TWI716930B - 製造包括對齊於單一方向的紗的奈米碳管片之方法以及使用其所製造的奈米碳管片 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種製造奈米碳管片之方法以及使用其所製造的奈米碳管片，所述方法包括以下步驟：形成奈米碳管；聚集所述奈米碳管以形成紗；利用溶劑對所述紗進行處理以強化聚集力；對經溶劑處理的所述紗進行捲繞，以製造呈一條紗連續纏繞的結構的片預製件；以及對所述片預製件進行切割及/或壓製，以製造包括使一或多條紗對齊於單一方向的排列結構的奈米碳管片。

Description

製造包括對齊於單一方向的紗的奈米碳管片之 方法以及使用其所製造的奈米碳管片
本發明是有關於一種製造包括對齊於單一方向的紗的奈米碳管片之方法以及使用其所製造的奈米碳管片。
作為碳的同位素的一個種類的奈米碳管(CarbonNanotube，CNT)為直徑為數奈米至數十奈米，且長度為數百微米至數毫米的物質，於1991年由飯島(Iijima)博士在自然(Nature)雜誌發表以後，因優異的熱性質、電性質、物理性質以及高縱橫比而於各種領域內進行了研究。
此種奈米碳管的固有的特性歸因於碳的sp2鍵，比鐵強，比鋁輕，且表現出與金屬類似的導電性。奈米碳管的種類可根據奈米管的壁數大致分為單壁奈米碳管(single-wall carbon nanotube，SWNT)、雙壁奈米碳管(double-wall carbon nanotube， DWNT)、多壁奈米碳管(multi-wall carbon nanotube，MWNT)，根據非對稱性/捲曲角度(手性(chirality))分為鋸齒形(zigzag)、扶手椅形(armchair)、手性(chiral)結構。
奈米碳管本身的機械強度、特別是拉伸強度為超過100Gpa的程度而非常優異，但由於所合成的奈米碳管為長度短的短纖維而於應用中受到制約。藉此，提出有應用奈米碳管作為包括多個奈米碳管的片形態的方案。
通常製造奈米碳管片的方法已知有如下方法：製造奈米碳管漿料，於存在溶劑的情況下，將所述漿料塗佈或散射(scattering)於基板的上表面並對其進行乾燥及/或壓製來加工為片的形態。
但是，此種製造方法於奈米碳管片的結構方面及製造製程方面具有如下所述的技術性問題。
首先，若將奈米碳管漿料塗佈或散射於基板的上表面，則奈米碳管各自可朝向不同的方向而無秩序地排列，例如，一部分奈米碳管於基板上沿垂直於基板表面的方向直立，但另外一部分奈米碳管沿並不垂直於基板表面的斜線方向排列。結果，多個奈米碳管的前端各自朝向不同的方向。
因此，使用此種奈米碳管所製造的奈米碳管片可構成為如下的奈米碳管非對齊形態：以無指向性(nondirectional)的方式彼此糾纏，或者各自的前端以各自朝向不同的方向的方式排列。
通常於奈米碳管的前端朝向固定的方向且側部以並排 對齊的狀態聚集時，可將奈米碳管間的π-π相互作用極大化，該情況可於使奈米碳管紗及使用其加工成的奈米碳管片具有優異的強度方面發揮有利作用。
反之，所述奈米碳管非對齊形態可使奈米碳管間的π-π相互作用相對下降，藉此會無法使奈米碳管片的強度達到所希望的水準。因此，藉由所述方法製造的奈米碳管片難以僅藉由其本身來保持片的形態，需藉由基板或黏著層等另外的支撐層來支撐，從而可保持片形態。
於另一方面中，所述奈米碳管非對齊形態會自奈米碳管片的表面引起微細的奈米碳管前端的突出，該情況可歸結為奈米碳管片的表面結合。
作為一個非限定的例子，於假設將奈米碳管片用作電子發射物質時，僅自構成奈米碳管片的奈米碳管的前端發射電子為理想情況，但於存在所述表面結合的奈米碳管的情況，亦會藉由自表面突出的微細前端發射電子，從而減少電子發射效率。
另一方面，前文所說明的先前的奈米碳管片的製造方法存在不能進行連續製程而生產性低，且需要藉由高度熟練的操作人員進行製程控制而難以使生產線自動化，於製造製程方面亦不利的方面。
因此，事實上需要可改善所述技術性問題的新型的奈米碳管片的製造方法以及奈米碳管片。
本發明的目的在於提供一種製造包括對齊於單一方向的紗的奈米碳管片之方法以及使用其所製造的奈米碳管片。
根據本發明的一方面，連續纏繞奈米碳管聚集成的紗，來製造呈紗的側部連續鄰接地纏繞的結構的片預製件，可對該片預製件進行切割及/或壓製來製造呈一或多條紗對齊於單一方向的排列結構的奈米碳管片。
此種製造方法可實現如下的奈米碳管片：基於良好地對齊的紗的排列結構，而紗與紗之間表現出優異的π-π相互作用並因此具有得到提高的強度。特別是如上所述般得到實現的奈米碳管片亦具有如下優點：亦可無需如基板等支撐層而保持其形態，且具有光滑的表面。
本發明的製造方法亦可具有如下的製程優點：能夠以連續的製程製造紗，從而可實現自動化的製程。
藉此，本發明實質的目的在於提供用以實現奈米碳管片的具體實施例。
於具體地對本發明進行說明之前，本說明書及申請專利範圍所使用的術語或單詞並不限定地解釋為通常的或詞典上的含義，而應立足於發明者為了以最佳方法說明其自身的發明而可適當地定義術語概念的原則，解釋為與本發明的技術性思想符合的 含義與概念。
