WO2010101205A1 - カーボンナノチューブ含有組成物、カーボンナノチューブ製造用触媒体およびカーボンナノチューブ水性分散液 - Google Patents

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Abstract

 本発明は、以下の(1)~(4)の条件を全て満たすカーボンナノチューブ含有組成物である; (1)透過型電子顕微鏡で観測した時に100本中50本以上が二層カーボンナノチューブ; (2)外径の平均が1.0~3.0 nmの範囲; (3)空気中で10℃/分で昇温したときの熱重量分析で、高温側の燃焼ピークが700~850℃にあり、かつ低温側の重量減量分(TG(L))と高温側の重量減量分(TG(H))との関係が、TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75; (4)カーボンナノチューブ含有組成物の体積抵抗値が1.0X10-2Ω・cm以下、1.0X10-4Ω・cm以上である。本発明により、高い導電性と高耐熱性を有する二層カーボンナノチューブを主として含むカーボンナノチューブ含有組成物が得られるようになった。

Description

カーボンナノチューブ含有組成物、カーボンナノチューブ製造用触媒体およびカーボンナノチューブ水性分散液
 本発明はカーボンナノチューブ含有組成物およびその製造方法に関する。また本発明はカーボンナノチューブ製造用触媒体およびその製造方法に関する。また本発明はカーボンナノチューブ水性分散液およびその製造方法に関する。
 カーボンナノチューブは、その理想的な一次元構造に起因する様々な特性、例えば良電気導電性、熱伝導性や力学強度などによって、様々な工業的応用が期待されている物質である。カーボンナノチューブの直径、層数および長さを制御することにより、性能向上および応用性の広がりが期待されている。
 カーボンナノチューブは、通常、層数の少ない方が高グラファイト構造を有する。単層カーボンナノチューブや二層カーボンナノチューブは高グラファイト構造を有しているために導電性や熱伝導性などの特性も高いことが知られている。また、カーボンナノチューブの中でも層数の比較的少ない2~5層カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブの両方の特性を有しているために、種々の用途において有望な素材として注目を集めている。
 公知のカーボンナノチューブの製造方法としては、レーザーアブレーション法、化学気相成長法(CVD(Chemical Vapor Deposition)法)などによる合成が知られている。触媒化学気相成長法(CCVD法)によるカーボンナノチューブの合成法では、担体上に触媒金属を担持させた触媒体を用いる。触媒体の形状は、粉末状、ゲル状、板状と様々である。用いる触媒量に対して得られるカーボンナノチューブの収量の点では、比表面積の大きい粉末状またはエアロゾル状の担体を用いるのが良く、取り扱い易さの点では板状または粉末状の担体を用いることが好まれる。収量および扱い易さの両方のバランスを考えた場合、粉末状の担体の使用が好まれる。また、担体の材質としては有機物も無機物も使われているが、扱い易さと汎用性の点から無機物が用いられることが多い。無機物担体としては、酸化物、水酸化物、その他金属塩等の様々な組成のものが用いられている。
 担体としては、合成後の除去し易さの点から、酸処理をするだけで容易に取り除ける粉末状のマグネシウム塩や酸化マグネシウムを用いることが多い。酸化マグネシウムを用いた例としては、特許文献1~3などが挙げられるが、単に特許文献1に記載の方法を用いたのみでは、純度の高いカーボンナノチューブ含有組成物が得られなかった。また、特許文献2に示される方法では、カーボンナノチューブ合成用触媒の他に炭素源を分解しやすくする触媒を別に造っておく必要があり、工程が多くなる。酸化マグネシウムの前駆体を加熱して酸化マグネシウムにする方法(特許文献3)では、触媒体製造時に水溶液を650℃で急熱する、触媒体の表面積を大きくするためにクエン酸等の発泡剤を加えて燃焼させる等の工夫をする必要があった。また、ここで得られる触媒体は空気中の水や二酸化炭素と非常に反応しやすい、嵩密度が非常に小さいため飛散しやすい等の取り扱いに問題があった。
 また、上記のような工夫をせず、単にマグネシウム塩と触媒金属塩を混合して加熱するだけの触媒では、純度の高いカーボンナノチューブを収率よく得るのは困難である。
 カーボンナノチューブは高い導電性を有する材料であり、透明導電材料として期待できる。実際に使用する際には、より少量で高い導電性を達成するためにマトリックス中で均一に分散している必要がある。分散方法としては、カーボンナノチューブ自体を修飾して分散させる方法、界面活性剤やポリマーなどの分散剤を用いて分散させる方法の大きく2つに分類でき、導電性を維持しながら均一に高分散できることから、分散剤を用いる方法が好ましく用いられている(特許文献4、5)。
 カーボンナノチューブの直径(外径)は数nmから数百nmのものまであるが、中でも、平均外径が細いカーボンナノチューブを用いると、少量で効率的に導電ネットワークを形成できるため、透明性の高い導電性複合体を得ることができる。しかしながら、平均外径が細いカーボンナノチューブは、一般的に精製や分散工程においてグラファイト表面に欠陥を生じやすく、導電性が低下してしまうという問題がある。また、平均外径が細いカーボンナノチューブは、凝集力が強く分散が困難であるため、十分な分散性を得るために過剰量の分散剤を必要とすること、長時間の分散時間および強力な分散力が必要となることから、簡便に高い透明導電性を有する分散液を得ることが難しかった。
特開2004-182548号公報 特開2006-335604号公報 特開2006-261131号公報 特開2004-2156号公報 国際公開第2008/102746号
 本発明は、二層カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ含有組成物およびその製造方法を提供することを課題とする。また、本発明の別の課題は、良好な品質を有するカーボンナノチューブ含有組成物を収率よく製造することができる触媒体およびその製造方法を提供することである。また、本発明の別の課題は、カーボンナノチューブの本来持つ導電特性を著しく損なうことなく、高い透明導電性を発揮する水性分散液およびその製造方法を提供することを課題とする。
 本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、熱重量分析で高温側の燃焼ピークが700~850℃にあり、かつ低温側の重量減量分(TG(L))と高温側の重量減量分(TG(H))との関係が、TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75となるまで酸化反応を行うことで、高い導電性と高耐熱性を有する二層カーボンナノチューブを主として含むカーボンナノチューブ含有組成物が得られることを見出した。また、比較的少量の8族~10族の遷移金属化合物とMg化合物を含む水を加圧下で加熱して得られた触媒前駆体を加熱することにより得られる触媒体は、薄片状の酸化マグネシウム(MgO)に、8族~10族の遷移金属を含む微粒子が高分散し、カーボンナノチューブを生成する部位が増え、これを触媒として用いることにより高純度で高品質、かつ、比較的直径の細いカーボンナノチューブを収率良く製造し得ることを見出した。さらに分散手法を種々検討することによって平均外径が3nm以下であるカーボンナノチューブを、水性溶媒中で分散剤を用いて平均粒径が200nm以上1500nm以下となるように分散させることで、優れた透明導電性を発揮できることを見出した。すなわち本発明は、下記の構成からなる。
 本発明は、以下の(1)~(4)の条件を全て満たすカーボンナノチューブ含有組成物である;
(1)透過型電子顕微鏡で観測した時に100本中50本以上が二層カーボンナノチューブ;
(2)外径の平均が1.0~3.0 nmの範囲;
(3)空気中で10℃/分で昇温したときの熱重量分析で、高温側の燃焼ピークが700~850℃にあり、かつ低温側の重量減量分(TG(L))と高温側の重量減量分(TG(H))との関係が、TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75;
(4)カーボンナノチューブ含有組成物の体積抵抗値が1.0X10-2Ω・cm以下、1.0X10-4Ω・cm以上である。
 また本発明は、酸化反応前のカーボンナノチューブ含有組成物を空気中で10℃/分で昇温したときの熱重量分析で、高温側の燃焼ピークが700~850℃にあり、かつ低温側の重量減量分(TG(L))と高温側の重量減量分(TG(H))との関係が、TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75となるまで酸化反応を行う上記のカーボンナノチューブ含有組成物の製造方法である。
 また本発明は、カーボンナノチューブ製造用触媒体と炭素含有化合物を加熱下で接触させてカーボンナノチューブ含有組成物を製造する方法であって、下記の(1)から(3)の条件を満たすカーボンナノチューブ含有組成物の製造方法である;
(1)カーボンナノチューブ製造用触媒体の重量を炭素含有化合物の流量で割った接触時間(W/F)が100~400min・g/Lの範囲;
(2)炭素含有化合物を含むガスの線速が2~8cm/secの範囲。
(3)カーボンナノチューブ製造用触媒体の凝集体の粒径が0.2~2mmの範囲であり、かつ、かさ密度が0.1~1g/mLの範囲。
 また本発明は、8族から10族の遷移金属を含む微粒子および薄片状の酸化マグネシウムを含み、前記遷移金属を含む微粒子は平均粒子径が1nm~30nmであり、遷移金属含有量が触媒体に対して0.1~1wt%であるカーボンナノチューブ製造用触媒体である。
 また本発明は、8族~10族の遷移金属化合物およびMg化合物を水中で加圧下で100~250℃に加熱して触媒前駆体を得た後、該触媒前駆体を400~1200℃に加熱することで8族から10族の遷移金属が0.1~1wt%の範囲で含有する薄片状MgOを得るカーボンナノチューブ製造用触媒体の製造方法である。
 また本発明は、平均外径が3nm以下であるカーボンナノチューブと分散剤を含んだ分散体であって、動的光散乱法によって測定したカーボンナノチューブの平均粒径が200nm以上1500nm以下であるカーボンナノチューブ水性分散液である。
 本発明により、高い導電性と高耐熱性を有する二層カーボンナノチューブを主として含むカーボンナノチューブ含有組成物が得られるようになった。また本発明によれば、高純度で高品質なカーボンナノチューブを収率良く得ることが可能になる。また、本発明によれば、透明導電性に優れたカーボンナノチューブ水性分散液が得られる。
実施例4のカーボンナノチューブ含有組成物の透過型電子顕微鏡による観察写真である。 実施例4のカーボンナノチューブ含有組成物の外径分布である。 参考例2で硝酸処理後のろ液から回収した試料の透過型電子顕微鏡による観察写真である。 カーボンナノチューブ含有組成物製造用の化学気相成長法の装置の概略図である。 実施例4および実施例5における熱重量分析の結果である。 縦型加熱酸化反応装置の概略図である。 実施例10で製造した触媒体の走査型電子顕微鏡による観察写真である。 本発明における代表的な水熱処理条件の一つ(MgOを150℃、6時間で水熱処理)で水熱処理を行なった際のX線回折結果である。(a)水熱処理前、(b)水熱処理後、(c)焼成処理後。 実施例13で製造した触媒体を用いて、カーボンナノチューブを製造した後、精製を行ったカーボンナノチューブ含有組成物の透過型電子顕微鏡による観察写真である。 実施例11において、精製前のカーボンナノチューブ含有組成物のラマン分光スペクトル図である。励起波長は532nmである。 実施例11において、精製後のカーボンナノチューブ含有組成物のラマン分光スペクトル図である。励起波長は532nmである。 実施例10で得られたカーボンナノチューブ含有組成物に含まれるカーボンナノチューブ130本を測定した結果の層数および外径の分布図である。 参考例4で使用した流動床装置の概略図である。 実施例20、実施例21、参考例10において測定した超音波分散時間に対する、粘度減少率、表面抵抗値の関係をプロットしたグラフである。
 本発明の好ましい態様の一つは、以下の(1)~(4)の条件を全て満たすカーボンナノチューブ含有組成物である。
(1)透過型電子顕微鏡で観測した時にカーボンナノチューブ100本中50本以上が二層カーボンナノチューブ;
(2)カーボンナノチューブの外径の平均が1.0~3.0nmの範囲;
(3)カーボンナノチューブ含有組成物を空気中で10℃/分で昇温したときの熱重量分析で、高温側の燃焼ピークが700~850℃にあり、かつ低温側の重量減量分(TG(L))と高温側の重量減量分(TG(H))との関係が、TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75;
(4)カーボンナノチューブ含有組成物の体積抵抗値が1.0X10-2Ω・cm以下、1.0X10-4Ω・cm以上である。
 本発明においてカーボンナノチューブ含有組成物とは、複数のカーボンナノチューブが存在している総体を意味する。組成物におけるカーボンナノチューブの存在形態は特に限定されず、それぞれが独立で存在していてもよいし、束状の形態、絡まり合うなどの形態あるいはこれらの混合形態で存在していてもよい。また、種々の層数あるいは直径のカーボンナノチューブが含まれていてもよい。また、カーボンナノチューブ含有組成物には、カーボンナノチューブの製造に由来する不純物、例えば触媒やアモルファスカーボン、を含み得る。また、カーボンナノチューブ含有組成物は、分散媒中に分散していたり、他の成分と複合されていてもよい。
 カーボンナノチューブは、グラファイトの1枚面を巻いて筒状にした形状を有しており、1層に巻いたものを単層カーボンナノチューブ、多層に巻いたものを多層カーボンナノチューブ、その中で特に2層に巻いたものを二層カーボンナノチューブという。
 単層、2層あるいは3層以上のいずれのカーボンナノチューブも用いることができるが、通常、カーボンナノチューブは層数が少ないほどグラファイト化度が高く、層数が増えるほどグラファイト化度が低下する傾向がある。グラファイト化度が高いほど、導電性が高くなる。単層から5層であるカーボンナノチューブは導電性が高く、かつ、透明性に優れるので好ましい。中でも、単層カーボンナノチューブおよび二層カーボンナノチューブは、3層以上のカーボンナノチューブと比較して、高いグラファイト化度を持つ。また、二層カーボンナノチューブは、層数が単層カーボンナノチューブよりも多いため耐久性が高い。二層カーボンナノチューブは酸処理などによって表面が官能基化されても、導電性などの本来の機能が損なわれない。そのため、耐久性が高く、かつ、高導電性のカーボンナノチューブ含有組成物を得るために、二層カーボンナノチューブの含有割合は多いほど好ましい。
 カーボンナノチューブ含有組成物において、透過型電子顕微鏡で観測した時に、100本中50本以上のカーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブであることが好ましく、100本中70本以上がより好ましく、さらに好ましくは100本中75本以上、最も好ましくは100本中80本以上である。
 カーボンナノチューブ含有組成物中に含まれるカーボンナノチューブの層数は、例えば以下のようにサンプルを作成し測定できる。カーボンナノチューブ含有組成物が分散液である場合、溶媒が水の場合は組成物を水で見えやすい濃度に適宜希釈し、コロジオン膜上に数μL滴下し風乾させた後、直接透過型電子顕微鏡でコロジオン膜上のカーボンナノチューブを調べる。溶媒が非水の場合は、一度乾燥により溶媒を除去した後、再度水中で分散させてから適宜希釈してコロジオン膜上に数μL滴下し風乾させた後、透過型電子顕微鏡で観察する。カーボンナノチューブ含有組成物を含む複合体から直接観察する際は、エポキシ樹脂等で包埋した後、カミソリなどを用いて0.1μm以下に薄く切断した切片を透過型電子顕微鏡で観察することができる。また、複合体から溶媒でカーボンナノチューブを抽出し、分散液の場合と同様にして透過型電子顕微鏡で観察することもできる。コロジオン膜上に滴下する液のカーボンナノチューブ濃度は、カーボンナノチューブを一本一本観察できる濃度であればよいが、例えば0.01mg/mLである。透過型電子顕微鏡で40万倍で観察し、75nm四方の視野の中で視野面積の10%以上がカーボンナノチューブである視野中から任意に抽出した100本のカーボンナノチューブについて層数を評価する。一つの視野中で100本の測定ができない場合は、100本になるまで複数の視野から測定する。このとき、カーボンナノチューブ1本とは視野中で一部カーボンナノチューブが見えていれば1本と計上し、必ずしも両端が見えている必要はない。また視野中で2本と認識されても視野外でつながって1本となっていることもあり得るが、その場合は2本と計上する。
 またカーボンナノチューブ含有組成物に含まれるカーボンナノチューブの外径の平均値は、3.0nm以下であることが、好ましい。直径の大きいカーボンナノチューブは、多層であるため導電性が低く、透過率も低い。さらに、絡まり合って凝集体を形成しており、分散性および分散安定性が悪い。より好ましくは、外径の平均値が2.5nm以下であり、より好ましくは、2nm以下である。また、下限は好ましくは、0.5nm以上、より好ましくは1.0nm以上である。好ましい範囲は、カーボンナノチューブの外径の平均が1.0~3.0nmである。この外径の平均値は、上記透過型電子顕微鏡で40万倍で観察し、75nm四方の視野の中で視野面積の10%以上がカーボンナノチューブである視野中から任意に抽出した100本のカーボンナノチューブについて、上記の層数を評価するのと同様の方法でサンプルを観察し、カーボンナノチューブの外径を測定したときの算術平均値である。
 カーボンナノチューブの外径は、例えば前述の層数の測定と同様にサンプルを作成し測定できる。透過型電子顕微鏡で40万倍で観察し、75nm四方の視野の中で視野面積の10%以上がカーボンナノチューブである視野中から任意に抽出した100本のカーボンナノチューブについて外径を測定し、評価する。一つの視野中で100本の測定ができない場合は、100本になるまで複数の視野から測定する。このとき、カーボンナノチューブ1本とは視野中で一部カーボンナノチューブが見えていれば1本と計上し、必ずしも両端が見えている必要はない。また視野中で2本と認識されても視野外でつながって1本となっていることもあり得るが、その場合は2本と計上する。合計100本のカーボンナノチューブについて外径を測定することによって100本中に含まれるカーボンナノチューブの外径の相加平均を確認することができる。 カーボンナノチューブの外径を測る位置はカーボンナノチューブが湾曲していない直線性のある位置を選んで測定するものとする。
 カーボンナノチューブの平均長さは、特に限定はないが、短すぎると効率的に導電性パスを形成できないため0.1μm以上であることが好ましく、さらに好ましくは0.5μm以上であり、より好ましくは1μm以上である。長さが長すぎると分散性が低下する傾向にあるため、平均長さは5μm以下であることが好ましい。そのため、高い分散性および高い導電性を有するためには平均長さが1μm以上5μm以下であることが好ましい。
 カーボンナノチューブの長さは、電界放射走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡(AFM)を用いて調べることができる。カーボンナノチューブが分散液である場合には、マイカ基板上に数μL滴下し風乾させた後、電界放射走査型電子顕微鏡で調べることができる。導電性複合体からカーボンナノチューブを採取する場合は、溶媒を用いてカーボンナノチューブを抽出してから分散液と同様の方法で観察することができる。観察する際に、イオンスパッタリングを用いて、あるいは350℃、30分大気雰囲気下で焼成して分散剤などを除去し、カーボンナノチューブを露出してから観察することができる。
 孤立分散したカーボンナノチューブの長さについては、上記方法で試料を作成し電界放射走査型電子顕微鏡で1万倍で観察し、8μm四方の視野の中で10本以上のカーボンナノチューブが含まれるところで写真を撮り、孤立分散している各カーボンナノチューブの長さを測定する。原子間力顕微鏡を用いる場合は、15μm四方の視野で観察し、各カーボンナノチューブの長さを測定すると良い。これらのうち、電界放射走査型電子顕微鏡による測定では細いバンドル状カーボンナノチューブを観察する際、バンドルを構成するカーボンナノチューブ一本一本の長さを測定しにくい場合もあることから、原子間力顕微鏡(AFM)での測定が望ましい。視野中から任意に抽出した100本のカーボンナノチューブの長さを繊維に沿って測定する。一つの視野中で100本の測定ができない場合は、100本になるまで複数の視野から測定する。合計100本のカーボンナノチューブについて長さを測定することによって100本中に含まれるカーボンナノチューブの長さとその本数を確認することができる。
 長さが0.1μm以下のカーボンナノチューブが100本中30本以下であれば、接点抵抗を低減でき、光透過率を向上することができ好ましく、0.5μm以下のカーボンナノチューブが100本中30本以下であるとより好ましい。長さが1μm以下のカーボンナノチューブが100本中30本以下であるとさらに好ましい。さらに、長さが5μm以上のカーボンナノチューブが100本中30本以下であると分散性が向上でき好ましい。カーボンナノチューブの長さが長く、視野内で全体の長さが見えていない場合は、視野内のカーボンナノチューブの長さを測定し、5μm以内であれば測定値の長さと見なし、5μmより大きければ5μm超の長さと見なす。
 カーボンナノチューブ含有組成物は、10℃/分で昇温した時の示差熱分析でのDTA曲線の最も大きなピークが500℃から850℃の範囲であることが好ましい。通常、カーボンナノチューブのグラファイト化度が高いほど、また、炭素不純物が少ないほど、燃焼ピーク温度は高温側に現れるため、燃焼ピーク温度は高い方が導電性の高いカーボンナノチューブと言う点で好ましい。燃焼ピーク温度は、より好ましくは600℃以上、さらに好ましくは700℃以上である。
 本発明の特に好ましい態様においては、カーボンナノチューブ含有組成物は、空気中で10℃/分で昇温したときの熱重量分析で、高温側の燃焼ピークが700~850℃にあり、かつ低温側の重量減量分(TG(L))と高温側の重量減量分(TG(H))との関係が、TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75であることが好ましい。
 ここで、熱重量分析は、約1mgの試料を熱重量分析装置(例えば島津製作所製 TGA-60)に設置し、10℃/分の昇温速度で室温から900℃まで昇温し、試料の重量減少を測定する。また、得られた重量減少曲線を時間で微分することにより、微分熱重量曲線(DTG)と得て、x軸を温度(℃)とし、y軸をDTG(mg/min)とする際のピーク温度を燃焼ピーク温度とする。本発明のカーボンナノチューブ含有組成物においては、このDTG曲線のピーク温度、例えば図5におけるDTG曲線の頂点の温度、が本発明に規定する範囲にあればよい。
 燃焼ピーク温度を測定するためのカーボンナノチューブは、粉体である場合は、そのまま測定することができる。カーボンナノチューブが分散液中に含まれる場合は、フィルターを用いて濾過を行い、イオン交換水や酸、アルカリなどを用いて洗浄し分散剤を十分に除去した後、乾燥し測定する。カーボンナノチューブが導電性複合体中に存在する場合は、溶媒で抽出し分散液の場合と同様にして測定できる。
