JP6719243B2 - Method for producing carbon nanotube wire - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンナノチューブ線材の製造方法に関し、特に、異種元素がドープされたカーボンナノチューブで構成されるカーボンナノチューブ線材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a carbon nanotube wire, and more particularly to a method for manufacturing a carbon nanotube wire composed of carbon nanotubes doped with a different element.
従来、自動車や産業機器などの様々な分野における電力線や信号線として、一又は複数の線材からなる芯線と、該芯線を被覆する絶縁被覆とからなる電線が用いられている。芯線を構成する線材の材料としては、通常、電気特性の観点から銅又は銅合金が使用されるが、近年、軽量化の観点からアルミニウム又はアルミニウム合金が提案されている。例えば、アルミニウムの比重は銅の比重の約1/3、アルミニウムの導電率は銅の導電率の約2/3(純銅を100%IACSの基準とした場合、純アルミニウムは約66%IACS)であり、アルミニウム線材に、銅線材と同じ電流を流すためには、アルミニウム線材の断面積を、銅の線材の断面積の約1.5倍と大きくする必要があるが、そのように断面積を大きくしたアルミニウム線材を用いたとしても、アルミニウム線材の質量は、純銅の線材の質量の半分程度であることから、アルミニウム線材を使用することは、軽量化の観点から有利である。 2. Description of the Related Art Conventionally, as electric power lines and signal lines in various fields such as automobiles and industrial equipment, electric wires composed of a core wire made of one or a plurality of wire materials and an insulating coating covering the core wire have been used. Copper or a copper alloy is usually used as the material of the wire material constituting the core wire from the viewpoint of electrical characteristics, but in recent years, aluminum or an aluminum alloy has been proposed from the viewpoint of weight reduction. For example, the specific gravity of aluminum is about 1/3 of the specific gravity of copper, and the conductivity of aluminum is about 2/3 of the conductivity of copper (when pure copper is 100% IACS, pure aluminum is about 66% IACS). In order to pass the same current as the copper wire into the aluminum wire, it is necessary to increase the cross-sectional area of the aluminum wire to about 1.5 times the cross-sectional area of the copper wire. Even if a large aluminum wire is used, the mass of the aluminum wire is about half the mass of the pure copper wire, and thus the use of the aluminum wire is advantageous from the viewpoint of weight reduction.
上記のような背景のもと、昨今では、自動車、産業機器等の高性能化・高機能化が進められており、これに伴い、各種電気機器、制御機器などの配設数が増加するとともに、これら機器に使用される電気配線体の配線数も増加する傾向にある。また、その一方で、環境対応のために自動車等の移動体の燃費を向上させるため、線材の軽量化が強く望まれている。 Against the background described above, in recent years, high performance and high functionality of automobiles, industrial equipment, etc. have been promoted, and along with this, the number of arrangements of various electric equipment, control equipment, etc. has increased. The number of wirings of electric wirings used in these devices also tends to increase. On the other hand, in order to improve the fuel efficiency of moving bodies such as automobiles for environmental friendliness, it is strongly desired to reduce the weight of the wire rod.
こうした更なる軽量化を達成するための新たな手段の一つとして、カーボンナノチューブを線材として活用する技術が新たに提案されている。カーボンナノチューブは、六角形格子の網目構造を有する筒状体の単層、あるいは略同軸で配された多層で構成される3次元網目構造体であり、軽量であると共に、導電性、電流容量、弾性、機械的強度等の特性に優れるため、電力線や信号線に使用されている金属に代替する材料として注目されている。 As one of the new means for achieving such further weight reduction, a technology of utilizing carbon nanotubes as a wire rod has been newly proposed. The carbon nanotube is a three-dimensional mesh structure composed of a single layer of a tubular body having a mesh structure of hexagonal lattice or a multi-layer arranged substantially coaxially, and is lightweight, and has conductivity, current capacity, Due to its excellent properties such as elasticity and mechanical strength, it has been attracting attention as a material that can replace the metals used for power lines and signal lines.
カーボンナノチューブの比重は、銅の比重の約1/5(アルミニウムの約1/2)であり、また、カーボンナノチューブ単体は、銅(抵抗率1.68×10−6Ω・cm)よりも高導電性を示す。したがって理論的には、複数のカーボンナノチューブを撚り合わせてカーボンナノチューブ集合体を形成すれば、更なる軽量化、高導電率の実現が可能となる。しかしながら、nm単位のカーボンナノチューブを撚り合わせて、μm〜mm単位のカーボンナノチューブ集合体を作製した場合、カーボンナノチューブ間の接触抵抗や内部欠陥形成が要因となり、線材全体の抵抗値が増大してしまうという問題があることから、カーボンナノチューブをそのまま線材として使用することが困難であった。 The specific gravity of carbon nanotubes is about ⅕ of the specific gravity of copper (about ½ of aluminum), and carbon nanotubes alone are higher than copper (resistivity 1.68×10 −6 Ω·cm). Shows conductivity. Therefore, theoretically, if a plurality of carbon nanotubes are twisted together to form a carbon nanotube aggregate, further weight reduction and high conductivity can be realized. However, when carbon nanotubes in the unit of nm are twisted together to produce a carbon nanotube aggregate in the unit of μm to mm, the contact resistance between the carbon nanotubes and the formation of internal defects cause the resistance value of the entire wire rod to increase. Therefore, it is difficult to use the carbon nanotubes as they are as a wire rod.