因此，本說明書所記載的實施例的構成僅為本發明的最佳的一個實施例，並不全部說明本發明的技術性思想，因此對於本申請方面，應理解可代替該些的各種均等物與變形例能夠存在。
於本說明書中，單數的表現於未於上下文明確地特別提及的情況下包括複數的表現。於本說明書中，「包含」、「包括」、或「具有」等術語是用於指定實施的特徵、數字、步驟、構成要素或其組合存在，且應理解為不提前排除一個或一個以上的其他特徵或數字、步驟、構成要素、或其組合的存在或附加可能性。
於本說明書中使用的術語「投入」可於本說明書內與「流入、注入」一同混用記載，可理解為意指使液體、氣體或熱等流入至或放至所需之處。
於本說明書中使用的術語「聚集」可於本說明書內與「集合、聚合、結合」一同混用記載，可理解為意指多個奈米碳管藉由π-π相互作用而彼此黏附的狀態。
於本說明書中，稱為「紗(yarn)」的術語是指奈米碳管成長形成為纖維形態或多個奈米碳管聚集、聚集及/或融合形成為纖維形態全部。
於一個實施形態中，本發明提供一種奈米碳管片的製造方法，包括：形成奈米碳管；聚集所述奈米碳管以形成紗；利用溶劑對所述紗進行處理以強化聚集力；對經溶劑處理的所述紗進行捲繞，以製造呈一條紗連續纏繞的結構的片預製件；以及對所 述片預製件進行切割及/或壓製，以製造包括使一或多條紗對齊於單一方向的排列結構的奈米碳管片。
於一個實施形態中，本發明提供一種奈米碳管片，包括包含奈米碳管且呈沿橫方向延長的結構的多個單位紗，且奈米碳管片包括於所述多個單位紗中的一個單位紗與鄰接的另一單位紗的側部彼此鄰接的狀態下，使所述單位紗並排地定位的排列沿縱方向重覆的排列結構。
本發明的製造方法具有如下優點：自形成所述奈米碳管的步驟至製造所述片預製件的步驟為止可連續執行以製造片預製件。
本發明的製造方法亦利用奈米碳管聚集形成的紗來製造片預製件，並加工所述片預製件來製造奈米碳管片。特別是，紗為使奈米碳管良好地對齊形成的纖維形態，本發明的製造方法與先前的利用奈米碳管漿料的製造方法相比，可實現使奈米碳管進一步良好地對齊的奈米碳管片。
另外，應關注如下：製造自所述紗的末端至另一末端為止連續纏繞且使紗呈以均勻的間隔對齊的結構的片預製件，並對片預製件進行切割及/或壓製的過程上的特徵。若對此種片預製件進行加工，則源自所述紗的單位紗形成規則的排列結構。
結果，包括所述單位紗的奈米碳管片為如下形態：於各個單位紗中的奈米碳管良好地對齊，進而所述單位紗基於所述排 列結構而規則地對齊。
所述奈米碳管片亦可滿足本發明的公式(1)，此時可如記載般無需另外的支撐體而亦於單位紗之間形成特定的結合強度，並良好地保持其形態。
100:反應腔室
110:流入部
120:加熱部
122:加熱構件
130:聚集部
140:排出部
150:水槽
160:捲線構件
170、203:紗
200:片預製件
200a:單層管形態
200b:多層管形態
201:內部空間
202:圈
210:軸
220:捲線開始部
230:結束部
300、400、600a、600b:奈米碳管片
310、610:單位紗
401:邊
500:第二形態
700:卷形態
800:重疊的形態
CNT:奈米碳管
D1:第一方向
D2:第二方向
H:截取線
圖1是示意性地表示本發明的一實施例的反應腔室與於其中製造紗的過程的示意圖。
圖2A及圖2B是根據本發明的一實施例製造的片預製件的示意圖。
圖3是以圖2B中的虛設的軸A-A'為基準的一片預製件的垂直截面圖。
圖4是本發明的另一實施例的片預製件的垂直截面圖。
圖5是本發明的一實施例的奈米碳管片的示意圖。
圖6A及圖6B是本發明的另一實施例的奈米碳管片的示意圖。
圖7是本發明的又一實施例的奈米碳管片的示意圖。
圖8A及圖8B是經切割加工處理的奈米碳管片的平面示意圖。
圖9是以卷形態進行折疊加工處理的奈米碳管片的示意圖。
圖10是以使外表面重疊的方式進行折疊加工處理的奈米碳 管片的示意圖。
圖11是對根據本發明的製造方法製造的奈米碳管片進行拍攝的照片。
圖12是對經切割加工處理的奈米碳管片進行拍攝的照片。
圖13是對藉由壓製製成的經處理的奈米碳管片進行拍攝的照片。
以下，以本發明的「奈米碳管片的製造方法」及「奈米碳管片」的順序進一步詳細地對發明的實施形態進行說明。
奈米碳管的製造方法
本發明的奈米碳管的製造方法可包括如下步驟：形成奈米碳管；聚集所述奈米碳管以形成紗；利用溶劑對所述紗進行處理以強化聚集力；對經溶劑處理的所述紗進行捲繞，以製造呈一條紗連續纏繞的結構的片預製件；以及對所述片預製件進行切割及/或壓製，以製造包括使一或多條紗對齊於單一方向的排列結構的奈米碳管片。
本發明的製造方法可自形成所述奈米碳管的步驟至製造所述片預製件的步驟為止連續執行以製造片預製件。藉此，藉由下述非限制性例子詳細地進行說明。
於一個具體的例子中，形成奈米碳管的步驟可包括：將包括碳源(carbon source)與觸媒的原料物質投入至包含加熱構件的反應腔室內；以及藉由利用所述加熱構件產生的熱能於所述反應腔室的加熱部內將所述碳源轉換為多個奈米碳管。