 通常の精製をしたカーボンナノチューブ含有組成物は、DTG曲線において高温側と低温側に二つの燃焼ピークが現れることが多い。本発明においては高温側の燃焼ピークは700~850℃にあり、好ましくは700~800℃である。この高温側のピークのピーク面積に相当する重量減量分をTG(H)とする。一方、低温側の燃焼ピークとは、350℃~高温側の燃焼ピークへと変化する変曲点までにあるピークのことを言う。この低温側ピークのピーク面積に相当する重量減量分をTG(L)とする。なお、変曲点が存在しない場合には350℃~600℃の範囲の重量減量分をTG(L)とする。
 低温側のピークは、アモルファスカーボンなどのカーボンナノチューブ以外の炭素不純物がカーボンナノチューブに付着したものに由来すると考えられる。後述の参考例2において、高温側と低温側に2つの燃焼ピークが存在するカーボンナノチューブを硝酸処理して、吸引ろ過したろ液から回収した試料を熱重量分析して得られたピークがこの低温側のピークとよく一致することから、低温側のピークに相当する温度で燃焼する成分は、硝酸処理により溶出した成分と同等のものと推論される。また、上記ろ液から回収した試料を透過型電子顕微鏡で観察すると、アモルファスカーボンなどのカーボンナノチューブ以外の炭素不純物がカーボンナノチューブに付着した様子が観察される(図3)。
 一般に炭素不純物は400℃以下で燃焼するが、カーボンナノチューブに付着した場合は燃焼温度が高温側にずれる傾向があるため、上記の温度範囲で燃焼するものと考えられる。
 一方で炭素不純物が付着したカーボンナノチューブはそれに応じて、本来のカーボンナノチューブの燃焼ピーク温度に比して燃焼ピーク温度が低温側にずれる。これは炭素不純物の燃焼温度が低いため、先に燃焼を開始し、その際に生じた発熱エネルギーがカーボンナノチューブに移動するため、本来の燃焼温度より低い温度でカーボンナノチューブが燃焼するためである。
 カーボンナノチューブのグラファイト化度が高いほど、また、炭素不純物が少ないほど燃焼ピーク温度は高温側に現れる。燃焼ピーク温度は高い方が、耐久性が高く、純度の高いカーボンナノチューブである。
 すなわち、炭素不純物の割合が大きいほどTG(L)が大きくなり、カーボンナノチューブの割合が大きいほどTG(H)が大きくなる。TG(H)を(TG(H)+TG(L))で割ることで、カーボンナノチューブ含有組成物の純度を表現することができ、TG(H)/(TG(L)+TG(H))の値を0.75以上とすることにより、高耐熱性かつ高導電性のカーボンナノチューブが得られる。低温側の燃焼ピークが消失し、高温側の燃焼ピークのみが現れる場合にはTG(H)/(TG(L)+TG(H))の値が1となる。なお、原因は定かではないが、後述する体積抵抗値および透明導電性の評価結果より、前記の値が0.75以上では特性に大きな違いはない。
 しかしながら、前記の値が0.75より小さいと体積抵抗値および透明導電性は0.75以上のものより悪い結果となる。また通常市販されている単層カーボンナノチューブあるいは二層カーボンナノチューブの熱重量分析では、DTG曲線から500~600℃に1本の燃焼ピークがある。これは前述したように、炭素不純物がカーボンナノチューブに付着しているためである。見かけ上のカーボンナノチューブの純度は高いように見えるが、純度の高いカーボンナノチューブの状態を示しているわけではないので、注意が必要である。さらにカーボンナノチューブの直径およびカーボンナノチューブの壁を構成するグラフェンシートの品質に応じても、カーボンナノチューブの耐熱性が変わると考えられ、従来の技術では本発明のような外径の小さい二層カーボンナノチューブで高耐熱性にすることは難しかった。
 このようなカーボンナノチューブ含有組成物を製造するには、カーボンナノチューブを含む酸化反応前の組成物を、空気中で10℃/分で昇温したときの熱重量分析で、高温側の燃焼ピークが700~850℃にあり、かつ低温側の重量減量分(TG(L))と高温側の重量減量分(TG(H))との関係が、TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75となるまで酸化反応を行うことが好適である。TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75とする方法として、いかなる方法でもかまわないが、3つ例を挙げる。
 1つ目の方法として、カーボンナノチューブを製造後に、電気炉などの加熱装置で1~5時間、400~500℃の範囲で加熱酸化する。この時、カーボンナノチューブは触媒体に付着している状態が好ましい。次に前述のように触媒体を除去した後に、熱重量分析をして、得られる重量減少曲線を時間で微分することにより微分熱重量曲線(DTG)とし、x軸を温度(℃)とし、y軸をDTG(mg/min)としてプロットして得られるグラフに基づき、以下のように加熱温度を決定し、加熱する。すなわちDTG曲線において高温側と低温側にある二つの燃焼ピークのうち低温側の燃焼ピークから高温側の燃焼ピークへと変化する変曲点(変曲点が存在しない場合は600℃)まで酸素雰囲気下で加熱し、該温度に達した時点で、加熱をやめて窒素ガスに切り替える。この時の酸素濃度は0.1~21%の範囲であれば十分である。昇温速度は10℃±5℃/minであることが好ましい。なお、この段階でいう高温側にある燃焼ピークは、700~850℃よりも低い場合もあるが、相対的に高い方のピークを高温側の燃焼ピークとする。その後、必要に応じて濃硝酸水溶液(硝酸濃度として60~70%)中で90~150℃の範囲で5~75時間加熱を行う。
 2つ目の方法として、カーボンナノチューブを製造後に、電気炉などの加熱装置で1~5時間、400~500℃の範囲で加熱酸化する。この時、カーボンナノチューブは触媒体に付着している状態が好ましい。次に前述のように触媒体を除去した後に、あらかじめ500~600℃の範囲に加熱した電気炉などの加熱器に設置し、1~5時間加熱酸化を行う。最後に濃硝酸水溶液(硝酸濃度として60~70%)中で90~150℃の範囲で5~75時間加熱を行う。
 3つ目の方法として、カーボンナノチューブを製造後、触媒体を3~6Nの塩酸水溶液で除去した後に濃硝酸水溶液(硝酸濃度として60~70%)中で90~150℃の範囲で5~75時間加熱を行う。
 上記において、濃硝酸水溶液による液相酸化は、濃硝酸以外にも硫酸、過酸化水素等の酸化剤を用いることも可能である。条件は酸化力に応じて適宜決定することが可能である。
 以上の方法あるいはいずれかを組み合わせた方法により、炭素不純物を酸化除去することが可能である。酸化反応後に外径の平均値が3.0nm以下のカーボンナノチューブ含有組成物を得るために、酸化反応前のカーボンナノチューブ含有組成物は、外径1.0~3.0nmの範囲の二層カーボンナノチューブを含んでいることが好ましい。
 また最も好ましいのは、カーボンナノチューブを製造後、触媒体を3~6Nの塩酸水溶液で除去した後に、カーボンナノチューブを含む組成物が、すでにTG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75となっていることである。しかしながら、通常は低温側の燃焼ピークが高く、上記範囲を満たさないので、酸化反応を行い、TG(H)/(TG(H)+TG(L))の値を制御する。上記したような酸化反応を行い、熱重量分析を行い、高温側ピークおよび低温側ピークを確認し、本発明で規定する範囲を満たしていない場合はさらに加熱酸化や硝酸などの液相酸化を行い、本発明範囲内とするよう調整する。
 カーボンナノチューブ含有組成物の体積抵抗値は、1.0X10-2Ω・cm以下、1.0X10-4Ω・cm以上であることが好ましい。カーボンナノチューブ含有組成物の体積抵抗値は、以下のようにカーボンナノチューブ膜を作製し、その膜の表面抵抗値を4端子法によって測定後、表面抵抗値とカーボンナノチューブ膜の膜厚を掛けることによって算出することができる。表面抵抗値はJISK7149準処の4端子4探針法を用い、例えばロレスタEP MCP-T360((株)ダイアインスツルメンツ社製)にて測定することが可能である。高抵抗測定の際は、ハイレスターUPMCP-HT450(ダイアインスツルメンツ製、10V、10秒)を用いて測定することが可能である。
 カーボンナノチューブ含有組成物20mgをN-メチルピロリドン(NMP)16mLと混合し、超音波ホモジナイザーにより出力20Wで超音波を20分照射した後、エタノール10mLと混合し、内径35mmφのろ過器を使用することによってろ取物を得る。この時点でろ取物を採取するのではなく、このろ取物をろ過器とろ取に用いたフィルターごと60℃で2時間乾燥することによって、測定試料を作製することができる。作製したカーボンナノチューブ含有組成物の膜はピンセットなどでろ紙から剥離して測ることもできる。剥離できないときは、フィルターとカーボンナノチューブ含有組成物の膜を併せた全体の厚みを測定後、フィルターのみの厚みを全体から差し引いて膜の厚みを算出しても良い。ろ過に使用するろ過用のフィルターはメンブレンフィルター(OMNIPOREMEMBRANE FILTERS, FILTER TYPE:1.0μm JA,47mmφ)を使用することができる。また、フィルターの口径はろ液が通過するのであれば1.0μm以下であっても構わないが、NMPおよびエタノールに溶解しない材質である必要があり、好ましくはフッ素樹脂製のフィルターを使用するのが好適である。
 体積抵抗率が1×10-4Ω・cmから1×10-2Ω・cmのカーボンナノチューブ含有組成物は、特に導電性が良いため、例えば透明電極の様な透明性を必要とする導電層に利用する場合、カーボンナノチューブの使用量が少なくても十分に導電性を発揮し、使用量低減による透明性の向上効果も得られる。
 本発明のカーボンナノチューブ含有組成物は、波長633nmのラマン分光分析によるGバンドとDバンドの高さ比(G/D比)が30以上であることが好ましい。より好ましくは40以上、200以下であり、さらに好ましくは50以上、150以下である。G/D比とはカーボンナノチューブ含有組成物をラマン分光分析法により評価した時の値である。ラマン分光分析法で使用するレーザー波長は633nmとする。ラマン分光分析法により得られるラマンスペクトルにおいて1590cm-1付近に見られるラマンシフトは、グラファイト由来のGバンドと呼ばれ、1350cm-1付近に見られるラマンシフトはアモルファスカーボンやグラファイトの欠陥に由来のDバンドと呼ばれる。このGバンドの高さとDバンドの高さの比、G/D比が高いカーボンナノチューブほど、グラファイト化度が高く、高品質であることを示している。カーボンナノチューブ含有組成物のような固体のラマン分光分析法は、サンプリングによってばらつくことがある。そこで少なくとも3カ所、別の場所をラマン分光分析し、その総加平均をとるものとする。G/D比が30以上とは相当な高品質カーボンナノチューブ含有組成物であることを示している。
 本発明のカーボンナノチューブ含有組成物は、透明導電性基材用途に使用することが可能である。透明導電性基材用途に使用する際には、カーボンナノチューブ含有組成物を界面活性剤や各種高分子材料などの添加剤とともに分散媒に分散させて分散液とする。得られたカーボンナノチューブ含有組成物を含有する分散液を基材に塗布し、透明導電性基材を製造することが可能である。
 カーボンナノチューブ含有組成物の分散液は、分散能や分散安定化能などの向上のために添加剤として界面活性剤、各種高分子材料等の分散剤を含有できる。界面活性剤としては、イオン性界面活性剤と非イオン性界面活性剤に分けられるが、本発明のカーボンナノチューブ含有組成物ではいずれの界面活性剤を用いることも可能である。詳しくは、後述する。
 上記液における各成分の配合割合は、以下のとおりである。すなわち、カーボンナノチューブ含有組成物を含有する液は、液中、カーボンナノチューブ含有組成物を0.01重量%以上含有していることが好ましく、0.1重量%以上含有していることがより好ましい。カーボンナノチューブ含有組成物の含有量の上限としては、通常20重量%以下であることが好ましく、より好ましくは5重量%以下、さらに好ましくは2重量%以下である。
 分散剤の含有量としては、特に限定されるものではないが、それぞれ好ましくは、0.1~50重量%、より好ましくは、0.2~30重量%である。上記分散剤の少なくとも1種とカーボンナノチューブの混合比は、特に限定はないが、添加剤/カーボンナノチューブの重量比で好ましくは0.1~20、より好ましくは0.3~10である。また本発明のカーボンナノチューブの分散液は、分散性に優れるため、所望のカーボンナノチューブ含量よりも高濃度の分散液を作製し、溶媒で薄めて所望の濃度として使用することも可能である。溶媒としてはいかなる溶媒であってもよいが、使用目的に応じて選択される。導電性がさほど必要で無い用途は、カーボンナノチューブ濃度を薄めて使うこともあるし、最初から薄い状態で作成しても良い。
 分散液やそれにバインダーなどを添加した液は、透明基材だけでなく、あらゆる被塗布部材、例えば着色基材および繊維に塗布を施すための透明被覆液としても使える。その際の被塗布部材、例えば、クリーンルームなどの床材や壁材にコーティングすれば帯電防止床壁材として使用できるし、繊維に塗布すれば帯電防止衣服やマット、カーテンなどとして使用できる。
 本発明の特に好ましい態様である水性分散液は、平均外径3nm以下であるカーボンナノチューブおよび分散剤を含んだ分散体であり、動的光散乱法によって測定したカーボンナノチューブの平均粒径が200nm以上1500nm以下である。
 一般的に、粒径は分散体の分散度の指標として用いられており、粒径が小さい方が高度に分散された分散体といえる。カーボンナノチューブにおいても、粒径を測定して分散性を評価する技術が知られている。また、比較的簡便に分散するカーボンナノチューブも知られていた。しかしながら、カーボンナノチューブ分散液を透明導電性用途に用いる場合、分散によって粒径が小さくなってしまったせいか、カーボンナノチューブが互いに絡みにくく、導電ネットワークを形成しにくくなってしまい、透明導電性が十分高くないという問題があった。また、高度に分散させることで、バンドルがほぐれ、導電パスを形成する接点は増えるが、接点間で、分散に用いる分散剤により導通が阻害されるという問題があった。
 本発明では、平均外径が3nm以下のカーボンナノチューブを選択し、これを水性溶媒中で分散剤を用いて十分に分散させながら、平均粒径を200nm以上1500nm以下にすることで本来のカーボンナノチューブの特性を下げることなく高い透明導電性を有する分散液を得るものである。
 分散液中のカーボンナノチューブの平均長さは、前記の通り、高い分散性および高い導電性を有するためには1μm以上5μm以下であることが好ましい。
 透明導電性に優れた導電性複合体を得るには、結晶化度の高い高品質のカーボンナノチューブを用いることが好ましい。結晶化度の高いカーボンナノチューブは、それ自体電気伝導性に優れる。しかし、このような高品質のカーボンナノチューブは、結晶化度の低いカーボンナノチューブと比べより強固にバンドルや凝集体を形成しているため、一本一本を解し安定に高分散させるのは非常に困難である。そのため、結晶化度の高いカーボンナノチューブを用いて、より導電性の高い導電性複合体を得るには、カーボンナノチューブの分散技術が非常に重要である。
 本発明の水性分散液には、カーボンナノチューブの他、界面活性剤等の分散剤を用いる。本発明でいう分散剤は、分散媒中におけるカーボンナノチューブの分散性を向上させる機能を有する剤をいう。
 分散剤としては、本発明の分散剤が得られる限りカーボンナノチューブの分散能があれば、低分子、高分子を問わないが、分散性、分散安定性から高分子であることが好ましい。高分子の種類としては、カーボンナノチューブが分散できれば限定はなく、分散性の良い合成高分子、天然高分子などから選択することが好ましい。合成高分子は、例えば、ポリエーテルジオール、ポリエステルジオール、ポリカーボネートジオール、ポリビニルアルコール、部分けん化ポリビニルアルコール、アセトアセチル基変性ポリビニルアルコール、アセタール基変性ポリビニルアルコール、ブチラール基変性ポリビニルアルコール、シラノール基変性ポリビニルアルコール、エチレン-ビニルアルコール共重合体、エチレン-ビニルアルコール-酢酸ビニル共重合樹脂、ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ系樹脂、フェノキシ樹脂、変性フェノキシ系樹脂、フェノキシエーテル樹脂、フェノキシエステル樹脂、フッ素系樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、フェノール樹脂、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドンおよびその誘導体から選択できる。天然高分子は、例えば、多糖類であるデンプン、プルラン、デキストラン、デキストリン、グアーガム、キサンタンガム、アミロース、アミロペクチン、アルギン酸、アラビアガム、カラギーナン、コンドロイチン硫酸、ヒアルロン酸、カードラン、キチン、キトサン、セルロースおよびその誘導体から選択できる。誘導体とはエステルやエーテル、塩などの従来公知の化合物を意味する。中でも特に多糖類を用いることが分散性向上の点から好ましい。これらは、1種または2種以上を混合して用いることができる。また、カーボンナノチューブ分散性、導電性に優れることから、イオン性高分子が好ましく用いられる。中でも、スルホン酸やカルボン酸などのイオン性官能基を持つものが分散性、導電性が高くなるため好ましい。分散性のよい分散剤を用いることで、最低限の超音波照射出力、照射時間で高分散した分散液が得られ、粒径が200nm~1500nmとでき、透明導電性の高い分散液が得られる点から、ポリスチレンスルホン酸やコンドロイチン硫酸やヒアルロン酸、カルボキシメチルセルロースおよびそれらの誘導体を用いることが好ましく、特にイオン性官能基を有する多糖類であるカルボキシメチルセルロースまたはその誘導体の使用が最も好ましい。
 分散剤として低分子(モノマーやオリゴマー)を用いる場合の種類としては、例えばイオン性界面活性剤である陽イオン性界面活性剤、両イオン性界面活性剤および陰イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、グルコース、リボース、デオキシリボースなどの単糖、スクロース、マルトース、ラクトース、セロビオース、トレハロースなどの二糖、シクロデキストリンなどのオリゴ糖、胆汁酸やコレステロール、コール酸などのステロイド誘導体などがあげられる。
 非イオン性界面活性剤としては、例えば以下のような界面活性剤があげられる。かかる界面活性剤は単独でもしくは2種以上を混合して用いることができる。
 非イオン性界面活性剤の例としては、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステルなどの糖エステル系界面活性剤、ポリオキシエチレン樹脂酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸ジエチルなどの脂肪酸エステル系界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレン・ポリプロピレングリコールなどのエーテル系界面活性剤、ポリオキシアルキレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシアルキレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシアルキルジブチルフェニルエーテル、ポリオキシアルキルスチリルフェニルエーテル、ポリオキシアルキルベンジルフェニルエーテル、ポリオキシアルキルビスフェニルエーテル、ポリオキシアルキルクミルフェニルエーテル等の芳香族系非イオン性界面活性剤があげられる。中でも、分散能、分散安定能、高濃度化に優れることから、芳香族系非イオン性界面活性剤が好ましい。
 陽イオン性界面活性剤としては、アルキルアミン塩、第四級アンモニウム塩などがあげられる。両イオン性界面活性剤としては、アルキルベタイン系界面活性剤、アミンオキサイド系界面活性剤がある。陰イオン性界面活性剤としては、ドデシルベンゼンスルホン酸等のアルキルベンゼンスルホン酸塩、ドデシルフェニルエーテルスルホン酸塩等の芳香族スルホン酸系界面活性剤、モノソープ系アニオン性界面活性剤、エーテルサルフェート系界面活性剤、フォスフェート系界面活性剤、カルボン酸系界面活性剤であり、中でも、分散能、分散安定能、高濃度化に優れることから、芳香環を含むもの、すなわち芳香族系イオン性界面活性剤が好ましく、特にアルキルベンゼンスルホン酸塩、ドデシルフェニルエーテルスルホン酸塩等の芳香族系イオン性界面活性剤が好ましい。
 低分子分散剤の中でも、カーボンナノチューブ分散性、導電性から陰イオン性界面活性剤およびステロイド誘導体が好ましく用いられる。
 分散剤の分子量は100以上が好ましい。100以上であればカーボンナノチューブと相互作用できカーボンナノチューブの分散がより良好となる。分子量はカーボンナノチューブの長さにもよるが大きいほどカーボンナノチューブと相互作用し分散性が向上する。例えば、ポリマーの場合であれば、ポリマー鎖が長くなるとポリマーがカーボンナノチューブにからみつき非常に安定に分散することができる。しかし、分子量が大きすぎると逆に分散性が低下するので好ましくは1000万以下であり、さらに好ましくは、100万以下である。最も好ましくは1万~10万である。
 分散媒は特に限定されず、水系溶媒でも良いし非水系溶媒でも良い。非水系溶媒としては、炭化水素類(トルエン、キシレン等)、塩素含有炭化水素類(メチレンクロリド、クロロホルム、クロロベンゼン等)、エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン、メチルセロソルブ等)、エーテルアルコール(エトキシエタノール、メトキシエトキシエタノール等)、エステル類(酢酸メチル、酢酸エチル等)、ケトン類(シクロヘキサノン、メチルエチルケトン等)、アルコール類(エタノール、イソプロパノール、フェノール等)、低級カルボン酸(酢酸等)、アミン類(トリエチルアミン、トリメタノールアミン等)、窒素含有極性溶媒(N、N-ジメチルホルムアミド、ニトロメタン、N-メチルピロリドン等)、硫黄化合物類(ジメチルスルホキシド等)などを用いることができる。
 これらの中でも、本発明の特に好ましい態様に用いる分散媒としては、水系溶媒が好ましい。水系溶媒中で分散させることにより、静電反発力を利用でき、カーボンナノチューブを高分散することができる。
 本発明の特に好ましい態様の分散液における各成分の配合割合は、以下のとおりである。分散剤の分散液中の含有量としては、特に限定されるものではないが、好ましくは、カーボンナノチューブ100重量部に対して30~1500重量部、より好ましくは30~1000重量部、さらに好ましくは50~1000重量部、なかでも好ましくは50~500重量部、特に好ましくは80~300重量部である。
 分散液中でのカーボンナノチューブ濃度は0.01mg/mL以上、200mg/mL以下が好ましく、さらに、0.5~100mg/mLであることが好ましい。カーボンナノチューブ濃度は光透過率が高く、且つ、導電性の高い導電性複合体を得るためには、20mg/mL以下がより好ましく、さらには10mg/mL以下、さらには5mg/mL以下であってもよい。さらに高濃度の分散液を作製して適切な濃度に希釈して用いることも勿論可能であるし、そのような高濃度の分散液を用いることにより、導電性のより高い複合体を得ることも可能である。
 通常、平均外径が3nm以下である細いカーボンナノチューブは、強固にバンドルを形成し、分散性が低い。カーボンナノチューブ濃度を0.5~100mg/mLとしようとすると、強力な分散化エネルギーが必要で、カーボンナノチューブが切断されてしまったりする。このときの平均粒径は200nm未満となってしまう。このような事は特に単層カーボンナノチューブで起こりやすい。このようにカーボンナノチューブの粒径を小さくしすぎるとカーボンナノチューブが互いに絡みにくくなり、導電ネットワークを形成しにくくなってしまい、透明導電膜としたときに特性が著しく低下するという課題がある。逆に分散化エネルギーを弱めて分散させると、分散せずに沈降するカーボンナノチューブが多くなり、低濃度の分散液となりやすい。したがって、分散性のよいカーボンナノチューブを使用し、分散化エネルギーを適切に加えることにより、平均粒径が200nm以上1500nm以下で、かつ0.5~100mg/mLの分散液を調製することが可能である。なお、上記分散性のよいカーボンナノチューブは、後述するとおりそれぞれのカーボンナノチューブの特定にあわせた酸化反応により、アモルファスカーボンなど分散性を阻害する不純物を十分に除去することにより得ることができる。
