JP7305146B2 - Carbon nanostructure production method and carbon nanostructure - Google Patents

Carbon nanostructure production method and carbon nanostructure Download PDF

Info

Publication number
JP7305146B2
JP7305146B2 JP2018222786A JP2018222786A JP7305146B2 JP 7305146 B2 JP7305146 B2 JP 7305146B2 JP 2018222786 A JP2018222786 A JP 2018222786A JP 2018222786 A JP2018222786 A JP 2018222786A JP 7305146 B2 JP7305146 B2 JP 7305146B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
fibers
gas
carbon fiber
nanowalls
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018222786A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019099989A (en
Inventor
直 池田
勇太 仁科
旬 狩野
佑海人 青柳
孝将 藤原
正和 森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Okayama University NUC
Original Assignee
Okayama University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Okayama University NUC filed Critical Okayama University NUC
Publication of JP2019099989A publication Critical patent/JP2019099989A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7305146B2 publication Critical patent/JP7305146B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は炭素ナノ構造体の製造方法及び炭素ナノ構造体に関し、より具体的には、炭素繊維の表面に炭素ナノ構造体を生成させる方法及び炭素ナノ構造体で表面被覆された炭素繊維に関する。また、本発明は、炭素ナノ構造体であるカーボンナノウォールの生成方法にも関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a carbon nanostructure and a carbon nanostructure, and more particularly to a method for forming a carbon nanostructure on the surface of a carbon fiber and a carbon fiber surface-coated with the carbon nanostructure. The present invention also relates to a method for producing carbon nanowalls, which are carbon nanostructures.

近年、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノウォール、フラーレン及びグラフェン等の、ナノメートルオーダーのサイズを有する微小な炭素構造体(炭素ナノ構造体)が注目されている。例えば、カーボンナノファイバーは、ガラス繊維等に比べて機械的強度や電気伝導性、熱伝導性において優れているため、プラスチック強化材料やガス吸蔵材料、電極材料等の幅広い用途に使用されている。 In recent years, minute carbon structures (carbon nanostructures) having sizes on the order of nanometers, such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowalls, fullerenes, and graphenes, have attracted attention. For example, carbon nanofibers are superior in mechanical strength, electrical conductivity, and thermal conductivity to glass fibers and the like, so they are used in a wide range of applications such as plastic reinforcing materials, gas storage materials, and electrode materials.

ここで、炭素ナノ構造体の大量生産には、触媒としての金属微粒子に炭素化合物を接触させる気相法が一般的に用いられるが、炭素ナノ構造体内に残存した金属微粒子が導電性等の炭素ナノ構造体の特性に悪影響を及ぼすことが問題となっている。 Here, for the mass production of carbon nanostructures, a vapor phase method is generally used in which a carbon compound is brought into contact with fine metal particles as a catalyst. A problem is that it adversely affects the properties of the nanostructures.

これに対し、例えば、特許文献1(特開2013-212948号公報)においては、カーボンナノファイバーにマイクロ波を照射することで、カーボンナノファイバー中の不純物を除去すると共に、黒鉛化度を向上させる方法が提案されている。 On the other hand, for example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-212948), by irradiating carbon nanofibers with microwaves, impurities in the carbon nanofibers are removed and the degree of graphitization is improved. A method is proposed.

一方で、従来から知られている炭素繊維は各種マトリックスの強化材としての需要が高まっており、マトリックスとの相互作用を高めるために種々の表面改質方法が提案されている。例えば、特許文献2(特開2013-231245号公報)においては、炭素繊維にメカノケミカル処理を施すことによって、炭素繊維由来ではない原子を表面に付着させる方法が提案されており、特許文献3(特開2017-193791号公報)においては、炭素繊維に電解酸化処理を施すことによって、表面に凹凸を形成させる方法が提案されている。 On the other hand, conventionally known carbon fibers are in increasing demand as reinforcing materials for various matrices, and various surface modification methods have been proposed to enhance interactions with matrices. For example, Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2013-231245) proposes a method of attaching atoms not derived from carbon fibers to the surface by subjecting carbon fibers to mechanochemical treatment. Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2017-193791) proposes a method of forming unevenness on the surface by subjecting carbon fibers to electrolytic oxidation treatment.

特開2013-212948号公報JP 2013-212948 A 特開2013-231245号公報JP 2013-231245 A 特開2017-193791号公報JP 2017-193791 A

しかしながら、上記特許文献1に記載のカーボンナノファイバーの製造方法は、金属触媒を含有するカーボンナノファイバーの金属含有量を低減するものであり、金属元素を完全に除去することは極めて困難である。また、得られたカーボンナノファイバーを基材表面(例えば、炭素繊維表面)に密に配列させることはできない。 However, the method for producing carbon nanofibers described in Patent Document 1 reduces the metal content of the carbon nanofibers containing the metal catalyst, and it is extremely difficult to completely remove the metal elements. Moreover, the obtained carbon nanofibers cannot be densely arranged on the substrate surface (for example, the carbon fiber surface).

また、上記特許文献2及び3に記載の表面処理方法では金属不純物の混入及び炭素繊維の損傷が懸念されることに加え、炭素繊維の表面積の増加という観点からは十分とは言い難い。 In addition, the surface treatment methods described in Patent Documents 2 and 3 are not sufficient from the viewpoint of increasing the surface area of the carbon fibers, in addition to concerns about contamination of metal impurities and damage to the carbon fibers.

以上のような状況に鑑み、本発明の目的は、金属触媒を使用することなく簡便に炭素ナノ構造体を製造する方法、及び炭素繊維の表面を簡便に炭素ナノ構造体化する表面改質方法を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a method for easily producing a carbon nanostructure without using a metal catalyst, and a surface modification method for easily converting the surface of a carbon fiber into a carbon nanostructure. is to provide

本発明者は、上記目的を達成すべく炭素繊維の表面改質方法及び炭素ナノ構造体の製造方法について鋭意研究を重ねた結果、炭素繊維表面にマイクロ波加熱とガスプラズマを同時に作用させること等が、炭素繊維の表面を炭素ナノ構造体化する上で極めて有効であり、炭素材及び基材に対してマイクロ波加熱とガスプラズマを同時に作用させること等が、当該基材の表面にカーボンナノウォールを生成させる上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 In order to achieve the above object, the present inventors have made intensive studies on a method for modifying the surface of carbon fibers and a method for producing a carbon nanostructure. However, it is extremely effective in converting the surface of the carbon fiber into a carbon nanostructure, and simultaneous application of microwave heating and gas plasma to the carbon material and the base material is effective for forming carbon nanostructures on the surface of the base material. The inventors have found that it is extremely effective in generating a wall, and arrived at the present invention.

即ち、本発明は、
ガス雰囲気下で炭素繊維にマイクロ波を照射して前記炭素繊維をマイクロ波加熱し、
前記マイクロ波によって前記ガスの励起状態を誘導し、
前記ガスの発光過程で発生する紫外線で前記炭素繊維のC=C結合を切断すること、
を特徴とする炭素繊維の表面改質方法、を提供する。
なお、本発明において炭素繊維とは、直径が1μm~20μmであり、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーとは全く異なるものである。
That is, the present invention
Microwave-heating the carbon fiber by irradiating the carbon fiber with microwaves in a gas atmosphere,
inducing an excited state of the gas by the microwave;
cutting the C=C bonds of the carbon fibers with ultraviolet rays generated during the light emission process of the gas;
A carbon fiber surface modification method characterized by:
In the present invention, carbon fiber has a diameter of 1 μm to 20 μm, and is completely different from carbon nanotubes and carbon nanofibers.