於轉換為所述奈米碳管之後，可執行使所述奈米碳管聚集而形成紗的步驟，形成所述紗的步驟可包括使成長的奈米碳管藉由π-π相互作用聚集形成紗的步驟。
此處，所述成長的奈米碳管可意指處於成長過程中的奈米碳管及/或實質上完成成長的奈米碳管。
與此相關，於圖1中圖示一實施例的反應腔室，參照其對獲得紗的過程進行說明。
反應腔室100可包括：流入部110，形成於所述反應腔室的上端，以投入原料物質；加熱部120，自所述流入部110向下方向延長，並於所述加熱部的內表面及/或外表面包含加熱構件122，調節為特定的溫度，詳細而言500℃以上的溫度，使所述碳源轉換為多個奈米碳管；聚集部130，自所述加熱部120向下方向延長，使多個奈米碳管CNT聚集並藉由π-π相互作用形成紗；以及排出部140，自所述聚集部130沿下方向延長，並排出所述奈米碳管聚集成的紗170。
所述碳源可為液相或氣相的碳化合物，所述碳源的非限制性例子可為選自由如下組成的群組中的至少一種：甲醇、乙醇、 異丙醇、丁醇、戊醇、十六醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、赤蘚糖醇、木糖醇、山梨糖醇、庚七醇、烯丙醇、香葉醇、炔丙醇、肌醇、薄荷醇、甲烷、己烷、乙烯、乙炔、甲基乙炔及乙烯基乙炔。所述碳源詳細而言可為乙炔及/或甲烷。
所述觸媒於觸媒反應的體系內，其本身可為不包含於觸媒循環內但可轉換為活性的二級觸媒(或生成活性的觸媒)的物質，所述觸媒可於形成二級觸媒後合成奈米碳管。此種觸媒可包括一種以上的茂金屬(metallocene)，所述茂金屬可為例如，鐵、鎳、鈷、鉑、釕、鉬或釩的化合物，或其等的氧化物。於所述觸媒的一個例子中，所述茂金屬可為二茂鐵(ferrocene)。所述觸媒的含量可例如相對於100重量份的所述碳源而為0.01重量份至0.2重量份。
所述原料物質可更包括相對於100重量份的所述碳源而為0.01重量份至5重量份的觸媒活性劑。
通常，奈米碳管的轉換是於觸媒熔融的狀態下使碳源擴散至觸媒後析出的同時進行，所述觸媒活性劑於奈米碳管轉換時作為促進劑(promotor)發揮作用，增加碳擴散率(diffusion rate)，從而可於短時間內合成奈米碳管。
作為所述觸媒活性劑的例子，可利用噻吩(thiophene，C4H4S)。噻吩降低觸媒的熔點，去除作為異物的無定形碳，並有助於即便於較低的溫度下亦可合成高純度的奈米碳管。觸媒活性劑的含量亦可對奈米碳管的結構帶來影響，例如，於相對於100 重量份的所述碳化合物、即乙炔而混合1重量份至10重量份、詳細而言1重量份至5重量份的噻吩的情況，可獲得多壁奈米碳管纖維，於相對於乙炔混合0.5重量份以下的噻吩的情況，可獲得單壁奈米碳管纖維。所述觸媒及觸媒活性劑於液相碳源中可為液相，於氣相碳源中可為氣相。
所述原料物質可更包括有助於向反應腔室100的、或於反應腔室100內的碳源及觸媒的流動的運送氣體。此種運送氣體可自反應腔室100的流入部110向排出部140方向流動。
此種運送氣體自反應腔室100的流入部110向排出部140方向流動，可有助於使向反應腔室100的、或於反應腔室100內的碳源及觸媒的流動平穩進行，且有助於使殘留於反應腔室100內的各種雜質自反應腔室內排出至外部。為了表現如上所述的優點，運送氣體能夠以1mg/sec至200mg/sec的供給速度投入。反之，於超過所述範圍或低於所述範圍的情況，使碳源及觸媒的流動過慢或過快可對奈米碳管的成長帶來不利的影響，且可使紗所含有的雜質的濃度變高，因此欠佳。
所述運送氣體可包括惰性氣體及/或還原氣體，所述惰性氣體可為例如氬氣(Ar)、氮氣(N2)或其混合物，還原氣體可為例如氫氣(H2)、氨氣(NH3)或其混合物。
於一個具體的例子中，所述運送氣體包括氮氣及氬氣中的至少一種及氫氣，所述氫氣以所述運送氣體的總體積為基準，可包括超過0體積%至90體積%以下，詳細而言1體積%至10體 積%。
為了使碳源碳化，應經過還原過程，可使用所述氫氣以藉由還原反應使碳源碳化，去除碳以外的物質並提高奈米碳管的產率及生產速度。
但是，若所述運送氣體中的所述氫氣的量超過所述範圍，則碳源中的碳亦會藉由氫被還原，藉此奈米碳管的產率會變不良。另外，過量的氫氣會妨礙碳源中的氫原子還原為氫分子的形態，並阻礙自碳源向奈米碳管的轉換。
於另一方面中，通常與所述氫氣反應而被還原的雜質與運送氣體一同流動而自反應腔室100去除，但是於所述氫氣的量低於所述範圍的情況，會使除碳以外的物質進行還原的反應不充分。藉此，因其他副反應的產生與雜質的濃度增加而使石墨化及/或碳化反應不能平穩地進行，而且存在使奈米碳管的品質下降之虞。
於形成於所述反應腔室100的流入部110，視需要可設置用以注入碳源及觸媒的噴射噴嘴及用以注入運送氣體或觸媒活性劑等的分散板。另外，於所述流入部110，視需要可更包含向所述反應腔室100供給原料物質的原料物質供給單元及供給運送氣體等的氣體箱(tank)。