 また、分散液の好ましいpHは、酸性領域(pH7未満)である。分散剤の種類にもよるがより好ましくはpH3~6である。pHが低すぎると分散剤の溶解性が低下したり、カーボンナノチューブ同士の斥力が小さくなり、カーボンナノチューブが凝集してしまう。しかしながらpHが中性以上であると導電性が低下してしまう。したがって、pHが酸性領域であるとカーボンナノチューブの分散安定性が高く高導電性であり透明導電性の高い導電性複合体を形成することができる。
 カーボンナノチューブ分散液の分散性を調べる指標として粒度分布計による方法がある。本発明においてはサブミクロン以下の測定に適した動的光散乱法の粒度分布計を用いる。粒度分布測定する際は、カーボンナノチューブ分散液を測定しやすい濃度に適宜調節してもかまわない。粒度分布計は微粒子のブラウン運動の大きさから粒径を算出する。粒径の小さな粒子ではブラウン運動が大きく、一方、粒径の大きな粒子ではブラウン運動が小さいという原理を応用しているので、分散性が向上してカーボンナノチューブの凝集が小さくなれば、カーボンナノチューブのブラウン運動が大きくなり、粒径は相対的に小さくなったと判断することができる。なお、溶媒の屈折率と粘度を予め本粒度分布計に入力しておくことで、粒径が算出される。
 本発明のカーボンナノチューブ水性分散液は、動的光散乱式粒度分布測定装置(例えば、大塚電子ELS-Z2)で測定したキュウムラント解析による平均粒径が200nm~1500nmである。従来知られている外径の細いカーボンナノチューブの分散液と比べ平均粒径は大きく、より均一に分散したカーボンナノチューブ水性分散液を得ることができる。好ましい平均粒径は、250nm~1200nm、より好ましくは300nm~1200nm、さらに好ましくは300~1000nmである。特に好ましくは300nm~800nmである。平均粒径がこの範囲にあると、カーボンナノチューブは高分散しながらも、よりネットワークをとりやすい状態になっており、高い透明導電性を得ることができる。
 直径の細い単層~5層カーボンナノチューブは通常バンドルを形成しているために分散性が低い。これは副生物として生成するアモルファスカーボンが糊の役割を果たしバンドルを強固なものにしているためと推測される。そこでカーボンナノチューブの分散性を向上させるために酸化反応を施すことによりアモルファスカーボンを除去することができる。
 またこの時、酸化反応を施すことにより単層カーボンナノチューブもアモルファスカーボンと同時に除去され、2層から5層の割合を増加させることができる。酸化反応は例えば、焼成処理等の気相酸化処理や液相酸化処理する方法により行われる。
 また、このように酸化されたカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの表面がカルボン酸など酸性官能基で修飾されており、イオン交換水中に懸濁した液は酸性を示す。酸化されたカーボンナノチューブを用いることで、分散性が向上し、導電性が高い分散液を得ることができる。
 焼成処理をする場合、焼成処理の温度は、特に限定されないが、300~1000℃の範囲が好ましい。酸化温度は雰囲気ガスに影響されるため、酸素濃度が高い場合には比較的低温で、酸素濃度が低い場合には比較的高温で焼成処理することが好ましい。カーボンナノチューブの焼成処理としては、大気下、カーボンナノチューブの燃焼ピーク温度±50℃の範囲内で焼成処理をする方法が挙げられる。酸素濃度が大気よりも高い場合はこれよりも低目の温度範囲、低い場合には高めの温度範囲が選択されるのが通常である。大気下で焼成処理を行う場合は燃焼ピーク温度±15℃の範囲で行うことが特に好ましい。
 カーボンナノチューブの燃焼ピーク温度は熱分析することで測定が可能である。熱分析は、約10mgの試料を示差熱分析装置(例えば島津製作所製 DTG-60)に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温する。その時、試料の燃焼時の発熱ピーク温度を求めることが可能である。求めた燃焼ピーク温度±50℃の範囲で焼成処理することにより、製造したカーボンナノチューブ中の不純物や耐久性の低い単層カーボンナノチューブを除去することが可能である。このとき燃焼ピークよりあまりにも低い温度、すなわち燃焼ピーク温度-50℃未満で焼成処理を行っても、不純物や純度の低い単層カーボンナノチューブは焼成されないために、除去されず単層から5層カーボンナノチューブの純度は向上しない。また燃焼ピーク温度よりあまりにも高い温度、すなわち燃焼ピーク温度+50℃超で焼成処理を行っても、今度は生成カーボンナノチューブ全てが焼成されて消失してしまう。よってカーボンナノチューブの燃焼ピーク温度付近で焼成するのが好ましい。具体的には、燃焼ピーク温度±50℃の範囲で焼成処理することが好ましい。カーボンナノチューブは一般的に層数が多いほど燃焼温度が高いため、燃焼ピーク温度±50℃の範囲で焼成することで純度の高い単層から5層を、燃焼ピーク温度-15℃~+50℃の範囲で焼成することで2層~5層のカーボンナノチューブの純度を向上することができ好ましい。さらに、燃焼ピーク温度±15℃の範囲であれば、2層~5層のカーボンナノチューブのなかでも2層カーボンナノチューブの割合を増加でき100本中50本以上を2層カーボンナノチューブとすることができる。
 また、酸素または酸素を含む混合気体を間欠的に接触させて焼成処理を行なう方法も行なうことができる。酸素または酸素を含む混合気体を間欠的に接触させて焼成処理する場合は、酸素濃度が高くても、比較的高温、例えば500~1000℃で処理が可能である。これは間欠的に酸素または酸素を含む混合気体を流すために、酸化が起きても、酸素を消費した時点ですぐに反応が停止するからである。このようにすることで酸化反応を制御することが可能となる。
 焼成温度が低いときは焼成処理時間を長く、焼成温度が高いときは焼成時間を短くするなどして、反応条件を調整することができる。よって焼成処理時間は5分から24時間が好ましく、より好ましくは10分から12時間、さらに好ましくは30分から5時間である。焼成は大気下で行うことが好ましいが、酸素濃度を調節した酸素/不活性ガス下で行っても良い。このときの酸素濃度は特に限定されない。酸素0.1%~100%の範囲で適宜設定して良い。また不活性ガスはヘリウム、窒素、アルゴン等が用いられる。
 カーボンナノチューブの液相酸化処理としては、過酸化水素や混酸、硝酸などの酸化性液体で処理することが挙げられる。
 カーボンナノチューブを過酸化水素で処理するとは、上記カーボンナノチューブを例えば市販の34.5%過酸化水素水中に0.1mg/mL~100mg/mLになるように混合し、0~100℃の温度にて0.5~48時間反応させることを意味する。
 またカーボンナノチューブを混酸で処理するとは、上記カーボンナノチューブを例えば濃硫酸/濃硝酸(3/1)混合溶液中に0.1mg/mL~100mg/mLになるように混合し、0~100℃の温度にて0.5~48時間反応させることを意味する。混酸の混合比としては生成したカーボンナノチューブ中の単層カーボンナノチューブの量に応じて濃硫酸/濃硝酸の比を1/10~10/1とすることも可能である。
 カーボンナノチューブを硝酸で処理するとは、上記カーボンナノチューブを例えば市販の硝酸40~80重量%中に0.1mg/mL~100mg/mLになるように混合し、60~150℃の温度にて0.5~48時間反応させることを意味する。
 また上記、酸化反応した後、有機アミンで処理しても良い。有機アミンで処理することで残存混酸を減少させることができ、さらにアモルファスカーボンなどの不純物に生成したと考えられるカルボキシル基などの酸性基を塩化すると考えられ、よりカーボンナノチューブとの分離が良くなると考えられる。つまり混酸処理された不純物の水溶性が増し、ろ過することでカーボンナノチューブと不純物が容易に分離することが可能となる。有機アミンの中でもメチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン等の低級アミンが好ましく、さらに好ましくはエチルアミン、プロピルアミンである。
 なかでも、硝酸で酸化反応を行うことによって、2層カーボンナノチューブの純度をあげることができ好ましい。
 これら酸化反応はカーボンナノチューブ合成直後に行っても良いし、別の精製処理後に行っても良い。例えば触媒として鉄/マグネシアを用いる場合、焼成処理後、塩酸等の酸により触媒除去した後に酸化性液体による酸化反応を行っても良いし、先に塩酸等の酸により触媒除去のための精製処理を行った後に酸化反応してもよい。なかでも、カーボンナノチューブ合成後に触媒除去を行い、酸化性液体による酸化を行うことがカーボンナノチューブの長さを保ったままで酸性官能基で修飾することができるために特に好ましい。いずれにしてもカーボンナノチューブの特性に合わせて適度な酸化の強さと時間を調整し、所望の分散性が得られるまで、十分に酸化反応を施すのがよい。
 このようにして得たカーボンナノチューブは分散性が高く、比較的簡便にバンドルを解すことができる。本発明においては、カーボンナノチューブを精製後、乾燥工程を経ずに溶媒を含んだ状態で用いることがさらに好ましい。一度カーボンナノチューブを乾燥させると、カーボンナノチューブ同士が絡み合ったりし、強く凝集し、乾燥工程を経ずに溶媒を含んだ状態と比較すると分散させることが困難になる。またこのように凝集が強い場合には絡みを解す時に、なかなか解れずにカーボンナノチューブを切断してしまい、粒径が小さくなりすぎたりする。このようにカーボンナノチューブを溶媒を含んだ状態で分散することによりさらにカーボンナノチューブの分散が簡便になると同時に分散性が向上する。
 次に、上記のようにして得られたカーボンナノチューブと分散剤を水系溶媒中で塗装製造に慣用の混合分散機、例えばボールミル、ビーズミル、サンドミル、ロールミル、ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、超音波装置、アトライター、デゾルバー、ペイントシェーカー等、を用いて混合し、水性分散液を製造することができる。中でも、超音波を用いて分散することで得られる分散液のカーボンナノチューブの分散性が向上し好ましい。分散させるカーボンナノチューブは乾燥状態であっても、溶媒を含んだ状態でもよいが、精製後乾燥させずに溶媒を含んだ状態で分散させることで、分散性が向上し好ましい。
 超音波照射方法としては、超音波ホモジナイザーを用いることが好ましい。超音波の照射出力や処理量、分散時間を最適に調整することによって粒径を200nm~1500nmに調整する必要がある。
 超音波の照射出力は、処理量や分散時間にもよるため、限定はできないが、20~1000Wが好ましい。照射出力が大きすぎると、カーボンナノチューブに欠陥ができたり、粒径が小さくなりすぎてしまい、分散液の透明導電性が低下してしまう。粒径が200nm~1500nmとなるように照射出力、分散時間等を調整することが重要である。例えば、分散処理量が20mL以下の場合であれば、20~50Wが好ましく、分散処理量が100~500mLであれば、100W~400Wが好ましい。超音波の出力が大きいときは分散時間を短くする、出力が小さいときは分散時間を長くする等、調整することで最適な粒径に制御することが可能である。
 また、超音波分散させる際、分散液の粘度を指標にすることで、適切な分散条件を設定することもできる。すなわち、超音波分散させる際の分散液の粘度を以下に規定する範囲とすることで、カーボンナノチューブ分散液の平均粒径が200nm~1500nmであり、分散性および導電性に優れたカーボンナノチューブ分散液が得られることを見いだした。
 すなわち、カーボンナノチューブ分散液の製造に用いる分散媒および分散剤の混合液の粘度をη0、超音波分散開始x分後のカーボンナノチューブ分散液の粘度をηx、分散開始後のカーボンナノチューブ分散液の最初の粘度の極大値をη1とし、分散液の粘度減少率Aを
A(%)=(η1-ηx)/(η1-η0)×100
と定義したとき、Aが10%以上、70%以下となるまで超音波分散を行うというものである。
 分散液の粘度を上述の範囲となるように製造する理由は次の通りである。まず、カーボンナノチューブ分散液を製造する際に、超音波照射を開始すると、カーボンナノチューブの凝集やバンドルが解れ始めることにより分散液の粘度が上昇しはじめる。しかし、それと同時に超音波エネルギーによるカーボンナノチューブの切断、表面損傷などの欠陥が生じる。分散初期はカーボンナノチューブの解れが優先的に起こっているが、分散が進むに従ってカーボンナノチューブの切断、損傷の割合が大きくなってしまう。このとき、粘度が極大値η1を示す分散液はカーボンナノチューブの解れの程度がかなり進行しているものの、その分散状態は不安定であって十分ではなく、分散液を塗布して得られる導電性複合体の導電性は低いものであることが分かった。しかし、粘度減少率Aが10%以上となるまでさらに分散を続けることにより、カーボンナノチューブが十分に解れ、かつ欠陥の発生も最小限に抑制されるために高い導電性を示すようになる。さらに分散を続けて粘度減少率Aが70%を越えてしまうと、カーボンナノチューブ自身の切断や欠陥発生が進んで平均粒径が小さくなり、再び導電性が悪化することがわかった。カーボンナノチューブの粒径を小さくしすぎるとカーボンナノチューブが互いに絡みにくくなり、導電ネットワークを形成しにくくなってしまい、透明導電膜としたときに特性が著しく低下するという問題がある。
 そのため、カーボンナノチューブ分散液を製造するための超音波照射量としては、粘度減少率Aが10%以上、70%以下となるようにすればよい。より好ましくは15%以上、50%以下とするのがよい。
 精製後のカーボンナノチューブを、乾燥させずに溶媒が含まれている状態にして分散させることにより、照射出力および照射時間を最低限にできる。これにより、カーボンナノチューブに必要以上の力が加わらないため、欠損し短くなり粒径が小さくなってしまったり、分散剤の構造が変化してしまい分散性が変化したり、あるいは、分散剤が過度にカーボンナノチューブに相互作用し分散は進むが、カーボンナノチューブが分散剤で覆われてしまい導電性が低下してしまうといったことを抑制できる。これによって、粒径を維持したまま、分散性および透明導電性に優れた分散液を得ることができる。
 分散させる際の温度は、特に高出力の場合においては分散中に液温が上昇しないように、冷却しながら連続フロー式で分散を行うなどし、液温が上昇しないようにすることが好ましい。超音波照射中の液温は好ましくは、0℃~50℃であり、より好ましくは、0℃~30℃であり、さらに好ましくは、0℃~20℃である。この範囲にあることで、カーボンナノチューブと分散剤が安定に相互作用し、しっかりと分散させることができる。周波数は20~100kHzであることが好ましい。
 カーボンナノチューブおよび分散剤を添加する順序に特に制限はなく、同時に添加してもよく、それぞれ別々に添加してもよい。また、どちらを先に添加してもよい。
 上記分散液は、遠心分離、フィルター濾過、あるいは、ゲル濾過によって分画することが好ましい。例えば、分散液を遠心分離することによって、未分散のカーボンナノチューブや、過剰量の分散剤、カーボンナノチューブ合成時に混入する可能性のある金属触媒などは沈殿するので、遠心上清を回収すれば組成物中に分散しているカーボンナノチューブを採取することができる。未分散のカーボンナノチューブおよび不純物などは沈殿物として除去することができ、それによって、カーボンナノチューブの再凝集を防止でき、組成物の安定性を向上することができる。さらに、強力な遠心力においては、カーボンナノチューブの太さや長さによって分離することができ、分散液の透明性および導電性を向上させることができる。
 遠心分離する際の遠心力は、100G以上の遠心力であればよく、好ましくは、1000G以上、より好ましくは10,000G以上である。上限としては特に制限はないが、汎用超遠心機の性能より2,000,000G以下であることが好ましい。
 また、フィルター濾過に用いるフィルターは、0.05μmから100μmの間で適宜選択することができる。それにより、未分散のカーボンナノチューブや、カーボンナノチューブ合成時に混入する可能性のある不純物等のうち比較的サイズの大きいものを除去することができる。
 このように分画する場合においては、この分画される量を見越して、サイズ分画前の配合割合を決定する。サイズ分画前の配合割合の決定は、遠心分離後の沈殿物やフィルター上に残った分画物を乾燥させた後、400℃で1時間焼成した後秤量し、濃度を算出する方法により行われる。このようなサイズ分画の結果、カーボンナノチューブの長さや、層数、その他性状等バンドル構造の有無などでカーボンナノチューブを分離することができる。
 本発明のカーボンナノチューブ分散液は、以上のような分画した後の濃度として、0.5~100mg/mLの分散液の調製が可能である。この時の分散液の濃度の測定法として上述の方法や分散液の上清を分取した後の残存液を、例えば孔径1μmのフィルターを用いてろ過し、その後よく洗浄して得られたろ過物を乾燥機にて乾燥し、重量を測ることで沈殿の重量が測定可能であるので分散に使用した量から差を計算することで上清の濃度を測定することができる。
 この分散液には上記カーボンナノチューブ、分散剤の他、必要に応じその他の添加剤を本発明の効果を阻害しない範囲で含有させることができる。
 カーボンナノチューブ分散液を基材上に塗布することで導電性複合体を形成することができる。
 基材としては、分散液を塗布でき、得られる導電層が固定できれば、形状、サイズ、および材質は特に限定されない。基材は、目的とする用途によって選択でき、例えばフィルム、シート、板、紙、繊維、粒子状であってもよい。材質は例えば、有機材料であれば、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、アクリル、ポリウレタン、ポリメチルメタクリレート、セルロース、トリアセチルセルロース、非晶質ポリオレフィンなどの樹脂、無機材料であればステンレス、アルミ、鉄、金、銀などの金属、ガラスおよび炭素材料等から選択できる。基材に樹脂フィルムを用いた場合は、接着性、延伸追従性および柔軟性に優れた導電性フィルムを得ることができ好ましい。透明性が必要な時には、透明フィルム、例えばPETフィルムなどを用いることが好ましい。
 基材の厚みは、特に限定されず中程度の厚さから非常に薄い厚さまで種々の範囲をとることができる。例えば、基材は0.5nm~1000μmの間の厚さとしうる。基材の厚さは好ましくは0.05~500μmさらに好ましくは1.0~200μmである。
 基材は必要に応じ表面処理を施してあってもよい。表面処理は、グロー放電、コロナ放電処理やオゾン処理等の物理的処理、あるいは樹脂層を設けてあっても良い。易接着層を有するポリエステルフィルムの“ルミラー(R)”(東レ(株)社製)等の市販されているものを使用してもよい。
 また、透明性が無い基材も用いることができるが、透明性がある基材を用いることにより透明導電性複合体を得ることができるので好ましい。ここで透明性がある基材とは、550nmの光線透過率が50%以上であることを示す。
 分散液を塗布する方法は特に限定されない。公知の塗布方法、例えばスプレーコーティング、ディップコーティング、ロールコーティング、スピンコーティング、ドクターナイフコーティング、キスコーティング、スリットコーティング、ダイコーティング、スリットダイコーティング、グラビアコーティング、マイクログラビアコーティング、ブレードコーティング、ワイヤーバーコーティング、押出コーティングや、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷、パット印刷、他の種類の印刷などが利用できる。また塗布は、何回行ってもよく、異なる2種類の塗布方法を組み合わせても良い。最も好ましい塗布方法は、マイクログラビアコーティング、ワイヤーバーコーティングである。
 塗布厚み(ウェット厚)は、塗布液の濃度にも依存するため、望む導電性が得られれば特に規定する必要はない。しかしその中でも0.01μm~50μmであることが好ましい。さらに好ましくは0.1μm~20μmである。塗布厚み(Dry厚)は導電性複合体断面を観察することで測定できる。例えば、透過型顕微鏡において観察でき、必要であれば染色してもよい。好ましいDry厚は望む導電性が得られれば規定はないが、好ましくは、0.001μm~5μmである。さらに好ましくは、0.001~1μmである。
 分散液を、基材上に塗布する時、分散液中に濡れ剤を添加しても良い。非親水性の基材へは特に界面活性剤やアルコール等の濡れ剤を導電性組成物中に添加することで、基材に組成物がはじかれることなく塗布することができる。中でもアルコールが好ましく、アルコールの中でもメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールが好ましい。メタノール、エタノール、イソプロパノールなどの低級アルコールは揮発性が高いために塗布後の基材乾燥時に容易に除去可能である。場合によってはアルコールと水の混合液を用いても良い。
 このようにして分散液を基材に塗布した後、風乾、加熱、減圧などの方法により不要な溶媒を除去し、形成される導電層を乾燥させることが好ましい。それによりカーボンナノチューブは、3次元編目構造を形成し基材に固定化される。中でも加熱による乾燥が好ましい。乾燥温度は溶媒が除去可能であり基材の耐熱温度以下であればよく、樹脂製基材の場合は、好ましくは0℃~250℃であり、さらに好ましくは、15℃~150℃である。
 乾燥後、導電層中の非導電性成分を適当な溶媒を用いて除去することもできる。この場合、導電層を乾燥後、溶媒中へ浸漬させる、あるいは溶媒を導電層へ噴霧させる方法がある。また、加熱により非導電性成分を熱分解することもできる。この操作により、電荷の分散が容易になり導電性複合体の導電性が向上する。
 上記の成分を除去するための溶媒としては除去したい透明導電性を低下させる成分、例えば添加剤や余剰量の分散剤を溶解し、かつカーボンナノチューブを除去しないものであれば特に制限はない。具体的には水やアルコール類、アセトニトリルが挙げられる。
 上記のように分散液を塗布してカーボンナノチューブを含む導電性複合体を形成後、このフィルムを有機または無機透明被膜を形成しうるバインダー材料でオーバーコーティングすることも好ましい。オーバーコーティングすることにより、さらに透明性、導電性、耐熱性および耐候性が向上できる。
 また、導電性複合体は、カーボンナノチューブ分散液中に有機または無機透明被膜を形成しうるバインダー材料を含有させ、適当な基材に塗布後、必要により加熱して塗膜の乾燥ないし焼付(硬化)を行っても得ることができる。その際の加熱条件は、バインダー種に応じて適当に設定する。バインダーが光または放射線硬化性の場合には、加熱硬化ではなく、塗布後直ちに塗膜に光または放射線を照射することにより塗膜を硬化させる。放射線としては電子線、紫外線、X線、ガンマー線等のイオン化性放射線が使用でき、照射線量はバインダー種に応じて決定する。
 上記バインダー材料としては、導電性塗料に使用されるものであれば特に制限はなく、各種の有機および無機バインダー、すなわち透明な有機ポリマーまたはその前駆体(以下「有機ポリマー系バインダー」と称する場合もある)または無機ポリマーまたはその前駆体(以下「無機ポリマー系バインダー」と称する場合もある)が使用できる。