そこで、カーボンナノチューブ集合体の導電性を向上させる方法の一つとして、構成単位であるカーボンナノチューブにドーピング処理を施す方法が提案されている。例えば、カーボンナノチューブを酸化ホウ素(B2 O3)と共にアルゴン気流中で1000℃、4時間で加熱し、気化または表面拡散によりカーボンナノチューブに到達したホウ素酸化物(B2 O3 ,B2 O2 等)が化学反応を起こし、カーボンナノチューブ中にホウ素が一部固溶することにより、ホウ素を含んだカーボンナノチューブを生成する方法が開示されている(特許文献1)。 Therefore, as one of methods for improving the conductivity of the aggregate of carbon nanotubes, a method of performing a doping treatment on the carbon nanotubes, which is a structural unit, has been proposed. For example, carbon nanotubes are heated together with boron oxide (B 2 O 3 ) in an argon stream at 1000° C. for 4 hours, and the boron oxides (B 2 O 3 , B 2 O 2 ) that have reached the carbon nanotubes by vaporization or surface diffusion. And the like) cause a chemical reaction to partially dissolve boron in the carbon nanotube, thereby producing a carbon nanotube containing boron (Patent Document 1).
しかしながら、上記特許文献では、黒鉛るつぼにカーボンナノチューブ単体と酸化ホウ素を重ねて入れ、同黒鉛るつぼ内でカーボンナノチューブ単体と酸化ホウ素を加熱するため、カーボンナノチューブのドープ位置を制御することができず、ドープ位置あるいはドープ量の偏りが生じ易く、生成された複数のカーボンナノチューブを束ねてカーボンナノチューブ束を形成すると、カーボンナノチューブ束、ひいてはカーボンナノチューブ線材の導電性にばらつきが生じるという問題がある。また、上記製造方法では不活性ガス中でカーボンナノチューブを加熱するため、欠陥を有するカーボンナノチューブが酸素と反応できずに残留し、良好な導電性を有するカーボンナノチューブ線材を製造することができない。また、カーボンナノチューブ単体をドーピングした後に、黒鉛るつぼからカーボンナノチューブを取り出し、これらを撚り合わせてカーボンナノチューブ線材を形成する製造方法では、線材の生産性が低く、量産に優れているとは言えない。 However, in the above patent document, carbon nanotube simple substance and boron oxide are placed in a graphite crucible in a stacked manner, and since the carbon nanotube simple substance and boron oxide are heated in the graphite crucible, the doping position of the carbon nanotube cannot be controlled, There is a problem that the dope position or the amount of dope is apt to be biased, and when a plurality of generated carbon nanotubes are bundled to form a carbon nanotube bundle, the conductivity of the carbon nanotube bundle, and eventually the carbon nanotube wire, varies. Further, in the above manufacturing method, since the carbon nanotubes are heated in an inert gas, the defective carbon nanotubes cannot react with oxygen and remain, so that the carbon nanotube wire having good conductivity cannot be manufactured. In addition, the production method in which the carbon nanotubes are taken out from the graphite crucible after being doped with the carbon nanotubes alone and the carbon nanotubes are twisted together to form the carbon nanotube wire rod is low in productivity of the wire rod and cannot be said to be excellent in mass production.
本発明の目的は、良好な導電性を有すると共に、ばらつきを抑え、生産性が高く量産に優れたカーボンナノチューブ線材の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing a carbon nanotube wire which has good conductivity, suppresses variations, and has high productivity and mass production.
上記目的を達成するために、本発明に係るカーボンナノチューブ線材の製造方法は、複数のカーボンナノチューブを撚り合わせてなるカーボンナノチューブ線材の製造方法であって、1層以上の層構造を有する複数のカーボンナノチューブを撚り合わせてカーボンナノチューブ線材を形成するカーボンナノチューブ形成工程と、前記カーボンナノチューブ線材を精製する精製工程と、精製後の前記カーボンナノチューブ線材に異種元素をドープするドーピング工程とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for producing a carbon nanotube wire according to the present invention is a method for producing a carbon nanotube wire formed by twisting a plurality of carbon nanotubes, and a plurality of carbons having a layer structure of one or more layers. A carbon nanotube forming step of twisting the nanotubes to form a carbon nanotube wire, a purification step of purifying the carbon nanotube wire, and a doping step of doping the carbon nanotube wire after purification with a different element To do.
前記精製工程は、前記カーボンナノチューブ線材を酸化して、当該カーボンナノチューブ線材から欠陥を有するカーボンナノチューブやアモルファスカーボンなどの不純物を除去する。 In the refining step, the carbon nanotube wire is oxidized to remove impurities such as defective carbon nanotubes and amorphous carbon from the carbon nanotube wire.