自所述流入部110流入的運送氣體能夠以線速度供給至所述反應腔室100，以可於加熱部120內形成層流，並可利用分散板以使其容易進行。所述運送氣體可藉由流入部110自包含氣體 箱與流量調節構件的運送氣體供給單元流入至反應腔室100內。
加熱部120包含加熱構件122，當所述原料物質藉由所述流入部110流入至加熱部120時，則所述原料物質所含有的觸媒自加熱部120向排出部140方向流動，藉由加熱構件122將加熱部120內側加熱至高溫。此時，藉由熱能，碳源可自觸媒上藉由還原反應轉換為奈米碳管。
另外，由於原料物質連續供給至加熱部120，因此奈米碳管可於觸媒上自成長開始的部位成長為長度延長的形態。此處，成長可為奈米碳管與奈米碳管間融合、或自奈米碳管末端生成奈米碳管的現象的總稱。
所述奈米碳管的成長並不特別限制長度延長的方向，可沿所述原料物質流動的方向成長。於一個例子中，所述原料物質的流動方向可意指流入的原料物質自加熱部120向排出部140流動的大的流股。於另一例子中，所述原料物質的流動方向可意指加熱部120內隨著原料物質與觸媒及奈米碳管接觸並經由其等而沿與自加熱部120向排出部140的大的流股不同的隨機的方向形成的小的流股。即，所述奈米碳管成長的方向可根據所述大的流股與小的流股的方向而改變，實質上可隨機地決定。
如上所述般成長的奈米碳管可受到運送氣體及/或重力的影響而移動，可與其他的奈米碳管鄰接地定位，彼此鄰接的奈米碳管可藉由π-π相互作用而並排地聚集及排列，從而構成紗。
另一方面，於加熱部120運作時，能夠以所希望的水準 控制加熱構件122的運作溫度或原料物質的投入速度等，藉由此種控制可如所希望般實現奈米碳管的對齊程度、紗的直徑及紗的密度等。
於關於其的一個例子中，所述加熱構件122的運作溫度可為500℃以上至1,500℃以下，所述原料物質的供給速度可為5.5*10-4g/sec以上至1.0*10-3g/sec以下。
於所述加熱構件122的運作溫度低於所述範圍的情況，向奈米碳管的轉換進行得慢，可誘發奈米碳管的結晶化度及強度下降。若所述加熱構件122的運作溫度超過所述範圍，則會過多地產生以自任意的奈米碳管上沿隨意的方向放射的形態成長的、具有相對小的直徑的分支型奈米碳管，該情況會誘發之後所獲得的紗的密度下降。成長的奈米碳管可自與加熱部120相比所調節的溫度低的聚集部130中聚集為一條紗。
此種聚集如前文說明般，藉由彼此鄰接地並排定位的奈米碳管間的π-π相互作用主要發揮作用來進行，視情況，將內徑向下方向變窄的聚集用噴嘴設置於聚集部130，亦可誘導所述奈米碳管的聚合並使聚集變得容易。
可藉由位於所述聚集部130下端的排出部140將紗排出至反應腔室100外側，從而可獲得形成本發明圖2A及圖2B的片預製件200的紗。
於利用溶劑對如上所述般獲得的紗進行處理後，可進行製造纏繞所述紗的片預製件200的步驟。
此時，可利用可纏繞紗的捲線構件160等，沿捲線構件160的外表面並以均勻的間隔纏繞紗，於一邊纏繞所述紗一邊自排出部向捲線構件160移動時，於其移動路徑設置收容有溶劑的水槽150，從而可使紗與溶劑的接觸及紗自溶劑脫離的製程自動地執行。所述捲線構件160只要是可纏繞紗的結構則並不特別限定，可列舉非限制性的例子如捲線軸(bobbin)、轉筒(drum)、圓筒形輥、轉軸(spindle)、捲軸(reel)、及輸送帶等，其中較佳為亦可利用所述捲線軸作為捲線構件。
視情況，於纏繞紗之前，為了促進所述溶劑的揮發，使用紅外線(infrared，IR)燈、風力乾燥機等來誘導溶劑的揮發。
所述溶劑並不特別限定，但可為能夠使構成紗的奈米碳管間的π-π相互作用增大且易於揮發的有機溶劑，例如可為選自由如下組成的群組中的一種以上的有機溶劑：乙烷、乙烯、乙醇、甲烷、甲醇、丙烷、丙烯、丙醇、丙酮、二甲苯、一氧化碳、氯仿、乙炔、乙酸乙酯、二乙醚、聚乙二醇、甲酸乙酯、均三甲苯(1,3,5-三甲基苯)、四氫呋喃、二甲基甲醯胺、四氯化碳、萘、蒽、二氯甲烷、酮、醚、己烷、庚烷、辛烷、戊烷、戊烯、己烯、苯、四氯化碳及甲苯。
於一個具體的例子中，製造所述片預製件200的步驟可包括如下步驟：利用以軸210為中心旋轉的捲線構件160對所述紗進行捲繞，並將纏繞的紗自所述捲線構件160分離，從而獲得片預製件200。
與此相關，於圖2A及圖2B中圖示纏繞於捲線構件的紗及自捲線構件160分離形成的片預製件200的示意圖，於圖3中圖示於圖2A及圖2B的片預製件200中，相對於虛設的軸A-A'的片預製件200的垂直截面圖。
參照該些圖，所述片預製件200可為使所述紗203的側部以沿與所述軸210平行的第二方向D2連續鄰接地纏繞且具有內部空間201的管形態。
於捲繞所述紗時，紗203可沿捲線構件160的外周纏繞兩個圈202以上，自捲線開始部220至結束部230為止，在纏繞各個圈202時所需的紗與紗之間的間隔可實質上保持均勻。於所述管形態的片預製件200中連續鄰接地纏繞的紗與紗之間的間隔亦可實質上保持均勻。
於將各個圈202視為相對於片預製件200的一個單位時，所有圈202連續沿第二方向D2對齊，結果形成各個圈202的紗具有連續沿第二方向D2對齊的排列結構。此種排列結構可形成之後說明的奈米碳管片的排列結構。
