JPWO2016208557A1 - カーボンナノチューブフォレストの製造方法、紡績源部材、構造体および複合構造体 - Google Patents
カーボンナノチューブフォレストの製造方法、紡績源部材、構造体および複合構造体 Download PDFInfo
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Abstract
Description
(1)金属元素含有化合物を含有する液状組成物をミスト化して、得られた前記液状組成物のミストを所定の温度に加熱された反応チャンバ内に供給し、前記液状組成物のミストに含有される前記金属元素含有化合物から金属系固相触媒を前記反応チャンバ内に生成させて、前記反応チャンバ内に位置する基板の成長基面上に、前記金属系固相触媒を配置する触媒配置工程と、前記反応チャンバ内に炭素源を供給して、前記成長基面上の前記金属系固相触媒からカーボンナノチューブを成長させて、前記基板上にカーボンナノチューブフォレストを形成する成長工程と、を備えることを特徴とするカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
本発明の一実施形態に係るCNTフォレストの製造装置を、図面を参照しながら説明する。
本発明の一実施形態に係るCNTフォレストの製造方法を説明する。本実施形態に係るCNTフォレストの製造方法は、触媒配置工程および成長工程を備える。以下の説明では、製造装置10を用いて製造する場合を具体例とする。
本実施形態に係るCNTフォレストの製造方法では、触媒配置工程として、金属元素含有化合物を含有する液状組成物(触媒供給用液体L)をミスト化にして、得られた液状組成物のミスト(触媒供給用ミストM)を所定の温度に加熱された反応チャンバ(反応容器管14)内に供給し、液状組成物のミスト(触媒供給用ミストM)に含有される金属元素含有化合物から金属系固相触媒を反応チャンバ(反応容器管14)内に生成させて、反応チャンバ(反応容器管14)内に位置する基板28の成長基面上に、金属系固相触媒を配置する。
成長工程では、反応チャンバ(反応容器管14)内に炭素源を供給して、基板28の成長基面上の金属系固相触媒からカーボンナノチューブを成長させて、基板28上にCNTフォレストを形成する。
本発明の一実施形態に係る製造方法により製造されたCNTフォレストの一例は、図4や図5に示されるように、複数のCNTが一定の方向(成長基面の法線に沿った方向)に配向するように配置された構造を有する部分を備える。この部分の複数のCNTの外径を測定し、それらの分布を求めると、図6に示されるように、CNTフォレストを構成するCNTの外径は、その多くが5〜30nmの範囲内となる。CNTフォレストを構成するCNTを電子顕微鏡などにより観察し、得られる観察画像からCNTの外径を測定することができる。
紡績源部材から得られるCNT交絡体は、様々な形状を有することができる。具体的な一例として線状の形状が挙げられ、他の一例としてウェブ状の形状が挙げられる。線状のCNT交絡体は、これを得るべく紡績源部材を引き出す際に撚りを加えれば、繊維と同等に取り扱うことができるうえ、電気配線としても用いることができる。また、ウェブ状のCNT交絡体は、そのままで不織布と同様に取り扱うことができる。
(1)触媒供給用液体Lの調製
金属元素含有化合物の一種である金属元素含有配位化合物としてのフェロセンをエタノールに溶解させて、フェロセンの濃度が10g/L(1.3質量%)のエタノール溶液を触媒供給用液体Lとして得た。
図1に示される構造を有するCNTフォレスト製造装置を用いてCNTフォレストを製造した。上記の触媒供給用液体Lをその内部に収容した耐熱皿(図示せず)を、反応容器管内の内側面上に載置した。
反応容器管内の温度を820℃(1.09×103K)とした状態で、反応容器管内の圧力を3Torr(400Pa)に減圧した。反応容器管内の圧力を3Torr(400Pa)に維持しつつ、表1(表1中の数値の単位はsccmである。)に示されるように、原料ガス供給装置から原料ガスとしてのアセチレンを160sccmの流量となる量、補助ガス供給装置から補助ガスの一種としてのアルゴンを11〜20sccmの流量となる量、ならびに気相助触媒供給装置から気相助触媒の一種である還元性物質としてのアセトンを20sccmの流量となる量、および気相助触媒供給装置から気相助触媒の他の一種であるハロゲン含有物質としての塩素(Cl2)を0〜0.9sccmの流量となる量、反応容器管内に20分間供給することにより、成長工程を実施した(実験番号1〜4)。塩素(Cl2)は、9倍量のアルゴンとともに供給し、表1に示されるように、反応チャンバに供給される気体の総流量を、いずれの場合も200sccmにした。
12…電気炉
13…圧力計
14…反応容器管(反応チャンバ)
16…ヒータ(温度調整装置の一部)
18…熱電対(温度調整装置の一部)
20…制御装置
22…供給装置
23…圧力調整バルブ(圧力調整装置の一部)
24…排気装置(圧力調整装置の一部)
28…基板
30…原料ガス供給装置
31…触媒原材料供給装置
32…気相助触媒供給装置
