JP7340527B2 - カーボンナノチューブ複合体集合線、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物、カーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法、及び、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法 - Google Patents
カーボンナノチューブ複合体集合線、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物、カーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法、及び、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法 Download PDFInfo
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Description
複数のカーボンナノチューブ複合体を備えるカーボンナノチューブ複合体集合線であって、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、一のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブを被覆するアモルファスカーボン含有層とを含み、
前記カーボンナノチューブは、波長532nmのラマン分光分析におけるGバンドのピーク強度とDバンドのピーク強度との比であるD/G比が0.1以下であり、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、繊維状であり、その径が0.1μm以上50μm以下であり、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体は、前記カーボンナノチューブ複合体集合線の長手方向に配向している、カーボンナノチューブ複合体集合線である。
上記[1]のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物である。
複数のカーボンナノチューブを準備する第1工程と、
前記複数のカーボンナノチューブのそれぞれをアモルファスカーボン含有層で被覆して複数のカーボンナノチューブ複合体を得る第2工程と、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させてカーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3工程と、を備える、カーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法である。
複数のカーボンナノチューブを準備する第1工程と、
前記複数のカーボンナノチューブのそれぞれをアモルファスカーボン含有層で被覆して複数のカーボンナノチューブ複合体を得る第2工程と、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させてカーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3工程と、
前記カーボンナノチューブ複合体集合線を熱処理することにより前記アモルファスカーボン含有層を除去してカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物を得る第4工程と、を備える、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法である。
現在のカーボンナノチューブの作製技術で得られるカーボンナノチューブは、その径が約0.4nm~20nm、かつ、長さが最大で約550mmである。カーボンナノチューブを電線として用いるためには、より長いカーボンナノチューブが必要であり、カーボンナノチューブを長尺化できる技術が検討されている。
上記態様によれば、複数の高結晶性のカーボンナノチューブがそれらの長手方向に配向して集合したカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物を提供することが可能となる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
複数のカーボンナノチューブ複合体を備えるカーボンナノチューブ複合体集合線であって、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、一のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブを被覆するアモルファスカーボン含有層とを含み、
前記カーボンナノチューブは、波長532nmのラマン分光分析におけるGバンドのピーク強度とDバンドのピーク強度との比であるD/G比が0.1以下であり、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、繊維状であり、その径が0.1μm以上50μm以下であり、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体は、前記カーボンナノチューブ複合体集合線の長手方向に配向している、カーボンナノチューブ複合体集合線である。
上記(1)又は(2)に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物である。
複数のカーボンナノチューブを準備する第1工程と、
前記複数のカーボンナノチューブのそれぞれをアモルファスカーボン含有層で被覆して複数のカーボンナノチューブ複合体を得る第2工程と、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させてカーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3工程と、を備える、カーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法である。
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、繊維状であり、その径が0.1μm以上50μm以下であることが好ましい。
前記カーボンナノチューブ複合体分散液を特定の方向に流すことにより、前記複数のカーボンナノチューブ複合体を前記特定の方向に配向させる第3b工程と、
前記第3b工程の後に、前記カーボンナノチューブ複合体分散液から前記溶媒を除去して前記カーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3c工程と、を含むことが好ましい。
複数のカーボンナノチューブを準備する第1工程と、