所述片預製件200亦可為其本身具有自我支撐性的構件，其可為細密地纏繞的紗與鄰接的另一紗藉由π-π相互作用形成的構件。
以上說明的片預製件200能夠以所述紗203的側部連續鄰接的結構為一個的單層管形態200a(圖3)、或兩個以上所述結構重疊的多層管形態200b構成。於圖4中示意性地圖示多層管形 態200b。
所述單層管形態200a能夠使所述紗的側部於捲線構件160上以沿第二方向連續鄰接的方式纏繞一次來實現。
所述多層管形態200b是形成所述單層管形態200a後，使所述紗的側部再次連續在單層管形態200a上以沿第二方向連續鄰接的方式追加纏繞一次以上來實現。
若切割及/或壓製如上所述般製造的片預製件200，則可製作板狀形態的奈米碳管片。
例如，於將圖2B的片預製件200沿虛設的軸A-A'切割的情況，分離構成片預製件200的一條紗並形成多條紗。另外，於片預製件200中已對齊的紗的排列結構於奈米碳管片中亦可按照原樣保持。
與此相關，於圖5中示意性地圖示藉由切割製造的奈米碳管片。
藉此，同時參照圖2A及圖2B、圖3及圖5，能夠沿所述第二方向D2(圖2B的軸A-A')切割所述片預製件200的至少一部分以使紗不再構成管形態來製作奈米碳管片300。
如上所述般製造的奈米碳管片300可源自切割所述片預製件200，並包括兩側末端部之間沿與第二方向D2垂直的第一方向D1延長的多個單位紗310。所述奈米碳管片300亦可包括：於多個單位紗310中的一個單位紗310與鄰接的另一單位紗310的側部彼此鄰接的狀態下，所述單位紗310並排定位的排列沿第二 方向D2重覆的排列結構。作為參考，於圖11中圖示對如上所述般製造的奈米碳管片進行拍攝的照片。觀察圖11，可知本發明的奈米碳管片具有非常光滑的表面形態。
另一方面，壓製是藉此使片預製件200的一部分彎折並使管形態扁平地變形來形成奈米碳管片400的方式。壓製可藉由於兩個板形部件之間配置有片預製件200之後而將兩板形部件向片預製件200側加壓的方式，或使片預製件200通過鄰接的兩個輥(roller)之間進行壓延的方式來進行，但並不限定於此。
與此相關，於圖6A及圖6B中示意性地圖示藉由壓製製造的奈米碳管片400。
同時參照圖2A及圖2B、圖3及圖6A及圖6B，彎折的部位能夠以自上部觀察奈米碳管片的上表面時為基準而構成片的外周邊中彼此平行的兩個邊401。
於彎折的部位中，紗能夠以實質上180度的角度彎折的狀態構成一體並構成奈米碳管片而不使其斷裂。於關於其的一個例子中，能夠以使隔著所述內部空間201而對面的片預製件200的內表面重疊的方式對所述片預製件200進行壓製來製作奈米碳管片400。
所述奈米碳管片400可包括兩側末端部之間藉由壓製而未被切割且在平面上沿第一方向D1延長的多個單位紗。
所述奈米碳管片400亦可包括：於多個單位紗中的一個單位紗與鄰接的另一單位紗的側部彼此鄰接的狀態下，所述單位 紗並排定位的排列沿第二方向D2重覆的排列結構；且所述單位紗與排列結構可與圖5的結構相同。作為參考，於圖13中圖示對如上所述般製造的奈米碳管片進行拍攝的照片。
視情況，亦可藉由如下方式來製造奈米碳管片：於將片預製件200的至少一部分切割後，與所述切割部位構成最長距離的片預製件200的其他部位實質上以彎折為180度的角度並重疊的方式進行壓製。
根據所述製造的奈米碳管片能夠以如下形態構成：於所述排列結構、即於多個單位紗中的一個單位紗與鄰接的另一單位紗的側部彼此鄰接的狀態下，所述單位紗並排定位的排列沿第二方向重覆的排列結構為一個的第一形態(圖5的奈米碳管片300)，或者兩個以上所述排列結構重疊的第二形態500(圖7)。
於本發明的一方面，所述第一形態的奈米碳管片300可藉由切割片預製件200來實現，所述片預製件200為使所述紗的側部在捲線構件160上以沿第二方向連續鄰接的方式纏繞一次製造而成的單層管形態200a。
於本發明的另一方面，於壓製單層管形態200a或多層管形態200b的片預製件200時，例如位於上部的排列結構的單位紗可插入至位於下部的排列結構的單位紗之間，此時，兩個排列結構亦可藉由壓製而被聚合，從而實現具有一個排列結構的第一形態奈米碳管片300。
於本發明的一方面，所述第二形態500可藉由壓製單層 管形態200a或多層管形態200b的片預製件200來實現。
於本發明的另一方面，所述第二形態500能夠以如下的方式壓製實現：切割多層管形態200b的片預製件200來形成第一形態，並使所述第一形態彎折。
如所述般製造的奈米碳管片與前文所說明的片預製件相同，藉由其本身具有自我支撐性，從而亦可無需如基材般另外的支撐體來保持片形態。
其原因在於在片預製件中的呈規則地對齊的狀態的紗形成本發明的排列結構、即單位紗並排定位的排列沿第二方向重覆的排列結構，具有所述排列結構的奈米碳管片可為單位紗間π-π相互作用優異的奈米碳管片。
但是，所述紗並不僅因具有規則的排列結構的理由而使片預製件與奈米碳管片具有自我支撐性，且亦可無需另外的支撐體來保持其形態。藉此，本發明關注於滿足特定條件時，可實現本發明的片預製件與奈米碳管片。