32a…第1の気相助触媒供給装置
32b…第2の気相助触媒供給装置
33…補助ガス供給装置
31A…供給ユニット用チャンバ
31B…霧化装置
31B1…ウォーターバス
31B2…超音波振動発生器
31C…気体供給装置
31D…放出装置
Claims (21)
- 金属元素含有化合物を含有する液状組成物をミスト化して、得られた前記液状組成物のミストを所定の温度に加熱された反応チャンバ内に供給し、前記液状組成物のミストに含有される前記金属元素含有化合物から金属系固相触媒を前記反応チャンバ内に生成させて、前記反応チャンバ内に位置する基板の成長基面上に、前記金属系固相触媒を配置する触媒配置工程と、
前記反応チャンバ内に炭素源を供給して、前記成長基面上の前記金属系固相触媒からカーボンナノチューブを成長させて、前記基板上にカーボンナノチューブフォレストを形成する成長工程と、
を備えることを特徴とするカーボンナノチューブフォレストの製造方法。 - 前記金属元素含有化合物は、金属元素含有配位化合物を含む、請求項1に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記金属元素含有化合物は、金属元素として鉄族元素を含む、請求項1または2に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記液状組成物は有機溶媒を含有し、前記有機溶媒は前記炭素源として機能しない、請求項1から3のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記触媒配置工程ではカーボンナノチューブフォレストを前記基板の成長基面上に形成しない、請求項1から4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記液状組成物のミスト化は、前記液状組成物内に気体を通過させることにより行われる、請求項1から5のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記液状組成物のミスト化は機械式で行われる、請求項1から5のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記成長基面は、金属元素および半金属元素の少なくとも一方を含む化合物からなる、請求項1から7のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記金属系固相触媒を生成させる際の前記反応チャンバの雰囲気は不活性雰囲気である、請求項1から8のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記成長工程では、前記反応チャンバ内に気相助触媒を供給する、請求項1から9のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記気相助触媒はハロゲン含有物質を含み、前記ハロゲン含有物質は、前記炭素源の供給と同時または前記炭素源の供給開始後に、前記反応チャンバ内に供給される、請求項10に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記ハロゲン含有物質の供給量は、前記炭素源の供給量の0.05体積%以上5体積%以下となる量である、請求項11に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記気相助触媒は還元性物質を含む、請求項1から12のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記還元性物質は、アセトン、水素および一酸化炭素からなる群から選ばれる一種以上の物質を含む、請求項13に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記還元性物質の供給量は、前記炭素源の供給量の5体積%以上50体積%以下となる量である、請求項13または14に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 前記成長工程における前記反応チャンバ内の雰囲気は、600℃以上である、請求項1から15のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブフォレストの製造方法。
- 請求項1から16のいずれか1項に記載されるカーボンナノチューブフォレストの製造方法により製造されたカーボンナノチューブフォレストを備える紡績源部材であって、1mm以上の紡績が可能であることを特徴とする紡績源部材。
- 請求項17に記載される紡績源部材を紡ぎ出して得られる構造体であって、互いに交絡した複数のカーボンナノチューブを備えることを特徴とする構造体。
- 前記構造体が線状である請求項18に記載の構造体。
- 前記構造体がウェブ状である請求項18に記載の構造体。
- 請求項19から20のいずれか1項に記載される構造体を骨格構造として備える複合構造体。
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