JP2004019020A - Carbon nanofiber post treatment apparatus and post treatment method therefor - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon nanofiber post treatment apparatus capable of efficiently post-treating the carbon nanofibers to obtain the highly crystallized carbon nanofibers, and to provide a post treatment method therefor. <P>SOLUTION: This carbon nanofiber post treatment apparatus is characterized by comprising a transport means for transporting the carbon nanofibers produced by a gas phase growth method using an organic transition metal compound with a screw conveyer or rotary kiln and a heating means for post-treating the transported carbon nanofibers. The post treatment method comprises post-treating the carbon nanofibers with the post treatment apparatus. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、カーボンナノファイバーの後処理装置及びその後処理方法に関し、さらに詳しくは、カーボンナノファイバーを効率的に後処理することにより高結晶性のカーボンナノファイバーを製造することのできる後処理装置及びその後処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気相成長炭素繊維は、結晶性が高いほど、炭素六角格子面が年輪状に配向して、優れた特性を示すことが知られている。また気相成長炭素繊維は、黒鉛化すると、結晶性が向上する。
【０００３】
気相成長炭素繊維の中で、直径が１〜１００ｎｍである細い気相成長炭素繊維は、特にカーボンナノファイバーと称されている。カーボンナノファイバーは、黒鉛網面が年輪状に繊維軸を取り巻いて成り、中空形状である場合には、別にカーボンナノチューブとも称されている。
【０００４】
したがってカーボンナノファイバーも、結晶性が大きいほど、好ましい性質を発現すると期待され、特に黒鉛化されたカーボンナノファイバー、すなわち黒鉛化カーボンナノファイバーはその期待が大きい。カーボンナノファイバーは、製造された段階である程度黒鉛化されている場合があるが、その結晶性をさらに高めるために、製造されたカーボンナノファイバーに後処理として黒鉛化処理を施すこともある。黒鉛化されたカーボンナノファイバーは、特に、その繊維径が小さいことから、これを含有する複合材料を形成したときにその複合材料の導電性を著しく向上させたり、先端放電特性を向上させたりするという好ましい性質が発現すると考えられる。
【０００５】
ただしカーボンナノファイバーの前記性質を発現させるためには、黒鉛化処理をする場合であっても、しない場合であっても、その純度が高いこと、つまり品質の高いことが条件になる。
【０００６】
気相成長炭素繊維の製造方法を利用してカーボンナノファイバーを製造するためには、生成する繊維の径を小さくする必要があり、そのためには繊維の太さ成長を抑制することが必要である。そのようにするには、繊維を形成するに必要な炭素源の分解速度と、繊維生成の核となる金属粒子（金属滴）の生成速度との比較において、前記分解速度を小さくし、前記生成速度を大きくすること、及び反応系内における生成繊維の滞留時間を短くし、生成繊維が大きく太さ成長しないうちにこれを反応系外に排出することが必要である。
【０００７】