於關於其的一個例子中，於所述片預製件及奈米碳管片中，所述紗及單位紗各自的彼此鄰接的側部藉由π-π相互作用進行結合，於所述片預製件200滿足下述公式(1)時，由所述π-π相互作用產生的結合強度表現為0.05N/tex至3.0N/tex，詳細而言為0.7N/tex至2.1N/tex，特別詳細而言為1.8N/tex至2.1N/tex，且可保持所述片預製件200及奈米碳管片的形態。
10<D*T*C<7*104 公式(1)
D表示片預製件200中紗的直徑，且選自10μm至700μm的範圍，T表示片預製件200中鄰接地纏繞的紗之間的間隔，且選自0.0001μm至0.005μm的範圍，C表示在是片預製件200時，紗的每單位面積(μm2)中奈米碳管的個數，為104至105個。
所述紗的直徑D可與π-π相互作用程度成比例。所述紗之間的間隔T可與π-π相互作用程度成比例。所述奈米碳管的個數C可與π-π相互作用程度成比例。
如此，能夠以使所述紗之間的間隔T變窄，使其他因數增大的方式進行設計，但若超過所述公式(1)的範圍，則存在片預製件扭曲，且不能形成本發明所意圖形成的紗的排列結構的可能性。反之，於低於所述公式(1)的範圍的情況，結合強度不足，難以使片預製件與奈米碳管片均保持其形態。
另一方面，於一個具體的例子中，本發明的製造方法可更包括選自切割、接著、積層、及折疊中的至少一種的奈米碳管片加工步驟。
所述切割可為如下步驟：對構成所述奈米碳管片的平面像形態的外周邊及角部中的至少一者進行切割，將所述平面像形態加工為多邊形、或外周邊或角部中任一者具有圓形狀的複合形。
於圖8A及圖8B中圖示與所述切割相關的示意圖。另外，於圖12中圖示經切割加工處理的奈米碳管片的照片。參照圖 8A及圖8B及圖12，可於在平面上為四邊形的奈米碳管片600a中，沿截取線H切割兩個角部，並加工為在平面上具有三個內角的三角形的奈米碳管片600b。
但是，沿第一方向延長的單位紗610中的任一者的一側末端構成所述多邊形的角部中的至少一個，或者能夠以自所述角部延長的方式執行奈米碳管片的切割。
於一個例子中，可執行沿相對於奈米碳管的垂直截面而平行的方向或斜線方向的切割，於沿斜線方向切割時，切割角度可為10度至70度。
於一個例子中，所述多邊形可為奈米碳管片在平面上的三角形、一對三角形的至少一部分重疊的楔子形態、或至少具有四個內角的多邊形。
於一個例子中，所述複合形可為以三角形為基準自任一個頂點延長的至少一個的外周邊經圓化處理的形態。
所述接著可為如下步驟：將所述奈米碳管片浸漬於能夠與奈米碳管片進行相互作用的溶劑中後進行乾燥，以強化構成奈米碳管片的單位紗間的π-π相互作用。
可進行所述相互作用的溶劑可為選自由如下組成的群組中的一種以上的有機溶劑：乙烷、乙烯、乙醇、甲烷、甲醇、丙烷、丙烯、丙醇、丙酮、二甲苯、一氧化碳、氯仿、乙炔、乙酸乙酯、二乙醚、聚乙二醇、甲酸乙酯、均三甲苯(1,3,5-三甲基苯)、四氫呋喃、二甲基甲醯胺、四氯化碳、萘、蒽、二氯甲烷、 酮、醚、己烷、庚烷、辛烷、戊烷、戊烯、己烯、苯、四氯化碳、及甲苯。
所述積層可為使兩個以上的奈米碳管片相對於地面而向上方向積層的步驟。此時，可積層具有彼此相同或不同平面像的形態的兩個以上的奈米碳管片。
視情況，可向奈米碳管片間的接觸界面添加接著劑，亦可追加執行由熱引起的層壓(lamination)。
所述折疊可為如下步驟：以卷形態對奈米碳管片進行纏繞，或以使奈米碳管片的外表面彼此重疊的方式折疊一次以上。
對此，於圖9中示意性地圖示以卷形態纏繞奈米碳管片的結構，於圖10中示意性圖示折疊奈米碳管片的結構。
首先參照圖9，可自奈米碳管片的一側端部至另一側端部為止纏繞奈米碳管片並加工為卷形態700。
但是，可較佳為以如下的形態纏繞：使纏繞奈米碳管的方向、即相對於自一側端部向另一側端部的方向的垂直方向與作為單位紗的末端與末端之間延長的方向的第一方向D1對應。
參照圖10，能夠以對半的方式折疊並將奈米碳管片加工為外表面彼此重疊的形態800。此處，折疊的方向可自奈米碳管片的任意的點並以單位紗的末端與末端之間延長的方向、即第一方向D1為軸進行折疊。
奈米碳管片
本發明的奈米碳管片可包括包含奈米碳管且呈沿橫方 向延長的結構的多個單位紗，且奈米碳管片包括於所述多個單位紗中的一個單位紗與鄰接的另一單位紗的側部彼此鄰接的狀態下，使所述單位紗並排地定位的排列沿縱方向重覆的排列結構。
於一個例子中，所述單位紗可為源自紗的切割的一個獨立的部件。
於一個例子中，所述單位紗源自紗的彎折，且可為以彎折的部位為基準而彎折180度的形態。此時，奈米碳管片的所述彎折的形態可於奈米碳管片彼此平行的一對外周邊處交替形成，單位紗可相對於彼此形成奈米碳管片作為延長的一體。
於一個具體的例子中，所述單位紗的彼此鄰接的側部可藉由π-π相互作用進行結合， 於滿足下述公式(1)時，由所述π-π相互作用產生的結合強度表現為0.05N/tex至3.0N/tex，詳細而言為0.7N/tex至2.1N/tex，特別詳細而言為1.8N/tex至2.1N/tex，且可保持所述單位紗的形態。