前記精製工程は、前記カーボンナノチューブ線材を300℃〜700℃で加熱するのが好ましい。 In the purification step, it is preferable to heat the carbon nanotube wire at 300°C to 700°C.
前記ドーピング工程は、前記カーボンナノチューブ線材を、前記異種元素を含有する液体に浸漬する浸漬工程と、前記浸漬工程後の前記カーボンナノチューブ線材を加熱する加熱工程とを有するのが好ましい。 It is preferable that the doping step includes an immersion step of immersing the carbon nanotube wire in a liquid containing the different element, and a heating step of heating the carbon nanotube wire after the immersion step.
前記浸漬工程は、前記カーボンナノチューブ線材を、窒素、ホウ素及びケイ素からなる群から選択された少なくとも1つの異種元素を含有する液体に浸漬するのが好ましい。 In the dipping step, the carbon nanotube wire is preferably dipped in a liquid containing at least one different element selected from the group consisting of nitrogen, boron and silicon.
前記液体は、水溶液、有機溶媒、イオン液体及び超臨界流体のうちのいずれかを含むのが好ましい。 The liquid preferably contains any one of an aqueous solution, an organic solvent, an ionic liquid, and a supercritical fluid.
前記加熱工程は、前記カーボンナノチューブ線材を1300℃〜1800℃で焼成するのが好ましい。 In the heating step, the carbon nanotube wire is preferably fired at 1300°C to 1800°C.
また、前記加熱工程は、前記カーボンナノチューブの構成単位である六角形格子の頂点に位置する炭素原子の少なくとも1つを、前記異種元素で置換するのが好ましい。 Further, in the heating step, it is preferable that at least one of the carbon atoms located at the apexes of the hexagonal lattice, which is a constituent unit of the carbon nanotube, is replaced with the different element.
前記カーボンナノチューブは、2層又は3層の層構造を有するのが好ましい。 The carbon nanotubes preferably have a two-layer or three-layer structure.
本発明によれば、1層以上の層構造を有する複数のカーボンナノチューブを撚り合わせたカーボンナノチューブ線材を精製し、その後、上記カーボンナノチューブ線材に異種元素をドープする。すなわち、ドーピング処理前に行う精製処理により、カーボンナノチューブ線材から欠陥を有するカーボンナノチューブを除去する。カーボンナノチューブが欠陥を有していると、ドーピング処理の際に異種元素が欠陥と優先的に結合するため、カーボンナノチューブを構成する六角形格子の炭素原子と置換され難い一方、本発明では、欠陥を有するカーボンナノチューブをドーピング処理前に除去するため、その後のドーピング処理で、異種元素と欠陥との優先的な結合が生じず、カーボンナノチューブを構成する六角形格子の炭素原子を異種元素で確実に置換することが可能となる。よって、良好な導電性と共に、導電性のばらつきを抑えたカーボンナノチューブ線材を製造することができる。 According to the present invention, a carbon nanotube wire formed by twisting a plurality of carbon nanotubes having a layered structure of one or more layers is refined, and then the carbon nanotube wire is doped with a different element. That is, the defective carbon nanotubes are removed from the carbon nanotube wire by the purification treatment performed before the doping treatment. When the carbon nanotube has a defect, a different element is preferentially bonded to the defect during the doping process, and thus it is difficult to substitute with the carbon atom of the hexagonal lattice constituting the carbon nanotube. Since the carbon nanotubes having carbon are removed before the doping process, the subsequent doping process ensures that the carbon atoms of the hexagonal lattice forming the carbon nanotubes are not dissociated by the preferential elements. It becomes possible to replace. Therefore, it is possible to manufacture a carbon nanotube wire material that has good conductivity and suppresses variations in conductivity.
また、カーボンナノチューブ線材の形成、精製及びドーピングを一連のフローで行うことができるので、例えば炭素原料からカーボンナノチューブ線材を生成し得る生成方法を併用することで、炭素原料から異種元素を含有するカーボンナノチューブ線材を連続的に製造することが可能となり、線材の生産性を高めることができ、量産に優れた製造方法を提供することができる。 Further, since the formation, purification and doping of the carbon nanotube wire can be performed in a series of flows, for example, by combining with a production method capable of producing the carbon nanotube wire from the carbon raw material, carbon containing a different element from the carbon raw material can be used. The nanotube wire can be continuously manufactured, the productivity of the wire can be increased, and a manufacturing method excellent in mass production can be provided.