本発明の炭素繊維の表面改質方法においては、炭素繊維がマイクロ波加熱さると同時にガスの発光過程で発生する紫外線によって表面近傍のC=C結合が切断される結果、炭素繊維の表面にグラフェン構造を有する炭素ナノ構造体(カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、グラフェン及び酸化グラフェン等)が密に形成される。即ち、マイクロ波の照射による炭素繊維の加熱と雰囲気中のガスの電離(プラズマ化)が必須の条件となる。
なお、本発明において、グラフェン構造とは、1原子の厚さのsp結合炭素原子のシート状の六角形格子構造を含む構造を意味する。
In the carbon fiber surface modification method of the present invention, the carbon fiber is microwave-heated and, at the same time, the C=C bonds near the surface are cut by ultraviolet rays generated in the process of gas emission. Structured carbon nanostructures (carbon nanotubes, carbon nanowalls, graphene, graphene oxide, etc.) are densely formed. That is, heating of the carbon fiber by microwave irradiation and ionization (plasma generation) of the gas in the atmosphere are essential conditions.
In the present invention, the graphene structure means a structure including a sheet-like hexagonal lattice structure of sp-bonded carbon atoms with a thickness of one atom.

本発明の炭素繊維の改質方法においては、前記ガスが空気、アルゴン、ヘリウム、窒素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一つを含むこと、が好ましい。空気、アルゴン、ヘリウム、窒素及び二酸化炭素のいずれかにマイクロ波を照射することで、炭素繊維表面近傍のC=C結合の切断に寄与する紫外線を効率的に発生させることができる。 In the carbon fiber modification method of the present invention, the gas preferably contains at least one of air, argon, helium, nitrogen and carbon dioxide. By irradiating any one of air, argon, helium, nitrogen, and carbon dioxide with microwaves, it is possible to efficiently generate ultraviolet rays that contribute to scission of C═C bonds near the carbon fiber surface.

また、本発明の炭素繊維の改質方法においては、前記炭素繊維が短繊維であること、が好ましい。炭素繊維を短繊維とすることでマイクロ波照射装置内への配置が容易になり、一度に大量の処理を行うことができる。 Further, in the method for modifying carbon fibers of the present invention, it is preferable that the carbon fibers are short fibers. By using short carbon fibers, it becomes easy to arrange them in a microwave irradiation device, and a large amount of processing can be performed at one time.

また、本発明の炭素繊維の改質方法においては、前記炭素繊維がミルドファイバーであること、が好ましい。ミルドファイバーは機械的な粉砕によって炭素繊維を短繊維化したものであり、表面近傍に欠陥や歪が導入されていることから、C=C結合の切断及び再結合による炭素ナノ構造体の形成をより効率的に進行させることができる。 Moreover, in the method for modifying carbon fibers of the present invention, it is preferable that the carbon fibers are milled fibers. Milled fibers are carbon fibers made into short fibers by mechanical pulverization, and defects and strains are introduced near the surface. can proceed more efficiently.

また、本発明は、
グラフェン構造を有する炭素ナノ構造体によって表面が被覆され、
前記炭素ナノ構造体に金属元素を含まないこと、
を特徴とする炭素繊維、も提供する。
In addition, the present invention
The surface is covered with a carbon nanostructure having a graphene structure,
that the carbon nanostructure does not contain a metal element;
A carbon fiber, characterized by:

本発明の炭素繊維は直径が1μm~20μmであり、その表面全域がグラフェン構造を有する炭素ナノ構造体によって被覆されている。また、グラフェン構造を有する炭素ナノ構造体は、グラフェン構造を有するナノメートルオーダーの大きさの炭素構造体であれば特に限定されないが、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン及びカーボンナノウォールを挙げることができ、カーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノウォールであることが好ましい。また、炭素ナノ構造体は酸化されていてもよく、酸化された炭素ナノ構造体としては、例えば、酸化グラフェンを挙げることができる。 The carbon fiber of the present invention has a diameter of 1 μm to 20 μm, and its entire surface is covered with a carbon nanostructure having a graphene structure. The carbon nanostructure having a graphene structure is not particularly limited as long as it is a nanometer-order carbon structure having a graphene structure. Examples include carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, and carbon nanowalls. preferably carbon nanotubes and/or carbon nanowalls. In addition, the carbon nanostructure may be oxidized, and graphene oxide can be given as an example of the oxidized carbon nanostructure.

また、本発明の炭素繊維においては、表面を被覆する炭素ナノ構造体に金属元素が含まれていない。一般的に、気相法では金属粒子を触媒として炭素ナノ構造体が形成されるが、本発明の炭素繊維における炭素ナノ構造体は、炭素繊維のCの切断及び再結合によって形成したものであり、金属触媒を使用していないことから金属元素は含まれていない。 Moreover, in the carbon fiber of the present invention, the carbon nanostructure covering the surface does not contain a metal element. In general, a carbon nanostructure is formed using metal particles as a catalyst in the gas phase method, but the carbon nanostructure in the carbon fiber of the present invention is formed by cutting and recombination of C in the carbon fiber. , does not contain metal elements because it does not use a metal catalyst.

また、本発明の炭素繊維は短繊維であることが好ましい。短繊維の表面に炭素ナノ構造体を形成させることで、プラスチック強化材料やガス吸蔵材料、電極材料等の用途に好適に用いることができる。 Also, the carbon fibers of the present invention are preferably short fibers. By forming a carbon nanostructure on the surface of short fibers, they can be suitably used for applications such as plastic reinforcing materials, gas storage materials, and electrode materials.

更に、本発明の炭素繊維はミルドファイバーとすることが好ましい。ミルドファイバーは機械的な粉砕によって炭素繊維を短繊維化したものであり、表面近傍に欠陥や歪が導入されていることから、C=C結合の切断及び再結合による炭素ナノ構造体の形成をより効率的に進行させることができ、炭素ナノ構造体をより密に形成させることができる。なお、本発明の炭素繊維は、本発明の炭素繊維の表面改質方法によって好適に得ることができる。 Furthermore, the carbon fibers of the present invention are preferably milled fibers. Milled fibers are carbon fibers made into short fibers by mechanical pulverization, and defects and strains are introduced near the surface. It can proceed more efficiently, and the carbon nanostructures can be formed more densely. The carbon fiber of the present invention can be suitably obtained by the carbon fiber surface modification method of the present invention.

また、本発明は、
ガス雰囲気下で炭素材及び基材にマイクロ波を照射して、前記炭素材及び前記基材をマイクロ波加熱し、
前記マイクロ波によって前記ガスの励起状態を誘導し、
前記ガスの発光過程で発生する紫外線で前記炭素材のC=C結合を切断し、
前記炭素材から分離してプラズマ化した炭素を原料として、前記基材の表面にカーボンナノウォールを生成させること、
を特徴とするカーボンナノウォールの生成方法、も提供する。
In addition, the present invention
irradiating a carbon material and a base material with microwaves in a gas atmosphere to microwave-heat the carbon material and the base material;
inducing an excited state of the gas by the microwave;
The C=C bond of the carbon material is cut by ultraviolet rays generated during the light emission process of the gas,
forming carbon nanowalls on the surface of the base material using plasma carbon separated from the carbon material as a raw material;
Also provided is a method for producing carbon nanowalls, characterized by:

本発明のカーボンナノウォールの生成方法においては、炭化水素系ガス及び金属触媒を用いることなく、種々の炭素材を原料として、簡便かつ短時間にカーボンナノウォールを生成することができる。また、基材表面に炭素ナノ構造体を生成させる場合、当該基材を別途昇温することが求められる場合が存在するが、本発明のカーボンナノウォールの生成方法ではマイクロ波の照射によって炭素材と基材の加熱が同時に達成されるため、基材を別途加熱する必要が無い。 In the method for producing carbon nanowalls of the present invention, carbon nanowalls can be produced simply and in a short time using various carbon materials as raw materials without using a hydrocarbon-based gas and a metal catalyst. In addition, when carbon nanostructures are formed on the surface of a base material, there are cases in which the temperature of the base material needs to be raised separately. and heating of the substrate are achieved at the same time, so there is no need to separately heat the substrate.