 有機ポリマー系バインダーは熱可塑性、熱硬化性、あるいは紫外線、電子線などの放射線硬化性のいずれであってもよい。適当な有機バインダーの例としては、ポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン等)、ポリアミド系(ナイロン6、ナイロン11、ナイロン66、ナイロン6・10等)、ポリエステル系(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等)、シリコーン系ポリマー、ビニル系樹脂(ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレート、ポリスチレン誘導体、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール等)、ポリケトン、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリアセタール、フッ素樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラニン樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン、セルロース系ポリマー、蛋白質類(ゼラチン、カゼイン等)、キチン、ポリペプチド、多糖類、ポリヌクレオチドなど有機ポリマー、ならびこれらのポリマーの前駆体(モノマー、オリゴマー)がある。これらは単に溶剤の蒸発により、あるいは熱硬化または光もしくは放射線照射による硬化により有機ポリマー系透明被膜(もしくはマトリックス(液中に配合する場合))を形成することができる。
 有機ポリマー系バインダーとして好ましいのは、放射線もしくは光によりラジカル重合硬化可能な不飽和結合を有する化合物であり、これはビニル基ないしビニリデン基を有するモノマー、オリゴマー、あるいはポリマーである。この種のモノマーとしてはスチレン誘導体(スチレン、メチルスチレン等)、アクリル酸もしくはメタクリル酸またはそれらの誘導体(アルキルアクリートもしくはメタクリレート、アリルアクリレートもしくはメタクリレート等)、酢酸ビニル、アクリロニトリル、イタコン酸等がある。オリゴマーあるいはポリマーは、主鎖に二重結合を有する化合物または直鎖の両末端にアクリロイルもしくはメタクリロイル基を有する化合物が好ましい。この種のラジカル重合硬化性バインダーは、高硬度で耐擦過性に優れ、透明度の高い導電フィルム膜(もしくはマトリックス(液中に配合する場合))を形成することができる。
 無機ポリマー系バインダーの例としては、シリカ、酸化錫、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等の金属酸化物のゾル、あるいは無機ポリマーの前駆体となる加水分解または熱分解性の有機リン化合物および有機ボロン化合物、ならびに有機シラン化合物、有機チタン化合物、有機ジルコニウム化合物、有機鉛化合物、有機アルカリ土類金属化合物などの有機金属化合物がある。加水分解性または熱分解性の有機金属化合物の具体的例は、アルコキシドまたはその部分加水分解物、酢酸塩などの低級カルボン酸塩、アセチルアセトンなどの金属錯体である。
 これらの1種もしくは2種以上の無機ポリマー系バインダーを焼成すると、重合し酸化物または複合酸化物からなるガラス質の無機ポリマー系透明被膜(もしくはマトリックス(液中に配合する場合))を形成することができる。無機ポリマー系マトリックスは、一般にガラス質であり、高硬度で耐擦過性に優れ、透明性も高い。
 上記バインダーのうち、無機ポリマー系バインダーが耐熱性および透明性が高く好ましく用いられる。中でも、有機シラン化合物が好ましく、例えばテトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラ-n-プロポキシシラン、テトラ-i-プロポキシシラン、テトラ-n-ブトキシシランなどのテトラアルコキシシラン、その加水分解物が好ましく用いることができる。
 バインダーの使用量は、オーバーコートをするのに十分な量、液中に配合する場合には塗布に適した粘性を得るのに十分な量であればよい。少なすぎると塗布がうまくいかず、多すぎても導電性を阻害し良くない。
 基材として透明フィルムを用いた場合の550nmの波長の光透過率は、複合体の光線透過率/基材の光線透過率の値を80%以上とすることが好ましく、85%以上がより好ましく、90%以上がさらに好ましく、95%以上が最も好ましい。
 本発明において光線透過率は、導電性複合体を分光光度計(日立製作所U-2100)に装填し、波長550nmでの光線透過率を測定して得られる値である。
 導電性複合体の表面抵抗値は、2X10Ω/□以下が好ましく、1X10Ω/□以下がより好ましい。表面抵抗値は、1×10Ω/□以上が好ましい。
 表面抵抗値はJISK7194(1994年度制定)準処の4探針法を用い、ロレスタEP MCP-T360((株)ダイアインスツルメンツ社製)を用いて得られる値である。
 好ましい態様は、以下の(1)および(2)を満たす導電性複合体である。
(1)表面抵抗値2X10Ω/□以下;
(2)550nmの波長の光透過率が以下の条件を満たす;
複合体の光透過率/基材の光透過率≧0.90
 導電性複合体のカーボンナノチューブ塗布量は、導電性を必要とする種々の用途を達成するために、調整可能である。例えば膜厚を厚くすることにより表面抵抗は低くなり、膜厚を薄くすることにより高くなる傾向にある。塗布量が1mg/mから40mg/mであれば導電性複合体の光線透過率/基材の光線透過率の値を50%以上とすることができる。さらに、塗布量を30mg/m以下とすれば光線透過率/基材の光線透過率の値を60%以上とすることができる。さらに、塗布量を20mg/m以下であれば70%以上、塗布量を10mg/m以下であれば80%以上とすることでき好ましい。基材の光線透過率とは、基材に樹脂層がある場合は、樹脂層も含めた光線透過率をいう。
 また、塗布量により導電性複合体の表面抵抗値も容易に調整可能であり、塗布量が1mg/mから40mg/mであれば導電性複合体の表面抵抗値は10から10Ω/□とすることができ、好ましい。
 本発明のカーボンナノチューブ分散液を用いることにより、高い透明性を有する導電性複合体を得ることができる。ただし、光線透過率と表面抵抗値は光線透過率をあげるために、塗布量を減らすと表面抵抗値が上昇し、表面抵抗値を下げるために塗布量を増やすと光線透過率が減少するといった相反する値であるため、所望の表面抵抗値および、光線透過率を選択し塗布量を調整する。また分散剤の量を加減することによっても表面抵抗値を調整し得る。分散剤の量を少なくすることで表面抵抗値を低下させる。このようにして得られた導電性複合体は550nmの光線透過率/基材の550nmの光線透過率が90%以上であり、かつ表面抵抗値500Ω/□以下とすることができる。さらに好ましい態様においては、550nmの光線透過率/基材の550nmの光線透過率が94%以上であり、かつ表面抵抗値300Ω/□以下とすることができる。その結果、550nmでの光線透過率が80%以上かつ表面抵抗値500Ω/□以下の電性複合体が得られる。より好ましい態様においては、550nmでの光線透過率が85%以上かつ表面抵抗値300Ω/□以下の電性複合体が得られる。
 本発明の導電性複合体は耐熱性が高く、高導電性であり、制電靴や、制電板などのクリーンルーム用部材や、電磁波遮蔽、近赤外カット、透明電極、タッチパネル、電波吸収などのディスプレー用、自動車用部材として使える。中でもタッチパネル用途に特に優れた性能を発揮する。
 次に、カーボンナノチューブ製造用触媒体について説明する。ここで、触媒体とはカーボンナノチューブ製造用の触媒として作用する遷移金属化合物が担体に担持された総体物のことである。
 触媒体は0.1~1wt%の範囲で8族から10族の遷移金属を含むことが好ましい。遷移金属量は、多いほどカーボンナノチューブ含有組成物の収量が上がるが、多すぎると遷移金属の粒子径が大きくなり、生成するカーボンナノチューブが太くなる。遷移金属量が少ないと、カーボンナノチューブ製造用触媒体上の遷移金属の粒子径が小さくなり、細いカーボンナノチューブが得られるが、収率が低くなる傾向がある。遷移金属の最適な含有量は、触媒体の細孔容量や外表面積、触媒体の調製方法によって異なるが、触媒体に対して0.1~1wt%が好ましく、さらに好ましくは0.2~0.6wt%である。
 遷移金属としては、Fe,Co,Ni,Pd,Pt,Rh等が好ましく、さらに好ましくは、Fe,CoおよびNiから選ばれたものである。遷移金属は1種類だけを含んでいても、2種類以上を含んでいてもよい。2種類以上の遷移金属を使用する場合、その比率は限定されない。2種類の金属を担持させる場合は、Fe,Co,Ni,Pd,PtおよびRhから選択される金属の組み合わせが好ましい。FeとCo,Ni,V,Mo,Pdの1種以上とを組み合わせる場合が最も好ましい。ここで遷移金属は、0価の状態とは限らない。反応中では0価の金属状態になっていると推定できるが、遷移金属を含む化合物でもよい。また遷移金属は微粒子であることが好ましい。微粒子とは粒径が0.5~10nmであることが好ましい。遷移金属が微粒子であると細いカーボンナノチューブが生成しやすい。
 カーボンナノチューブ製造用触媒体は、担体としてマグネシア、アルミナ、シリカ、ゼオライト、カルシアおよびチタニアから選ばれた少なくとも1種類を含むことが好ましく、特に限定されないがマグネシアが好ましく用いられる。ここでマグネシアとは、特に限定しないが、窒素によるBET比表面積が10~50 m/gのもので、形状が微粒子状のものが好ましい。
 本発明の好ましい態様である触媒体は、8族から10族の遷移金属を含む微粒子および薄片状の酸化マグネシウムを含み、前記遷移金属を含む微粒子は平均粒子径が1nm~30nmであり、遷移金属含有量が触媒体に対して0.1~1wt%であるカーボンナノチューブ製造用触媒体である。
 カーボンナノチューブは基体触媒体に対して空間的制約の無い鉛直方向に成長させることにより、効率よく製造することができる。微小な平板構造を持つ基体上担体上にカーボンナノチューブ製造用触媒微粒子を高度に分散させることにより、品質の良いカーボンナノチューブを効率よく成長させることができる。
 本発明の触媒体は薄片状酸化マグネシウム(以下、MgOと表記する)に、8族~10族の遷移金属を含む微粒子(以下「遷移金属微粒子」と称する場合もある)を、1nm~30nmの範囲の平均粒子径で分散させたものである。
 また触媒体中の遷移金属含有量は、0.1~1wt%の範囲が好ましく、0.2~0.6wt%の範囲がさらに好ましい。遷移金属含有量が多くなると、比較的細い径を有するカーボンナノチューブ合成に最適な粒子径が得られず、また、製法によってはアモルファスカーボンなどの炭素不純物を多く生成し易くなる傾向にある。
 本発明において、触媒体中の遷移金属粒子径は、金属分散度測定装置(例えば日本ベル社製金属分散度測定装置(BEL-METAL-1))を用いて、該触媒体の遷移金属微粒子による水素吸着量から算出される平均粒子径とする。水素吸着はパルス法で行う金属分散度測定である。測定条件は以下になる。測定用石英管中にカーボンナノチューブ製造用触媒体を約0.6g導入し、測定系に接続する。次にAr雰囲気下で30分間で900℃まで加熱し、その後400℃まで放冷する。400℃の状態で1時間安定化させた後、5%H/Arガスを0.15cm(H:3.3X10-7mol)の量で25回パルスする。触媒学会参照触媒委員会金属分散度測定マニュアルに準拠した解析を行い、触媒体の水素吸着量から遷移金属1gに対する水素吸着量および遷移金属の平均粒子径を算出する。
 薄片状MgOは、一次構造である微粒子が凝集してできた凝集体、すなわち2次構造形態である。つまり本発明における薄片状MgOは形状としては薄片状を呈し、MgOの1次構造の結晶子径を有するものである。そして遷移金属微粒子はこの凝集体中および/または表面上に取り込まれる形で存在している。
 この薄片状MgOの1次構造の結晶子径はX線回折装置(例えば理学社製RINT2100UltimaPL)により測定することができる。
 図7は、本発明において代表的な製造例のひとつ(200℃で2時間の水熱処理の後に大気下600℃で3時間焼成処理)で製造した触媒体の走査型電子顕微鏡(SEM)(日本電子社製、JSM-6301NF)による観察写真である。また、図8は、本発明における代表的な水熱処理条件の一つ(MgOを150℃、6時間で水熱処理)で水熱処理を行なった際の水熱処理前後および焼成後のX線回折結果である。X線回折測定は粉末X線回折装置に粉末試料を設置した後に、1.5°から80°まで操作し、分析を行った。X線源はCuKα線である。ステップ幅は0.010°、計測時間は1.0秒である。水熱反応前はMgOに由来するピークが測定された(図8(a))。水熱反応後はMg(OH)に由来するピークになった(図8(b))。焼成後にはMgOに由来するピークに戻った(図8(c))。焼成後のMgOの<200>面での半値幅は0.77degであり、Scherrerの式を用いることで結晶子径を求めた。結晶子径は11nmであった。
 薄片状MgOの一次構造である微粒子は小さいことが、単層および2層のカーボンナノチューブを製造しやすい点で好ましい。X線回折結果から観測される200面の半値幅が、0.6~0.95degであること、すなわち、結晶子径に換算すると5~20nmであることが好ましい。
 本発明の触媒体は、適度なかさ密度を得るため、および、カーボンナノチューブ製造時に触媒体が微小な基板として有効に存在できる点から、長辺方向の平均長さ0.05~10μm、平均厚み1~50nmであることが好ましく、平均長辺方向の長さ0.1~1.0μm、平均厚み10~50nmであることがより好ましい。触媒体の平均長さは、SEM画像より100個の触媒体の大きさを測定して算術平均することにより求められる。この時SEMの倍率は60,000倍で観察をする。また、厚みはSEMで観察される触媒体の厚み方向の長さを測定し、長辺方向の長さとはSEMで観察される触媒体の平面方向の長さを直線距離で測定する。
 本発明の薄片状カーボンナノチューブ製造用触媒体からカーボンナノチューブを製造すると、単層から四層あるいは五層以上のカーボンナノチューブが製造されるが、二層含有量が高いカーボンナノチューブが得られる。好ましい態様で製造すると、その二層カーボンナノチューブにおいて平均外径が1~2.5nmの範囲であり、さらには1.0~2.0nmの外径が50%以上含まれるカーボンナノチューブが得られる。
 一本の単層および/または二層カーボンナノチューブの長さを測ることは困難であるが、一般的に1~5μmであると考えられている。
 本発明の薄片状カーボンナノチューブ製造用触媒体を使用して、カーボンナノチューブ含有組成物を製造した場合、製造直後(As-made)の状態でカーボンナノチューブ製造に使用された遷移金属微粒子は全体の遷移金属微粒子に対して、50~95%と非常に高活性である。これは遷移金属微粒子の含有量を0.1~1.0wt%の範囲にすることにより、遷移金属粒子径を単層および/または二層カーボンナノチューブの製造に適した大きさに制御することができ、さらに薄片状の2次構造体にすることで該微粒子を凝集させること無く、高度に分散でき、カーボンナノチューブの成長阻害がないためである。
 カーボンナノチューブ製造用触媒体の製造方法は、特に限定されない。例えば、遷移金属の金属塩を溶解させた非水溶液中(例えばメタノール溶液)または水溶液中に、マグネシア、アルミナ、シリカ、ゼオライト、カルシア、チタニアなどの担体を含浸し、充分に分散混合した後、乾燥させる。またその後、大気中あるいは窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス中あるいは真空中で高温(100~600℃)で加熱してもよい(含浸法)。あるいは遷移金属の金属塩を溶解させた水溶液中に、マグネシアなどの担体を含浸して十分に分散混合し、加熱加圧下で反応させた後に、大気中あるいは窒素などの不活性ガス中で、高温で加熱しても良い(水熱法)。薄片状の触媒体を得るためには、水熱法が好ましい。
 水熱法によるカーボンナノチューブ製造用触媒体の製造方法としては、8族~10族の遷移金属化合物およびMg化合物を水中で加圧下で100~250℃に加熱して水熱反応で触媒前駆体を得る。次に、該触媒前駆体を400~1200℃に加熱することで、遷移金属を含有する薄片状MgOが得られる。水熱反応を行うことで、遷移金属化合物とMg化合物がそれぞれ加水分解され、脱水重縮合を経由して複合水酸化物となる。これにより遷移金属が水酸化Mg中に高度に分散された状態の触媒前駆体になる。
 このときの遷移金属化合物としては硝酸塩、亜硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、クエン酸アンモニウム塩、アセチルアセトネート、酸化物および水酸化物のうち少なくとも一つが好まし。クエン酸アンモニウム塩、硝酸塩、酢酸塩、またはクエン酸塩がより好ましい。なかでもクエン酸鉄(III)アンモニウム、または硝酸鉄が好ましく用いられる。
 Mg化合物としては硝酸塩、亜硝酸塩、硫酸塩、硫酸アンモニウム塩、炭酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、酸化物および水酸化物から選ばれたものが好ましく、酸化物がより好ましい。
 また水とMg化合物はモル比で4:1~100:1で混合することが好ましく、より好ましくは9:1~50:1であり、さらに好ましくは9:1~30:1である。
 なお、遷移金属化合物とMg化合物はあらかじめ混合、濃縮乾固したものを水中で混合撹拌して水熱反応を行っても良いが、工程を簡略化するために、遷移金属化合物とMg化合物を直接水中に加えて、水熱反応に供することが好ましい。
 水熱反応は加熱、加圧下で行われる。オートクレーブなどの耐圧容器中でけん濁状態の混合物を100℃~250℃の範囲で加熱し、自生圧を発生させることが好ましい。加熱温度は100~200℃の範囲がより好ましい。なお、不活性ガスを加えて圧力をかけてもかまわない。水熱反応時の加熱時間は加熱温度と密接に関係しており、通常は30分~10時間程度で行われ、温度が高いほど加熱時間は短くてすむ。例えば水熱反応を250℃で行う場合は加熱時間は30分~2時間が好ましく、100℃で行う場合は2~10時間が好ましい。圧力は、4~15 kgf/cm程度が好ましい。
 水熱反応後の触媒前駆体を含む混合物はスラリー状のけん濁液になっている。本発明においては、濾過あるいは遠心分離により、容易に混合物を固液分離して、触媒前駆体を得ることができる。より好ましくは濾過であり、吸引濾過または自然濾過のどちらで行ってもかまわない。従来のカーボンナノチューブ触媒体の製造方法は、一般に遷移金属化合物をMgOへ担持する際に、水を含む混合物を濃縮乾固あるいは蒸発乾固させることにより触媒体を製造している。これは濾過により固液分離を行うと、MgOに未吸着の遷移金属化合物も濾別されてしまい、所定量の遷移金属化合物をMgOに担持することができないためである。一方、本発明の方法を用いると、触媒前駆体を製造するにあたって水熱反応を行うことで、遷移金属化合物とMg化合物がそれぞれ加水分解され、脱水重縮合を経由した複合水酸化物となる。これにより遷移金属が水酸化Mg中に高度に分散された状態となり、水中に未反応の遷移金属化合物はほとんどなくなる。したがって、濾過あるいは遠心分離による固液分離が可能になるのである。濾過あるいは遠心分離は、エネルギー消費量が少ない。ので好ましい。
 水熱処理後、固液分離した触媒前駆体は遷移金属とMgの複合水酸化物であり、加熱することにより遷移金属とMgの複合酸化物となる。加熱は大気または窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス中で行うことができ、400~1000℃の範囲で加熱することが好ましく、400~700℃の範囲がさらに好ましい。加熱時間は1~5時間の範囲で行うことが好ましい。加熱前の触媒前駆体は水酸化Mgが主体であるため、薄片状の1次構造をとっている。加熱温度が高すぎると脱水の際に焼結が起こり、薄片状の2次構造を維持できず、球形、立方体あるいは直方体の構造をとってしまい、遷移金属がMgO内部に取り込まれ、カーボンナノチューブの合成に際しては不効率となる可能性がある。
 本発明の水熱反応を行う際、遷移金属化合物は硫黄成分を含むことが好ましい。硫黄成分の含有量は、遷移金属に対し0.1~20wt%の範囲であることが、カーボンナノチューブ含有組成物の収量がより一層向上するため好ましい。遷移金属化合物に硫黄成分を含有させる方法に特に制限はないが、遷移金属化合物として、硫黄成分を含有する遷移金属化合物を併用することが好ましい。硫黄成分を含む遷移金属化合物としては、硫酸塩、硫酸アンモニウム塩を用いることが好ましい。なかでも硫酸鉄(III)アンモニウムが好ましく用いられる。
 硫黄成分は焼成工程後でも残留している。過剰に硫黄成分が含まれていると触媒毒となってしまい、カーボンナノチューブの成長を阻害する傾向にあるため上記の範囲で添加することが好ましい。さらに好ましくは0.1~10wt%の範囲である。
 カーボンナノチューブ製造用触媒体と炭素含有化合物を加熱下で接触させることによってカーボンナノチューブを製造することができる。その接触の温度は、500~1200℃が好ましく、より好ましくは600~1000℃である。温度が低いと収率良くカーボンナノチューブを得ることが困難になり、温度が高いと使用する反応器の材質に制約が生じる。
 酸化反応に耐え得る、品質の高いカーボンナノチューブ含有組成物が効率よく得られる点で、下記の(1)から(3)の条件を満たすことが好ましい。
(1)カーボンナノチューブ製造用触媒体の重量を炭素含有化合物の流量で割った接触時間(W/F)が100~400min・g/Lの範囲。
(2)炭素含有化合物を含むガスの線速が2~8cm/secの範囲。
(3)カーボンナノチューブ製造用触媒体の凝集体の粒径が0.2~2mmの範囲であり、かつ、かさ密度が0.1~1g/mLの範囲。
 上記の製造条件について詳細に説明する。本発明において反応方式は特に限定しないが、縦型流動床型反応器を用いて反応させることが好ましい。縦型流動床型反応器とは、原料となる炭素含有化合物が、鉛直方向(以下「縦方向」と称する場合もある)に流通するように設置された反応器である。該反応器の一方の端部から他方の端部に向けた方向に炭素含有化合物が流通し、触媒体層を通過する。反応器は、例えば管形状を有する反応器を好ましく用いることができる。なお、上記において、鉛直方向とは、鉛直方向に対して若干傾斜角度を有する方向をも含む(例えば水平面に対し90°±15°、好ましくは90°±10°)。なお、好ましいのは鉛直方向である。なお、炭素含有化合物の供給部および排出部は、必ずしも反応器の端部である必要はなく、炭素含有化合物が前記方向に流通し、その流通過程で触媒体層を通過すればよい。
 触媒体は、縦型流動床型反応器中、反応器の水平断面方向全面に存在させた状態にあり、反応時には流動床を形成した状態とする。このようにすることにより、触媒体と炭素含有化合物を有効に接触させることができる。横型反応器の場合、重力がかかる関係上、触媒体と炭素含有化合物を有効に接触させるため、炭素含有化合物の流れに対して垂直方向で反応器の断面全面に存在させた状態にするには、触媒体を左右から挟み込む必要がある。しかし、カーボンナノチューブ含有組成物の生成反応の場合、反応するに従って触媒体上にカーボンナノチューブ含有組成物が生成して、触媒体の体積が増加するので、左右から触媒体を挟みこむ方法は好ましくない。また、横型で流動床を形成させることも難しい。反応器を縦型にし、反応器内にガスが透過できる台を設置して、その上に触媒体を置くことによって、触媒体を両側から挟みこむことなく、反応器の断面方向に均一に触媒体を存在させることができ、炭素含有化合物を鉛直方向に流通させる際に流動床を形成させることもできる。触媒体を縦型流動床反応器の水平断面方向全面に存在させた状態とは、水平断面方向に全体に触媒体が広がっていて触媒体底部の台が見えない状態を言う。
 流動床型反応は、触媒体を連続的に供給し、反応後の触媒体とカーボンナノチューブ含有組成物を含む集合体を連続的に取り出すことにより、連続的な合成が可能であり、カーボンナノチューブ含有組成物を効率よく得ることができ好ましい。また、原料の炭素含有化合物と触媒体が均一に効率よく接触するためにカーボンナノチューブ合成反応が均一に行われ、アモルファスカーボンなどの不純物による触媒被覆が抑制され、触媒活性が長く続くと考えられる。