更に、ドーピング処理において、欠陥を有するカーボンナノチューブを除去したカーボンナノチューブ線材を、異種元素を含有する液体に浸漬し、浸漬処理後のカーボンナノチューブ線材を加熱するので、上記液体がカーボンナノチューブ線材内に均一に浸透することとで、より均一な導電性を実現することができる。 Furthermore, in the doping process, the carbon nanotube wire from which defective carbon nanotubes have been removed is immersed in a liquid containing a different element, and the carbon nanotube wire after the immersion treatment is heated, so that the liquid is evenly distributed in the carbon nanotube wire. By penetrating into, it is possible to realize more uniform conductivity.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<カーボンナノチューブ線材の構成>
本実施形態に係る製造方法で製造されるカーボンナノチューブ線材(以下、CNT線材という)は、1層以上の層構造を有する複数のカーボンナノチューブの束11A,11A,・・・(以下、CNT束、あるいはCNT複合体という)で構成されており、これらCNT束11Aの複数が撚り合わされてなる。CNT線材1の外径は、0.01〜1mmである。
<Structure of carbon nanotube wire>
Carbon nanotube wire rods (hereinafter referred to as CNT wire rods) manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment include a plurality of
CNT束11Aは、図1の拡大斜視図で示すように、複数のカーボンナノチューブ11a,11a,・・・(以下、CNTという)が纏められた束状体となっており、これら複数のCNTの軸方向がほぼ揃って配されている。また、複数のCNT11a,11a,・・の最外層間に、CNT束11Aの長手方向に沿って複数の空隙部11Bが形成されている。
As shown in the enlarged perspective view of FIG. 1, the
また、CNT束11Aを構成するCNT11aは、単層構造又は複層構造を有する筒状体であり、それぞれSWNT(single-walled nanotube)、MWNT(multi-walled nanotube)と呼ばれる。図1では便宜上、2層構造を有するCNTのみを記載しているが、実際には、3層構造を有するCNTが存在する。単層構造又は4層以上の層構造を有するCNTはCNTの束11に含まれてもよいが、2層又は3層構造を有するCNTに比べて少量である。
The
CNT11aは、2層構造を有する場合、六角形格子の網目構造を有する2つの筒状体T1,T2が略同軸で配された3次元網目構造体となっており、DWNT(Double-walled nanotube)と呼ばれる。構成単位である六角形格子は、その頂点に炭素原子が配された六員環であり、他の六員環と隣接してこれらが連続的に結合している。また、複数のCNT11a,11a,・・・には、後述するドーピング処理により所定の異種元素が直接ドープされている。
When the
CNT11aの性質は、上記のような筒状体のカイラリティ(chirality)に依存する。カイラリティは、アームチェア型、ジグザグ型、及びそれ以外のカイラル型に大別され、アームチェア型は金属性、カイラル型は半導体性、ジグザグ型はその中間の挙動を示す。よってCNTの導電性はいずれのカイラリティを有するかによって大きく異なり、CNT集合体の導電性を向上させるには、金属性の挙動を示すアームチェア型のCNTの割合を増大させることが重要とされてきた。一方、半導体性を有するカイラル型のCNTに電子供与性もしくは電子受容性を持つ物質(異種元素)をドープすることにより、金属的挙動を示すことが分かっている。また、一般的な金属では、異種元素をドープすることによって金属内部での伝導電子の散乱が起こって導電性が低下するが、これと同様に、金属性CNTに異種元素をドープした場合には、導電性の低下を引き起こす。
The properties of the
このように、金属性CNT及び半導体性CNTへのドーピング効果は、導電性の観点からはトレードオフの関係にあると言えることから、理論的には金属性CNTと半導体性CNTとを別個に作製し、半導体性CNTにのみドーピング処理を施した後、これらを組み合わせることが望ましい。しかし、現状の製法技術では金属性CNTと半導体性CNTとを選択的に作り分けることは困難であり、金属性CNTと半導体性CNTが混在した状態で作製される。このため、金属性CNTと半導体性CNTの混合物からなるCNT線材の導電性を向上させるには、異種元素・分子によるドーピング処理が効果的となるCNT構造を選択することが好ましい。 Thus, since it can be said that the doping effect on the metallic CNT and the semiconducting CNT has a trade-off relationship from the viewpoint of conductivity, theoretically, the metallic CNT and the semiconducting CNT are produced separately. However, it is desirable to combine these after performing the doping process only on the semiconductor CNT. However, it is difficult to selectively produce metallic CNTs and semiconducting CNTs by the current production technique, and metallic CNTs and semiconducting CNTs are produced in a mixed state. Therefore, in order to improve the conductivity of the CNT wire made of a mixture of metallic CNTs and semiconducting CNTs, it is preferable to select a CNT structure in which doping treatment with a different element/molecule is effective.