前記分解速度を小さくするには、反応温度を低くする必要がある。そうするとカーボンナノファイバーの製造時にタール分の生成量が増大する。
【０００８】
また黒鉛化処理をする場合であっても、このタールは、製造される黒鉛化カーボンナノファイバーの純度を低下させる。黒鉛化処理は、通常２０００〜３０００℃で行われるので、この温度ではタールはそのまま炭化し、配向のない黒鉛微結晶になり、これが、製造される黒鉛化カーボンナノファイバー中に残存することになるからである。
【０００９】
したがってカーボンナノファイバーを効率的に製造する目的で、前記分解速度を小さくしようとすると、必然的に製造されるカーボンナノファイバー又は黒鉛化カーボンナノファイバーの純度は低下する。
【００１０】
一方、前記生成速度を大きくするには、反応に使用される有機遷移金属化合物の量を増やす必要がある。有機遷移金属化合物の量を増やし、反応系内における生成繊維の滞留時間を短くすると、残留する有機遷移金属化合物の量が多くなるので、得られるカーボンナノファイバーの純度は低下する。
【００１１】
さらにその後黒鉛化処理をする場合には、黒鉛化処理中に有機遷移金属化合物が分解して鉄等の遷移金属の粒子が生じ、この遷移金属粒子が、黒鉛化工程中に溶融化し、その後気化蒸発する。その際、溶融した鉄等がカーボンナノファイバーを融かすことにより、生成される黒鉛化カーボンナノファイバー中に配向性のない不定形炭素が増加する。
【００１２】
したがってカーボンナノファイバーを効率的に製造する目的で、前記生成速度を大きくしようとすると、必然的に製造されるカーボンナノファイバー又は黒鉛化カーボンナノファイバーの純度は低下する。
【００１３】
以上から理解されるように、気相成長炭素繊維を製造する方法を利用しても、黒鉛化処理の実施の有無を問わず、高品質のカーボンナノファイバーを製造することは困難であった。従来の繊維径の大きい気相成長炭素繊維においては、使用する有機遷移金属化合物の量が少なかったので、このような問題は小さかったが、繊維径の小さい気相成長炭素繊維であるカーボンナノファイバーを製造する場合に、前記問題は重大であり、その繊維径が小さいほどこの問題は大きくなる。
【００１４】
したがって高品質のカーボンナノファイバーを得るためには、黒鉛化処理の実施の有無にかかわらず、後処理として、カーボンナノファイバーに含有される不純物、すなわちタール成分及び残存金属成分を除去する処理をする必要がある。
【００１５】
前記残存金属成分には、有機遷移金属化合物が分解して生成した金属粒子等と未分解の有機遷移金属化合物とがある。
【００１６】
前記残存金属成分における分解物の除去方法としては、従来、酸洗いがあったが、この方法には、処理に手間がかかる割に除去率が低いという欠点があった。
【００１７】
前記残存金属成分の未分解物及びタール成分の除去方法には、従来、溶媒抽出があったが、この方法には、除去率が低く、溶媒抽出という加熱処理以外の工程が必要であるので、コスト高になるという欠点があった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は前記問題点を解決することを目的とする。即ち、この発明の目的は、高結晶化したカーボンナノファイバーを得るために、カーボンナノファイバーを効率的に後処理することのできるカーボンナノファイバーの後処理装置及びその後処理方法を提供することであり、特に、残存する未反応の有機遷移金属化合物を効率よく除去することのできるカーボンナノファイバーの後処理装置及びその後処理方法、タール成分を効率的に除去することのできるカーボンナノファイバーの後処理装置及びその後処理方法、並びに高結晶性の黒鉛化カーボンナノファイバーを製造することのできるカーボンナノファイバーの後処理装置及びその後処理方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためのこの発明は、有機遷移金属化合物を使用して気相成長法により製造されたカーボンナノファイバーを、スクリューコンベア又はロータリーキルンを用いて移送する移送手段と、前記カーボンナノファイバーを前記移送手段で移送しながら加熱処理して前記カーボンナノファイバーの後処理を行う加熱処理手段とを有して成ることを特徴とするカーボンナノファイバーの後処理装置であり、