 反応器は耐熱性であることが好ましく、石英製、アルミナ製等の耐熱材質からなることが好ましい。
 カーボンナノチューブ製造用触媒体と炭素含有化合物の接触時間(W/F)は100~400min・g/Lの範囲であることが好ましい。ここで接触時間とは反応中に供した触媒体(g)を炭素含有化合物の流量(L/min)で除した値である。カーボンナノチューブを効率的に成長させるには、原料ガスである炭素含有化合物と触媒体をなるべく短時間で接触させることが好ましい。接触時間が長すぎると副反応が起こり、アモルファスカーボンなどの炭素不純物が増える傾向にある。炭素不純物が、増えすぎると触媒金属を被覆してしまうため、カーボンナノチューブの成長が止まってしまう場合がある。そのため、400min・g/L以下が好ましい。また接触時間が短すぎるとカーボンナノチューブの製造効率が悪くなり、収量が大きく減少する。このため、100g・min/mL以上が好ましい。
 炭素含有化合物の線速は2cm/sec以上、好ましくは8cm/sec以下が好ましい。カーボンナノチューブ合成反応においては、炭素含有化合物の分解効率をあげて、収率を上げるために炭素含有化合物を低線速にて流通させることが通常であったが、炭素含有化合物を低線速にて加熱下流通させると炭素含有化合物自身の気相分解や触媒上での副反応によりアモルファスカーボン等の副生物が多量に生成する。高品質カーボンナノチューブ含有組成物を得るためには炭素含有化合物の線速を2cm/sec以上、8cm/sec以下で流通させることが好ましい。さらに好ましくは4cm/sec以上、8cm/sec以下である。線速が速過ぎると、触媒体が大きく舞い上がり反応温度域(均熱帯)から外れ、高品質なカーボンナノチューブ含有組成物が得られない。
 カーボンナノチューブ製造用触媒体の凝集体の粒径およびかさ密度は高品質なカーボンナノチューブを得るために重要な因子となりうる。具体的には触媒体の凝集体の粒径が0.2~2mmの範囲であることが好ましい。本発明においては、炭素含有化合物を比較的高い線速にて流通させるため、触媒体の凝集体の粒径が0.2mm未満では、縦型反応器中で触媒体が大きく舞い上がり、触媒体が反応器の均熱帯を外れることがあり、本発明ほどの高品質なカーボンナノチューブを得ることが困難になる。また触媒体の凝集体の粒径が2mmより大きいと流動床中で触媒体が動きにくいために、炭素含有化合物は、触媒体層の最も通りやすい箇所だけを通ってしまうという、いわゆるショートパスの問題が生じる。よって粒径の大きさは0.2~2mmの範囲が好ましく、さらに好ましくは0.25~1.5mmの範囲であり、最も好ましくは0.5~0.85mmの範囲である。
 触媒体の凝集体の粒径の制御には、特に制限は無いが、例えば篩い分けを行う方法と押し出し機から造粒する方法とがある。篩い分けの方法は、触媒体の凝集した塊状物を粉砕しながら、16~65メッシュの篩いをかけて16メッシュから65メッシュの間にとどまった顆粒状の触媒体を回収する方法である。粉砕の方法はいかなる方法を用いても良い。またメッシュとは、1インチ(25.4mm)の間にある目数を表す。16メッシュはTyler式のサイズで2mmであり、65メッシュは0.212mmである。
 押し出し機からの造粒方法は触媒体と水を混練りし、内径が0.2~2.0mmの孔の開いた各種スクリーンから押し出す。得られた触媒体の線状凝集物を乾燥させながら粉砕し、その後篩い分けを行い16~65メッシュの間にとどまった顆粒状の触媒体を回収する。
 このように篩い分けを行うことにより、凝集体の粒径が0.2~2mmの範囲にある触媒体のみが得られる。上記、好ましい粒径とするには、篩いの目開きを適宜選択すればよい。
 触媒体のかさ密度が0.1~1g/mLの範囲であることにより、触媒体と炭素含有化合物との接触効率が良くなり、よりいっそう高品質なカーボンナノチューブを効率よく、多量に合成することが可能となる。触媒体のかさ密度が0.1g/mL未満では、触媒体を取り扱いづらいといった問題点がある。またかさ密度が小さすぎると、炭素含有化合物と接触させる際に、縦型反応器中で触媒体が大きく舞い上がり、触媒体が反応器の均熱帯を外れることがあり、高品質なカーボンナノチューブを得ることが困難になる。触媒のかさ密度が1g/mLを超えると、触媒体と炭素含有化合物とが均一に効率よく接触することが困難になり、やはり高品質なカーボンナノチューブを得ることが困難になる。触媒体のかさ密度が大きすぎる場合、縦型反応器に触媒体を設置した際、触媒体が密に詰まってしまうため、炭素含有化合物と均一に接触ができず、高品質なカーボンナノチューブを生成することが困難になる。触媒体のかさ密度が上記の範囲であると、炭素含有化合物と触媒金属との接触効率が上がるため、均一で高品質なカーボンナノチューブを効率よく、かつ、多量に製造することが可能となる。また、触媒体のかさ密度が大きすぎる場合、流動床中で触媒体が動きにくいために、炭素含有化合物は、触媒体層の最も通りやすい箇所だけを通ってしまうという、いわゆるショートパスの問題が生じる。触媒体のかさ密度が上記の範囲であると、触媒体が動くことによって、固定されたショートパスができにくい。よって触媒体のかさ密度は0.1g/mL以上、1g/mL以下である。触媒体のかさ密度は、より好ましくは0.2g/mL以上、0.7g/mL以下であり、さらに好ましくは0.2g/mL以上、0.5g/mL以下である。
 かさ密度とは単位かさ体積あたりの粉体質量のことである。以下にかさ密度の測定方法を示す。粉体のかさ密度は、測定時の温度、湿度に影響されることがある。ここで言うかさ密度は、温度20±10℃、湿度60±10%で測定したときの値である。50mLメスシリンダーを測定容器として用い、メスシリンダーの底を軽く叩きながら、予め定めた容積を占めるように粉末を加える。かさ密度の測定に際しては10mL以上の粉末を加えることが好ましい。その後、メスシリンダーの底を床面1cmの高さから落とすことを20回繰り返した後、目視にて粉末が占める容積値の変化率が±0.2mL以内であることを確認し、詰める操作を終了する。もし容積値に目視にて±0.2mL以上の変化があれば、メスシリンダーの底を軽く叩きながら粉末を追加し、再度メスシリンダーの底を床面1cmの高さから落とすことを20回繰り返し、目視にて粉末が占める容積値に±0.2mL以上の変化がないことを確認して操作を終了する。上記の方法で詰めた一定量の粉末の重量を求めることを3回繰り返し、その平均重量を粉末が占める容積で割った値(=重量(g)/体積(mL))を粉末のかさ密度とする。測定に供するカーボンナノチューブ製造用触媒体は、20g±5gとする。なお、カーボンナノチューブ製造用触媒体の量が前記量に満たない場合は、評価可能な量で測定するものとする。
 触媒体の凝集物の粒径とかさ密度の双方を制御することで、縦型反応器内の均熱帯中で触媒体と原料ガスである炭素含有化合物を均一に接触させ、高品質なカーボンナノチューブを得ることができる。
 このように粒径とかさ密度の双方を制御するには例えば担体に触媒金属を担持して触媒体を製造する際、上記のように粒径を制御しつつ、担持する金属の含有量と担体の大きさと比重で適宜調整すればよい。
 本発明において、炭素含有化合物は、特に限定されないが、好ましくは炭化水素がよい。炭化水素は芳香族であっても、非芳香族であってもよい。芳香族の炭化水素では、例えばベンゼン、トルエン、キシレン、クメン、エチルベンゼン、ジエチルベンゼン、トリメチルベンゼン、ナフタレン、フェナントレン、アントラセンまたはこれらの混合物などを使用することができる。また、非芳香族の炭化水素では、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、アセチレン、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、エタノール、メタノール、プロパノール、またはこれらの混合物等を使用することができる。これらの中でも、非芳香族の炭化水素が好ましく、特に単層または二層カーボンナノチューブを作りやすいメタンが最も好ましい炭素含有化合物である。
 炭素含有化合物は、窒素、アルゴン、水素、ヘリウム等の不活性ガスとの混合物として用いても、単独で用いても構わない。触媒体に炭素ガスが供給される反応場は、不活性ガス、または真空雰囲気下(減圧下)であることが、収率良くカーボンナノチューブが得られることから好ましい。
 得られたカーボンナノチューブ含有組成物は、反応終了後に合成したままの状態で利用してもよいが、精製を行うことが好ましい。精製の方法としては、担体材料や触媒金属を除く方法、酸化反応処理する方法あるいはこれらを組合せる方法がよい。
 担体材料や触媒金属を除く方法としては、酸などで取り除くことができる。例えば、担体としてマグネシア、触媒金属として鉄を使った場合には、塩酸などの無機酸でマグネシアおよび鉄を取り除くことができる。このような処理により、触媒金属の残存量を3wt%以下に低減させることができる。酸化反応処理する方法については、前述したとおりである。
 以下、実施例により本発明を具体的に説明する。下記の実施例は例示のために示すものであって、本発明を限定するものではない。
 実施例中、カーボンナノチューブの合成と各種物性評価は以下の方法で行った。また、実施例中、光線透過率、表面抵抗値、カーボンナノチューブのG/D比、カーボンナノチューブの層数測定および耐熱性試験は前述の方法で実施した。
 [触媒調製例1]
 クエン酸アンモニウム鉄(和光純薬工業社製)2.46gをメタノール(関東化学社製)500mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷化学工業社製 MJ-30)を100.0g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌した。得られた懸濁液を減圧下、40℃で濃縮堅固した。得られた粉末を120℃で加熱乾燥してメタノールを除去し、酸化マグネシウム粉末に金属塩が担持された触媒体を得た。得られた固形分は篩い上で、乳鉢で細粒化しながら、20~32メッシュ(0.5~0.85mm)の範囲の粒径を回収した。得られた触媒体に含まれる鉄含有量は0.38wt%であった。またかさ密度は、0.61g/mLであった。
 [触媒調製例2]
 24.6gのクエン酸鉄(III)アンモニウム(和光純薬工業社製)をイオン交換水6.2kgに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製 MJ-30)を1000g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌した後に、懸濁液を10Lのオートクレーブ容器中に導入した。この時、洗い込み液としてイオン交換水0.5kgを使用した。密閉した状態で160℃に加熱し6時間保持した。その後オートクレーブ容器を放冷し、容器からスラリー状の白濁物質を取り出し、過剰の水分を吸引濾過により濾別し、濾取物中に少量含まれる水分は120℃の乾燥機中で加熱乾燥した。得られた固形分は篩い上で、乳鉢で細粒化しながら、20~32メッシュ(0.5~0.85mm)の範囲の粒径を回収した。左記の顆粒状の触媒体を電気炉中に導入し、大気下600℃で3時間加熱した。かさ密度は0.32g/mLであった。また、濾液をエネルギー分散型X線分析装置(EDX)により分析したところ鉄は検出されなかった。このことから、添加したクエン酸鉄(III)アンモニウムは全量酸化マグネシウムに担持されたことが確認できた。さらに触媒体のEDX分析結果から、触媒体に含まれる鉄含有量は0.39wt%であった。
 [触媒調製例3]
 24.6gのクエン酸鉄(III)アンモニウム(和光純薬工業社製)をイオン交換水6.2kgに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製 MJ-30)を1000g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌した後に、懸濁液を10Lのオートクレーブ容器中に導入した。この時、洗い込み液としてイオン交換水0.5kgを使用した。密閉した状態で160℃に加熱し6時間保持した。その後オートクレーブ容器を放冷し、容器からスラリー状の白濁物質を取り出し、過剰の水分を吸引濾過により濾別し、濾取物中に少量含まれる水分は120℃の乾燥機中で加熱乾燥した。得られた固形分を固形分/イオン交換水比が1/1となるようにイオン交換水を加え、混練り機で10分混ぜた後、押し出し機にて内径0.8mmの孔から押し出した。押し出し後、乾燥しながら粉砕し、20~32メッシュ(0.5~0.85mm)の篩にて整粒した。左記の顆粒状の触媒体を電気炉中に導入し、大気下600℃で3時間加熱した。かさ密度は0.47g/mLであった。また、濾液をエネルギー分散型X線分析装置(EDX)により分析したところ鉄は検出されなかった。このことから、添加したクエン酸鉄(III)アンモニウムは全量酸化マグネシウムに担持されたことが確認できた。さらに触媒体のEDX分析結果から、触媒体に含まれる鉄含有量は0.38wt%であった。
 [触媒調製例4]
 クエン酸アンモニウム鉄(和光純薬工業社製)2.46gをメタノール(関東化学社製)500mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷化学工業社製 MJ-30)を100.0g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌した。得られた懸濁液を減圧下、40℃で濃縮堅固した。得られた粉末を120℃で加熱乾燥してメタノールを除去し、酸化マグネシウム粉末に金属塩が担持された触媒体を得た。得られた固形分は篩い上で、乳鉢で細粒化しながら、32メッシュ(0.5mm)以下の粒径になるまで乳鉢で細粒化した。得られた細粒は、60メッシュ(0.25mm)パスの細粒が55wt%程度含まれるものであった。得られた触媒体に含まれる鉄含有量は0.37wt%であった。またかさ密度は、0.78g/mLであった。
 [実施例1 カーボンナノチューブ含有組成物製造例1]
 図4に示した装置を用いてカーボンナノチューブの合成を行った。反応器403は内径75mm、長さは1100mmの円筒形石英管である。中央部に石英焼結板402を具備し、石英管下方部には、不活性ガスおよび原料ガス供給ラインである混合ガス導入管408、上部には廃ガス管406を具備する。さらに、反応器を任意温度に保持できるように、反応器の円周を取り囲む加熱器として3台の電気炉401を具備する。また反応管内の温度を検知するために温度計405を具備する。
 触媒調製例1で調製した固体触媒体132gを、鉛直方向に設置した反応器の中央部の石英焼結板上に導入することで触媒体層404を形成した。反応管内温度が約860℃になるまで、触媒体層を加熱しながら、反応器底部から反応器上部方向へ向けてマスフローコントローラー407を用いて窒素ガスを16.5L/minで供給し、触媒体層を通過するように流通させた。その後、窒素ガスを供給しながら、さらにマスフローコントローラー407を用いてメタンガスを0.78L/minで60分間導入して触媒体層を通過するように通気し、反応させた。この際の固体触媒体の重量をメタンの流量で割った接触時間(W/F)は、169min・g/L、メタンを含むガスの線速が6.55cm/secであった。メタンガスの導入を止め、窒素ガスを16.5L/min通気させながら、石英反応管を室温まで冷却した。
 加熱を停止させ室温まで放置し、室温になってから反応器から触媒体とカーボンナノチューブを含有するカーボンナノチューブ含有組成物を取り出した。
 [実施例2 カーボンナノチューブ含有組成物製造例2]
 カーボンナノチューブ含有組成物製造例1と同様の装置および操作で触媒体は触媒調製例2を用いて製造を行った。
 [実施例3 カーボンナノチューブ含有組成物製造例3]
 実施例1と同様の装置および操作で触媒体は触媒調製例3を用いて製造を行った。
 [参考例1 カーボンナノチューブ含有組成物製造例4]
 実施例1と同様の装置および操作で触媒体は触媒調製例4を用いて製造を行った。
 [ラマン分光分析によるカーボンナノチューブの評価]
 共鳴ラマン分光計(ホリバ ジョバンイボン製 INF-300)に粉末試料を設置し、633nmのレーザー波長を用いて測定を行った。測定に際しては3箇所、別の場所にて分析を行い、GバンドおよびDバンドの高さを測定し、それぞれの高さの比でG/D比を求め、その相加平均で表した。
 [導電性の評価]
 カーボンナノチューブ含有組成物の導電性は、濃度が0.09wt%のカーボンナノチューブ含有組成物分散液を調製し、PETフィルム(東レ(株)社製(ルミラー(R) U46)、光透過率91%、15cm×10cm)上にバーコーターを用いて塗布し、表面抵抗値をロレスタEP MCP-T360((株)ダイアインスツルメンツ社製)、ハイレスターUP MCP-HT450((株)ダイアインスツルメンツ社製、10V、10秒)を用いて測定した。
 [高分解能透過型電子顕微鏡写真]
 カーボンナノチューブ含有組成物約0.5mgをエタノール約2mLに入れて、約15分間超音波バスを用いて分散処理を行った。分散した試料をグリッド上に滴下して乾燥した。この様に試料の塗布されたグリッドを透過型電子顕微鏡(日本電子製 JEM-2100)に設置し、測定を行った。測定倍率はそれぞれ5万倍から50万倍で行い、カーボンナノチューブの外径分布および層数分布の観察は40万倍で行った。加速電圧は120kVである。
 (実施例4:加熱酸化処理)
 カーボンナノチューブ含有組成物製造例4で得られた、触媒体およびカーボンナノチューブを含有する組成物を蒸発皿に移し変えて、設定温度446℃まであらかじめ加熱した電気炉に静置して3時間加熱酸化処理した。
 加熱酸化処理後の組成物115gを、4.8Nの塩酸水溶液2000mL中で1時間撹拌することで触媒金属である鉄とその担体であるMgOを溶解した。得られた黒色懸濁液は濾過した後、濾取物を再度4.8Nの塩酸水溶液400mLに投入し、脱MgO処理をし、濾取した。この操作を3回繰り返した(脱MgO処理)。最終的に得られたカーボンナノチューブを含む濾取物は120℃で加熱乾燥を一晩行い、カーボンナノチューブ含有組成物を得た。
 約1mgの試料を熱重量分析装置(島津製作所製 TGA-60)に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの重量変化を測定し、重量減少曲線を時間で微分することにより微分熱重量曲線(DTG)(x軸を温度(℃)、y軸をDTG(mg/min))とした。高温側の燃焼ピークは725℃であり、高温側の重量減少は37.7%であった。低温側の燃焼ピークは580℃であり、低温側の重量減少は51%であった。変曲点は640℃であった(図5)。TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.43であった。
 熱重量分析の結果より、図6に示した縦型加熱酸化反応装置でカーボンナノチューブ含有組成物の加熱酸化処理を行った。反応器603は内径32mm、長さは1200mmの円筒形石英管である。中央部に石英焼結板602を具備し、石英管下方部には、ガス供給ライン608、上部には廃ガスライン606を具備する。さらに、反応器を任意温度に保持できるように、反応器の円周を取り囲む加熱器601を具備する。また反応管内の温度を検知するために温度計605を具備する。
 カーボンナノチューブ含有組成物0.310gを、石英焼結板602上にセットした。次いで、ガス供給ライン608からマスフローコントローラー607を用いて空気を500mL/minで供給開始し、カーボンナノチューブ含有組成物層604を通過するように流通させた。反応器内を変曲点温度640℃となるまで10℃/minの昇温速度で加熱した。前記、変曲点温度640℃に到達した時点で空気ガス供給を止め、ガス供給ライン608よりマスフローコントローラー607を用いて窒素ガスを2000mL/minの流量で供給し、石英管を室温まで放冷した。
 再度熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=1.00であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは729℃であった。触媒体を4.8Nの塩酸処理により除去した、加熱酸化を行っていない未精製のカーボンナノチューブ含有組成物に対しての収率は5.27%であった。
 このようにして得られたカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、図1に示すように、カーボンナノチューブはきれいなグラファイト層で構成されており、層数が二層のカーボンナノチューブが観測された。また観察されたカーボンナノチューブ総本数(100本)のうち94本を二層カーボンナノチューブが占めており、平均外径は1.7nmであった(図2)。また、この時のカーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は122であった。前記加熱酸化処理によって得られたカーボンナノチューブ含有組成物は、イオン交換水100mL中で2時間撹拌し、減圧濾過して水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。
 (実施例5:加熱酸化処理+液相酸化処理)
 実施例4で得られたウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物の乾燥重量分に対して、約300倍の重量の濃硝酸(和光純薬工業社製 1級 Assay60~61%)を添加した。その後、約140℃のオイルバスで25時間攪拌しながら加熱還流した。加熱還流後、カーボンナノチューブ含有組成物を含む硝酸溶液をイオン交換水で3倍に希釈して吸引ろ過した。イオン交換水で濾取物の懸濁液が中性となるまで水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。
 このとき水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体の重量は980mgあった(カーボンナノチューブ含有組成物濃度:8.43wt%)。カーボンナノチューブ含有組成物の熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.85であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは793℃であり、低温側の燃焼ピークは489℃であった。硝酸による液相加熱酸化処理により、カーボンナノチューブが傷つけられて、低温側の重量減少が大きくなったものと推定される。またカーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は122であった。
 このカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、観察されたカーボンナノチューブ総本数(100本)のうち94本を二層カーボンナノチューブが占めており、平均外径は1.7nmであった。触媒体を4.8Nの塩酸処理により除去した加熱酸化や液相酸化などを行っていない未精製のカーボンナノチューブ含有組成物に対しての収率は2.06%であった。
 得られたウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物は乾燥重量換算で15mg、1wt%カルボキシメチルセルロースナトリウム(シグマ社製90kDa,50~200cps)水溶液4.5gを量りとり、イオン交換水を加え10gにした。硝酸を用いてpHを4.0に合わせ超音波ホモジナイザー出力20W、7.5分間で氷冷下分散処理しカーボンナノチューブ液を調製した。分散中液温が10℃以下となるようにした。得られた液を高速遠心分離機にて10000G、15分遠心し、上清9mLを得た。その後、水、エタノールを添加して終濃度でカーボンナノチューブ含有組成物の濃度が0.08wt%となるように調製して分散液とした。この時、エタノールは5vol%含むように調製した。
 ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ(株)社製(ルミラー(R) U46)、光透過率90.3%、15cm×10cm)上にバーコーターを用いて塗布して風乾した後、蒸留水にてリンスし、120℃乾燥機内で2分間乾燥させカーボンナノチューブ含有組成物を固定化した。得られた塗布フィルムの表面抵抗値は4.03×10Ω/□、光透過率は94.9%(透明導電性フィルム85.7%/PETフィルム90.3%=0.949)であり、高い導電性および透明性を示した。
 またウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物を乾燥重量20mgとなるように取り出し、上述した方法でカーボンナノチューブのバルク膜を作製した後に体積抵抗値を測定した。その結果、4.0X10-4Ω・cmであった。
 (実施例6:液相酸化処理)
 カーボンナノチューブ含有組成物製造例2で得られた、触媒体およびカーボンナノチューブを含有する組成物55gを4.8Nの塩酸水溶液2000mL中で1時間撹拌することで触媒金属である鉄とその担体であるMgOを溶解した。得られた黒色懸濁液は濾過した後、濾取物は再度4.8Nの塩酸水溶液400mLに投入し脱MgO処理をし、濾取した。この操作を3回繰り返した(脱MgO処理)。その後、イオン交換水で濾取物の懸濁液が中性となるまで水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。このとき水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体の重量は60.0gあった(カーボンナノチューブ含有組成物濃度:2.26wt%)。
 カーボンナノチューブ含有組成物の熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.22であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは626℃であり、低温側の燃焼ピークは531℃であった。また、カーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は22であった。
 得られたウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物の乾燥重量分に対して、約300倍の重量の濃硝酸(和光純薬工業社製 1級 Assay60~61%)を添加した。その後、約140℃のオイルバスで25時間攪拌しながら加熱還流した。加熱還流後、カーボンナノチューブ含有組成物を含む硝酸溶液をイオン交換水で3倍に希釈して吸引ろ過した。イオン交換水で濾取物の懸濁液が中性となるまで水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。
 一部試料を乾燥させた後に、熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.79であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは725℃であり、低温側の燃焼ピークは452℃であった。また、カーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は79であった。
 このカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、観察されたカーボンナノチューブ総本数(100本)のうち90本を二層カーボンナノチューブが占めており、平均外径は1.7nmであった。このとき水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体の重量は3.351gあった(カーボンナノチューブ含有組成物濃度:5.29wt%)。触媒体を4.8Nの塩酸処理により除去した加熱酸化や液相酸化などを行っていない未精製のカーボンナノチューブ含有組成物に対しての収率は13.1%であった。
 得られたウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物は乾燥重量換算で15mg、1wt%カルボキシメチルセルロースナトリウム(シグマ社製90kDa,50~200cps)水溶液4.5gを量りとり、イオン交換水を加え10gにした。硝酸を用いてpHを4.0に合わせ超音波ホモジナイザー出力20W、7.5分間で氷冷下分散処理しカーボンナノチューブ液を調製した。分散中液温が10℃以下となるようにした。得られた液を高速遠心分離機にて10000G、15分遠心し、上清9mLを得た。その後、水、エタノールを添加して水、エタノールを添加して終濃度でカーボンナノチューブ含有組成物の濃度が0.08wt%となるように調製して分散液とした。この時、エタノールは5vol%を含むように調製した。
 ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ(株)社製(ルミラー(R) U46)、光透過率90.3%、15cm×10cm)上にバーコーターを用いて塗布して風乾した後、蒸留水にてリンスし、120℃乾燥機内で2分間乾燥させカーボンナノチューブ含有組成物を固定化した。得られた塗布フィルムの表面抵抗値は3.01×10Ω/□、光透過率は94.9%(透明導電性フィルム85.7%/PETフィルム90.3%=0.949)であり、高い導電性および透明性を示した。
 またウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物を乾燥重量20mgとなるように取り出し、上述した方法でカーボンナノチューブのバルク膜を作製した後に体積抵抗値を測定した。その結果、3.9X10-4Ω・cmであった。
 (実施例7:液相酸化処理)
 カーボンナノチューブ含有組成物製造例3で得られた、触媒体およびカーボンナノチューブを含有する組成物130gを4.8Nの塩酸水溶液2000mL中で1時間撹拌することで触媒金属である鉄とその担体であるMgOを溶解した。得られた黒色懸濁液は濾過した後、濾取物は再度4.8Nの塩酸水溶液400mLに投入し脱MgO処理をし、濾取した。この操作を3回繰り返した(脱MgO処理)。その後、イオン交換水で濾取物の懸濁液が中性となるまで水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。このとき水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体の重量は102.7gあった(カーボンナノチューブ含有組成物濃度:3.12wt%)。
 カーボンナノチューブ含有組成物全体の熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.19であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは591℃であり、低温側の燃焼ピークは517℃であった。またカーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は13であった。
 得られたウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物の乾燥重量分に対して、約300倍の重量の濃硝酸(和光純薬工業社製 1級 Assay60~61%)を添加した。その後、約140℃のオイルバスで25時間攪拌しながら加熱還流した。加熱還流後、カーボンナノチューブ含有組成物を含む硝酸溶液をイオン交換水で3倍に希釈して吸引ろ過した。イオン交換水で濾取物の懸濁液が中性となるまで水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。
 一部試料を乾燥させた後に、熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.79であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは751℃であり、低温側の燃焼ピークは448℃であった。このとき水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体の重量は3.351gあった(カーボンナノチューブ含有組成物濃度:5.29wt%)。またカーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は43であった。
 このカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、観察されたカーボンナノチューブ総本数(100本)のうち92本を二層カーボンナノチューブが占めており、平均外径は1.7nmであった。触媒体を4.8Nの塩酸処理により除去した加熱酸化や液相酸化などを行っていない未精製のカーボンナノチューブ含有組成物に対しての収率は10.4%であった。
 得られたウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物は乾燥重量換算で15mg、1wt%カルボキシメチルセルロースナトリウム(シグマ社製90kDa,50~200cps)水溶液4.5gを量りとり、イオン交換水を加え10gにした。硝酸を用いてpHを4.0に合わせ超音波ホモジナイザー出力20W、7.5分間で氷冷下分散処理しカーボンナノチューブ液を調製した。分散中液温が10℃以下となるようにした。得られた液を高速遠心分離機にて10000G、15分遠心し、上清9mLを得た。その後、水、エタノールを添加して水、エタノールを添加し、終濃度でカーボンナノチューブ含有組成物の濃度が0.08wt%となるように調製し分散液とした。この時、エタノールは5vol%含むように調製した。
 ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ(株)社製(ルミラー(R) U46)、光透過率90.3%、15cm×10cm)上にバーコーターを用いて塗布して風乾した後、蒸留水にてリンスし、120℃乾燥機内で2分間乾燥させカーボンナノチューブ含有組成物を固定化した。得られた塗布フィルムの表面抵抗値は3.01×10Ω/□、光透過率は95.2%(透明導電性フィルム86.0%/PETフィルム90.3%=0.952)であり、高い導電性および透明性を示した。
 またウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物を乾燥重量20mgとなるように取り出し、上述した方法でカーボンナノチューブのバルク膜を作製した後に体積抵抗値を測定した。その結果、3.9X10-4Ω・cmであった。
 (実施例8:加熱酸化処理+液相酸化処理)
 カーボンナノチューブ含有組成物製造例4で得られた、触媒体およびカーボンナノチューブを含有する組成物を蒸発皿に移し変えて、設定温度446℃まであらかじめ加熱した電気炉に静置して3時間加熱酸化処理した。
 上記のようにして得たカーボンナノチューブ含有組成物を用いて4.8Nの塩酸水溶液中で1時間撹拌することで触媒金属である鉄とその担体であるMgOを溶解した。得られた黒色懸濁液は濾過した後、濾取物は再度4.8Nの塩酸水溶液に投入し脱MgO処理をし、濾取した。この操作を3回繰り返した(脱MgO処理)。最終的に得られたカーボンナノチューブ含有濾取物は120℃で加熱乾燥を一晩行い、カーボンナノチューブ含有組成物を得た。
 得られたカーボンナノチューブ含有組成物を乾燥重量で5.33g移し変えて、設定温度550℃まであらかじめ加熱した電気炉に静置して3時間加熱酸化処理した。この処理によりカーボンナノチューブ含有組成物を1.42g得た。
 得られたカーボンナノチューブ含有組成物の乾燥重量分に対して、約300倍の重量の濃硝酸(和光純薬工業社製 1級 Assay60~61%)を添加した。その後、約140℃のオイルバスで25時間攪拌しながら加熱還流した。加熱還流後、カーボンナノチューブ含有組成物を含む硝酸溶液をイオン交換水で3倍に希釈して吸引ろ過した。イオン交換水で濾取物の懸濁液が中性となるまで水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。
 このとき水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体の重量は9.188gあった(カーボンナノチューブ含有組成物濃度:6.53wt%)。熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.85であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは753℃であり、低温側の燃焼ピークは487℃であった。またカーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は60であった。
 このカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、観察されたカーボンナノチューブ総本数(100本)のうち87本を二層カーボンナノチューブが占めており、平均外径は1.8nmであった。触媒体を4.8Nの塩酸処理により除去した加熱酸化や液相酸化などを行っていない未精製のカーボンナノチューブ含有組成物に対しての収率は1.44%であった。
 得られたウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物は、乾燥重量換算で15mg、1wt%カルボキシメチルセルロースナトリウム(シグマ社製90kDa,50~200cps)水溶液4.5gを量りとり、イオン交換水を加え10gにした。硝酸を用いてpHを4.0に合わせ超音波ホモジナイザー出力20W、7.5分間で氷冷下分散処理しカーボンナノチューブ液を調製した。分散中液温が10℃以下となるようにした。得られた液を高速遠心分離機にて10000G、15分遠心し、上清9mLを得た。その後、水、エタノールを添加して水、エタノールを添加し、終濃度でカーボンナノチューブ含有組成物の濃度が0.08wt%となるように調製して分散液とした。この時、エタノールは5vol%含むように調製した。
 ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ(株)社製(ルミラー(R) U46)、光透過率90.3%、15cm×10cm)上にバーコーターを用いて塗布して風乾した後、蒸留水にてリンスし、120℃乾燥機内で2分間乾燥させカーボンナノチューブ含有組成物を固定化した。得られた塗布フィルムの表面抵抗値は3.65×10Ω/□、光透過率は94.1%(透明導電性フィルム85.0%/PETフィルム90.3%=0.941)であり、高い導電性および透明性を示した。
 (実施例9)
 カーボンナノチューブ含有組成物製造例1で得られた、触媒体およびカーボンナノチューブを含有する組成物118gを蒸発皿に移し変えて、設定温度446℃まであらかじめ加熱した電気炉に静置して3時間加熱酸化処理した。
 上記のようにして得たカーボンナノチューブ含有組成物を4.8Nの塩酸水溶液中で1時間撹拌することで触媒金属である鉄とその担体であるMgOを溶解した。得られた黒色懸濁液は濾過した後、濾取物は再度4.8Nの塩酸水溶液に投入し脱MgO処理をし、濾取した。この操作を3回繰り返した(脱MgO処理)。最終的に得られた濾取物は120℃で加熱乾燥を一晩行い、カーボンナノチューブ含有組成物を0.374g得た。
 得られたカーボンナノチューブ含有組成物の乾燥重量分に対して、約300倍の重量の濃硝酸(和光純薬工業社製 1級 Assay60~61%)を添加した。その後、約140℃のオイルバスで5時間攪拌しながら加熱還流した。加熱還流後、カーボンナノチューブ含有組成物を含む硝酸溶液をイオン交換水で3倍に希釈して吸引ろ過した。イオン交換水で濾取物の懸濁液が中性となるまで水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。このとき水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体の重量は4.651gあった(カーボンナノチューブ含有組成物濃度:7.47wt%)。
 カーボンナノチューブ含有組成物の熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.87であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは739℃であり、低温側の燃焼ピークは497℃であった。またカーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は35であった。
 このカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、観察されたカーボンナノチューブ総本数(100本)のうち88本を二層カーボンナノチューブが占めており、平均外径は1.8nmであった。触媒体を4.8Nの塩酸処理により除去した加熱酸化や液相酸化などを行っていない未精製のカーボンナノチューブ含有組成物に対しての収率は16.2%であった。
 またウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物を乾燥重量20mgとなるように取り出し、上述した方法でカーボンナノチューブのバルク膜を作製した後に体積抵抗値を測定した。その結果、4.4X10-4Ω・cmであった。
 (参考例2)
 カーボンナノチューブ含有組成物製造例4で得られた、触媒体およびカーボンナノチューブを含有する組成物を蒸発皿に移し変えて、設定温度446℃まであらかじめ加熱した電気炉に静置して3時間加熱酸化処理した。
 上記のようにして得たカーボンナノチューブ含有組成物は124g用いて4.8Nの塩酸水溶液2000mL中で1時間撹拌することで触媒金属である鉄とその担体であるMgOを溶解した。得られた黒色懸濁液は濾過した後、濾取物は再度4.8Nの塩酸水溶液400mLに投入し脱MgO処理をし、濾取した。この操作を3回繰り返した(脱MgO処理)。最終的に得られた濾取物は120℃で加熱乾燥を一晩行い、カーボンナノチューブ含有組成物を得た。
 カーボンナノチューブ含有組成物の一部を約1mgの試料を熱重量分析装置(島津製作所製 TGA-60)に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの重量変化を測定し、重量減少曲線を時間で微分することにより微分熱重量曲線(DTG)とし(x軸を温度(℃)とし、y軸をDTG(mg/min)とした。熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.25であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは725℃であり、低温側の燃焼ピークは580℃であった。
 得られたカーボンナノチューブ含有組成物の重量分に対して、約300倍の重量の濃硝酸(和光純薬工業社製 1級 Assay60~61%)を添加した。その後、約140℃のオイルバスで5時間攪拌しながら加熱還流した。加熱還流後、カーボンナノチューブ含有組成物を含む硝酸溶液をイオン交換水で3倍に希釈して吸引ろ過した。イオン交換水で濾取物の懸濁液が中性となるまで水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。
 このとき水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体の重量は2.658gあった(カーボンナノチューブ含有組成物濃度:7.01wt%)。得られたウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物の一部を120℃の乾燥機で一晩乾燥させた後、約1mgの試料を熱重量分析装置(島津製作所製 TGA-60)に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの重量変化を測定し、重量減少曲線を時間で微分することにより微分熱重量曲線(DTG)と(x軸を温度(℃)、y軸をDTG(mg/min))とした。熱重量分析を行った結果、TG(H)/(TG(L)+TG(H))=0.54であった。DTG曲線から高温側の燃焼ピークは732℃であり、低温側の燃焼ピークは637℃であった。またカーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は75であった。
 このカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、観察されたカーボンナノチューブ総本数(100本)のうち88本を二層カーボンナノチューブが占めており、平均外径は1.8nmであった。触媒体を4.8Nの塩酸処理により除去した加熱酸化や液相酸化などを行っていない未精製のカーボンナノチューブ含有組成物に対しての収率は10.4%であった。
 得られたウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物を乾燥重量換算で15mg、および、1wt%カルボキシメチルセルロースナトリウム(シグマ社製90kDa,50~200cps)水溶液4.5gを量りとり、イオン交換水を加え10gにした。硝酸を用いてpHを4.0に合わせ、超音波ホモジナイザーを用いて出力20W、7.5分間で氷冷下分散処理し、カーボンナノチューブ液を調製した。分散中液温が10℃以下となるようにした。得られた液を高速遠心分離機にて10000G、15分遠心し、上清9mLを得た。その後、水およびエタノールを添加してカーボンナノチューブ含有組成物の濃度が0.08wt%となるように調整して分散液とした。この時、エタノールは5vol%含むように調整した。
 ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ(株)社製(ルミラー(R) U46)、光透過率90.3%、15cm×10cm)上にバーコーターを用いて塗布して風乾した後、蒸留水にてリンスし、120℃乾燥機内で2分間乾燥させカーボンナノチューブ含有組成物を固定化した。得られた塗布フィルムの表面抵抗値は8.02×10Ω/□、光透過率は95.2%(透明導電性フィルム86.0%/PETフィルム90.3%=0.952)であった。
 またウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物を乾燥重量20mgとなるように取り出し、上述した方法でカーボンナノチューブのバルク膜を作製した後に体積抵抗値を測定した。その結果、7.5X10-4Ω・cmであった。
 カーボンナノチューブ含有組成物は、TG(H)/(TG(L)+TG(H))が0.54と小さく、他の実施例と比較して体積抵抗値が大きい。絶縁性のアモルファスカーボンを多く含むTG(L)の成分が多いためである。それに伴い、ほぼ同透過率で表面抵抗値も高くなっている。
 <実施例10>
 (触媒体合成)
 クエン酸鉄(III)アンモニウム(和光純薬工業社製)0.74gをイオン交換水120mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製MJ-30)を30g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌処理した後に、懸濁液を200mLのオートクレーブ容器中に導入した。密閉した状態で200℃に加熱し2時間保持した。その後オートクレーブ容器を放冷し、容器からスラリー状の白濁物質を取り出し、過剰の水分を吸引濾過により濾別した。濾取物中に少量含まれる水分は120℃の乾燥機中で加熱乾燥した。得られた固形分を電気炉中に導入し、大気下600℃で3時間加熱した。脱水された固形分は20~32メッシュの粒径になるまで細粒化した。上記の操作を繰り返し、以下の実験に供した。かさ密度は0.32g/mLであった。また、濾液をエネルギー分散型X線分析装置(EDX)により分析したところ鉄は検出されなかった。このことから、添加したクエン酸鉄(III)アンモニウムは全量酸化マグネシウムに担持されたことが確認できた。さらに触媒体のEDX分析結果から、薄片状酸化マグネシウムに含まれる鉄含有量は0.39wt%であった。