10<D*T*C<7*104 公式(1)
D表示單位紗的直徑，且選自10μm至700μm的範圍， T表示彼此鄰接地定位的單位紗之間的距離，且選自0.0001μm至0.005μm的範圍， C表示單位紗的每單位面積(μm2)中奈米碳管的個數，為104至105個。
所述單位紗的直徑D可與π-π相互作用程度成比例。所 述單位紗之間的間隔T可與π-π相互作用程度成比例。所述奈米碳管的個數C可與π-π相互作用程度成比例。
如此，能夠以使所述單位紗之間的間隔T變窄，使其他因數增大的方式進行設計，但若超過所述公式(1)的範圍，則存在奈米碳管片扭曲，且不能形成本發明所意圖形成的紗的排列結構的可能性。反之，於低於所述公式(1)的範圍的情況，結合強度不足，不能使奈米碳管片保持其形態。
於一個具體的例子中，所述奈米碳管片能夠以如下形態構成：所述排列結構為一個的第一形態或兩個以上所述排列結構重疊的第二形態。
於一個具體的例子中，以自上部觀察地面時為基準，所述奈米碳管片的平面形態可包含外周邊以直線構成的多邊形、或外周邊包括直線及曲線的複合形。
另一方面，以下，藉由發明的具體的實施例進一步對發明的作用及效果進行詳述。但是，此種實施例僅揭示為發明的例示，並不藉此決定發明的申請專利範圍。
<實施例>
利用包括二茂鐵、甲烷、含有硫的觸媒活性劑及運送氣體(氫)的原料物質於反應腔室合成奈米碳管，並使該奈米碳管聚集來製造紗。
但是於製造紗時，以使紗的每單位面積(μm2)中奈米碳管的個數為大致104個，厚度具有150μm的方式控制紗的製造 製程。
之後，所製造的紗經溶劑處理後，於作為以軸為基準旋轉的捲線構件的捲線軸上將紗纏繞為與圖2A及圖2B相同的形態。
此時均勻地進行捲繞，以使鄰接的紗與紗之間的間隔構成大致0.004μm，捲線結束後自捲線軸分離紗來製造具有內部空間的管形態的片預製件。
<參照例>
利用包括二茂鐵、甲烷、含有硫的觸媒活性劑及運送氣體(氫)的原料物質於反應腔室合成奈米碳管，並使該奈米碳管聚集來製造紗。
但是於製造紗時，以使紗的每單位面積(μm2)中奈米碳管的個數為大致104個，厚度具有8μm的方式控制紗的製造製程。
之後，所製造的紗經溶劑處理後，於以軸為基準旋轉的捲線軸上將紗纏繞為與圖2A及圖2B相同的形態。
此時均勻地進行捲繞，以使鄰接的紗與紗之間的間隔構成大致0.0001μm，捲線結束後自捲線軸分離紗來製造具有內部空間的管形態的片預製件。
<實驗例：片預製件的結合強度評估>
首先，對於自實施例與參照例中獲得的片預製件，利用本發明的下述公式(1)算出值，並判斷該值是否屬於本發明的範圍： 10<D*T*C<7*104 公式(1)
另外，對自各個實施例與參照例中獲得的片預製件測定結合強度。
Figure 108124144-A0305-02-0029-1
根據所述結果可確認，本發明的公式(1)的值屬於本發明的範圍的實施例表現出相對高的結合強度。反之脫離所述範圍的參照例表現出低的結合強度。
於一個例子中，若對根據實施例製造的片預製件進行壓製，則可製造具有第二形態的奈米碳管片，該情況可使單位紗之間的距離變更近，且可使所製造的奈米碳管片具有得到提高的結合強度。作為參考，於圖13中圖示如上所述般製造的奈米碳管片。
以上，參照本發明的實施例進行了說明，但若為本發明所屬領域內具有常識者，則能夠以所述內容為基礎於本發明的範疇內進行各種應用及變形。
160:捲線構件
200:片預製件
210:軸
220:捲線開始部
230:結束部
D1:第一方向
D2:第二方向

Claims (17)

  1. 一種奈米碳管片的製造方法，包括：形成奈米碳管；聚集所述奈米碳管來形成紗；利用溶劑對紗進行處理，以強化聚集力；對經所述溶劑處理的紗進行捲繞，以製造呈一條紗連續纏繞的結構的片預製件；以及對所述片預製件進行切割及/或壓製，以製造包括使一或多條紗對齊於單一方向的排列結構的奈米碳管片，其中於所述片預製件及所述奈米碳管片中，紗的側部並排對齊且彼此鄰接的側部藉由π-π相互作用進行結合。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管片的製造方法，其中形成所述奈米碳管的步驟包括：將包括碳源與觸媒的原料物質投入至包含加熱構件的反應腔室內；以及藉由利用所述加熱構件產生的熱能於所述反應腔室的加熱部內將所述碳源轉換為多個所述奈米碳管，形成紗的步驟包括：使成長的所述奈米碳管藉由π-π相互作用聚集來形成紗。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管片的製造方法，其中製造所述片預製件的步驟包括：利用以軸為中心旋轉的捲線構件對紗進行捲繞，使纏繞的紗自所述捲線構件分離，以獲 得所述片預製件，所述片預製件為使紗的側部以沿與所述軸平行的第二方向連續鄰接的方式纏繞並具有內部空間的管形態。