本発明の効果を損なわない限りにおいて、炭素材と基材との位置関係は特に限定されず、炭素材から分離してプラズマ化した炭素が基材の表面に供給される位置とすればよく、例えば、一般的に市販されているアルミナボート内に炭素材と基材とを並べて配置すればよい。 The positional relationship between the carbon material and the substrate is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention. For example, the carbon material and the substrate may be arranged side by side in an alumina boat that is generally commercially available.

また、本発明のカーボンナノウォールの生成方法においては、前記ガスが空気、アルゴン、窒素、二酸化炭素の少なくとも1つを含むこと、が好ましい。空気、アルゴン、ヘリウム、窒素及び二酸化炭素のいずれかにマイクロ波を照射することで、炭素材のC=C結合の切断に寄与する紫外線を効率的に発生させることができる。 Moreover, in the method for producing carbon nanowalls of the present invention, it is preferable that the gas contains at least one of air, argon, nitrogen, and carbon dioxide. By irradiating any of air, argon, helium, nitrogen, and carbon dioxide with microwaves, it is possible to efficiently generate ultraviolet rays that contribute to scission of C=C bonds in the carbon material.

また、本発明のカーボンナノウォールの生成方法においては、前記炭素材が炭素繊維であること、が好ましい。炭素材を炭素繊維とすることで、基材表面へのカーボンナノウォールの生成と炭素ナノ構造体による炭素繊維表面の被覆を同時に達成することができる。 Moreover, in the method for producing carbon nanowalls of the present invention, it is preferable that the carbon material is carbon fiber. By using carbon fibers as the carbon material, it is possible to simultaneously achieve the formation of carbon nanowalls on the substrate surface and the coating of the carbon fiber surface with the carbon nanostructures.

更に、本発明のカーボンナノウォールの生成方法においては、前記カーボンナノウォールが金属元素を含まないこと、が好ましい。カーボンナノウォールが金属元素を含まないことで、金属元素がカーボンナノウォールの導電性等に悪影響を及ぼすことを抑制することができる。なお、カーボンナノウォールとは、グラフェンシートが数枚から数百枚重なり、厚さ数nmから数十nmの2次元に広がる板状の炭素ナノ構造体であり、表面積が非常に大きく、強靭であるという特徴を有している。 Furthermore, in the method for producing carbon nanowalls of the present invention, it is preferable that the carbon nanowalls do not contain a metal element. Since the carbon nanowalls do not contain a metal element, it is possible to prevent the metal element from adversely affecting the electrical conductivity and the like of the carbon nanowalls. Note that the carbon nanowall is a plate-like carbon nanostructure in which several to several hundred graphene sheets are stacked and spread two-dimensionally with a thickness of several nanometers to several tens of nanometers. It has the characteristic that there is

本発明によれば、金属触媒を使用することなく簡便に炭素ナノ構造体を製造する方法を提供することができる。更に、本発明によれば、炭素繊維の表面を簡便に炭素ナノ構造体化する表面改質方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the method of manufacturing a carbon nanostructure simply can be provided, without using a metal catalyst. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a surface modification method for easily converting the surface of carbon fibers into a carbon nanostructure.

本発明の炭素繊維の表面改質方法の状況を示す模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing the state of the carbon fiber surface modification method of the present invention. 本発明の炭素繊維(炭素ナノ構造体被覆炭素繊維)の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a carbon fiber (carbon nanostructure-coated carbon fiber) of the present invention; FIG. 実施例1でマイクロ波照射時間を1分とした場合の炭素繊維のSEM写真である。1 is a SEM photograph of carbon fibers when the microwave irradiation time was set to 1 minute in Example 1. FIG. 実施例1でマイクロ波照射時間を3分とした場合の炭素繊維のSEM写真である。4 is a SEM photograph of carbon fibers when the microwave irradiation time was set to 3 minutes in Example 1. FIG. 実施例1でマイクロ波照射時間を5分とした場合の炭素繊維のSEM写真である。4 is a SEM photograph of carbon fibers when the microwave irradiation time was set to 5 minutes in Example 1. FIG. 図3に示す炭素繊維表面の高倍率のSEM写真である。4 is a high-magnification SEM photograph of the surface of the carbon fiber shown in FIG. 3; 図3に示す炭素繊維表面のTEM写真である。4 is a TEM photograph of the surface of the carbon fiber shown in FIG. 3; 図7のTEM観察像の〇印で示す領域の高倍率の観察像である。8 is a high-magnification observation image of the region indicated by the ◯ mark in the TEM observation image of FIG. 7 . 未処理の炭素繊維表面及びマイクロ波の照射時間を1分として得られた炭素繊維表面のX線光電子分光分析(XPS)結果である。1 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of an untreated carbon fiber surface and a carbon fiber surface obtained with a microwave irradiation time of 1 minute. 未処理の炭素繊維表面及びマイクロ波の照射時間を1分として得られた炭素繊維表面のラマン分光分析結果である。It is the Raman spectroscopic analysis result of the untreated carbon fiber surface and the carbon fiber surface obtained with the microwave irradiation time of 1 minute. 実施例2でマイクロ波を1分照射した場合の炭素繊維のSEM写真である。4 is a SEM photograph of carbon fibers irradiated with microwaves for 1 minute in Example 2. FIG. 実施例2でマイクロ波を5分照射した場合の炭素繊維のSEM写真である。4 is a SEM photograph of carbon fibers irradiated with microwaves for 5 minutes in Example 2. FIG. 実施例3でマイクロ波を1分照射した場合の炭素繊維のSEM写真である。10 is a SEM photograph of carbon fibers irradiated with microwaves for 1 minute in Example 3. FIG. 実施例3でマイクロ波を5分照射した場合の炭素繊維のSEM写真である。4 is a SEM photograph of carbon fibers irradiated with microwaves for 5 minutes in Example 3. FIG. 実施例4でマイクロ波を1分照射した場合の炭素繊維のSEM写真である。10 is a SEM photograph of carbon fibers irradiated with microwaves for 1 minute in Example 4. FIG. 実施例4でマイクロ波を5分照射した場合の炭素繊維のSEM写真である。10 is a SEM photograph of carbon fibers irradiated with microwaves for 5 minutes in Example 4. FIG. 比較例で得られた炭素繊維のSEM写真である。4 is an SEM photograph of carbon fibers obtained in a comparative example. 実施例5におけるアルミナボート内の活性炭素粉末及び各基材の配置状況を示す外観写真である。10 is an appearance photograph showing the arrangement of activated carbon powder and each substrate in an alumina boat in Example 5. FIG. 実施例5における処理後の各基材の外観写真である。4 is an appearance photograph of each substrate after treatment in Example 5. FIG. 実施例5でCu基材から剥離させた黒色付着物のSEM写真である。11 is a SEM photograph of a black deposit peeled off from a Cu substrate in Example 5. FIG. 実施例5における処理後のAl基材表面のSEM写真である。10 is a SEM photograph of the Al substrate surface after treatment in Example 5. FIG. 実施例6における処理後のSi基材の外観写真である。11 is a photograph of the appearance of a Si substrate after treatment in Example 6. FIG. 実施例6における処理後のSi基材を側面から観察したSEM写真である。10 is an SEM photograph of the Si base material after treatment in Example 6, observed from the side. 実施例7におけるアルミナボート内の処理後のガラス基材の外観写真である。10 is an appearance photograph of a glass substrate after treatment in an alumina boat in Example 7. FIG. 実施例7におけるガラス基材表面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of the surface of the glass substrate in Example 7. FIG.