前記複数のカーボンナノチューブのそれぞれをアモルファスカーボン含有層で被覆して複数のカーボンナノチューブ複合体を得る第2工程と、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させてカーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3工程と、
前記カーボンナノチューブ複合体集合線を熱処理することにより前記アモルファスカーボン含有層を除去してカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物を得る第4工程と、を備える、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法である。
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、繊維状であり、その径が0.1μm以上50μm以下であることが好ましい。
このカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物においては、カーボンナノチューブ同士が互いに接触、又は、結合しているため、導電性が優れている。
前記カーボンナノチューブ複合体分散液を特定の方向に流すことにより、前記複数のカーボンナノチューブ複合体を前記特定の方向に配向させる第3b工程と、
前記第3b工程の後に、前記カーボンナノチューブ複合体分散液から前記溶媒を除去して前記カーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3c工程と、を含むことが好ましい。
本開示の一実施形態に係るカーボンナノチューブ複合体集合線、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物、カーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法、及び、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。
(カーボンナノチューブ複合体集合線)
本実施形態に係るカーボンナノチューブ複合体集合線(以下、CNT複合体集合線とも記す。)10は、図1及び図2に示されるように、複数のカーボンナノチューブ複合体1(以下、CNT複合体とも記す。)を備える。複数のカーボンナノチューブ複合体1のそれぞれは、図3及び図4に示されるように、一のカーボンナノチューブ2と、カーボンナノチューブ2を被覆するアモルファスカーボン含有層3とを含む。カーボンナノチューブ2は、波長532nmのラマン分光分析におけるGバンドのピーク強度とDバンドのピーク強度との比であるD/G比が0.1以下である。複数のカーボンナノチューブ複合体1のそれぞれは、繊維状であり、その径が0.1μm以上50μm以下である。複数のカーボンナノチューブ複合体1は、カーボンナノチューブ複合体集合線10の長手方向に配向している。これらの構成を有することにより、本実施形態に係るカーボンナノチューブ複合体集合線は、下記(1)から(3)に示される効果を有することができる。
カーボンナノチューブ複合体は、一のカーボンナノチューブ(以下、CNTとも記す。)と、該カーボンナノチューブを被覆するアモルファスカーボン含有層とを備える。該カーボンナノチューブは、波長532nmのラマン分光分析におけるGバンドのピーク強度とDバンドのピーク強度との比であるD/G比が0.1以下である。該カーボンナノチューブ複合体は、繊維状であり、その径Rが0.1μm以上50μm以下である。
カーボンナノチューブは、波長532nmのラマン分光分析におけるGバンドのピーク強度とDバンドのピーク強度との比であるD/G比が0.1以下のものであれば、その構造は限定されない。例えば、炭素の層(グラフェン)が1層だけ筒状になっている単層カーボンナノチューブや、炭素の層が複数層積層した状態で筒状になっている二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブ、底が抜けた紙コップの形をしたグラフェンが積層をした構造を有するカップスタック型ナノチューブなどを用いることができる。
波長:532nm
レーザーパワー:17mW
露光時間:1秒
平均回数:3回
対物レンズ倍率:50倍
本実施形態に係るCNT複合体集合線中のCNTのD/G比を、CNT複合体集合線の熱処理物のD/G比と同一と見做す理由は下記の通りである。
アモルファスカーボン含有層はアモルファスカーボンを含有する層(領域)である。アモルファスカーボンは特に限定されず、従来公知のアモルファスカーボンを用いることができる。アモルファスカーボンとしては、例えば、ta-C(テトラヘドラルアモルファスカーボン)、a-C(アモルファスカーボン)、ta-C:H(水素化テトラヘドラルアモルファスカーボン)、a-C:H(水素化アモルファスカーボン)を用いることができる。中でも、a-Cを用いることがアモルファスカーボン含有層を簡便な手法で形成できるため好ましい。アモルファスカーボンのSP3/SP2の比率としては、例えば0.2以上0.8以下のものを用いることができる。
アモルファスカーボン含有層中のグラファイト微結晶の含有量は、99体積%以下が好ましく、90体積%以下がより好ましく、50体積%以下が更に好ましい。アモルファスカーボン含有層中のグラファイト微結晶の含有量の下限値は特に限定されないが、例えば、1体積%とすることができる。アモルファスカーボン含有層中のグラファイト微結晶の含有量は、透過型電子顕微鏡観察、又は、熱重量分析法によって測定することができる。
本実施形態に係るカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物は、上記の実施の形態1のカーボンナノチューブ複合体集合線を熱処理して得られるものである。
本実施形態に係るカーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法は、複数のカーボンナノチューブを準備する第1工程と、該複数のカーボンナノチューブのそれぞれをアモルファスカーボン含有層で被覆して複数のカーボンナノチューブ複合体を得る第2工程と、該複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させてカーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3工程と、を備える。
第1工程において、複数のカーボンナノチューブを準備する。該カーボンナノチューブは、実施の形態1に示されるカーボンナノチューブと同様のものとすることができる。
反応室21は、触媒供給機構23よりも上流側の助走区間25において炭素含有ガスの流れを層流化し、触媒供給機構23よりも下流側の形成区間26において層流化した炭素含有ガスを用いてカーボンナノチューブを形成する。