前記後処理装置の好適な態様として、前記加熱処理手段は、前記有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い温度に前記カーボンナノファイバーを加熱することにより前記カーボンナノファイバーから前記有機遷移金属化合物を除去する遷移金属除去手段を有して成り、
前記加熱処理手段は、前記カーボンナノファイバーを不活性ガス雰囲気中で６００〜１３００℃に加熱することにより前記カーボンナノファイバーからタールを除去するタール除去手段を有して成り、
前記加熱処理手段は、前記カーボンナノファイバーを１６００〜３０００℃に加熱することにより黒鉛化する黒鉛化手段を有して成る。
【００２０】
また前記課題を解決するための他の発明は、有機遷移金属化合物を使用して気相成長法により製造されたカーボンナノファイバーをスクリューコンベア又はロータリーキルンで移送しながら前記カーボンナノファイバーの加熱処理を行うことにより後処理を行うことを特徴とするカーボンナノファイバーの後処理方法であり、
前記後処理方法の好適な態様として、前記加熱処理は、前記有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い温度に前記カーボンナノファイバーを加熱することにより前記カーボンナノファイバーから前記有機遷移金属化合物を除去する遷移金属除去工程を有して成り、
前記加熱処理は、前記カーボンナノファイバーを不活性ガス雰囲気中で６００〜１３００℃に加熱することにより前記カーボンナノファイバーからタールを除去するタール除去工程を有して成り、
前記加熱処理は、前記カーボンナノファイバーを１６００〜３０００℃に加熱することにより黒鉛化する黒鉛化工程を有して成る。
【００２１】
【発明の実施の形態】
１．カーボンナノファイバーの後処理装置
図１、図２及び図３は、この発明に係るカーボンナノファイバーの後処理装置の一具体例である後処理装置１を示す説明図である。後処理装置１は、遷移金属除去部１０と、タール除去部２０と、黒鉛化部３０とを有して成る。図１は、後処理装置１における遷移金属除去部１０を示す説明図であり、図２は、後処理装置１におけるタール除去部２０を示す説明図であり、図３は、後処理装置１における黒鉛化部３０を示す説明図である。後処理装置１のうち遷移金属除去部１０は、有機遷移金属化合物を使用して気相成長法により製造されたカーボンナノファイバーから不純物である前記有機遷移金属化合物を除去する遷移金属除去手段の一例であり、タール除去部２０は、前記カーボンナノファイバーから不純物であるタールを除去するタール除去手段の一例である。遷移金属除去部１０及びタール除去部２０は、不純物除去部を形成する。後処理装置１のうち黒鉛化部３０は、前記不純物除去部で処理されたカーボンナノファイバーに黒鉛化処理を行う黒鉛化手段の一例である。
【００２２】
後処理装置１に使用される原料は、有機遷移金属化合物を用いて気相成長法で製造される粗なカーボンナノファイバーである。このカーボンナノファイバーとしては、前記製造方法についての条件を満たせば特に制限はない。
【００２３】
前記カーボンナノファイバーを製造する装置としては、例えば、特開平８−３０１６９９号公報に記載された図１、特開平１１−１０７０５２公報に記載された図１、公開２０００−１７８８３５公報に記載された図１、特開２００１−７３２３１号公報に記載された図２、公開２００１−１１５３４８に記載された図１等に示される装置を挙げることができる。
【００２４】
カーボンナノファイバーを製造する際に使用される有機遷移金属化合物としては、例えば特開昭６０−５４９９８号公報の第３頁左上欄第９行〜同頁右上欄最下行に記載の有機遷移金属化合物、特開平９−３２４３２５号公報の段落番号［００５９］に記載された有機遷移金属化合物、特開平９−７８３６０号公報の段落番号［００４９］に記載された有機遷移金属化合物等を挙げることができ、これら有機遷移金属化合物と共に助触媒として使用することができる化合物として、特開平９−７８３６０号公報の段落番号［００５１］、並びに特開平９−３２４３２５号公報の段落番号［００６１］に記載された含硫黄複素環式化合物及び硫黄化合物を挙げることができる。
【００２５】