以下、本発明の炭素ナノ構造体の生成方法及び当該方法で得られる炭素ナノ構造体及び炭素ナノ構造体で被覆された炭素繊維の好適な一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の一実施形態を示すに過ぎず、これらによって本発明が限定されるものではなく、また、重複する説明は省略することがある。 Hereinafter, a preferred embodiment of the method for producing a carbon nanostructure of the present invention, the carbon nanostructure obtained by the method, and the carbon fiber coated with the carbon nanostructure will be described in detail. It should be noted that the following description merely shows one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited by these, and redundant description may be omitted.

(1)炭素繊維の表面改質方法(炭素ナノ構造体の生成方法)
本発明の炭素繊維の表面改質方法は、ガス雰囲気下で炭素繊維にマイクロ波を照射して炭素繊維をマイクロ波加熱し、マイクロ波によってガスの励起状態を誘導し、ガスの発光過程で発生する紫外線で炭素繊維のC=C結合を切断すること、を特徴としている。以下、これらの各構成要件について詳しく説明する。
(1) Carbon fiber surface modification method (carbon nanostructure production method)
In the carbon fiber surface modification method of the present invention, the carbon fiber is microwave-heated by irradiating the carbon fiber with microwaves in a gas atmosphere, the excited state of the gas is induced by the microwave, and the It is characterized by cutting the C=C bond of the carbon fiber with ultraviolet rays. Each of these constituent requirements will be described in detail below.

炭素繊維に表面改質を施す状況の一例を模式的に図1に示す。マイクロ波発生装置2にガラス管4が挿入され、アルミナボート6に入れられた炭素繊維8がガラス管4の内部に配置されている。また、ガラス管4にはガス流入口10及びガス流出口12が設けられ、ガラス管4の内部はガス雰囲気となっている。 FIG. 1 schematically shows an example of a situation in which carbon fibers are surface-modified. A glass tube 4 is inserted into the microwave generator 2 , and carbon fibers 8 placed in an alumina boat 6 are arranged inside the glass tube 4 . Further, the glass tube 4 is provided with a gas inlet 10 and a gas outlet 12, and the inside of the glass tube 4 is a gas atmosphere.

(1-1)炭素繊維
炭素繊維8は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の炭素繊維を用いることができる。なお、炭素繊維8は直径が1μm~20μmであり、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーとは全く異なるものである。
(1-1) Carbon Fiber The carbon fiber 8 is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known carbon fibers can be used. The carbon fiber 8 has a diameter of 1 μm to 20 μm, and is completely different from carbon nanotubes and carbon nanofibers.

炭素繊維8には、短繊維を用いることが好ましく、ミルドファイバーを用いることがより好ましい。ミルドファイバーは機械的な粉砕によって炭素繊維を短繊維化したものであり、表面近傍に欠陥や歪が導入されていることから、C=C結合の切断及び再結合による炭素ナノ構造体の形成をより効率的に進行させることができる。 Short fibers are preferably used for the carbon fibers 8, and milled fibers are more preferably used. Milled fibers are carbon fibers made into short fibers by mechanical pulverization, and defects and strains are introduced near the surface. can proceed more efficiently.

(1-2)ガス雰囲気
本発明の表面改質方法は、炭素繊維8のマイクロ加熱のみでは達成されず、ガスプラズマを利用することが必要である。炭素繊維8がマイクロ波加熱さると同時にガラス管4の内部に存在するガスの発光過程で発生する紫外線によって、炭素繊維8の表面近傍のC=C結合が切断される結果、炭素繊維8の表面にグラフェン構造を有する炭素ナノ構造体(カーボンナノチューブ、グラフェン及び酸化グラフェン等)が密に形成される。
(1-2) Gas Atmosphere The surface modification method of the present invention cannot be achieved only by micro-heating the carbon fibers 8, and requires the use of gas plasma. When the carbon fibers 8 are heated by microwaves, ultraviolet rays generated during the light emission process of the gas present inside the glass tube 4 cut the C=C bonds near the surfaces of the carbon fibers 8. As a result, the surfaces of the carbon fibers 8 Carbon nanostructures (carbon nanotubes, graphene, graphene oxide, etc.) having a graphene structure are densely formed.

ガスの発光過程で発生する紫外線によって炭素繊維8の表面のC=C結合が切断される限りにおいて、ガラス管4に充填又は流通させるガスの種類は限定されないが、空気、アルゴン、ヘリウム、窒素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。これらのガスは1種で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。空気、アルゴン、ヘリウム、窒素及び二酸化炭素のいずれかにマイクロ波を照射することで、炭素繊維8表面近傍のC=C結合の切断に寄与する紫外線を効率的に発生させることができる。 As long as the C=C bond on the surface of the carbon fiber 8 is cut by the ultraviolet rays generated during the light emission process of the gas, the type of gas filled or circulated in the glass tube 4 is not limited, but air, argon, helium, nitrogen and It preferably contains at least one of carbon dioxide. These gases may be used singly or in combination of two or more. By irradiating any one of air, argon, helium, nitrogen, and carbon dioxide with microwaves, it is possible to efficiently generate ultraviolet rays that contribute to severing the C═C bonds near the surface of the carbon fibers 8 .

ガラス管4内部のガス圧力やガス流量は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、所望する炭素繊維8の表面状態に応じて適宜調整すればよいが、ガラス管4内部の総圧を1000Pa未満とすることが好ましい。ガラス管4内部を1000Paとしてマイクロ波を照射することで、炭素繊維8表面近傍のC=C結合の切断に寄与する紫外線を効率的に発生させることができる。 The gas pressure and gas flow rate inside the glass tube 4 are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and may be appropriately adjusted according to the desired surface condition of the carbon fibers 8. The pressure is preferably less than 1000Pa. By setting the inside of the glass tube 4 to 1000 Pa and irradiating microwaves, it is possible to efficiently generate ultraviolet rays that contribute to the breaking of C=C bonds near the surface of the carbon fibers 8 .

(1-3)マイクロ波照射条件
マイクロ波発生装置2によってマイクロ波を発生させ、炭素繊維8及びガラス管4内部のガスに照射する。ここで、マイクロ波とは、波長が100μm~1mの範囲内であり、周波数が30MHz~3THzの電磁波を意味する。マイクロ波発生装置2としては、例えば、汎用の電子レンジを用いることができる。
(1-3) Microwave Irradiation Conditions Microwaves are generated by the microwave generator 2 to irradiate the gas inside the carbon fiber 8 and the glass tube 4 . Here, the microwave means an electromagnetic wave having a wavelength within the range of 100 μm to 1 m and a frequency of 30 MHz to 3 THz. As the microwave generator 2, for example, a general-purpose microwave oven can be used.

炭素繊維8の表面改質に用いるマイクロ波の出力については特に限定されず、炭素繊維8の挿入量(処理量)、処理速度及び所望の表面状態等に応じて適宜調整すればよいが、例えば、10mgの炭素繊維8を処理する場合は10W~1000Wとすることが好ましく、100W~800Wとすることがより好ましい。 The output of the microwave used for surface modification of the carbon fibers 8 is not particularly limited, and may be appropriately adjusted according to the insertion amount (treatment amount) of the carbon fibers 8, the treatment speed, the desired surface state, etc., but for example When processing 10 mg of carbon fiber 8, the power is preferably 10 W to 1000 W, more preferably 100 W to 800 W.