複数のCNT11a,11a,・・・を束ねて構成されるCNT束11Aにおいて、複数のCNT11a、11a,・・・の個数に対する、2層構造又は3層構造を有するCNTの個数の和の比率が50%以上であるのが好ましく、75%以上であるのがより好ましい。すなわち、一のCNT集合体を構成する全CNTの総数をNTOTAL、上記全CNTのうち2層構造を有するCNT(2)の数の和をNCNT(2)、上記全CNTのうち3層構造を有するCNT(3)の数の和をNCNT(3)としたとき、下記式(1)で表すことができる。
(NCNT(2)+NCNT(3))/NTOTAL×100(%)≧50(%) ・・・(1)
In a
(N CNT(2) + N CNT(3) )/N TOTAL ×100 (%) ≧50 (%) (1)
2層構造又は3層構造のような層数が少ないCNTは、それより層数の多いCNTよりも比較的導電性が高い。また、ドーパントは、CNTの最内層の内部、もしくは複数のCNTで形成されるCNT間の隙間に導入される。CNTの層間距離はグラファイトの層間距離である0.335nmと同等であり、多層CNTの場合その層間にドーパントが入り込むことはサイズ的に困難である。このことからドーピング効果はCNTの内部および外部にドーパントが導入されることで発現するが、多層CNTの場合は最外層および最内層に接していない内部に位置するチューブのドープ効果が発現しにくくなる。以上のような理由により、複層構造のCNTにそれぞれドーピング処理を施した際には、2層構造又は3層構造を有するCNTでのドーピング効果が最も高い。また、ドーパントは、強い求電子性もしくは求核性を示す、反応性の高い試薬であることが多い。単層構造のCNTは多層よりも剛性が弱く、耐薬品性に劣るためにドーピング処理を施すと、CNT自体の構造が破壊されることがある。よって本発明ではCNT集合体に含まれる2層構造又は3層構造を有するCNTの個数に着目する。また、2層又は3層構造のCNTの個数の和の比率が50%未満であると、単層構造或いは4層以上の複層構造を有するCNTの比率が高くなり、CNT集合体全体としてドーピング効果が小さくなり、高導電率が得にくくなる。よって、2層又は3層構造のCNTの個数の和の比率を上記範囲内の値とする。 A CNT having a small number of layers such as a two-layer structure or a three-layer structure has relatively higher conductivity than a CNT having a larger number of layers. In addition, the dopant is introduced inside the innermost layer of CNTs or in the gaps between CNTs formed by a plurality of CNTs. The interlayer distance of CNT is equivalent to 0.335 nm which is the interlayer distance of graphite, and in the case of multi-layer CNT, it is difficult in size to enter the dopant between the layers. From this fact, the doping effect is exhibited by introducing the dopant inside and outside the CNT, but in the case of the multi-layer CNT, the doping effect of the tube located inside not in contact with the outermost layer and the innermost layer becomes difficult to be exhibited. .. For the reasons described above, when each CNT having a multi-layer structure is subjected to a doping treatment, the CNT having a two-layer structure or a three-layer structure has the highest doping effect. In addition, the dopant is often a highly reactive reagent that exhibits strong electrophilicity or nucleophilicity. Single-layer CNTs have lower rigidity than multi-layers and are inferior in chemical resistance. Therefore, the doping process may destroy the structure of CNTs themselves. Therefore, the present invention focuses on the number of CNTs having a two-layer structure or a three-layer structure contained in the CNT aggregate. Further, if the sum ratio of the number of CNTs having a two-layer or three-layer structure is less than 50%, the ratio of CNTs having a single-layer structure or a multi-layer structure having four or more layers becomes high, and the CNT aggregate as a whole is doped. The effect becomes small and it becomes difficult to obtain high conductivity. Therefore, the ratio of the sum of the numbers of CNTs having a two-layer or three-layer structure is set to a value within the above range.
また、CNT束11を構成するCNTの最外層の外径が5.0nm以下であるのが好ましい。CNT集合体11を構成するCNTの最外層の外径が5.0nmを超えると、CNT間および最内層の隙間に起因する空孔率が大きくなり、導電性が低下してしまうため、好ましくない。
Further, the outer diameter of the outermost layer of CNTs forming the
本実施形態では、CNT束11Aを構成するCNTには、層構造中に欠陥が無いのが好ましい。ここでいう欠陥とは、例えば六員環からなる規則格子配列中に形成されている五員環や七員環などの格子欠陥や、上記規則配列中における炭素原子同士の共有結合が切れた部分を言う。CNT11aが欠陥を有していると、CNT線材に異種元素をドープする際に、異種元素が欠陥と優先的に結合するため、カーボンナノチューブを構成する六角形格子の炭素原子と置換され難い。よって本実施形態では、CNT束11Aを構成するCNTに欠陥が無いのが好ましい。また、CNTに欠陥が存在してもよいが、ドーピング処理における六角形格子の炭素原子との置換反応に影響を及ぼさない程度の極少数の欠陥であるのが望ましい。
In this embodiment, it is preferable that the CNTs forming the
(CNTにおける異種元素の配置)
図2は、図1におけるCNT11aにドープされた異種元素の配置を示す図であり、(a)は上面図、(b)は正面図である。