カーボンナノファイバーを製造する際に使用される炭素源化合物として、熱分解により炭素を発生させて炭素繊維質物例えば気相成長炭素繊維、特にカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブを生成させることができる化合物であれば特に制限がなく、特開昭６０−５４９９８号公報の第２頁左下欄第４行〜同頁右下欄第１０行に記載された炭素化合物、特開平９−３２４３２５号公報の段落番号［００６０］に記載された有機化合物、特開平９−７８３６０号公報の段落番号［００５０］に記載された有機化合物等を挙げることができる。
【００２６】
このような反応条件下で製造されたカーボンナノファイバーは、未分解の有機遷移金属化合物、分解後に生成した遷移金属、タール成分等を不純物として含有する。これらの不純物をどのような割合で含有するかは、反応条件により様々である。いずれにしても、このような不純物を含有するカーボンナノファイバーを、便宜上、粗カーボンナノファイバーと称することがある。
【００２７】
（１）遷移金属除去手段
遷移金属除去手段は、有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い温度にカーボンナノファイバーから有機遷移金属化合物を除去する手段である。
【００２８】
図１に示されるように、この発明に係る後処理装置における遷移金属除去手段の一具体例である遷移金属除去部１０は、原料ホッパー１１と、スクリュー回転用モーター１２と、炉心管１３と、移送手段の一例であるスクリューコンベア１４と、電気炉１５と、製品排出部１６と、廃ガス放出部１７ａと、廃ガス放出部１７ｂとを有して成る。
【００２９】
原料ホッパー１１は、処理対象である粗カーボンナノファイバーを収容する部材である。炉心管１３は、粗カーボンナノファイバーを加熱処理する管体である。炉心管１３は、横方向に延在するように設置され、その入口側上部に原料ホッパー１１が装着されており、原料ホッパー１１内の粗カーボンナノファイバーが炉心管１３内に供給されるようになっている。電気炉１５は、炉心管１３の延在方向中央部を覆うように設けられている。電気炉１５は、炉心管１３内に熱を供給し、炉心管１３内の粗カーボンナノファイバーを加熱する装置である。
【００３０】
移送手段であるスクリューコンベア１４は、炉心管１３内に収容されている。スクリューコンベア１４は、スクリュー回転用モーター１２の作用により回転し、原料ホッパー１１から炉心管１３内に供給されたカーボンナノファイバーをその回転作用により、炉心管１３の入口側から出口側に向けて移送する。製品排出部１６は、炉心炉１３の出口側下部に設けられている。製品排出部１６は、炉心炉１３内で熱処理されたカーボンナノファイバーを遷移金属除去部１０外に排出する部分である。
【００３１】
ガス供給部１７ａは、炉心管１３の入口側上部に設けられ、廃ガス放出部１７ｂは、炉心管１３の出口側上部に設けられている。１７ａより供給されたガス、例えば窒素ガスは、炉心管１３内での粗カーボンナノファイバーの加熱処理の際に発生した有機遷移金属化合物の蒸気等を含有する廃ガスになる。この排ガスは、遷移金属除去部１０外に、廃ガス放出部１７ｂを通して排出される。
【００３２】
また遷移金属除去部１０は、図示しないガス導入口及びガス導出口を有し、原料ホッパー１１、炉心管１３及び製品排出部１６内を特定のガス、例えば窒素ガスで置換することができる。こうすることにより炉心管１３内で発生した遷移金属化合物蒸気の分圧を窒素ガス等により小さくして、その除去効率を大きくすることができる。また、空気（酸素）が存在するとカーボンナノファイバーが燃焼することがあるので、窒素等の不活性ガスを炉心管内に流通させる事が重要である。
【００３３】
遷移金属除去部１０においては、炉心管１３内におけるカーボンナノファイバーの移送をスクリューコンベア１４により行う点に特徴がある。
【００３４】
遷移金属除去部１０においては、粗カーボンナノファイバーを加熱して、その中に含有される有機遷移金属化合物を蒸発除去させる必要があるので、蒸発した有機遷移金属化合物が繊維体外に移行しやすいように、炉心管１３内で処理されるカーボンナノファイバーは、その繊維間の空隙が大きいこと、つまり嵩密度が小さいことが望ましい。またカーボンナノファイバーは、その嵩密度が大きいと、炉心管１３の内壁との摩擦抵抗が大きくなり、炉心管１３内の移行が困難になる。
【００３５】