マイクロ波の照射時間についても特に限定されず、炭素繊維8の挿入量(処理量)、処理速度及び所望の表面状態等に応じて適宜調整すればよいが、10秒~10分とすることが好ましく、1分~5分とすることがより好ましい。処理時間を10秒~10分の範囲で長くすると、炭素繊維8の表面に形成される炭素ナノ構造体の生成量が増加して密度が高くなるが、処理時間を10分以上とすると炭素繊維8の損傷が大きくなることに加えて、生成した炭素ナノ構造体も損傷してしまう場合がある。 The microwave irradiation time is also not particularly limited, and may be appropriately adjusted according to the amount of carbon fiber 8 to be inserted (processing amount), processing speed, desired surface condition, etc., but may be 10 seconds to 10 minutes. Preferably, the time is 1 to 5 minutes. When the treatment time is lengthened in the range of 10 seconds to 10 minutes, the amount of carbon nanostructures formed on the surface of the carbon fibers 8 increases and the density increases. In addition to increasing damage to 8, the resulting carbon nanostructures may also be damaged.

(2)炭素ナノ構造体被覆炭素繊維
本発明の炭素繊維の表面改質方法によって、炭素ナノ構造体によって表面被覆された炭素繊維を得ることができる。図2に本発明の炭素繊維(炭素ナノ構造体被覆炭素繊維)の概略断面図を示す。
(2) Carbon Nanostructure-Coated Carbon Fiber By the carbon fiber surface modification method of the present invention, a carbon fiber surface-coated with a carbon nanostructure can be obtained. FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the carbon fiber (carbon nanostructure-coated carbon fiber) of the present invention.

炭素繊維8は直径が1μm~20μmであり、表面に炭素ナノ構造体20が形成している。また、炭素繊維8の長さは特に限定されず、一般的に知られている長繊維又は短繊維等を用いることができる。ここで、炭素ナノ構造体20は密に形成されており、炭素繊維8の表面の全域を被覆した状態となっている。ここで、炭素ナノ構造体20は炭素繊維8の表面近傍のCによって形成されていることから、炭素繊維8と炭素ナノ構造体20は比較的良好な密着性を有しており、炭素繊維8を各種マトリックスの強化材として使用する場合に、炭素繊維8と各種マトリックスとの間の相互作用を増加させることができる(炭素繊維の機械的性質をより反映させることができる)。 The carbon fiber 8 has a diameter of 1 μm to 20 μm, and has a carbon nanostructure 20 formed on its surface. Further, the length of the carbon fibers 8 is not particularly limited, and generally known long fibers, short fibers, or the like can be used. Here, the carbon nanostructures 20 are densely formed and cover the entire surface of the carbon fibers 8 . Here, since the carbon nanostructure 20 is formed of C near the surface of the carbon fiber 8, the carbon fiber 8 and the carbon nanostructure 20 have relatively good adhesion. is used as a reinforcing material for various matrices, the interaction between the carbon fibers 8 and various matrices can be increased (the mechanical properties of the carbon fibers can be better reflected).

炭素ナノ構造体20はナノメートルオーダーの大きさを有する炭素構造体であり、基本的にグラフェン構造を有している。炭素ナノ構造体20は特に限定されず、例えば、カーボンナノチューブ(単層又は多層)やグラフェンが数枚積層したカーボンナノウォールを挙げることができる。また、炭素ナノ構造体20は酸化されていてもよく、例えば、酸化された炭素ナノ構造体20としては、酸化グラフェンを挙げることができる。 The carbon nanostructure 20 is a carbon structure having a nanometer-order size and basically has a graphene structure. The carbon nanostructure 20 is not particularly limited, and examples thereof include carbon nanotubes (single-walled or multi-walled) and carbon nanowalls in which several layers of graphene are laminated. Also, the carbon nanostructure 20 may be oxidized. For example, graphene oxide can be used as the oxidized carbon nanostructure 20 .

また、炭素ナノ構造体20には金属元素が含まれていない。一般的に、気相法では金属粒子を触媒として炭素ナノ構造体が形成されるが、炭素ナノ構造体20は、炭素繊維8の表面近傍のCの切断及び再結合によって形成したものであり、金属元素は含まれていない。即ち、金属元素を内包する炭素ナノ構造体と比較して、優れた導電性等を有している。 Moreover, the carbon nanostructure 20 does not contain any metal element. Generally, in the vapor phase method, a carbon nanostructure is formed using metal particles as a catalyst, and the carbon nanostructure 20 is formed by cutting and recombination of C in the vicinity of the surface of the carbon fiber 8, Metal elements are not included. That is, it has excellent electrical conductivity and the like as compared with carbon nanostructures containing metal elements.

また、炭素繊維8は、短繊維とすることが好ましく、ミルドファイバーとすることがより好ましい。ミルドファイバーは機械的な粉砕によって炭素繊維を短繊維化したものであり、表面近傍に欠陥や歪が導入されていることから、C=C結合の切断及び再結合による炭素ナノ構造体の形成をより効率的に進行させることができ、表面により多くの炭素ナノ構造体20を形成させることができる。 Further, the carbon fibers 8 are preferably short fibers, more preferably milled fibers. Milled fibers are carbon fibers made into short fibers by mechanical pulverization, and defects and strains are introduced near the surface. It can proceed more efficiently and form more carbon nanostructures 20 on the surface.

(3)カーボンナノウォールの生成方法
本発明のカーボンナノウォールの生成方法は、ガス雰囲気下で炭素材及び基材にマイクロ波を照射して炭素材及び基材をマイクロ波加熱し、マイクロ波によってガスの励起状態を誘導し、ガスの発光過程で発生する紫外線で炭素材のC=C結合を切断し、炭素材から分離してプラズマ化した炭素を原料として、基材の表面にカーボンナノウォールを生成させること、を特徴としている。以下、これらの各構成要件について詳しく説明する。
(3) Method for producing carbon nanowalls The method for producing carbon nanowalls of the present invention comprises irradiating a carbon material and a base material with microwaves in a gas atmosphere, heating the carbon material and the base material with microwaves, and heating the carbon material and the base material with microwaves. The excited state of the gas is induced, and the C=C bond of the carbon material is cut by the ultraviolet rays generated in the light emission process of the gas. is characterized by generating Each of these constituent requirements will be described in detail below.

図1に示すアルミナボート6に炭素材と基材を並べて配置すること以外は、上述の炭素繊維の表面改質方法と同様にして、カーボンナノウォールを生成させることができる。 Carbon nanowalls can be generated in the same manner as the above-described carbon fiber surface modification method, except that the carbon material and the substrate are arranged side by side in the alumina boat 6 shown in FIG.

炭素材は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、グラファイトや活性炭等の従来公知の種々の炭素材を用いることができる。ここで、炭素材として炭素繊維を用いることで、カーボンナノウォールの生成と炭素ナノ構造体による炭素繊維の被覆を同時に達成することができる。 The carbon material is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known carbon materials such as graphite and activated carbon can be used. Here, by using carbon fibers as the carbon material, it is possible to simultaneously achieve the generation of carbon nanowalls and the coating of the carbon fibers with the carbon nanostructures.

また、基材についても本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属材、セラミックス材及びSi材等を用いることができる。金属材としては、Al、Cu、Feを例示することができ、セラミックス材としてはガラスを例示することができる。 Also, the base material is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and conventionally known various metal materials, ceramic materials, Si materials, and the like can be used. Examples of metal materials include Al, Cu, and Fe, and examples of ceramic materials include glass.