ガス供給機構22は、反応室21に炭素含有ガスを供給するために、ガスボンベ28と流量調節弁29とを有する構成とすることができる。
触媒供給機構23は、炭素含有ガスの風圧により崩壊して複数の触媒粒子Pに分割される崩壊性触媒Dを炭素含有ガスの流れの中に保持する機構とすることができる。触媒供給機構23は、例えば帯状、棒状等の長尺に形成される崩壊性触媒Dを保持し、反応室21内に徐々に送り込むものであってもよい。このように、崩壊性触媒Dを用いることで、炭素含有ガスの流れの中で高温且つ接触状態の複数の触媒粒子Pを形成することができる。このため、複数の触媒間にカーボンナノチューブを確実に成長させることができる。
基板保持機構24は、触媒供給機構23による触媒供給位置の下方に、炭素含有ガスの流れ方向に沿って下流側に延びるよう基板Bを保持する。基板Bは、炭素含有ガスの流れの中での触媒粒子Pの落下速度を考慮して、触媒粒子Pが落下し得る範囲に広く延在するよう保持されることが好ましい。
第2工程では、第1工程で準備した複数のカーボンナノチューブのそれぞれをアモルファスカーボン含有層で被覆して複数のカーボンナノチューブ複合体を得る。
第3工程では、第2工程で準備した複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させてカーボンナノチューブ複合体集合線を得る。複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させるとは、複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれの長手方向が略同一の方向となるように揃えて集合させることを意味する。なお、略同一の方向とは、カーボンナノチューブ複合体集合線に含まれる異なる2本のカーボンナノチューブ複合体のなす角度が、最大で-10°以下であることを意味する。
本実施形態に係るカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法は、複数のカーボンナノチューブを準備する第1工程と、複数のカーボンナノチューブのそれぞれをアモルファスカーボン含有層で被覆して複数のカーボンナノチューブ複合体を得る第2工程と、複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させてカーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3工程と、カーボンナノチューブ複合体集合線を熱処理することにより前記アモルファスカーボン含有層を除去してカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物を得る第4工程と、を備える。
第1工程、第2工程及び第3工程は、それぞれ実施の形態3に示される第1工程、第2工程及び第3工程と同様のものとすることができる。
第4工程において、第3工程で得られたカーボンナノチューブ複合体集合線を熱処理することにより前記アモルファスカーボン含有層を除去してカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物を得る。
P1とP2とが上記式1の関係を示す場合は、カーボンナノチューブ複合体集合線からアモルファスカーボン含有層が十分に除去され、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物において、複数の精製カーボンナノチューブが互いに接触、又は、凝集していることを示す。これにより、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物は、優れた導電性を有することができる。なお、CNT複合体集合線の熱処理物において、複数の精製CNTが互いに接触、又は、凝集していることは、CNT複合体集合線の熱処理物を透過型電子顕微鏡で直接観察することにより確認することができる。また、このような熱処理物では、X線回折法により、CNT複合体集合線が規則的に配列していることが確認できる。
(上記式2において、0≦R1≦0.2及び0≦R2≦0.2を満たす。)
R1とR2とが上記式2の関係を示す場合は、第4工程によりカーボンナノチューブ複合体中のカーボンナノチューブが劣化することなく、高結晶性のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物が得られたことを示す。
-0.1≦(R2-R1)≦0.1 式3
(上記式3において、0≦R1≦0.2及び0≦R2≦0.2を満たす。)
R1=R2 式4
(上記式4において、0≦R1≦0.2及び0≦R2≦0.2を満たす。)。
(カーボンナノチューブの準備)
図8に示されるカーボンナノチューブ製造装置20を用いて、カーボンナノチューブを作製した。加熱炉内に内径20mmの石英管を配設し、この石英管の中に、幅10mmの基板と、崩壊性触媒として厚さが10μmで1辺1cmの方形状の純鉄シート(純度4N)とを配置した。そして、石英管にアルゴンガス濃度100体積%のアルゴンガスを60cc/minの速度で供給しつつ、加熱炉内の温度を1000℃まで昇温した後、更に上記アルゴンガスに加えてメタンガスを3000cc/minの速度で15秒供給した後、流量(速度)を3000cc/min未満に変えてさらに1時間供給を継続した。
次に、上記のカーボンナノチューブが付着している上記基板を上記の石英管の中に配置し、石英管にメタンガス濃度が100体積%のメタンガスを0.10cm/secの速度で供給しつつ、加熱炉内の温度を1050℃で30分間維持して該カーボンナノチューブを熱処理した。これにより、該カーボンナノチューブの周囲にアモルファスカーボン含有層を形成し、カーボンナノチューブ複合体を得た。
上記で得られたカーボンナノチューブ複合体100μgを99.5%エタノール溶液1mlに分散させて、カーボンナノチューブ複合体分散液を得た。
(カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の作製)
次に、上記で得られたーボンナノチューブ複合体集合線を大気雰囲気中で、温度650℃で60分熱処理して、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物を得た。
試料2~試料4では、試料1と同様の方法で、カーボンナノチューブを作製した。得られた複数のカーボンナノチューブについて、試料1と同様の方法で、径、長さ及びD/G比(R1)を測定した。結果を、表1の「CNT」の「径」、「長さ」、「D/G比(R1)」の欄に示す。
Claims (14)
- 複数のカーボンナノチューブ複合体を備えるカーボンナノチューブ複合体集合線であって、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、一のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブを被覆するアモルファスカーボン含有層とを含み、