図2(a)及び(b)に示すように、CNT11aは、筒状体T1,T2で構成される複層構造を有するCNT本体11a−1と、筒状体T2を構成する最外層の構成単位である六角形格子の頂点に位置する異種元素11a−2とを備える。この異種元素11a−2は、CNTの炭素骨格に組み込まれており、炭素置換型のドーピング処理により、六角形格子の頂点に位置する6つの炭素原子13aのうちのいずれかと置換されたものである。このように、CNT11aの炭素骨格に異種元素11a−2が位置することで、CNT自体に多くのキャリアを生成することができる。
(Arrangement of different elements in CNT)
2A and 2B are diagrams showing the arrangement of different elements doped in the
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
図2では、異種元素11a−2は、六角形格子の頂点に位置する6つの炭素原子13aのうちのいずれかと置換されているが、これに限らず、複数の異種元素11a−2が、6つの炭素原子13aのうちの複数と置換されてもよい。また、異種元素11a−2は2層構造を有するCNT11aの最外層(筒状体T2)に組み込まれているが、これに限らず、内層(筒状体T1)に組み込まれてもよい。また、異種元素が3層構造の複層構造を有するCNTの最外層に組み込まれてもよいし、当該複層構造のうちの少なくとも1つの内層に組み込まれてもよい。
In FIG. 2, the
異種元素11a−2は、窒素、ホウ素及びケイ素からなる群から選択された少なくとも1つの異種元素であるのが好ましい。周期律表において炭素近傍の原子を異種元素として用いると、炭素と電子配置が近いことから、ドーピング処理の際に炭素原子との置換反応を容易に行うことができる。
また、CNT束11aにおける異種元素11a−2の含有量は、原子組成百分率で0.1原子%〜50原子%であるのが好ましく、10原子%以下であるのがより好ましい。
The
The content of the
また、図2では2層構造を有するCNT11aに異種元素11a−2がドープされているが、図3(a)及び(b)に示すように、単層構造を有するCNTに異種元素がドープされてもよい。具体的には、CNT21aが、単層構造を有するCNT本体21a−1と、CNT本体21a−1の構成単位である六角形格子の頂点の一部を構成する異種元素21a−2とを備えていてもよい。このように、単層構造を有するCNT21aの炭素骨格に異種元素21a−2が位置することで、上記の複層構造と同様、CNT自体に多くのキャリアを生成することができる。
In FIG. 2, the
<カーボンナノチューブ線材の製造方法>
図4は、本実施形態に係るカーボンナノチューブ線材の製造方法を示すフローチャートであり、図5は、図4の製造方法におけるドーピング処理の詳細を示すフローチャートである。
図4に示すように、先ず、浮遊触媒気相成長(CCVD)法により、炭素源に触媒及び反応促進剤を含む混合物を供給して、複数のCNTを撚り合わせたCNT線材を生成する(ステップS11)。このとき、炭素源には六員環を有する飽和炭化水素、触媒には鉄などの金属触媒、反応促進剤には硫黄化合物をそれぞれ用いることができる。例えば、図6に示すようなCNT製造装置を用い、電気炉31によって1300℃程度に加熱されたアルミナ管32内部に、炭素源であるデカヒドロナフタレン、触媒であるフェロセン、及び反応促進剤であるチオフェンを含む原料溶液Lを、スプレー噴霧により供給する。また、キャリアガスGとしてアルミナ管32内部に水素を供給する。得られたCNTを回収機33にてシート状に回収し、これを巻いて撚りをかけることによりCNT線材を生成する。
<Method for producing carbon nanotube wire>
FIG. 4 is a flowchart showing a method of manufacturing the carbon nanotube wire according to the present embodiment, and FIG. 5 is a flowchart showing details of the doping process in the manufacturing method of FIG.
As shown in FIG. 4, first, by a floating catalytic vapor deposition (CCVD) method, a mixture containing a catalyst and a reaction accelerator is supplied to a carbon source to produce a CNT wire rod in which a plurality of CNTs are twisted (step). S11). At this time, a saturated hydrocarbon having a six-membered ring can be used as the carbon source, a metal catalyst such as iron can be used as the catalyst, and a sulfur compound can be used as the reaction accelerator. For example, using a CNT manufacturing apparatus as shown in FIG. 6, inside the
このとき、炭素源には六員環を有する飽和炭化水素、触媒には鉄などの金属触媒、反応促進剤には硫黄化合物をそれぞれ用いることができる。また本実施形態では、キャリアガス流量の増加に伴ってSWNTの割合が減少する点を考慮し、原料組成及び噴霧条件を調整して2層又は3層構造を有するCNTの比率を高める。また、CNTの最外層の外径が5.0nm以下となるように触媒である鉄の大きさを調整するため、原料は噴霧によりミスト粒径が20μm前後となるよう反応炉に供給を行う。 At this time, a saturated hydrocarbon having a six-membered ring can be used as the carbon source, a metal catalyst such as iron can be used as the catalyst, and a sulfur compound can be used as the reaction accelerator. In addition, in the present embodiment, considering that the proportion of SWNTs decreases as the carrier gas flow rate increases, the raw material composition and spraying conditions are adjusted to increase the proportion of CNTs having a two-layer or three-layer structure. Further, in order to adjust the size of iron as a catalyst so that the outer diameter of the outermost layer of CNT is 5.0 nm or less, the raw material is supplied to the reaction furnace by spraying so that the mist particle size becomes about 20 μm.
そして、ステップS11で得られた1層以上の層構造を有する複数のカーボンナノチューブを撚り合わせて、カーボンナノチューブ線材を形成する(ステップS12)。 Then, a plurality of carbon nanotubes having one or more layer structure obtained in step S11 are twisted together to form a carbon nanotube wire (step S12).