基材表面に生成したカーボンナノウォールはその状態で使用してもよいが、基材から分離することで容易に回収することができ、カーボンナノウォール単体として使用することができる。 The carbon nanowalls produced on the substrate surface may be used as they are, but they can be easily recovered by separating them from the substrate, and can be used as carbon nanowalls alone.

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。例えば、炭素ナノ構造体20を炭素繊維8の表面から分離回収し、炭素ナノ構造体20のみで用いることもできる。 Although representative embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these. For example, the carbon nanostructure 20 can be separated and recovered from the surface of the carbon fiber 8 and used only as the carbon nanostructure 20 .

以下、実施例において本発明の炭素ナノ構造体の生成方法及び炭素ナノ構造体について更に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the method for producing a carbon nanostructure and the carbon nanostructure of the present invention will be further described in Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(1)炭素ナノ構造体による炭素繊維の被覆及び炭素ナノ構造体
≪実施例1≫
炭素繊維としてPAN系のミルドファイバー(東レ株式会社製,トレカMLD,直径5μm)を用い、図1に示す状態で表面処理を施した。具体的には、20mgの炭素繊維を入れたアルミナボートをガラス管に挿入し、市販の電子レンジを用いて出力700Wでマイクロ波を照射させた。ここで、ガラス管の内部は約100Paの二酸化炭素雰囲気とし、マイクロ波の照射時間は1~5分とした。なお、マイクロ波の照射中は発光が認められた。
(1) Coating of carbon fiber with carbon nanostructure and carbon nanostructure <<Example 1>>
A PAN-based milled fiber (manufactured by Toray Industries, Inc., Torayca MLD, diameter 5 μm) was used as the carbon fiber and subjected to surface treatment in the state shown in FIG. Specifically, an alumina boat containing 20 mg of carbon fiber was inserted into a glass tube, and microwaves were irradiated at an output of 700 W using a commercially available microwave oven. Here, the inside of the glass tube was in a carbon dioxide atmosphere of about 100 Pa, and the microwave irradiation time was 1 to 5 minutes. Light emission was observed during microwave irradiation.

マイクロ波の照射時間を1分、3分及び5分とした場合の、照射後の炭素繊維のSEM写真を図3~図5にそれぞれ示す。全ての炭素繊維の表面には極めて微細な構造体が形成されており、照射時間の増加に伴ってその密度及び量が増加している。 FIGS. 3 to 5 show SEM photographs of the carbon fibers after irradiation when the microwave irradiation times were 1 minute, 3 minutes, and 5 minutes, respectively. An extremely fine structure is formed on the surface of all carbon fibers, and its density and amount increase as the irradiation time increases.

図3に示す炭素繊維表面の高倍率のSEM写真及びTEM写真を図6及び図7にそれぞれ示す。複雑な襞状の構造物やシート状の構造物が確認でき、グラフェンシートが複数枚積層したカーボンナノウォールが密に生成しているものと考えられる。また、チューブ状になっていると考えられる領域も確認される。 High-magnification SEM and TEM photographs of the surface of the carbon fiber shown in FIG. 3 are shown in FIGS. 6 and 7, respectively. Complicated fold-like structures and sheet-like structures can be confirmed, and it is considered that carbon nanowalls in which multiple graphene sheets are laminated are densely generated. A region that is considered to be tubular is also confirmed.

図7のTEM観察像の〇印で示す領域の高倍率の観察像を図8に示す。グラフェンシートの面間隔(d002)は約3オングストロームとなっており、極めて純度の高いカーボンナノウォールが生成していることが分かる。 FIG. 8 shows a high-magnification observation image of the region indicated by the ◯ mark in the TEM observation image of FIG. The interplanar spacing (d 002 ) of the graphene sheets is approximately 3 angstroms, indicating that carbon nanowalls with extremely high purity are produced.

未処理の炭素繊維表面及びマイクロ波の照射時間を1分として得られた炭素繊維表面のX線光電子分光分析(XPS)の結果を図9に示す。マイクロ波の照射によってC-O結合に起因するピークの相対強度が増加しており、炭素繊維表面に生成した炭素ナノ構造体は酸化した領域を有することが示唆される。 FIG. 9 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the untreated carbon fiber surface and the carbon fiber surface obtained with the microwave irradiation time of 1 minute. The microwave irradiation increased the relative intensity of the peak due to the C—O bond, suggesting that the carbon nanostructure formed on the carbon fiber surface has an oxidized region.

未処理の炭素繊維表面及びマイクロ波の照射時間を1分として得られた炭素繊維表面のラマン分光分析結果を図10に示す。ラマン振動数分布の観測により、マイクロ波の照射によってD、Gバンド双方の信号が成長しており、炭素繊維表面に炭素構造ができたことが分かる。また、XPS分析でマイクロ波照射後の試料で酸素が確認されていることから、炭素繊維表面には酸化グラフェンに類似した炭素構造物が生成していると考えられる。 FIG. 10 shows the Raman spectroscopic analysis results of the untreated carbon fiber surface and the carbon fiber surface obtained with the microwave irradiation time of 1 minute. Observation of the Raman frequency distribution shows that signals in both the D and G bands grow due to microwave irradiation, and that a carbon structure is formed on the surface of the carbon fiber. In addition, since oxygen was confirmed in the sample after microwave irradiation by XPS analysis, it is considered that a carbon structure similar to graphene oxide is generated on the surface of the carbon fiber.

≪実施例2≫
ガラス管の内部を約100Paの空気雰囲気とし、マイクロ波の照射時間を1分又は5分としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素繊維に表面処理を施した。なお、マイクロ波の照射中は発光が認められた。
<<Example 2>>
The carbon fibers were surface-treated in the same manner as in Example 1 except that the inside of the glass tube was made into an air atmosphere of about 100 Pa and the microwave irradiation time was set to 1 minute or 5 minutes. Light emission was observed during microwave irradiation.

マイクロ波の照射時間を1分及び5分として得られた炭素繊維のSEM写真を図11及び図12にそれぞれ示す。炭素繊維の表面には極めて微細な炭素ナノ構造体が形成されており、照射時間の増加に伴ってその密度及び量が増加している。 SEM photographs of carbon fibers obtained with microwave irradiation times of 1 minute and 5 minutes are shown in FIGS. 11 and 12, respectively. An extremely fine carbon nanostructure is formed on the surface of the carbon fiber, and its density and amount increase as the irradiation time increases.

≪実施例3≫
ガラス管の内部を約100Paのアルゴン雰囲気とし、マイクロ波の照射時間を1分又は5分としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素繊維に表面処理を施した。なお、マイクロ波の照射中は発光が認められた。
<<Example 3>>
The carbon fiber was surface-treated in the same manner as in Example 1 except that the inside of the glass tube was in an argon atmosphere of about 100 Pa and the microwave irradiation time was set to 1 minute or 5 minutes. Light emission was observed during microwave irradiation.

マイクロ波の照射時間を1分及び5分として得られた炭素繊維のSEM写真を図13及び図14にそれぞれ示す。炭素繊維の表面には極めて微細な炭素ナノ構造体が形成されており、照射時間の増加に伴ってその密度及び量が増加している。 SEM photographs of carbon fibers obtained with microwave irradiation times of 1 minute and 5 minutes are shown in FIGS. 13 and 14, respectively. An extremely fine carbon nanostructure is formed on the surface of the carbon fiber, and its density and amount increase as the irradiation time increases.

≪実施例4≫
ガラス管の内部を約100Paの窒素雰囲気とし、マイクロ波の照射時間を1分又は5分としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素繊維に表面処理を施した。なお、マイクロ波の照射中は発光が認められた。
<<Example 4>>
Carbon fibers were surface-treated in the same manner as in Example 1, except that the inside of the glass tube was in a nitrogen atmosphere of about 100 Pa, and the microwave irradiation time was set to 1 minute or 5 minutes. Light emission was observed during microwave irradiation.