前記カーボンナノチューブは、波長532nmのラマン分光分析におけるGバンドのピーク強度とDバンドのピーク強度との比であるD/G比が0.1以下であり、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、繊維状であり、その径が0.1μm以上50μm以下であり、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体は、前記カーボンナノチューブ複合体集合線の長手方向に配向しており、
前記アモルファスカーボン含有層の厚みは0.05μm以上25μm以下である、カーボンナノチューブ複合体集合線。 - 前記アモルファスカーボン含有層は、波長532nmのラマン分光分析におけるGバンドのピーク強度とDバンドのピーク強度との比であるD/G比が0.5以上である、請求項1に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線。
- 請求項1又は請求項2に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物。
- 請求項1又は請求項2に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法であって、
複数のカーボンナノチューブを準備する第1工程と、
前記複数のカーボンナノチューブのそれぞれをアモルファスカーボン含有層で被覆して複数のカーボンナノチューブ複合体を得る第2工程と、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させてカーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3工程と、を備える、カーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法。 - 前記カーボンナノチューブは、波長532nmのラマン分光分析におけるGバンドのピーク強度とDバンドのピーク強度との比であるD/G比が0.1以下であり、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、繊維状であり、その径が0.1μm以上50μm以下である、請求項4に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法。 - 前記第2工程は、前記複数のカーボンナノチューブを炭化水素系ガス中で950℃以上1100℃以下の温度で熱処理する工程を含む、請求項4又は請求項5に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法。
- 前記第3工程は、前記複数のカーボンナノチューブ複合体を溶媒に分散させてカーボンナノチューブ複合体分散液を得る第3a工程と、
前記カーボンナノチューブ複合体分散液を特定の方向に流すことにより、前記複数のカーボンナノチューブ複合体を前記特定の方向に配向させる第3b工程と、
前記第3b工程の後に、前記カーボンナノチューブ複合体分散液から前記溶媒を除去して前記カーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3c工程と、を含む、請求項4~請求項6のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の製造方法。 - 複数のカーボンナノチューブを準備する第1工程と、
前記複数のカーボンナノチューブのそれぞれをアモルファスカーボン含有層で被覆して複数のカーボンナノチューブ複合体を得る第2工程と、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体を、それらの長手方向に配向して集合させてカーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3工程と、
前記カーボンナノチューブ複合体集合線を熱処理することにより前記アモルファスカーボン含有層を除去してカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物を得る第4工程と、を備える、カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法。 - 前記カーボンナノチューブは、波長532nmのラマン分光分析におけるGバンドのピーク強度とDバンドのピーク強度との比であるD/G比が0.1以下であり、
前記複数のカーボンナノチューブ複合体のそれぞれは、繊維状であり、その径が0.1μm以上50μm以下である、請求項8に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法。 - 前記カーボンナノチューブ複合体集合線の径をP1とし、前記カーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の径をP2とした場合、前記P1と前記P2とが下記式1の関係を示す、
100≦P1/P2≦10000 式1
請求項8又は請求項9に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法。 - 前記第2工程は、前記複数のカーボンナノチューブを炭化水素系ガス中で950℃以上1100℃以下の温度で熱処理する工程を含む、請求項8~請求項10のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法。
- 前記第3工程は、前記複数のカーボンナノチューブ複合体を溶媒に分散させてカーボンナノチューブ複合体分散液を得る第3a工程と、
前記カーボンナノチューブ複合体分散液を特定の方向に流すことにより、前記複数のカーボンナノチューブ複合体を前記特定の方向に配向させる第3b工程と、
前記第3b工程の後に、前記カーボンナノチューブ複合体分散液から前記溶媒を除去して前記カーボンナノチューブ複合体集合線を得る第3c工程と、を含む、請求項8~請求項11のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法。 - 前記第4工程における熱処理は、前記カーボンナノチューブ複合体集合線を酸化条件下で、400℃以上800℃以下の温度で熱処理する工程を含む、請求項8~請求項12のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法。
- 前記第4工程における熱処理は、前記カーボンナノチューブ複合体集合線を酸化条件下で、560℃以上690℃以下の温度で熱処理する工程を含む、請求項13に記載のカーボンナノチューブ複合体集合線の熱処理物の製造方法。
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