 (XRD測定)
 粉末X線回折装置(理学電機株式会社製 RINT2100)に粉末試料を設置した後に、1.5°から80°まで操作し、分析を行った。X線源はCuKα線である。ステップ幅は0.010°、計測時間は1.0秒である。水熱反応後の分析結果は次のとおりであった。原料に用いたMgOの水熱反応後の生成物はMg(OH)に由来するピークを示した。大気下600℃で3時間焼成後にはMgOに由来するピークに戻った。焼成後のMgOの<200>面での半値幅は0.79degであり、結晶子径は11nmであった。
 (SEM観察)
 日本電子社製の走査型電子顕微鏡(JSM-6301NF)を用いて水熱反応後さらに焼成後の触媒体の形状を観察した。10~50nm程度の微粒子が凝集した薄片状構造であることを確認した。前記方法で算出した薄片状構造の長辺方向の平均長さは537nmであり、平均厚みは25nmであった。
 (水素吸着測定)
 日本ベル社製の水素吸着装置(BEL-METAL-1)を用いて、Feの水素吸着量を測定した。Fe1gあたりの水素吸着量は31cm/g(Fe)であり、平均粒子径は7.4nmであった。
 (カーボンナノチューブの合成)
 図4に示した装置を用いてカーボンナノチューブの合成を行った。反応器403は内径75mm、長さは1100mmの円筒形石英管である。中央部に石英焼結板402を具備し、石英管下方部には、不活性ガスおよび原料ガス供給ラインである混合ガス導入管408、上部には廃ガス管406を具備する。さらに、反応器を任意温度に保持できるように、反応器の円周を取り囲む加熱器として3台の電気炉401を具備する。また反応管内の温度を検知するために石英管で保護された温度計405を具備する。
 上記で調製した固体触媒体132gをとり、鉛直方向に設置した反応器の中央部の石英焼結板上に導入することで触媒層404を形成した。触媒層を30分間かけて860℃に加熱しながら、反応器底部から反応器上部方向へ向けてマスフローコントローラー407を用いて窒素ガスを16.5L/minで30分間供給し、触媒層を通過するように流通させた。その後、窒素ガスを供給しながら、さらにマスフローコントローラー407を用いてメタンガスを0.78L/minで60分間導入して触媒層を通過するように通気し、反応させた。メタンガスの導入を止め、窒素ガスを16.5L/min通気させながら、石英反応管を室温まで冷却した。触媒とカーボンナノチューブを含有する組成物を取り出し、蒸発皿に移し変えて、設定温度446℃まであらかじめ加熱した電気炉に静置して3時間加熱酸化処理した。上記のようにして得たカーボンナノチューブ含有組成物は115g用いて4.8Nの塩酸水溶液2000mL中で1時間撹拌することで触媒金属である鉄とその担体であるMgOを溶解した。得られた黒色懸濁液は濾過した後、濾取物は再度4.8Nの塩酸水溶液400mLに投入し脱MgO処理をし、濾取した。この操作を3回繰り返した(脱MgO処理)。最終的に得られたカーボンナノチューブ含有濾取物は120℃で加熱乾燥を一晩行い、カーボンナノチューブ含有組成物を得た。
 精製後のカーボンナノチューブの回収率は加熱酸化処理せず、脱MgO処理のみを行った製造直後のカーボン堆積量に対して、30%であった。
 (カーボンナノチューブ含有組成物の熱分析)
 約1mgの試料を示差熱分析装置(島津製作所製 TGA-60)に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの重量変化を測定した。その結果重量変化は100%であった。
 (ラマン分光分析によるカーボンナノチューブの性状評価)
 共鳴ラマン分光計(ホリバ ジョバンイボン製 INF-300)に粉末試料を設置し、532nmのレーザー波長を用いて測定を行った。上記のようにして加熱酸化処理し、塩酸でMgOを除去した後に得たカーボンナノチューブ含有組成物のG/D比(励起波長:532nm)は34であった。
 (TEM観察)
 日本電子社製の走査型電子顕微鏡(JEM-2100)を用いて精製後のカーボンナノチューブの形状を250,000倍で観察し、130本の層数および外形径を解析した。結果を図12に示す。二層カーボンナノチューブは90%含まれており、平均直径は1.7nmであった。直径は直線性のよい部分で測定した値の算術平均とした。
 (体積抵抗)
 上記触媒を取り除いた2層カーボンナノチューブ集合体570mgを濃硝酸(和光純薬工業社製 1級 Assay60~61%)200mLに添加し、130℃のオイルバスで5時間攪拌しながら加熱した。加熱攪拌終了後、カーボンナノチューブを含む硝酸溶液をろ過し、蒸留水で水洗後、120℃で1晩乾燥させたところ、420mgのカーボンナノチューブ含有組成物が得られた。
 上記で得られたカーボンナノチューブ含有組成物20mgをN-メチルピロリドン16mLと混合し、超音波ホモジナイザーを用いて20Wで20分超音波照射した。その後、該混合物をエタノール10mLと混合し、内径35mmφのろ過器を用いてメンブレンフィルターで吸引ろ過した。ろ取物をろ過器とメンブレンフィルターごと60℃で2時間乾燥機中で乾燥した。カーボンナノチューブ膜付きメンブレンフィルターをろ過器から取り外し、メンブレンフィルターごと膜厚みを測定し、メンブレンフィルターの膜厚みを差し引いたところ、カーボンナノチューブ膜の厚みは33.3μmであった。メンブレンフィルターはOMNIPORE MEMBRANE FILTERS, FILTER TYPE: 1.0μm JA, 47mmφを使用した。得られたカーボンナノチューブ膜の表面抵抗値を、JISK7149準処の4端子4探針法に従ってロレスタEP MCP-T360((株)ダイアインスツルメンツ社製)を用いて測定したところ、0.177Ω/□であった。したがって体積抵抗率は5.9×10-4Ω・cmである。
 (熱分析)
 濃硝酸により液相加熱酸化処理したカーボンナノチューブ含有組成物試料を約1mg示差熱分析装置(島津製作所製 DTG-60)に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの単位時間当たりの減少重量を表すDTG曲線から発熱による燃焼ピーク温度を読みとった。燃焼ピークは734℃であった。
 <実施例11>
 (触媒体合成)
 クエン酸鉄(III)アンモニウム(和光純薬工業社製)0.74gをイオン交換水120mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製MJ-30)を30g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌処理した後に、懸濁液を200mLのオートクレーブ容器中に導入した。密閉した状態で150℃に加熱し6時間保持した。その後オートクレーブ容器を放冷し、容器からスラリー状の白濁物質を取り出し、過剰の水分を吸引濾過により濾別し、濾取物中に少量含まれる水分は120℃の乾燥機中で加熱乾燥した。得られた固形分を電気炉中に導入し、大気下600℃で3時間加熱した。脱水された固形分は20~32メッシュの粒径になるまで細粒化した。上記の操作を繰り返し、以下の実験に供した。かさ密度は0.31g/mLであった。また、濾液をEDXにより分析したところ、鉄は検出されなかった。このことから、添加したクエン酸鉄(III)アンモニウムは全量酸化マグネシウムに担持されたことが確認できた。
 (XRD測定)
 実施例10と同様の装置を用いて測定した。結果を図8に示す。水熱反応後MgOがMg(OH)に由来するピークになった。大気下600℃で3時間焼成後にはMgOに由来するピークに戻った。焼成後のMgOの<200>面での半値幅は0.77degであり、結晶子径は11nmであった。
 (SEM観察)
 実施例10と同様の測定装置を用いて、10~50nm程度の微粒子が凝集した薄片状構造であることを確認した。薄片状構造の長辺方向の平均長さは465nmであり、平均厚みは21nmであった。
 (水素吸着測定)
 実施例10と同様の測定装置を用いてFeの水素吸着量を測定した。Fe1gあたりの水素吸着量は27cm/g(Fe)であり、平均粒子径は8.5nmであった。
 (カーボンナノチューブの合成)
 実施例10と同様の操作を行った。精製後のカーボンナノチューブの回収率は加熱酸化処理せず、脱MgO処理のみを行った製造直後のカーボン堆積量に対して、25%であった。
 (ラマン分光分析によるカーボンナノチューブの性状評価)
 実施例10と同様の測定を行った。精製前のカーボンナノチューブ含有組成物の測定結果を図10に、精製後のカーボンナノチューブ含有組成物の測定結果を図11に示す。上記のようにして加熱酸化処理し、塩酸でMgOを除去した後のカーボンナノチューブ含有組成物のG/D比(励起波長:532nm)は67であった。
 (体積抵抗)
 実施例10と同様の硝酸処理を行った後、得られたカーボンナノチューブ含有組成物を用いて、実施例1と同様の操作でカーボンナノチューブ膜を作製したところ、カーボンナノチューブ膜の厚みは44.5μmであった。得られたカーボンナノチューブ膜の表面抵抗値は0.117Ω/□であった。したがって体積抵抗率は5.2×10-4Ω・cmである。
 (熱分析)
 実施例10と同様の硝酸処理を行った後、得られたカーボンナノチューブ含有組成物を、実施例1と同様の装置に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの単位時間当たりの減少重量を表すDTG曲線から発熱による燃焼ピーク温度を読みとった。燃焼ピークは768℃であった。
 <実施例12>
 (触媒体合成)
 クエン酸鉄(III)アンモニウム(和光純薬工業社製)0.74gをイオン交換水120mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製MJ-30)を30g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌処理した後に、懸濁液を200mLのオートクレーブ容器中に導入した。密閉した状態で150℃に加熱し4時間保持した。その後オートクレーブ容器を放冷し、容器からスラリー状の白濁物質を取り出し、過剰の水分を吸引濾過により濾別し、濾取物中に少量含まれる水分は120℃の乾燥機中で加熱乾燥した。得られた固形分を電気炉中に導入し、大気下450℃で3時間加熱した。脱水された固形分は20~32メッシュの粒径になるまで細粒化した。上記の操作を繰り返し、以下の実験に供した。かさ密度は0.32g/mLであった。また、濾液をEDXにより分析したところ鉄は検出されなかった。このことから、添加したクエン酸鉄(III)アンモニウムは全量酸化マグネシウムに担持されたことが確認できた。
 (XRD測定)
 実施例10と同様の装置を用いて測定した。水熱反応後MgOがMg(OH)に由来するピークになった。大気下600℃で3時間焼成後にはMgOに由来するピークに戻った。焼成後のMgOの<200>面での半値幅は0.89degであり、結晶子径は10nmであった。
 (水素吸着測定)
 実施例10と同様の測定装置を用いてFeの水素吸着量を測定した。Fe1gあたりの水素吸着量は28cm/g(Fe)であり、平均粒子径は8.4nmであった。
 (カーボンナノチューブの合成)
 実施例10と同様の操作を行った。精製後のカーボンナノチューブの回収率は加熱酸化処理せず、脱MgO処理のみを行った製造直後のカーボン堆積量に対して、20%であった。
 (ラマン分光分析によるカーボンナノチューブの性状評価)
 実施例10と同様の測定を行った。上記のようにして加熱酸化処理し、塩酸でMgOを除去した後カーボンナノチューブ含有組成物のG/D比(励起波長:532nm)は48であった。
 (体積抵抗)
 実施例10と同様の硝酸処理を行った後、得られたカーボンナノチューブ含有組成物を用いて実施例1と同様の操作でカーボンナノチューブ膜を作製したところ、カーボンナノチューブ膜の厚みは40.5μmであった。得られたカーボンナノチューブ膜の表面抵抗値は0.129Ω/□であった。したがって体積抵抗率は5.2×10-4Ω・cmである。
 (熱分析)
 実施例10と同様の硝酸処理を行った後、得られたカーボンナノチューブ含有組成物を実施例1と同様の装置に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの単位時間当たりの減少重量を表すDTG曲線から発熱による燃焼ピーク温度を読みとった。燃焼ピークは706℃であった。
 <実施例13>
 (触媒体合成)
 クエン酸鉄(III)アンモニウム(和光純薬工業社製)0.71gと硫酸鉄(III)アンモニウム・九水和物(和光純薬工業社製)0.037g(鉄量に対する硫黄量として5wt%)をイオン交換水120mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製MJ-30)を30g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌処理した後に、懸濁液を200mLのオートクレーブ容器中に導入した。密閉した状態で200℃に加熱し2時間保持した。その後オートクレーブ容器を放冷し、容器からスラリー状の白濁物質を取り出し、過剰の水分を吸引濾過により濾別し、濾取物中に少量含まれる水分は120℃の乾燥機中で加熱乾燥した。得られた固形分を電気炉中に導入し、大気下600℃で3時間加熱した。脱水された固形分は20~32メッシュの粒径になるまで細粒化した。上記の操作を繰り返し、以下の実験に供した。かさ密度は0.31g/mLであった。また、濾液をEDXにより分析したところ鉄は検出されなかった。このことから、添加したクエン酸鉄(III)アンモニウム、硫酸鉄(III)アンモニウムは全量酸化マグネシウムに担持されたことが確認できた。さらに触媒体のEDX分析結果から、薄片状酸化マグネシウムに含まれる鉄含有量は0.39wt%であった。
 (XRD測定)
 実施例10と同様の装置を用いて測定した。水熱反応後MgOがMg(OH)に由来するピークになった。大気下600℃で3時間焼成後にはMgOに由来するピークに戻った。焼成後のMgOの<200>面での半値幅は0.72であり、結晶子径は12nmであった。
 (水素吸着測定)
 実施例10と同様の測定装置を用いて、Feの水素吸着量を測定した。Fe1gあたりの水素吸着量は28cm/g(Fe)であり、平均粒子径は8.3nmであった。
 (カーボンナノチューブの合成)
 実施例10と同様の操作を行った。精製後のカーボンナノチューブの回収率は加熱酸化処理せず、脱MgO処理のみを行った製造直後のカーボン堆積量に対して、38%であった。
 (ラマン分光分析によるカーボンナノチューブの性状評価)
 実施例10と同様の測定を行った。上記のようにして加熱酸化処理し、塩酸でMgOを除去した後、カーボンナノチューブ含有組成物のG/D比(励起波長:532nm)は40であった。
 (熱分析)
 実施例10と同様の硝酸処理を行った後、得られたカーボンナノチューブ含有組成物を実施例10と同様の装置に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの単位時間当たりの減少重量を表すDTG曲線から発熱による燃焼ピーク温度を読みとった。燃焼ピークは682℃であった。
 <実施例14>(遷移金属担持量:0.2wt%)
 (触媒体合成)
 クエン酸鉄(III)アンモニウム(和光純薬工業社製)0.395gをイオン交換水120mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製MJ-30)を30g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌処理した後に、懸濁液を200mLのオートクレーブ容器中に導入した。密閉した状態で200℃に加熱し2時間保持した。その後オートクレーブ容器を放冷し、容器からスラリー状の白濁物質を取り出し、過剰の水分を吸引濾過により濾別し、濾取物中に少量含まれる水分は120℃の乾燥機中で加熱乾燥した。得られた固形分を電気炉中に導入し、大気下600℃で3時間加熱した。脱水された固形分は20~32メッシュの粒径になるまで細粒化した。上記の操作を繰り返し、以下の実験に供した。かさ密度は0.41g/mLであった。また、濾液をEDXにより分析したところ鉄は検出されなかった。このことから、添加したクエン酸鉄(III)アンモニウム、硫酸鉄(III)アンモニウムは全量酸化マグネシウムに担持されたことが確認できた。
 (水素吸着測定)
 実施例10と同様の測定装置を用いて、Feの水素吸着量を測定した。Fe1gあたりの水素吸着量は34cm/g(Fe)であり、平均粒子径は6.8nmであった。
 (カーボンナノチューブの合成)
 実施例10と同様の操作を行った。精製後のカーボンナノチューブの回収率は加熱酸化処理せず、脱MgO処理のみを行った製造直後のカーボン堆積量に対して、17%であった。
 (ラマン分光分析によるカーボンナノチューブの性状評価)
 実施例10と同様の測定を行った。上記のようにして加熱酸化処理し、塩酸でMgOを除去した後カーボンナノチューブ含有組成物のG/D比(励起波長:532nm)は44であった。
 (熱分析)
 実施例10と同様の硝酸処理を行った後、得られたカーボンナノチューブ含有組成物を実施例10と同様の装置に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの単位時間当たりの減少重量を表すDTG曲線から発熱による燃焼ピーク温度を読みとった。燃焼ピークは673℃であった。
 <実施例15>(遷移金属担持量:0.75wt%)
 (触媒体合成)
 クエン酸鉄(III)アンモニウム(和光純薬工業社製)1.48gをイオン交換水120mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製MJ-30)を30g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌処理した後に、懸濁液を200mLのオートクレーブ容器中に導入した。密閉した状態で200℃に加熱し2時間保持した。その後オートクレーブ容器を放冷し、容器からスラリー状の白濁物質を取り出し、過剰の水分を吸引濾過により濾別し、濾取物中に少量含まれる水分は120℃の乾燥機中で加熱乾燥した。得られた固形分を電気炉中に導入し、大気下600℃で3時間加熱した。脱水された固形分は20~32メッシュの粒径になるまで細粒化した。上記の操作を繰り返し、以下の実験に供した。かさ密度は0.21g/mLであった。また、濾液をEDXにより分析したところ鉄は検出されなかった。このことから、添加したクエン酸鉄(III)アンモニウム、硫酸鉄(III)アンモニウムは全量酸化マグネシウムに担持されたことが確認できた。
 (水素吸着測定)
 実施例10と同様の測定装置を用いて、Feの水素吸着量を測定した。Fe1gあたりの水素吸着量は15cm/g(Fe)であり、平均粒子径は16nmであった。
 (カーボンナノチューブの合成)
 実施例10と同様の操作を行った。精製後のカーボンナノチューブの回収率は加熱酸化処理せず、脱MgO処理のみを行った製造直後のカーボン堆積量に対して、33%であった。
 (ラマン分光分析によるカーボンナノチューブの性状評価)
 実施例10と同様の測定を行った。上記のようにして加熱酸化処理し、塩酸でMgOを除去した後カーボンナノチューブ含有組成物のG/D比(励起波長:532nm)は35であった。
 (熱分析)
 実施例10と同様の硝酸処理を行った後、得られたカーボンナノチューブ含有組成物を実施例10と同様の装置に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの単位時間当たりの減少重量を表すDTG曲線から発熱による燃焼ピーク温度を読みとった。燃焼ピークは707℃であった。
 <参考例3>
 (触媒体合成)
 クエン酸アンモニウム鉄(和光純薬工業社製)2.46gをメタノール(関東化学社製)500mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製MJ-30)を100.0g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌処理し、懸濁液を減圧下、40℃で濃縮堅固した。得られた粉末を120℃で加熱乾燥してメタノールを除去し、酸化マグネシウム粉末に金属塩が担持された固体触媒を得た。32メッシュ以下の粒径になるまで乳鉢で細粒化した。得られた固体触媒に含まれる鉄含有量は0.38wt%であった。上記の操作を繰り返し、以下の実験に供した。
 (XRD測定)
 実施例10と同様の装置を用いて測定した。水熱反応後MgOがMg(OH)に由来するピークになった。大気下600℃で3時間焼成後にはMgOに由来するピークに戻った。焼成後のMgOの<200>面での半値幅は0.3degであり、結晶子径は31nmであった。
 (水素吸着測定)
 実施例10と同様の測定装置を用いてFeの水素吸着量を測定した。Fe1gあたりの水素吸着量は2.4cm/g(Fe)であり、平均粒子径は130nmであった。
 (カーボンナノチューブの合成)
 実施例10と同様の操作を行った。精製後のカーボンナノチューブの回収率は加熱酸化処理せず、脱MgO処理のみを行った製造直後のカーボン堆積量に対して、16%であった。
 (ラマン分光分析によるカーボンナノチューブの性状評価)
 実施例10と同様の測定を行った。上記のようにして加熱酸化処理し、塩酸でMgOを除去した後カーボンナノチューブ含有組成物のG/D比(励起波長:532nm)は42であった。
 (体積抵抗)
 実施例10と同様の硝酸処理を行った後、得られたカーボンナノチューブ含有組成物を用いて実施例1と同様の操作でカーボンナノチューブ膜を作製したところ、カーボンナノチューブ膜の厚みは55.7μmであった。得られたカーボンナノチューブ膜の表面抵抗値は0.134Ω/□であった。したがって体積抵抗率は7.5×10-4Ω・cmである。
 (熱分析)
 実施例10と同様の硝酸処理を行った後、得られたカーボンナノチューブ含有組成物を実施例10と同様の装置に設置し、空気中、10℃/分の昇温速度にて室温から900℃まで昇温した。そのときの単位時間当たりの減少重量を表すDTG曲線から発熱による燃焼ピーク温度を読みとった。燃焼ピークは668℃であった。
 (参考例4)
 以下のようにカーボンナノチューブを得た。
(触媒調製)
 クエン酸アンモニウム鉄(緑色)(和光純薬工業社製)2.46gをメタノール(関東化学社製)500mLに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷化学工業社製軽質マグネシアMJ-30)を100g加え、室温で60分間攪拌し、40℃から60℃で攪拌しながら減圧乾燥してメタノールを除去し、酸化マグネシウム粉末に金属塩が担持された触媒を得た。
 (カーボンナノチューブ製造)
 図13に示した流動床縦型反応装置でカーボンナノチューブを合成した。反応器100は内径32mm、長さは1200mmの円筒形石英管である。中央部に石英焼結板101を具備し、石英管下方部には、不活性ガスおよび原料ガス供給ライン104、上部には廃ガスライン105および、触媒投入ライン103を具備する。さらに、反応器を任意温度に保持できるように、反応器の円周を取り囲む加熱器106を具備する。加熱器106には装置内の流動状態が確認できるよう点検口107が設けられている。
 参考例4で調製した触媒12gを、密閉型触媒供給機102から触媒投入ライン103を通して投入し、石英焼結板101上に触媒108をセットした。次いで、原料ガス供給ライン104からアルゴンガスを1000mL/分で供給開始した。反応器内をアルゴンガス雰囲気下とした後、温度を850℃に加熱した(昇温時間30分)。
