガスからカーボンナノチューブを生成せしめることができる縦型反応管と、
該縦型反応管の上部に、または該縦型反応管より上部に配置される、炭素源の供給路、触媒の供給路、およびキャリアガスの供給路と、
該縦型反応管の下部に、または該縦型反応管より下部に配置される、連続繊維化ガスの供給路、および該供給路が接続され、該連続繊維化ガスを旋回流にすることにより上記カーボンナノチューブを連続繊維化することができる、内部が逆円錐台状の旋回ノズルと、
を有するカーボンナノチューブ連続繊維の製造装置であって、該旋回ノズルに複数の該供給路が接続されていることを特徴とする、カーボンナノチューブ連続繊維の製造装置。 - 該旋回ノズルより下部に、カーボンナノチューブ連続繊維の捕集装置を有する請求項1記載の製造装置。
- 該連続繊維化ガスの供給路の中心線と、該旋回ノズルの鉛直方向の中心線のなす連続繊維化ガス導入角が、90〜175°の範囲にある請求項1または2に記載の製造装置。
- 該旋回ノズルを2個以上重ねて有する請求項1〜3のいずれかに記載の製造装置。
- 2個以上重ねた該旋回ノズルが、上段の旋回ノズルの連続繊維化ガス供給路と、下段の旋回ノズルの連続繊維化ガス供給路とが、互い違いに位置するよう配置されている、請求項4に記載の製造装置。
- 旋回ノズルに、連続繊維化ガス供給路が偶数個接続され、かつ各連続繊維化ガス供給路が対角になるよう接続されている請求項1〜5のいずれかに記載の製造装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の製造装置を用いて、該縦型反応管に、炭素源、触媒、およびキャリアガスを連続的に供給し、気相流動法により連続的に生成させたカーボンナノチューブに対して、連続繊維化ガスを線速度25〜250m/秒にて供給して生じさせた旋回流を作用させることにより連続繊維化することを特徴とする、カーボンナノチューブ連続繊維の製造方法。
- 連続繊維化ガスが不活性ガスである請求項7に記載の製造方法。
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