JPWO2016208558A1 - カーボンナノチューブの製造方法、カーボンナノチューブフォレスト、紡績源部材、構造体および複合構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)金属系触媒をハロゲンフリーの状態で反応チャンバ内に存在させ、炭素源を原料として前記金属系触媒上にカーボンナノチューブを生成させるカーボンナノチューブの製造方法であって、前記カーボンナノチューブが生成するときに前記反応チャンバ内にハロゲン含有物質が存在し、前記ハロゲン含有物質の前記炭素源に対する存在モル比率は0.2以下であることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
本発明の一実施形態に係るCNTの製造装置を、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る製造装置では、CNTを固相触媒法により製造する。
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。CNTフォレストはCNTの二次構造の一種であるから、本実施形態に係るCNTフォレストの製造方法は、CNTの製造方法でもある。
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、金属系触媒をハロゲンフリーの状態で反応チャンバ(反応容器管14)内に存在させる。具体的には、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固相の金属系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、固相の金属系触媒を配置する。
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の成長基面上に配置された固相の金属系触媒上にCNTを成長させて、基板28上にCNTの二次構造としてのCNTフォレストを形成する。
上記の実施形態では、触媒供給用ミストMを用いて固相の金属系触媒を製造する固相触媒法によりCNTを製造したが、金属系触媒をハロゲンフリーの状態でチャンバ内に存在させ、炭素源を原料として金属系触媒上にCNTを生成させる方法である限り、CNTの製造方法は限定されない。上記の実施形態に係る製造方法は、固相触媒法の一種として、触媒供給用ミストMから固相の金属系触媒を生成させる。他の固相触媒法として、特許文献1に示されるような触媒を構成する金属系材料を蒸着などのドライプロセスによって基板上に製膜することを含んでもよい。
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および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。
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。
上記のCNTの製造装置を用いて製造することにより、CNTの二次構造としてCNTフォレストが得られる。CNTフォレスト以外のCNTの二次構造の例として、CNTメッシュが挙げられる。CNTメッシュは、異方性低く湾曲した一次構造を有するCNTの集合体であって、結果的に3次元メッシュとして機能し得るCNTの二次構造である。図7はCNTメッシュの一例を示す画像である。
(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製造装置を用いてCNT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8〜20sccm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分子(Cl2)を0〜1.2sccmの流量となる量、反応容器管内に10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)。塩素分子(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。
なお、図6および14に示されるように、実験番号2および3に係るCNTフォレストは紡績可能であり、特に実験番号2に係るCNTフォレストは優れた紡績性を有していた。
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 (19)
- 金属系触媒をハロゲンフリーの状態で反応チャンバ内に存在させ、炭素源を原料として前記金属系触媒上にカーボンナノチューブを生成させるカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記カーボンナノチューブが生成するときに前記反応チャンバ内にハロゲン含有物質が存在し、
前記ハロゲン含有物質の前記炭素源に対する存在モル比率は0.2以下であること
を特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。 - 金属系触媒をハロゲンフリーの状態で反応チャンバ内に存在させ、炭素源を原料として前記金属系触媒上にカーボンナノチューブを生成させるカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記カーボンナノチューブが生成するときに前記反応チャンバ内にハロゲン含有物質が存在し、
前記ハロゲン含有物質は、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選ばれる1種または2種以上の元素を含むこと
を特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。 - 前記ハロゲン含有物質は金属元素を含有しない、請求項1または2に記載のカーボンナノチューブの製造方法。
- 前記ハロゲン含有物質は、塩素分子、臭素分子、塩化水素、臭化水素、クロロホルム、四塩化炭素、ジクロロエタン、ジクロロメタンおよびジクロロエチレンからなる群から選ばれる1種または2種以上の物質を含む、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の製造方法。
- 前記金属系触媒は鉄族元素を含む、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の製造方法。
- 前記炭素源はアセチレンを含む、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の製造方法。
- 前記金属系触媒が前記反応チャンバ内の基板上に配置された状態で前記カーボンナノチューブを生成させる、請求項1から6のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。
- 前記金属系触媒が前記反応チャンバ内に浮遊する状態で前記カーボンナノチューブを生成させる、請求項1から6のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。
- 請求項7に記載されるカーボンナノチューブの製造方法により製造されたカーボンナノチューブ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。
- 請求項9に記載される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10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11に記載の構造体。
- 前記構造体がウェブ状である請求項11に記載の構造体。
- 請求項11から13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。
- 請求項7または8に記載されるカーボンナノチューブの製造方法により製造されたカーボンナノチューブを原料として含むことを特徴とする構造体。
- 前記カーボンナノチューブの集合体を湿式で紡績することを含む製造方法により製造されたものである、請求項15に記載の構造体。
- 前記構造体が線状である請求項15または16に記載の構造体。
- 前記構造体がウェブ状である請求項15または16に記載の構造体。
- 請求項15から18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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