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的奈米碳管片的製造方法，其中沿所述第二方向切割所述片預製件的至少一部分，使紗不再構成管形態，以製作所述奈米碳管片；所述奈米碳管片源自切割所述片預製件，並包括使兩側末端部之間沿與所述第二方向垂直的第一方向延長的多個單位紗，且所述奈米碳管片包括於多個單位紗中的一個單位紗與鄰接的另一單位紗的側部彼此鄰接的狀態下，使單位紗並排地定位的排列沿所述第二方向重覆的排列結構。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的奈米碳管片的製造方法，其中以使隔著所述內部空間而對面的所述片預製件的內表面重疊的方式對所述片預製件進行壓製，以製作所述奈米碳管片；所述奈米碳管片包括在平面上兩側末端部之間沿第一方向延長的多個單位紗，且所述奈米碳管片包括在多個單位紗中的一個單位紗與鄰接的另一單位紗的側部彼此鄰接的狀態下，使單位紗並排地定位的排列沿所述第二方向重覆的排列結構。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的奈米碳管片的製造方法，其中所述片預製件為紗的側部連續鄰接的結構為一個的單層管形態、或為兩個以上結構重疊的多層管形態。
  7. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的奈米碳管片的製造方法，其中所述奈米碳管片以下述形態構成：排列結構為一個的第一形態、或兩個以上排列結構重疊的第二形態。
  8. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的奈米碳管片的製造方法，於所述片預製件滿足公式(1)時，由π-π相互作用產生的結合強度表現為0.7N/tex至2.1N/tex，並保持所述片預製件及所述奈米碳管片的形態：10<D*T*C<7*104 公式(1)D表示所述片預製件中紗的直徑，且選自10μm至700μm的範圍，T表示所述片預製件中鄰接地纏繞的紗之間的間隔，且選自0.0001μm至0.005μm的範圍，C表示在是所述片預製件時紗的每單位面積(μm2)中所述奈米碳管的個數，為104個至105個。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管片的製造方法，其中更包括選自切割、接著、積層及折疊的至少一種的奈米碳管片加工步驟。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的奈米碳管片的製造方法，其中切割步驟包括：對構成所述奈米碳管片的平面像形態的外周邊及角部中的至少一者進行切割，將所述平面像形態加工為多邊形、或外周邊或角部中任一者具有圓形狀的複合形。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的奈米碳管片的製造方法，其中接著步驟包括：將所述奈米碳管片浸漬於能夠與所述奈米碳管片進行相互作用的溶劑中後進行乾燥，以強化構成所述奈米碳管片的紗間的相互作用。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的奈米碳管片的製造方法，其中積層步驟包括使兩個以上的所述奈米碳管片沿片的厚度方向積層。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的奈米碳管片的製造方法，其中折疊步驟包括：以卷形態對所述奈米碳管片進行纏繞，或以使所述奈米碳管片的外表面彼此重疊的方式折疊一次以上。
  14. 一種奈米碳管片，包括包含奈米碳管且呈沿橫方向延長的結構的多個單位紗，且所述奈米碳管片包括於多個單位紗中的一個單位紗與鄰接的另一單位紗的側部彼此鄰接的狀態下，使單位紗並排地定位的排列沿縱方向重覆的排列結構，其中單位紗的側部並排對齊且彼此鄰接的側部藉由π-π相互作用進行結合。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的奈米碳管片，於滿足公式(1)時，由π-π相互作用產生的結合強度表現為0.7N/tex至2.1N/tex，並保持單位紗的形態：10<D*T*C<7*104 公式(1)D表示單位紗的直徑，且選自10μm至700μm的範圍， T表示彼此鄰接地定位的單位紗的側部之間的距離，且選自0.0001μm至0.005μm的範圍，C表示單位紗的每單位面積(μm2)中所述奈米碳管的個數，為104個至105個。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的奈米碳管片，其中所述奈米碳管片以下述形態構成：所述排列結構為一個的第一形態或兩個以上所述排列結構重疊的第二形態。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的奈米碳管片，其中以自上部觀察地面時為基準，所述奈米碳管片的平面形態包含外周邊以直線構成的多邊形、或外周邊包括直線及曲線的複合形。
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