JP6786579B2 - カーボンナノチューブ構造体の両面テープ - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノチューブ構造体の応用に関し、特に、カーボンナノチューブ構造体の両面テープとしての応用に関する。

日常生活及び工業生産の活動において、両面テープが部品と部品との間の接着及び固定に広く応用される。

Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

中国特許公開第１４８３６６８号明細書

しかしながら、従来の両面テープは、普通に適用する温度範囲が小さいので、高温（例えば、７０℃より高い温度）及び低温（例えば、０℃より低い温度）のもとでは、接着性が顕著に低下し、ひいては接着性がなくなる。また、２つの部品を両面テープにより接着しておく必要がなくなった時、部品と部品を離すことが難しい。部品と部品を離しても、両面テープも部品の表面に残って、残る両面テープが除去しにくく、部品に損害を与える。従来の大多数の両面テープが有機溶剤を含むので、環境に汚染を与え、ユーザーの身体の健康に不利である。

このような課題を解決するため、カーボンナノチューブ構造体の両面テープを提供する必要がある。本発明のカーボンナノチューブ構造体の両面テープは、高温又は低温のもとで、使用することができる。２つの部品を両面テープにより接着しておく必要がなくなった時、部品と部品を離すことが容易である。両面テープが部品の表面に残ることがなく、有機溶剤を含まない。

二つの部品を接着することに用いられるカーボンナノチューブ構造体の両面テープであって、第一接着表面及び第二接着表面を含み、該第一接着表面及び第二接着表面が対向して設置され、少なくとも一層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムからなり、少なくとも一層の前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムが複数のカーボンナノチューブを含み、前記複数のカーボンナノチューブの配列方向が基本的に同じであり、且つ前記複数のカーボンナノチューブが分子間力で互いに接続され、前記複数のカーボンナノチューブの配列方向が第一接着表面及び第二接着表面と平行である。

前記カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時の応用温度範囲が−１９６℃〜１０００℃である。

前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムが、基本的に同じ方向に沿って配列される複数のカーボンナノチューブからなり、前記複数のカーボンナノチューブにおける配列方向の端と端とが接続される。

接着された二つの部品に外力を印加すると、接着された二つの部品が離れ、且つ前記カーボンナノチューブ構造体が二つの前記部品の表面からきれいに除去される。

二つの部品を接着することに用いられるカーボンナノチューブ構造体であって、複数のカーボンナノチューブからなり、前記複数のカーボンナノチューブの端と端とが接続され、同じ方向に沿って配列され、前記複数のカーボンナノチューブの配列方向がカーボンナノチューブ構造体の両面テープの長さ方向と平行であって、前記複数のカーボンナノチューブが、分子間力によって互いに接続される。

従来技術と比べて、本発明のカーボンナノチューブ構造体の両面テープは、以下の優れた点を有する。カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時に、カーボンナノチューブ構造体と部品とが分子間力だけによって接着する。分子間力は、基本的に、温度の影響を受けない。従って、カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される温度の範囲は、広くなる。カーボンナノチューブ構造体は、例えば、−１９６℃〜１０００℃の温度範囲で強い接着性を有する。２つの部品を両面テープにより接着しておく必要がなくなった時、所定の外力だけによって、部品と部品を離すことができ、部品に損害を与えることがない。且つカーボンナノチューブ構造体が部品の表面に基本的に残ることがない。また、カーボンナノチューブ構造体がドローン構造カーボンナノチューブフィルムだけからなり、有機溶剤を含まないので、環境に与える汚染は、少ない。

本発明の実施例のドローン構造カーボンナノチューブフィルムの上面の構造を示す図である。 本発明の実施例のドローン構造カーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例のカーボンナノチューブ構造体が八層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含む時の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例のカーボンナノチューブ構造体が五十層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含む時の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例のカーボンナノチューブ構造体が少なくとも二層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含む時の構造を示す図である。 本発明の実施例のシリコンシートの表面張力がカーボンナノチューブ構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルムの層数の変化につれる曲線である。 本発明の実施例の二酸化珪素シートの表面張力がカーボンナノチューブ構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルムの層数の変化につれる曲線である。 本発明の実施例の接着された二つの部品との間の接着力は、温度の増加につれて、変化する曲線である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１を参照すると、本発明の第一実施例は、第一カーボンナノチューブ構造体を両面テープとして応用する例を提供する。第一カーボンナノチューブ構造体は、二つの部品を接着することに用いられる。第一カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一層のドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０からなる。ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０は、複数のカーボンナノチューブ１００を含む。複数のカーボンナノチューブ１００は、基本的に同じ方向に沿って配列される。複数のカーボンナノチューブ１００の配列方向は、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０の表面と平行である。複数のカーボンナノチューブ１００は、分子間力で端と端が接続される。第一カーボンナノチューブ構造体は、第一接着表面及び第二接着表面を含む。第一接着表面及び第二接着表面は、対向して設置される。複数のカーボンナノチューブ１００の配列方向は、第一接着表面及び第二接着表面と平行である。