マイクロ波の照射時間を1分及び5分として得られた炭素繊維のSEM写真を図15及び図16にそれぞれ示す。炭素繊維の表面には極めて微細な炭素ナノ構造体が形成されており、照射時間の増加に伴ってその密度及び量が増加している。 SEM photographs of carbon fibers obtained with microwave irradiation times of 1 minute and 5 minutes are shown in FIGS. 15 and 16, respectively. An extremely fine carbon nanostructure is formed on the surface of the carbon fiber, and its density and amount increase as the irradiation time increases.

≪比較例≫
ガラス管の内部を1000Paに減圧し、マイクロ波の照射時間を5分としたこと以外は実施例2と同様にして、炭素繊維に表面処理を施した。なお、マイクロ波照射中に発光現象は認められず、紫外線は発生していないものと考えられる。
≪Comparative example≫
The carbon fiber was surface-treated in the same manner as in Example 2 except that the pressure inside the glass tube was reduced to 1000 Pa and the microwave irradiation time was set to 5 minutes. No luminous phenomenon was observed during microwave irradiation, and it is considered that ultraviolet rays were not generated.

得られた炭素繊維のSEM写真を図17に示す。炭素繊維表面は荒れているものの、炭素ナノ構造体の形成は認められない。 A SEM photograph of the obtained carbon fiber is shown in FIG. Although the carbon fiber surface is rough, no carbon nanostructure formation is observed.

(2)カーボンナノウォールの生成方法
≪実施例5≫
アルミナボート内に活性炭粉末及び基材(Al基材、Cu基材及びFe基材)を配置し、ガラス管の内部を1.4Paのアルゴン雰囲気としてマイクロ波の照射時間を5分としたこと以外は実施例1と同様にして、基材表面にカーボンナノウォールを生成させた。アルミナボート内の活性炭素粉末及び各基材の配置状況を図18に示す。各基材のサイズは5×5mmとした。なお、マイクロ波の照射中は発光が認められた。
(2) Method for producing carbon nanowall <<Example 5>>
Except that activated carbon powder and base materials (Al base, Cu base and Fe base) are placed in an alumina boat, the inside of the glass tube is argon atmosphere of 1.4 Pa, and the microwave irradiation time is 5 minutes. produced carbon nanowalls on the substrate surface in the same manner as in Example 1. FIG. 18 shows the arrangement of the activated carbon powder and each substrate in the alumina boat. The size of each substrate was 5×5 mm. Light emission was observed during microwave irradiation.

処理後の各基材の外観写真を図19に示す。各基材の表面は黒色化しており、活性炭粉末から分離した炭素が付着したことが確認できる。なお、Al基材については変形が認められるが、当該変形はマイクロ波照射による昇温が原因であると考えられる。 FIG. 19 shows photographs of the appearance of each substrate after treatment. The surface of each substrate is blackened, and it can be confirmed that the carbon separated from the activated carbon powder adheres. Deformation is observed in the Al base material, but the deformation is considered to be caused by temperature rise due to microwave irradiation.

Cu基材から黒色の付着物を剥離させ、SEM観察を行った。得られたSEM写真を図20に示す。襞状の微細構造体が観察され、カーボンナノウォールが生成していることが確認された。また、Al基材の表面についてもSEM写真を行ったところ、図21に示すように炭素ナノ構造体(カーボンナノウォール)の生成が確認された。 A black deposit was peeled off from the Cu substrate, and SEM observation was performed. The obtained SEM photograph is shown in FIG. A fold-like fine structure was observed, confirming the formation of carbon nanowalls. SEM photographs of the surface of the Al substrate were also taken, and the formation of carbon nanostructures (carbon nanowalls) was confirmed as shown in FIG.

≪実施例6≫
炭素材及び基材をそれぞれ炭素繊維及びSi基材とし、ガラス管の内部を8Paの二酸化炭素雰囲気としてマイクロ波の照射時間を3分としたこと以外は実施例5と同様にして、基材表面にカーボンナノウォールを生成させた。
<<Example 6>>
In the same manner as in Example 5, except that the carbon material and the substrate were carbon fiber and the Si substrate, respectively, the inside of the glass tube was a carbon dioxide atmosphere of 8 Pa, and the microwave irradiation time was 3 minutes. generated carbon nanowalls.

処理後のSi基材の外観写真を図22に示す。表面は黒色化しており、炭素が付着したことが確認できる。また、Si基材を側面からSEM観察したところ、図23に示すように密集したカーボンナノウォールが確認された。 FIG. 22 shows a photograph of the appearance of the Si substrate after treatment. The surface is blackened, and it can be confirmed that carbon has adhered. Further, when the Si substrate was observed from the side by SEM, dense carbon nanowalls were confirmed as shown in FIG.

≪実施例7≫
基材をガラス基材としたこと以外は実施例6と同様にして、基材表面にカーボンナノウォールを生成させた。
<<Example 7>>
Carbon nanowalls were generated on the substrate surface in the same manner as in Example 6, except that the substrate was a glass substrate.

アルミナボート内の処理後のガラス基材の外観写真を図24に示す。アルミナボート及びガラス基材の表面は黒色化しており、炭素が付着したことが確認できる。また、ガラス基材の表面をSEM観察したところ、図25に示すように密集したカーボンナノウォールが確認された。 FIG. 24 shows a photograph of the appearance of the glass substrate after treatment in the alumina boat. The surfaces of the alumina boat and the glass substrate were blackened, and it was confirmed that carbon had adhered. Further, when the surface of the glass substrate was observed with an SEM, dense carbon nanowalls were confirmed as shown in FIG.

2・・・マイクロ波発生装置、
4・・・ガラス管、
6・・・アルミナボート、
8・・・炭素繊維、
10・・・ガス流入口、
12・・・ガス流出口、
20・・・炭素ナノ構造体。
2 ... microwave generator,
4... glass tube,
6: Alumina boat,
8 ... carbon fiber,
10... Gas inlet,
12 gas outlet,
20... Carbon nanostructure.

Claims (8)