その後、ステップS12で得られたCNT線材を精製する(ステップS13)。先ず、CNT線材に酸処理を施すことで、残留した鉄触媒を除去する。CCVDによって得られるCNT線材中には、触媒やアモルファスカーボンなどが多量に含まれており、これらを除去する高純度化プロセスによってCNT線材の本来の特性を得ることができる。本実施形態では、上記工程にて得られたCNT線材を大気下、所定温度で加熱し、加熱後のCNT線材を強酸にて高純度化する。 Then, the CNT wire obtained in step S12 is refined (step S13). First, the CNT wire is subjected to an acid treatment to remove the residual iron catalyst. The CNT wire obtained by CCVD contains a large amount of catalyst, amorphous carbon, and the like, and the original characteristics of the CNT wire can be obtained by a purification process for removing these. In this embodiment, the CNT wire obtained in the above step is heated at a predetermined temperature in the atmosphere, and the heated CNT wire is highly purified with a strong acid.
次いで、高純度化されたCNT線材に加熱酸化処理を施して、CNT線材から欠陥を有するCNTを除去する。加熱酸化処理は、例えばCNT線材を大気下、300〜700℃で加熱し、欠陥を有するCNTの炭素を酸化反応させることにより、CNT線材から当該欠陥を有するCNTやアモルファスカーボンなどの不純物を除去する。これにより、欠陥の無いCNTのみで構成されるCNT線材、或いは欠陥の在るCNTが極めて少ないCNT線材が得られる。 Then, the highly purified CNT wire is subjected to a heat oxidation treatment to remove defective CNTs from the CNT wire. In the heat oxidation treatment, for example, the CNT wire is heated at 300 to 700° C. in the atmosphere to cause an oxidation reaction of carbon of the CNT having a defect, thereby removing impurities such as CNT having a defect and amorphous carbon from the CNT wire. .. This makes it possible to obtain a CNT wire that is composed of only CNTs that have no defects or a CNT wire that has very few defective CNTs.
その後、精製後のCNT線材に異種元素をドープする(ステップS14)。具体的には、精製処理後のCNT線材を、異種元素を含有する液体に所定時間浸漬する(図4、ステップS21)。液体は、水溶液、有機溶媒、イオン液体及び超臨界流体のうちのいずれかを含むのが好ましい。液体における異種元素の含有量は1wt%〜50wt%であるのが好ましい。CNT線材におけるCNT束の複数の空隙部は、その断面においてほぼ均等に分散配置され、また、CNT束の長手方向に沿って一様に並んで設けられている。よってCNT線材をそのまま上記液体に所定時間浸漬することにより、異種元素を含有する液体がCNT−CNT間の空隙部或いは界面を介してCNT線材内に均一に浸透し、CNT線材内で異種元素をほぼ均等に分散配置させることができる。 Then, the purified CNT wire is doped with a different element (step S14). Specifically, the purified CNT wire is immersed in a liquid containing a different element for a predetermined time (FIG. 4, step S21). The liquid preferably contains any one of an aqueous solution, an organic solvent, an ionic liquid and a supercritical fluid. The content of the different element in the liquid is preferably 1 wt% to 50 wt %. The plurality of voids of the CNT bundle in the CNT wire are distributed substantially evenly in the cross section, and are evenly arranged along the longitudinal direction of the CNT bundle. Therefore, by immersing the CNT wire rod in the liquid as it is for a predetermined time, the liquid containing the different element uniformly penetrates into the CNT wire through the voids or the interface between the CNTs and the CNTs, and the different element is dispersed in the CNT wire. It can be distributed almost evenly.
そして、上記浸漬処理後のCNT線材を、大気下、好ましくは不活性ガス下で、1300℃〜1800℃に加熱する(ステップS22)。上記範囲内の温度で加熱することにより、異種元素が炭素骨格に入り込み、六角形格子を構成する炭素原子のいずれかと置換される。このとき、上記浸漬処理によって異種元素がCNT線材内で均一に分散配置されており、異種元素はCNTの外周側から注入されるため、異種元素と炭素原子との置換反応がCNT線材内で行われる。
このとき、CNTが複層(MWNT)である場合には、より外周側に位置する層が優先的にドープされ、内部の層はドープされ難い。2層又は3層構造を有するCNTの個数比率を50%以上とすることにより、CNT集合体全体のドーピング量を増大させることができ、優れたドーピング効果が得られる。
Then, the CNT wire rod after the immersion treatment is heated to 1300° C. to 1800° C. in the atmosphere, preferably under an inert gas (step S22). By heating at a temperature within the above range, the foreign element enters the carbon skeleton and is replaced with any of the carbon atoms forming the hexagonal lattice. At this time, the different elements are uniformly dispersed and arranged in the CNT wire by the immersion treatment, and since the different elements are injected from the outer periphery of the CNT, the substitution reaction between the different elements and the carbon atoms is performed in the CNT wire. Be seen.
At this time, when the CNT is a multi-layer (MWNT), the layer located on the outer peripheral side is preferentially doped, and the inner layer is difficult to be doped. By setting the number ratio of CNTs having a two-layer or three-layer structure to 50% or more, the doping amount of the entire CNT aggregate can be increased and an excellent doping effect can be obtained.