炉心管１３内における粗カーボンナノファイバーの移送を、例えばプッシャーで行うと、炉心管１３内で処理される粗カーボンナノファイバーは、プッシャーの移動方向と同方向に力を受けるので、移行時に大きな力を受けることになり、またプッシャーとの接触部が特に大きな力を受けるので、局部的に圧縮され、嵩密度の非常に大きい部分を生ずることになる。粗カーボンナノファイバーの嵩密度が増大すると、粗カーボンナノファイバーと炉心管１３の内壁面との摩擦が増大し、そのことにより粗カーボンナノファイバーにはさらに大きな圧力が付加されるので、ますますその嵩密度が増大するという悪循環を生ずる。その結果、前記のように不純物である有機遷移金属化合物の蒸発除去を妨げる。また嵩密度が増大すると、繊維表面に沈着したタールや無定形炭素に基づく膠着の発生の可能性を高める。膠着は、後処理後におけるカーボンナノファイバーの分散性を低下させ、最終製品における強度や導電性を低下させる。さらに嵩密度が増大すると、カーボンナノファイバーの坐屈も生じ、カーボンナノファイバーが折れたり、変形したりする。
【００３６】
一方、炉心管１３内における粗カーボンナノファイバーの移送をスクリューコンベア１４により行うと、炉心管１３内で処理される粗カーボンナノファイバーは、スクリューコンベア１４の移動方向に対して斜め方向に力を受けるので、粗カーボンナノファイバーに作用する力が緩和され、また粗カーボンナノファイバーは、小さな塊を形成して炉心管１３内で螺旋軌道を描いて、場合によっては転がりながら移行するので、移行時に局所的に大きな力を受けることもない。したがって前記粗カーボンナノファイバーは、全体として嵩密度が大きくなることがなく、また局所的にも嵩密度が大きくなることがない。例えばスクリューコンベア１４により粗カーボンナノファイバーの移送を行うと、粗カーボンナノファイバーの前記塊は、嵩密度が０．１ｇ／ｃｍ^３以下であり、繊維間の固着は起こらない。
【００３７】
したがってスクリューコンベアを用いる前記方式によれば、炉心管内において粗カーボンナノファイバーから遷移金属化合物を効率的に蒸発除去させることができ、さらに粗カーボンナノファイバーを炉心管内においてスムースに移行させることができるという利点を得ることができる。
【００３８】
スクリューコンベア１４の構造としては、前記機能を有していれば特に制限はなく、図１に示される標準的な一重の羽根スクリューの他、例えば二重羽根スクリュー、パドル付きスクリュー、カットフライトスクリュー又はリボンスクリューであってもよい。
【００３９】
スクリューコンベア１４において、ピッチｔと回転軸径ｄ_ｓと羽根外径ｄ_ｂとの関係が、ｔ／ｄ_ｂ＝０．１〜２０、ｄ_ｓ／ｄ_ｂ＝０．０５〜０．８であり、スクリューコンベア１４の最外部と炉心管１３との距離が１〜３０であると、前記効果が好適に発揮されるので好ましい。
【００４０】
遷移金属除去部１０における炉心管１３は横型であるが、これを縦型にすることもできる。
【００４１】
遷移金属除去部１０における移送手段は、スクリューコンベア１４であるが、この発明に係る後処理装置における遷移金属除去部の移送手段としては、カーボンナノファイバーの繊維塊を前述のように移送することができる手段であればスクリューコンベアに制限されることはなく、例えばロータリーキルンであってもよい。
【００４２】
加熱処理される前記粗カーボンナノファイバーは、前記の理由により、その平均嵩密度が、大きくとも０．０５ｇ／ｃｍ^３、特に０．００１〜０．０１ｇ／ｃｍ^３であるのが好ましく、またその局所密度が大きくとも０．３ｇ／ｃｍ^３、特に０．１ｇ／ｃｍ^３であるのが好ましい。なお、ここで粗カーボンナノファイバーの嵩密度は、一般的な言い方をすると単位体積当たりの重量であるということができるが、この発明においては、処理を加えられる間の全体としての密度であり、（装置内のカーボンナノファイバーの重量）÷（装置の内容積）と言う計算により求めることができる。一方、局所密度は、平均嵩密度測定領域内における部分的密度であって、モデル実験や計算で求められる。例示すると、粗ナノファイバーで直径２０ｍｍ（体積４．１９ｃｍ^３）の球（毛玉）を作り、その重量が０．１０ｇになるように調整したとすると、その嵩密度（局所密度）は０．０２４ｇ／ｃｍ^３である。この毛球を直径１００ｍｍ、有効加熱長５００ｍｍの加熱管（体積３３００ｃｍ^３）に、強制的に圧力をかけて詰め込むのではなく、軽く押し込む程度に詰めて充填する。このときの粗ナノファイバー重量が２５ｇであると、その嵩密度（平均嵩密度）は０．００７ｇ／ｃｍ^３である。