ガス雰囲気下で炭素繊維にマイクロ波を照射して前記炭素繊維をマイクロ波加熱し、
前記マイクロ波によって前記ガスの励起状態を誘導し、
前記ガスの発光過程で発生する紫外線で前記炭素繊維のC=C結合を切断すること、
を特徴とする炭素繊維の表面改質方法。
Microwave-heating the carbon fiber by irradiating the carbon fiber with microwaves in a gas atmosphere,
inducing an excited state of the gas by the microwave;
cutting the C=C bonds of the carbon fibers with ultraviolet rays generated during the light emission process of the gas;
A method for modifying the surface of carbon fibers.
前記ガスが空気、アルゴン、ヘリウム、窒素及び二酸化炭素のうちの少なくとも一つを含むこと、
を特徴とする請求項1に記載の炭素繊維の表面改質方法。
said gas comprising at least one of air, argon, helium, nitrogen and carbon dioxide;
The method for modifying the surface of carbon fibers according to claim 1, characterized in that:
前記炭素繊維が短繊維であること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の炭素繊維の表面改質方法。
that the carbon fibers are short fibers;
The method for modifying the surface of carbon fibers according to claim 1 or 2, characterized in that:
前記炭素繊維がミルドファイバーであること、
を特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の炭素繊維の表面改質方法。
the carbon fiber being a milled fiber;
The method for modifying the surface of carbon fibers according to any one of claims 1 to 3, characterized by:
ガス雰囲気下で炭素材及び基材にマイクロ波を照射して、前記炭素材及び前記基材をマイクロ波加熱し、
前記マイクロ波によって前記ガスの励起状態を誘導し、
前記ガスの発光過程で発生する紫外線で前記炭素材のC=C結合を切断し、
前記炭素材から分離してプラズマ化した炭素を原料として、前記基材の表面にカーボンナノウォールを生成させること、
を特徴とするカーボンナノウォールの生成方法。
irradiating a carbon material and a base material with microwaves in a gas atmosphere to microwave-heat the carbon material and the base material;
inducing an excited state of the gas by the microwave;
The C=C bond of the carbon material is cut by ultraviolet rays generated during the light emission process of the gas,
forming carbon nanowalls on the surface of the base material using plasma carbon separated from the carbon material as a raw material;
A method for producing carbon nanowalls, characterized by:
前記ガスが空気、アルゴン、窒素、二酸化炭素の少なくとも1つを含むこと、
を特徴とする請求項に記載のカーボンナノウォールの生成方法。
said gas comprising at least one of air, argon, nitrogen, carbon dioxide;
The method for producing carbon nanowalls according to claim 5 , characterized in that:
前記炭素材が炭素繊維であること、
を特徴とする請求項又はに記載のカーボンナノウォールの生成方法。
the carbon material being carbon fiber;
The method for producing carbon nanowalls according to claim 5 or 6 , characterized by:
前記カーボンナノウォールが金属元素を含まないこと、
を特徴とする請求項のうちのいずれかに記載のカーボンナノウォールの生成方法。
that the carbon nanowalls do not contain a metal element;
The method for producing carbon nanowalls according to any one of claims 5 to 7 , characterized by:
JP2018222786A 2017-11-30 2018-11-28 Carbon nanostructure production method and carbon nanostructure Active JP7305146B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017229887 2017-11-30
JP2017229887 2017-11-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019099989A JP2019099989A (en) 2019-06-24
JP7305146B2 true JP7305146B2 (en) 2023-07-10

Family

ID=66976263

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018222786A Active JP7305146B2 (en) 2017-11-30 2018-11-28 Carbon nanostructure production method and carbon nanostructure

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7305146B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021057545A (en) * 2019-10-02 2021-04-08 三恵技研工業株式会社 Electromagnetic wave absorbing material and electromagnetic wave absorbing resin molded body
JP7431422B2 (en) * 2019-12-11 2024-02-15 インスティテュート ヨージェフ ステファン Method and apparatus for deposition of carbon nanostructures
JP2021147249A (en) * 2020-03-17 2021-09-27 三恵技研工業株式会社 Light absorption material and method for producing the same
WO2022114458A1 (en) * 2020-11-24 2022-06-02 한국생산기술연구원 Low-quality carbon fiber surface-modified using ipl, and carbon fiber composite comprising same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003096555A (en) 2001-09-21 2003-04-03 Ntt Afty Corp Method for forming carbon nano-cluster film
WO2005047180A1 (en) 2003-11-17 2005-05-26 Konica Minolta Holdings, Inc. Method for producing nanostructured carbon material, nanostructured carbon material produced by such method, and substrate having such nanostructured carbon material
JP2005350307A (en) 2004-06-11 2005-12-22 Shinano Kenshi Co Ltd Modified carbon material and method for manufacturing the same
JP3209601U (en) 2017-01-16 2017-03-30 永虹先進材料股▲ふん▼有限公司 Oil agent replacement equipment on the surface of carbon fiber
WO2019049921A1 (en) 2017-09-11 2019-03-14 株式会社Ihi Carbon fiber composite material and method for manufacturing same, and carbon fiber composite material manufacturing device, prepreg, and carbon fiber-reinforced resin composite material

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01183575A (en) * 1988-01-19 1989-07-21 Osaka Gas Co Ltd Method for treating surface of carbon fiber
JPH0782658A (en) * 1993-09-13 1995-03-28 Teijin Ltd Method for modifying surface of fiber

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003096555A (en) 2001-09-21 2003-04-03 Ntt Afty Corp Method for forming carbon nano-cluster film
WO2005047180A1 (en) 2003-11-17 2005-05-26 Konica Minolta Holdings, Inc. Method for producing nanostructured carbon material, nanostructured carbon material produced by such method, and substrate having such nanostructured carbon material
JP2005350307A (en) 2004-06-11 2005-12-22 Shinano Kenshi Co Ltd Modified carbon material and method for manufacturing the same
JP3209601U (en) 2017-01-16 2017-03-30 永虹先進材料股▲ふん▼有限公司 Oil agent replacement equipment on the surface of carbon fiber
WO2019049921A1 (en) 2017-09-11 2019-03-14 株式会社Ihi Carbon fiber composite material and method for manufacturing same, and carbon fiber composite material manufacturing device, prepreg, and carbon fiber-reinforced resin composite material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHI,Yao et al.,Directly deposited graphene nanowalls on carbon fiber for improving the interface strength in compos,Applied Physics Letters,米国,2016年05月23日,Vol.108 No.21,P.211601-211601-4,特にP.211601-2

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019099989A (en) 2019-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7305146B2 (en) Carbon nanostructure production method and carbon nanostructure
Zhang et al. Controllable synthesis of carbon nanomaterials by direct current arc discharge from the inner wall of the chamber
Chhowalla et al. Growth process conditions of vertically aligned carbon nanotubes using plasma enhanced chemical vapor deposition
CN114229820B (en) Seed-free particles with carbon allotropes
Cambaz et al. Noncatalytic synthesis of carbon nanotubes, graphene and graphite on SiC
Poyato et al. Aqueous colloidal processing of single-wall carbon nanotubes and their composites with ceramics
JP6527340B2 (en) Optical member and method of manufacturing the same
JP5574257B2 (en) Reusable substrate for producing carbon nanotubes, substrate for producing carbon nanotubes and method for producing the same
US20090226361A1 (en) Cvd-grown graphite nanoribbons
JP2009107921A (en) Graphene sheet and method of producing the same
Riyajuddin et al. Study of field emission properties of pure graphene-CNT heterostructures connected via seamless interface
JP5732636B2 (en) Method for producing aligned carbon nanotubes
Ho et al. Synthesis and field electron emission properties of hybrid carbon nanotubes and nanoparticles
Bisht et al. Growth of dense CNT on the multilayer graphene film by the microwave plasma enhanced chemical vapor deposition technique and their field emission properties
JP5449987B2 (en) Method for concentrating semiconducting single-walled carbon nanotubes
JP2014185072A (en) Method of producing recycled base material for carbon nano-tube production
Ren et al. Morphology-selective preparation and formation mechanism of few-layer graphene on Cu substrate by liquid-phase pulsed laser ablation
Ismagilov et al. Noncatalytic synthesis of carbon nanotubes by chemical vapor deposition
Barberio et al. Photoluminescence from silver/carbon nanotubes composites
JP2009067663A (en) Method of growing carbon nanotube on carbon fiber sheet and carbon nanotube emitter
WO2019039516A1 (en) Carbyne-containing composite material
JP2015147706A (en) Method of manufacturing single crystal graphene using plastic waste and the like as raw material, and touch panel using single crystal graphene
Farazmand et al. Retracted article: Morphological and field emission properties of ZnO deposited MWCNT by RF sputtering and PECVD
JP2018131343A (en) Method for producing carbon nanotube high-density aggregate and carbon nanotube high-density aggregate
Yip et al. Fabrication Routes of Graphene

Legal Events

Date Code Title Description
AA64 Notification of invalidation of claim of internal priority (with term)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A241764

Effective date: 20181218

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181213

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20211013

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20211013

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20211013

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20221026

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20221206

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230201

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230411

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230531

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230613

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230621

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7305146

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150