 850℃に到達した後、温度を保持し、原料ガス供給ライン104のアルゴン流量を2000mL/分に上げ、石英焼結板上の固体触媒の流動化を開始させた。点検口107から流動化を確認した後、さらにメタンを95mL/分(メタン濃度4.5vol%で反応器に供給開始した。該混合ガスを90分供給した後、アルゴンガスのみの流通に切り替え、合成を終了させた。
 加熱を停止させ室温まで放置し、室温になってから反応器から触媒とカーボンナノチューブを含有するカーボンナノチューブ含有組成物を取り出した。
この触媒付きカーボンナノチューブ含有組成物の示差熱分析による燃焼ピーク温度は456℃であった。
 上記で示した触媒付きカーボンナノチューブ含有組成物23.4gを磁性皿(150φ)に取り、予め446℃まで加熱しておいたマッフル炉(ヤマト科学社製、FP41)にて大気下、446℃で2時間加熱した後、マッフル炉から取り出した。次に、触媒を除去するため、カーボンナノチューブ含有組成物を6Nの塩酸水溶液に添加し、室温で1時間攪拌した。濾過して得られた回収物を、さらに6Nの塩酸水溶液に添加し、室温で1時間攪拌した。これを濾過し、数回水洗した後、濾過物を120℃のオーブンで一晩乾燥することでマグネシアおよび金属が除去されたカーボンナノチューブ含有組成物を57.1mg得ることができ、上記操作を繰り返すことによりマグネシアおよび金属が除去されたカーボンナノチューブ含有組成物を500mg用意した。
 一方、マッフル炉で消失した炭素量を調べるため、マッフル炉で加熱していない触媒付きのカーボンナノチューブ含有組成物5.2gを6Nの塩酸水溶液に添加し、室温で1時間攪拌した。濾過して得られた回収物を、さらに6Nの塩酸水溶液に添加し、室温で1時間攪拌した。これを濾過し、数回水洗した後、濾過物を120℃のオーブンで一晩乾燥してカーボンナノチューブ含有組成物が107.2mg得られた。
 これを基に換算すると、マッフル炉中での炭素の消失量は88%であった。また、この様にして得られたカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、カーボンナノチューブはきれいなグラファイト層で構成されており、層数が2層のカーボンナノチューブが観測された。また観察されたカーボンナノチューブ総本数(100本)のうち88本を2層カーボンナノチューブが占めていた。残りは、3層が10本、4層が2本であった。平均外径は1.6nmであった。また、この時のカーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は75であった。燃焼ピーク温度は、676℃であった。
 (カーボンナノチューブの酸化処理)
 次に、マッフル炉で加熱して触媒を取り除いた2層カーボンナノチューブ含有組成物80mgを濃硝酸(和光純薬工業社製 1級 Assay60~61%)27mLに添加し、130℃のオイルバスで5時間攪拌しながら加熱した。加熱攪拌終了後、カーボンナノチューブを含む硝酸溶液をろ過し、蒸留水で水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。このとき水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体の重量は1266.4mgで、一部377.1mgを取り出し120℃で1晩乾燥させたところ、乾燥状態のカーボンナノチューブ17.0mgが得られた。したがって硝酸化処理後の水を含んだウェット状態のカーボンナノチューブ含有組成物全体のカーボンナノチューブ濃度は4.5重量%で、硝酸処理の収率は71%であった。上記のようにして製造したカーボンナノチューブ集合体をXPSを用いて測定した。表面組成(atomic%)解析の結果、C;94.4%,N;0.2%,O;5.1%であった。したがってカーボンナノチューブ中の炭素原子に対する酸素原子の割合は5.4%(atomic%)であった。XPS測定は励起X線:Monochromatic Al K1,2線、X線径:1000μm、光電子脱出角度:90°(試料表面に対する検出器の傾き)の条件で測定した。C-O基とC=O基が存在することはO1sのBinding Energy(eV)から判断した。また、この様にして得られたカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、カーボンナノチューブはきれいなグラファイト層で構成されており、層数が2層のカーボンナノチューブが観測された。また観察されたカーボンナノチューブ総本数(100本)のうち単層1本、85本を2層カーボンナノチューブが占めていた。残りは、3層が14本であった。平均外径は1.9nmであった。また、この時のカーボンナノチューブ含有組成物の波長633nmによるラマン分光分析の結果、G/D比は40であった。燃焼ピーク温度は、720℃であった。
 (参考例5)
 (カーボンナノチューブの製造)
 参考例4で調製した触媒を用い、カーボンナノチューブを合成した。固体触媒132gをとり、鉛直方向に設置した反応器の中央部の石英焼結板上に導入することで触媒層を形成した。反応管内温度が約860℃になるまで、触媒体層を加熱しながら、反応器底部から反応器上部方向へ向けて窒素ガスを16.5L/minで供給し、触媒体層を通過するように流通させた。その後、窒素ガスを供給しながら、さらにメタンガスを0.78L/minで60分間導入して触媒体層を通過するように通気し、反応させた。メタンガスの導入を止め、窒素ガスを16.5L/min通気させながら、石英反応管を室温まで冷却して触媒付きカーボンナノチューブ含有組成物を得た。
 上記で示した触媒付きカーボンナノチューブ含有組成物を参考例4と同様にマッフル炉での加熱処理、および次に、触媒を除去するための塩酸による処理を行った。
 次に図13の縦型反応装置に上記で得られたカーボンナノチューブをセットし、空気を流通させながら550℃で3時間加熱した。その後、参考例4と同様に濃硝酸による酸化処理を行い、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。このカーボンナノチューブ含有組成物を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ、平均外径が1.8nmであった。また2層カーボンナノチューブの割合は87%であり、波長633nmで測定したラマンG/D比は60であり、燃焼ピーク温度は753℃であった。
 (参考例6)
 (触媒調製)
 24.6gのクエン酸鉄(III)アンモニウム(和光純薬工業社製)をイオン交換水6.2kgに溶解した。この溶液に、酸化マグネシウム(岩谷社製MJ-30)を1000g加え、撹拌機で60分間激しく撹拌処理した後に、懸濁液を10 Lのオートクレーブ容器中に導入した。この時、洗い込み液としてイオン交換水0.5kgを使用した。密閉した状態で160℃に加熱し6時間保持した。その後オートクレーブ容器を放冷し、容器からスラリー状の白濁物質を取り出し、過剰の水分を吸引濾過により濾別し、濾取物中に少量含まれる水分は120℃の乾燥機中で加熱乾燥した。得られた固形分は篩い上で、乳鉢で細粒化しながら、20~32メッシュの範囲の粒径を回収した。左記の顆粒状の触媒体を電気炉中に導入し、大気下600℃で3時間加熱した。かさ密度は0.32g/mLであった。また、濾液をエネルギー分散型X線分析装置(EDX)により分析したところ鉄は検出されなかった。このことから、添加したクエン酸鉄(III)アンモニウムは全量酸化マグネシウムに担持されたことが確認できた。さらに触媒体のEDX分析結果から、触媒体に含まれる鉄含有量は0.39wt%であった。
 (カーボンナノチューブの製造)
 上記の触媒を用い、参考例5と同様に触媒付きカーボンナノチューブ含有組成物を得た。この触媒付きカーボンナノチューブ含有組成物を115g用いて4.8Nの塩酸水溶液2000mL中で1時間撹拌することで触媒金属である鉄とその担体であるMgOを溶解した。得られた黒色懸濁液は濾過した後、濾取物は再度4.8Nの塩酸水溶液400mLに投入し脱MgO処理をし、濾取した。この操作を3回繰り返し、触媒が除去されたカーボンナノチューブ含有組成物を得た。
(カーボンナノチューブの酸化処理)
 上記のカーボンナノチューブ含有組成物を約300倍の重量の濃硝酸(和光純薬工業社製 1級 Assay60~61%)に添加した。その後、約140℃のオイルバスで25時間攪拌しながら加熱還流した。加熱還流後、カーボンナノチューブ含有組成物を含む硝酸溶液をイオン交換水で3倍に希釈して吸引ろ過した。イオン交換水で濾取物の懸濁液が中性となるまで水洗後、水を含んだウェット状態のままカーボンナノチューブ含有組成物を保存した。このカーボンナノチューブ含有組成物の平均外径は1.7nmであった。また2層カーボンナノチューブの割合は90%であり、波長633nmで測定したラマンG/D比は79であり、燃焼ピーク温度は725℃であった。
 (実施例16)
 (カーボンナノチューブ分散液調製)
 20mLの容器に、参考例4で得られた含水ウェット状態の酸化処理カーボンナノチューブを乾燥時換算で15mg、および、1wt%カルボキシメチルセルロースナトリウム(シグマ社製90kDa,50~200cps)水溶液1.5gを量りとり、イオン交換水を加え10gにした。硝酸を用いてpHを4.0に合わせ超音波ホモジナイザー出力20W、20分間で氷冷下分散処理しカーボンナノチューブ液を調製した。分散中液温が10℃以下となるようにした。得られた液を高速遠心分離機にて10000G、15分遠心し、上清9mLを得た。この時の残存液を孔径1μmのフィルターを用いてろ過、その後よく洗浄して得られたろ過物を120℃乾燥機にて乾燥した。重量を測ったところ、2.8mgであった。よって12.2mg(1.36mg/mL)のカーボンナノチューブが上清中に分散していることがわかった。分散液を水で50倍希釈し、粒度分布測定装置(大塚電子(株)ELS-Z2)を用いて平均粒径を測定した。その際、水の屈折率および粘度をあらかじめ入力し、25℃設定で3回測定を行った。キュムラント法による解析を行い得られた3回測定の平均粒径は、560nmであった。
 分散液5gを50mmφ円底面のポリプロピレン製容器中で室温で乾燥させ、膜を形成させたところ、膜の表面抵抗値は、1.6Ω/□(3cm)であり、膜の厚みは3回測定し平均が10μmであったことから、体積抵抗は1.6×10―3Ω・cmであった。
 次に分散液を100倍に希釈し、10μlをマイカ基板上に滴下し、3000回転で1分間スピンコート塗布した。これを原子間力顕微鏡(島津製作所製 SPM-9600)で観察することにより、カーボンナノチューブの長さを測定した。その際、孤立分散しているカーボンナノチューブのみの長さを測定するために、予め高さプロファイルで約1nm程度のものを選別し、その長さを計測した。このようにして孤立分散したカーボンナノチューブ100本の長さを測定したところ、平均長さは1.1μmであった。
 (カーボンナノチューブ導電性複合体)
 上記で得た遠心後上清のカーボンナノチューブ分散液をイオン交換水と少量のエタノールを用いて1.5倍に希釈し、ポリエステル樹脂表面樹脂層(Dry厚み140nm)を持つポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ(株)社製188μm)光線透過率90.2%、15cm×10cm)上にバーコーター(No.5、塗布厚み7.5μm、カーボンナノチューブ塗布量6.8mg/m))を用いて塗布し、風乾した後、蒸留水にてリンスし、その後120℃乾燥機内で2分間乾燥させカーボンナノチューブを固定化した。得られた塗布フィルムの表面抵抗値は4.81×10Ω/□、光線透過率は82.6%(導電性複合体の550nmの光線透過率(82.6%)/基材の550nmの光線透過率(90.2%)=92%)であり、高い導電性および、透明性を示した。
 (実施例17)
 実施例16において分散剤のカルボキシメチルセルロースナトリウムをカーボンナノチューブ重量に対して3倍量用いた他は同様に行った。
 (実施例18)
 実施例17において分散剤にポリスチレンスルホン酸アンモニウム(アルドリッチ561258)をカーボンナノチューブに対し3倍重量用い硝酸でpH調整を行わなかった他は同様に行った。導電性複合体作製における塗布の際、エタノールは用いなかった。 
 (実施例19)
 実施例18において分散時間を60分間にした以外は同様に行った。
 (参考例7)
 実施例17においてナノテクポート社製の単層カーボンナノチューブ(平均外径2nm)を用いた以外は同様に行った。ただし分散液の濃度が希薄なため、550nmにおける光線透過率が80%程度になるまで複数回重ね塗りした。
 (参考例8)
 実施例17においてナノシル社製の多層カーボンナノチューブ(平均外径10nm)を用いた以外は同様に行った。ただし分散液の濃度が希薄なため、550nmにおける光線透過率が80%程度になるまで複数回重ね塗りした。
 (参考例9)
 20mLの容器に、参考例4で得られた含水ウェット状態の酸化処理カーボンナノチューブを一度乾燥させ粉末状にしたもの10mg、および、ポリスチレンスルホン酸アンモニウム(アルドリッチ561258、30wt%水溶液)水溶液100mgを量りとり、イオン交換水を加え10gにした。超音波ホモジナイザーを用いて出力25W、20分間で氷冷下分散処理しカーボンナノチューブ液を調製した。分散中液温が10℃以下となるようにした。得られた液を高速遠心分離機にて10000G、15分遠心し、上清9mLを得た。この時の残存液を孔径1μmのフィルターを用いてろ過、その後よく洗浄して得られたろ過物を120℃乾燥機にて乾燥した。重量を測ったところ、6.0mgであった。よって9.0mg(1.00mg/mL)のカーボンナノチューブが上清中に分散していることがわかった。分散液を水で50倍希釈し、粒度分布測定装置(大塚電子(株)ELS-Z2)を用いて平均粒径を測定した。その際、水の屈折率、粘度をあらかじめ入力し、25℃設定で3回測定を行った。キュムラント法による解析を行い得られた3回測定の平均粒径は、162nmであった。それ以降の操作は、実施例18と同様に行った。
 実施例16~19および参考例7~9の結果を表1にまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 (実施例20、21および参考例10)
 カーボンナノチューブとして参考例5で得られたものを用い、分散時間として1分から45分まで変化させること以外は実施例17と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を得た。このときの各分散時間における分散液の粘度測定を次の通りに行った。コーン・プレート式回転式粘度計((東機産業(株)製RE-80L)に上記分散液1mlを入れ、回転数を10rpm、20rpm、50rpm、20rpm、10rpmと変化させたときのそれぞれのずり速度およびずり応力を計測し、ずり速度の平方根に対するずり応力の平方根をプロットしたときの傾き、すなわち粘度を算出した。その結果、分散時間2分の時に粘度は極大値を示すことが分かった。そこで、分散液の組成からカーボンナノチューブを除いたもの(分散媒および分散剤のみ)の粘度をη0とし、粘度が極大となる2分分散時の分散液の粘度をη1とし、x分分散時の粘度をηxとしたときの粘度減少率
A(%)=(η1-ηx)/(η1-η0)×100
を分散時間x分に対してプロットしたところ、図14のようになった。さらにこれらの分散液を実施例16と同様に550nmにおける光線透過率が85%となるように基材へ塗布したときの塗布フィルムの表面抵抗値の測定結果も図14に併せて示す。このことから、分散液の粘度が最も高い分散液の透明導電特性は悪く、粘度減少率が10%から70%となったときに優れた透明導電特性を示す分散液が得られることが分かる。また、分散時間7.5分(実施例20)、20分(実施例21)、45分(参考例10)における分散液の平均粒径およびAFM測定による平均長さは表2のとおりであった。分散時間7.5分における粘度減少率は39%であり、この分散液を塗布して得られた導電性複合体の光線透過率85%における表面抵抗値も350Ω/□(導電性複合体の550nmの光線透過率(85%)/基材の550nmの光線透過率(90.2%)=94.2%)と、高い導電性を示した。一方、分散時間を45分にすることによって平均粒径が185nmと小さく、光線透過率85%における表面抵抗値も680Ω/□と他の分散時間のときと比較して悪化していることが分かった。なお、実施例17で得られた分散液の粘度減少率Aを同様に測定したところ、A=70%であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 (実施例22)
 カーボンナノチューブとして参考例6で得られたものを用い、分散剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムをカーボンナノチューブ重量に対して6倍量用い、分散時間を7.5分にしたこと以外は実施例16と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を得た。この分散液の平均粒径は1082μmであり、粘度減少率は23%であった。この分散液を塗布して得られたフィルムの550nmにおける光線透過率は85.2%、表面抵抗値は194Ω/□であり、高い導電性および透明性を示した。
401 電気炉
402 石英焼結板
403 反応器
404 触媒体層
405 温度計
406 廃ガス管
407 マスフローコントローラー
408 混合ガス導入管
A:炭化水素
B:不活性ガス
C:焼成前
D:焼成後
E:硝酸処理後
601 加熱器
602 石英焼結板
603 反応器
604 カーボンナノチューブ含有組成物層
605 温度計
606 廃ガスライン
607 マスフローコントローラー
608 ガス供給ライン
 ← :ガスの流れ方向
F:空気
G:窒素
100 反応器
101 石英焼結板
102 密閉型触媒供給機
103 触媒投入ライン
104 原料ガス供給ライン
105 廃ガスライン
106 加熱器
107 点検口
108 触媒

Claims (19)

  1. 以下の(1)~(4)の条件を全て満たすカーボンナノチューブ含有組成物;
    (1)透過型電子顕微鏡で観測した時に100本中50本以上が二層カーボンナノチューブ;
    (2)外径の平均が1.0~3.0 nmの範囲;
    (3)空気中で10℃/分で昇温したときの熱重量分析で、高温側の燃焼ピークが700~850℃にあり、かつ低温側の重量減量分(TG(L))と高温側の重量減量分(TG(H))との関係が、TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75;
    (4)カーボンナノチューブ含有組成物の体積抵抗値が1.0X10-2Ω・cm以下、1.0X10-4Ω・cm以上である。
  2. 波長633nmのラマン分光分析によるGバンドとDバンドの高さ比(G/D比)が30以上である請求項1記載のカーボンナノチューブ含有組成物。
  3. 酸化反応前のカーボンナノチューブ含有組成物を空気中で10℃/分で昇温したときの熱重量分析で、高温側の燃焼ピークが700~850℃にあり、かつ低温側の重量減量分(TG(L))と高温側の重量減量分(TG(H))との関係が、TG(H)/(TG(L)+TG(H))≧0.75となるまで酸化反応を行う請求項1または請求項2に記載のカーボンナノチューブ含有組成物の製造方法。
  4. 前記酸化反応がカーボンナノチューブ含有組成物を空気中で10℃/分で昇温して熱重量分析を行うことにより得られる微分熱重量曲線において、低温側の燃焼ピークから高温側の燃焼ピークへと変化する変曲点となる温度まで酸素雰囲気下で加熱酸化反応を行うことおよび/または硝酸溶液中で加熱することである請求項3に記載のカーボンナノチューブ含有組成物の製造方法。
  5. カーボンナノチューブ製造用触媒体と炭素含有化合物を加熱下で接触させてカーボンナノチューブ含有組成物を製造する方法であって、下記の(1)から(3)の条件を満たすカーボンナノチューブ含有組成物の製造方法;
    (1)カーボンナノチューブ製造用触媒体の重量を炭素含有化合物の流量で割った接触時間(W/F)が100~400min・g/Lの範囲;
    (2)炭素含有化合物を含むガスの線速が2~8cm/secの範囲。
    (3)カーボンナノチューブ製造用触媒体の凝集体の粒径が0.2~2mmの範囲であり、かつ、かさ密度が0.1~1g/mLの範囲。
  6. 8族から10族の遷移金属を含む微粒子および薄片状の酸化マグネシウムを含み、前記遷移金属を含む微粒子は平均粒子径が1nm~30nmであり、遷移金属含有量が触媒体に対して0.1~1wt%であるカーボンナノチューブ製造用触媒体。
  7. 触媒体の長辺方向の平均長さが0.05~10μmであり、平均厚みが5~50nmである請求項6記載のカーボンナノチューブ製造用触媒体。
  8. 8族~10族の遷移金属化合物およびMg化合物を水中で加圧下で100~250℃に加熱して触媒前駆体を得た後、該触媒前駆体を400~1200℃に加熱することで8族から10族の遷移金属が0.1~1wt%の範囲で含有する薄片状MgOを得るカーボンナノチューブ製造用触媒体の製造方法。
  9. 前記水中で加熱して触媒前駆体を得る工程の後、ろ過または遠心分離して固液分離した後、前記400~1200℃の加熱工程に供する請求項8記載のカーボンナノチューブ製造用触媒体の製造方法。
  10. 前記8族~10族の遷移金属化合物が前記金属の硝酸塩、亜硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、クエン酸アンモニウム塩、アセチルアセトネート、酸化物および水酸化物のうち少なくとも1つを含むものである請求項8または9記載のカーボンナノチューブ製造用触媒体の製造方法。
  11. 8族~10族の遷移金属化合物が、遷移金属に対する硫黄量として0.1~20wt%の硫黄化合物を含むものである請求項8~10のいずれかに記載のカーボンナノチューブ製造用触媒体の製造方法。
  12. Mg化合物が硝酸塩、亜硝酸塩、硫酸塩、硫酸アンモニウム塩、炭酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、酸化物および水酸化物のうち少なくとも1つを含む請求項10~11のいずれかに記載のカーボンナノチューブ製造用触媒体の製造方法。
  13. 平均外径が3nm以下であるカーボンナノチューブと分散剤を含んだ分散体であって、動的光散乱法によって測定したカーボンナノチューブの平均粒径が200nm以上1500nm以下であるカーボンナノチューブ水性分散液。
  14. 分散液中のカーボンナノチューブの平均長さが1μm以上5μm以下である請求項13記載のカーボンナノチューブ水性分散液。
  15. 分散剤がカルボキシメチルセルロースである請求項13または14記載のカーボンナノチューブ水性分散液。
  16. カーボンナノチューブ100重量部に対し、分散剤を50~1000重量部含む請求項13~15のいずれかに記載のカーボンナノチューブ水性分散液。
  17. 分散液中のカーボンナノチューブ濃度が0.5~100mg/mLである請求項13~16のいずれかに記載のカーボンナノチューブ水性分散液。
  18. 上記分散液を基材へ塗布したときの550nmの光線透過率/基材の550nmの光線透過率が90%以上であり、かつ表面抵抗値が500Ω/□以下を満たすものである請求項13~17のいずれかに記載のカーボンナノチューブ水性分散液。
  19. 請求項13~18のいずれかに記載のカーボンナノチューブ水性分散液を製造する方法であって、カーボンナノチューブ、分散剤および分散媒を混合して分散液とする際に、
    分散媒および分散剤の混合液の粘度をη0、超音波分散開始x分後のカーボンナノチューブ分散液の粘度をηx、分散開始後の最初の粘度の極大値をη1とし、分散液の粘度減少率Aを
    A(%)=(η1-ηx)/(η1-η0)×100
    と定義したとき、Aが10%以上、70%以下となるまで超音波分散を行うカーボンナノチューブ水性分散液の製造方法。
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