図２を参照すると、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０における複数のカーボンナノチューブ１００は、基本的に、同じ方向に沿って配向して配列される。同じ方向に沿って配向して配列されるとは、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０における大多数のカーボンナノチューブの配列方向が、基本的に同一方向に沿うことである。また、大多数のカーボンナノチューブ１００の配列方向は、基本的に、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０の表面と平行である。更に、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０における大多数のカーボンナノチューブ１００は、分子間力で端と端とが接続される。具体的には、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０において、基本的に同一方向に沿って配列されている大多数のカーボンナノチューブ１００における各々のカーボンナノチューブは、配列方向に隣接するカーボンナノチューブと分子間力で端と端とが接続される。勿論、微視的には、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０において、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブ以外に、該同じ方向に沿っておらずランダムな方向を向いたカーボンナノチューブも存在している。ここで、該ランダムな方向を向いたカーボンナノチューブは前記同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブと比べて、割合が小さい。よって、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０におけるランダムな方向を向いたカーボンナノチューブは、大多数のカーボンナノチューブの全体の配列方向に顕著な影響を及ぼさない。

ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０におけるカーボンナノチューブ１００は、純粋なカーボンナノチューブである。純粋なカーボンナノチューブは、いかなる物理修飾も化学修飾もされておらず、表面が純粋な（純粋度が９９．９％以上である）カーボンナノチューブのことである。純粋なカーボンナノチューブは、アモルファスカーボンや残存する触媒である金属粒子などの不純物を基本的に含まない。

ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０におけるカーボンナノチューブ１００は、純粋なものであり、カーボンナノチューブ１００自体の比表面積は非常に大きい。よって、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０は、それ自体が強い接着性を有し、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０からなるカーボンナノチューブ構造体も強い接着性を有する。従って、第一カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時に、二つの部品をよく接着することができる。且つ、第一カーボンナノチューブ構造体は有機溶剤を含まない。よって、第一カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時に環境に及ぼす汚染は、少ない。

ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０におけるカーボンナノチューブ１００の表面は純粋である。例えば、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を基本的に含まない。従って、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０が優れた熱安定性を有して、高い温度のもとでも、容易に酸化されない。

また、第一カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時に、第一カーボンナノチューブ構造体が、分子間力だけによって接着対象の部品と接着する。分子間力に対する温度の影響は小さいので、第一カーボンナノチューブ構造体の両面テープは、高温及び低温のもとで、依然として優れた接着性を有する。従って、第一カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時は、応用温度の範囲が広くなる。好ましくは、応用温度の範囲が−１９６℃〜１０００℃である。より好ましくは、応用温度の範囲が−１９６℃〜−１００℃であり、或いは応用温度の範囲が８００℃〜１０００℃である。図８を参照すると、温度の増加につれて、接着された二つの部品の間の接着力は、変化が小さいことが分かる。

ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０は、自立構造である。ここで、自立構造とは、他のベースとなる物のサポートを要さず、それ自体で一枚のフィルム状の形態を保持できる構造のことを指す。すなわち、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０を対向する両側から支持して、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０の構造を変化させずに、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０を懸架させることができることを意味する。従って、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０は、接着対象の部品の接着しようとする表面に直接的に敷設でき、接着しようとする表面と接触して設置する。

ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０は、超配列カーボンナノチューブアレイから引き出し、獲得されたものである。ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０におけるカーボンナノチューブ１００の配列方向は、基本的に、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０の引き出す方向と平行である。超配列カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブは純粋であり、且つカーボンナノチューブの長さは３００ミリメートルより長い。超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は限定されず、化学気相堆積法、アーク放電による製造方法又はエアロゾルによる製造方法などを採用することができる。本実施例において、超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法として、化学気相堆積法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材を提供する。基材は、Ｐ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施例において、４インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、基材の表面に、均一的に触媒層を形成する。触媒層の材料は、鉄、コバルト、ニッケル及びその２種以上の合金のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、触媒層が形成された基材を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入し、５分〜３０分間反応を行う。これにより、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１）を成長させることができる。超配列カーボンナノチューブアレイの高さは、２００ミリメートル〜４００ミリメートルである。本実施例において、カーボンを含むガスとしては、例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択される。これらのうちエチレンを選択することが特に好ましい。保護ガスは不活性ガスであり、窒素ガスまたはアルゴンガスが好ましい。具体的には、超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、特許文献１を参照されたい。

超配列カーボンナノチューブアレイから引き出し、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０を獲得する方法は、下記の通りである。まず、超配列カーボンナノチューブアレイから一定の幅を有する複数のカーボンナノチューブセグメントを選択する。次に、所定の速度で、超配列カーボンナノチューブアレイの生長方向に略直交する方向に沿って、複数のカーボンナノチューブセグメントを引き出し、連続のドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０を形成する。

図３〜図５を参照すると、第一カーボンナノチューブ構造体が少なくとも二層のドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０を含む場合には、少なくとも二層のドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０が積層して設置される。隣接する二つのドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０は、分子間力で緊密的に接続される。各ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０におけるカーボンナノチューブの配列方向は、基本的に同じである。基本的に同じであるとは、大多数のカーボンナノチューブの配列方向が同じであり、少数のカーボンナノチューブだけがランダムな方向を向いて配列されることである。ここで、該ランダムな方向を向いたカーボンナノチューブは、前記同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブと比べて、割合が小さい。よって、ランダムな方向を向いたカーボンナノチューブは、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０における大多数のカーボンナノチューブの全体の配列方向に顕著な影響を及ぼさない。

第一カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時、第一カーボンナノチューブ構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０の層数は限定されず、実際の応用に応じて選択することができる。好ましくは、第一カーボンナノチューブ構造体は、積層して設置された５層〜３０層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムからなり、且つ隣接するドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが平行である。より好ましくは、第一カーボンナノチューブ構造体は、積層して設置された１０層〜１５層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムからなり、且つ隣接するドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが平行である。図６を参照すると、それぞれ、一層、二層、四層、六層、八層、十層、十二層、十五層、三十層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムからなる第一カーボンナノチューブ構造体を両面テープとして、二つの辺長が７ミリメートルである正方形のシリコンシートを接着する。図６から、二つのシリコンシートの間に第一カーボンナノチューブ構造体がない時に、二つのシリコンシートの間には完く接着力が働かない。第一カーボンナノチューブ構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０の数量が増加するにつれて、二つのシリコンシートの間の接着力は大きくなる。第一カーボンナノチューブ構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルムの数量が十五層より多くなると、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０の数量の増加に対する接着力の増加の増加勾配がなだらかになることが分る。図７を参照すると、それぞれ、四層、六層、十五層、二十層のドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０からなる第一カーボンナノチューブ構造体を両面テープとして、シリコンシートと二酸化珪素シートを接着する。図７から、第一カーボンナノチューブ構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０の数量が増加するにつれて、シリコンシートと二酸化珪素シートとの間の接着力は大きくなる。第一カーボンナノチューブ構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルムの数量が十五層より多くなると、ドローン構造カーボンナノチューブフィルム１０の数量の増加に対する接着力の増加の増加勾配がなだらかになることが分る。本実施例において、第一カーボンナノチューブ構造体は、１０層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含み、１０層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムを積層して設置し、且つ隣接するドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが平行である。

本発明の第一カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時に、分子間力だけによって、接着対象の部品と接着するので、接着対象の部品の表面がざらざらしすぎていたり、接着対象の部品の表面がきれいでなかったりすると、第一カーボンナノチューブ構造体と接着対象の部品との間の分子間力が減少し、更にカーボンナノチューブ構造体と接着対象の部品との間の接着力が減少する。第一カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時に、好ましくは、接着対象の部品の表面がきれいで、滑らかであるとよい。きれいで、滑らかな表面とは、表面の清浄さが優れていて、いかなる不純物もほこりも含まず、表面の表面粗さが小さいことを意味する。好ましくは、表面粗さが１．０μｍ以下であるとよい。表面がきれいで、滑らかなものは、例えば、ガラス、石英シート、シリコンシート、ＰＥＴシートなどである。第一カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時に、分子間力だけによって、部品を接着するので、接着された部品同士を離す必要がある時、所定の外力だけを印加してもよい。接着された部品同士を離す必要がある時に、第一カーボンナノチューブ構造体を部品の表面からきれいに除去できるので、部品の表面に損害を与えることがない。且つ第一カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして、部品を接着することに用いられる時、接着位置があまり正確でないならば、どんな時でも調整することができる。