【００４３】
遷移金属除去部１０は、粗カーボンナノファイバーを有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い温度であって、有機遷移金属化合物の蒸発温度以上の温度に加熱する。
【００４４】
粗カーボンナノファイバー中に含まれる有機遷移金属化合物は、カーボンナノファイバーを製造する際の触媒金属源として使用された化合物であるから、この発明に係る後処理方法における加熱温度は、使用される有機遷移金属化合物の種類に応じて相違することになる。一般的には、前記加熱温度は、粗カーボンナノファイバーを製造する際に使用された有機遷移金属化合物の蒸発温度以上かつ前記有機遷移金属化合物の分解温度未満の温度範囲内にある適宜の温度である、といえる。具体的には、有機遷移金属化合物としてフェロセン等のメタロセンが使用されたときには、前記「有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い温度」は常圧下において３５０〜５００℃であり、特に４００〜４５０℃である。なお、有機遷移金属化合物によっては、その有機遷移金属化合物が蒸発する前に分解する化合物もあるので、そのような有機遷移金属化合物が使用された場合には、減圧下で蒸発を起こす温度が採用される。つまり、減圧下で加熱処理をするのであり、減圧下においてその有機遷移金属化合物の蒸発温度以上でありその有機遷移金属化合物の分解温度未満に加熱するのである。
【００４５】
前記加熱温度に粗カーボンナノファイバーを加熱すると、粗カーボンナノファイバーの表面に付着する有機遷移金属化合物が蒸発して粗カーボンナノファイバーから離脱し、除去される。
【００４６】
有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い加熱温度に加熱する加熱処理の雰囲気は、通常、窒素及び希ガス等の不活性ガス雰囲気である。
【００４７】
有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い加熱温度に粗カーボンナノファイバーを加熱する加熱時間は、通常、０．５〜６０分、好ましくは１〜３０分である。加熱時間が前記範囲よりも短いと、有機遷移金属化合物の除去が不十分になり、前記範囲よりも長いと加熱時間を長くするに比例する技術的効果を期待することができなくなる。
【００４８】
この加熱処理をすると、例えば加熱処理前の粗カーボンナノファイバーに５〜１０重量％の割合で含有されていた有機遷移金属化合物を、多くとも３重量％、通常は１重量％以下にまでに低減することができる。
【００４９】
なお以上においては、粗カーボンナノファイバーを原料として遷移金属除去部を説明したが、前記遷移金属除去部は、タール除去部により粗カーボンナノファイバーを処理して得られた生成物を原料とすることもできる。
【００５０】
（２）タール除去部
図２に示されるように、この発明に係る製造装置におけるタール除去手段の一具体例であるタール除去部２０は、原料ホッパー２１と、原料供給スクリュー回転用モーター２２と、炉心管２３と、原料供給スクリュー２４と、電気炉２５と、製品排出部２６と、第１不活性ガス供給部２７ａと、第２不活性ガス供給部２７ｂと、廃ガス放出部２７ｃと、炉心管回転用モーター２８と、原料供給管２９とを有して成る。
【００５１】
原料ホッパー２１は、処理対象であるカーボンナノファイバーを収容する部材である。原料供給管２９は、原料ホッパー２１の下部に取り付けられている。原料供給管２９は、原料ホッパー２１から落下してくるカーボンナノファイバーを炉心管２３内に供給する部材である。原料供給スクリュー２４は、原料供給管２９内に収容されている。原料供給スクリュー２４は、原料供給スクリュー回転用モーター２２により回転し、その作用により、原料ホッパー２１から原料供給管２９内に供給されたカーボンナノファイバーを炉心管２３内に移送する。
【００５２】