上述したように、本実施形態によれば、1層以上の層構造を有する複数のCNT11aを撚り合わせたCNT線材を精製し(ステップS13)、その後、上記CNT線材に異種元素11a−2をドープする(ステップS14)。すなわちドーピング処理前に行う精製処理により、CNT線材から欠陥を有するCNTを除去するので、その後のドーピング処理で、異種元素11a−2と欠陥との優先的な結合が生じず、CNT11aを構成する六角形格子の炭素原子を異種元素で確実に置換することが可能となる。よって、良好な導電性を有するCNT線材1を製造することができる。
As described above, according to the present embodiment, a CNT wire rod obtained by twisting a plurality of
また、CNT線材の形成、精製及びドーピングを一連のフローで行うことができるので、例えば炭素原料からカーボンナノチューブ線材を生成し得る生成方法を併用することで、炭素原料から異種元素11a−2を含有するCNT線材1を連続的に製造することが可能となり、線材の生産性を高めることができ、量産に優れた製造方法を提供することができる。
In addition, since the formation, purification and doping of the CNT wire can be performed in a series of flows, for example, the
更に、ドーピング処理において、欠陥を有するCNTを除去したCNT線材を、異種元素11a−2を含有する液体に浸漬し(ステップS21)、浸漬処理後のCNT線材を加熱する(ステップS22)。上記液体がCNT線材内に均一に浸透することとで、より均一な導電性を実現することができる。
Further, in the doping process, the CNT wire rod from which the defective CNTs are removed is immersed in a liquid containing the
以上、本発明の実施形態に係るCNT線材の製造方法について述べたが、本発明は記述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。 The CNT wire rod manufacturing method according to the embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the described embodiment, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention. is there.
例えば、上記実施形態のCNT束が撚り合わされてなるカーボンナノチューブ線材と、該カーボンナノチューブ線材の外周を被覆する被覆層とを備えるCNT被覆電線を構成してもよい。特に、本実施形態のCNT線材は、電力や信号を伝送するための電線用線材の材料として好適であり、四輪自動車などの移動体に搭載される電線用線材の材料としてより好適である。金属電線よりも軽量になり燃費の向上が期待されるためである。 For example, a CNT-coated electric wire may be configured that includes a carbon nanotube wire rod formed by twisting the CNT bundles of the above embodiment and a coating layer that covers the outer periphery of the carbon nanotube wire rod. In particular, the CNT wire of the present embodiment is suitable as a material for a wire for electric wires for transmitting electric power and signals, and more suitable as a material for a wire for electric wires mounted on a moving body such as a four-wheeled vehicle. This is because it is lighter than a metal wire and is expected to improve fuel efficiency.
また、上記カーボンナノチューブ被覆電線を少なくとも1つを有するワイヤハーネスを構成してもよい。 Moreover, you may comprise the wire harness which has at least one said carbon nanotube coating electric wire.
1 CNT線材
11A CNT束
11a CNT
11a−1 CNT本体
11a−2 異種元素
13a 炭素原子
21a CNT
21a−1 CNT本体
21a−2 異種元素
31 電気炉
32 アルミナ管
33 回収機
T1 筒状体
T2 筒状体
1
11a-1
21a-1 CNT
Claims (7)
1層以上の層構造を有する複数のカーボンナノチューブを撚り合わせてカーボンナノチューブ線材を形成するカーボンナノチューブ形成工程と、
前記カーボンナノチューブ線材を精製する精製工程と、
精製後の前記カーボンナノチューブ線材に異種元素をドープするドーピング工程と、
を有し、
前記ドーピング工程は、
前記カーボンナノチューブ線材を、前記異種元素を含有する液体に浸漬する浸漬工程と、前記浸漬工程後の前記カーボンナノチューブ線材を加熱する加熱工程と、を有し、
前記カーボンナノチューブが、2層又は3層の層構造を有し、かつ、
複数のカーボンナノチューブを束ねて構成されるカーボンナノチューブ束において、複数のカーボンナノチューブの個数に対する、2層構造又は3層構造を有するカーボンナノチューブの個数の和の比率が50%以上であることを特徴とする、カーボンナノチューブ線材の製造方法。 A method of manufacturing a carbon nanotube wire rod, which comprises twisting a plurality of carbon nanotubes,
A carbon nanotube forming step of forming a carbon nanotube wire by twisting a plurality of carbon nanotubes having a layered structure of one or more layers,
A refining step for refining the carbon nanotube wire,
A doping step of doping the carbon nanotube wire after purification with a different element,
Have a,
The doping step includes
The carbon nanotube wire has an immersion step of immersing the carbon nanotube wire in a liquid containing the different element, and a heating step of heating the carbon nanotube wire after the immersion step,
The carbon nanotube has a two-layer or three-layer structure, and
In a carbon nanotube bundle formed by bundling a plurality of carbon nanotubes, the ratio of the sum of the number of carbon nanotubes having a two-layer structure or three-layer structure to the number of carbon nanotubes is 50% or more. A method of manufacturing a carbon nanotube wire rod.
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