本発明の第二実施例は、第二カーボンナノチューブ構造体を両面テープとして応用する例を提供する。第二カーボンナノチューブ構造体は、二つの部品を接着することに用いられる。本実施例の第二カーボンナノチューブ構造体は、第一実施例における第一カーボンナノチューブ構造体と基本的に同じで構造である。異なることは、本実施例の第二カーボンナノチューブ構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルムが、基本的に、同じ方向に沿って配列される複数のカーボンナノチューブからなり、複数のカーボンナノチューブにおける配列方向の端と端が接続されることである。

本実施例の複数のカーボンナノチューブは、純粋なカーボンナノチューブである。純粋なカーボンナノチューブは、いかなる物理修飾も化学修飾もされておらず、表面が純粋な（純粋度が９９．９％以上である）カーボンナノチューブのことである。純粋なカーボンナノチューブは、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を基本的に含まない。

本発明の第三実施例は、第三カーボンナノチューブ構造体を両面テープとして応用する例を提供する。第三カーボンナノチューブ構造体は、二つの部品を接着することに用いられる。本実施例の第三カーボンナノチューブ構造体は、第一実施例における第一カーボンナノチューブ構造体と基本的に同じ構造である。異なることは、本実施例の第三カーボンナノチューブ構造体が、複数のカーボンナノチューブからなり、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列され、端と端が接続されること、及び、複数のカーボンナノチューブの配列方向が両面テープの長さ方向と平行であって、複数のカーボンナノチューブが、分子間力によって互いに接続されることである。

本実施例の複数のカーボンナノチューブは、純粋なカーボンナノチューブである。純粋なカーボンナノチューブは、いずれの物理修飾も化学修飾もされておらず、表面が純粋な（純粋度が９９．９％以上である）カーボンナノチューブのことである。純粋なカーボンナノチューブは、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を基本的に含まない。

１０ ドローン構造カーボンナノチューブフィルム
１００ カーボンナノチューブ

Claims (5)

1. 分子間力だけによって二つの部品を接着することに用いられるカーボンナノチューブ構造体の両面テープであって、第一接着表面及び第二接着表面を含み、該第一接着表面及び第二接着表面が対向して設置され、少なくとも一層のドローン構造カーボンナノチューブフィルムからなり、少なくとも一層の前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムが複数のカーボンナノチューブを含み、前記複数のカーボンナノチューブの配列方向が基本的に同じであり、且つ前記複数のカーボンナノチューブが分子間力で互いに接続され、表面の純粋度が９９．９％以上の純粋なカーボンナノチューブのみからなり、前記複数のカーボンナノチューブの配列方向が第一接着表面及び第二接着表面と平行であることを特徴とするカーボンナノチューブ構造体の両面テープ。
2. 前記カーボンナノチューブ構造体が両面テープとして応用される時の応用温度範囲が−１９６℃〜１０００℃であることを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ構造体の両面テープ。
3. 前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムが、基本的に同じ方向に沿って配列される複数のカーボンナノチューブからなり、前記複数のカーボンナノチューブにおける配列方向の端と端とが接続されることを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ構造体の両面テープ。
4. 接着された二つの部品に外力を印加すると、接着された二つの部品が離れ、且つ前記カーボンナノチューブ構造体が二つの前記部品の表面からきれいに除去されることを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ構造体の両面テープ。
5. 分子間力だけによって二つの部品を接着することに用いられるカーボンナノチューブ構造体の両面テープであって、複数のカーボンナノチューブからなり、前記複数のカーボンナノチューブの端と端とが接続され、同じ方向に沿って配列され、前記複数のカーボンナノチューブの配列方向がカーボンナノチューブ構造体の両面テープの長さ方向と平行であって、前記複数のカーボンナノチューブが、分子間力によって互いに接続され、表面の純粋度が９９．９％以上の純粋なカーボンナノチューブのみからなることを特徴とするカーボンナノチューブ構造体の両面テープ。