炉心管２３は、カーボンナノファイバーを加熱処理する管体である。炉心管２３は、横方向に延在するように設置されている。炉心管２３は、その入口側開口に原料供給スクリュー２４の出口部が挿入されており、原料ホッパー２１内のカーボンナノファイバーが原料供給スクリュー２４により炉心管２３内に供給されるようになっている。炉心管２３は、回転したときに、その内部のカーボンナノファイバーの繊維塊が転がりながら重力により入口側から出口側に向かって移行することができる程度に、その出口側が入口側よりも下位になっている。炉心管回転用モーター２８は、炉心管２３を回転させる。すなわち炉心管２３及び炉心管回転用モーター２８は、移送手段であるロータリーキルンを形成している。電気炉２５は、炉心管２３の入口部及び出口部以外を覆うように設けられている。電気炉２５は、炉心管２３内に熱を供給し、炉心管２３内のカーボンナノファイバーを加熱する装置である。
【００５３】
製品排出部２６は、炉心炉２３の出口側に設けられている。製品排出部２６は、炉心炉２３内で熱処理されたカーボンナノファイバーをタール除去部２０外に排出する部分である。
【００５４】
第１不活性ガス供給部２７ａは、原料ホッパー２１内に不活性ガス例えば窒素ガスを導入するように形成され、原料ホッパー２１に取り付けられる。第１不活性ガス供給部２７ａから原料ホッパー２１内に供給された不活性ガスは、原料ホッパー２１の内部及び原料供給管２９の内部を流通し、排ガス放出部２７ｃから系外に放出される。第２不活性ガス供給部２７ｂは、製品排出部２６内に不活性ガス例えば窒素ガスを導入するように形成され、製品排出部２６に取り付けられる。第２不活性ガス供給部２７ｂから製品排出部２６の内部に供給された不活性ガスは炉芯管２３の内部を流通し、排ガス放出２７ｃから系外に放出されるように成っている。排ガス放出部２７ｃは、炉心炉２３の入口部及び原料供給スクリュー２４の出口部を収容した状態に設置される。廃ガス放出部２７ｂは、炉心炉２３内でのカーボンナノファイバーの加熱処理の際に発生したタール成分蒸気を含有する廃ガスを、第１不活性ガス供給部２７ａ及び第２不活性ガス供給部２７ｂそれぞれから導入された不活性ガスと共に、タール除去部２０外に放出する部分である。
【００５５】
前記第１不活性ガス供給部２７ａ及び第２不活性ガス供給部２７ｂは、不活性ガスを、原料ホッパー２１、炉心管２３、原料供給管２９、製品排出部２６及び不活性ガス供給部２７ａに導入することにより、これらの内部を不活性ガス例えば窒素ガス又は希ガスで置換することができる。こうすることにより炉心管２３内で発生したタール成分蒸気の分圧を窒素ガス等により小さくして、その除去効率を大きくすることができる。
【００５６】
タール除去部２０においては、炉心管２３内におけるカーボンナノファイバーの移送を炉心管２３の回転により行う点に、つまりロータリーキルン方式により行う点に特徴がある。ロータリーキルン方式によると、カーボンナノファイバーの繊維塊は炉心管２３の内周面を転がりながら移動する。このような移送方式を採用する理由については、遷移金属除去部１０においてスクリューコンベア１４を採用する理由と同様である。タール除去部２０において、カーボンナノファイバーの移送手段としてロータリーキルンを使用することにより、遷移金属除去部１０においてスクリューコンベアを使用することにより得られる前記効果と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
炉心管２３の回転数としては、０．１〜１００ｒｐｍであることが好ましく、勾配としては０．５〜１０°であることが好ましい。回転数及び勾配がこの条件を満たせば、前記効果が充分に得られる。
【００５８】
タール除去部２０における移送手段は、炉心管２３及び炉心管回転用モーター２８により形成されるロータリーキルンであるが、この発明に係る後処理装置におけるタール除去部の移送手段としては、カーボンナノファイバーの繊維塊を前述のように移送することができる手段であればロータリーキルンに制限されることはなく、例えば遷移金属除去部１０と同様のスクリューコンベアであってもよく、スクリューコンベアを使用する場合には、炉心管は横型であっても、縦型であってもよい。
【００５９】
タール除去部２０で処理する粗カーボンナノファイバーの嵩密度については、遷移金属除去部１０の説明において示した粗カーボンナノファイバーの嵩密度と同様である。
【００６０】
炉心管２３の構造は、前述のようなロータリーキルンを形成することができれば特に制限されることはなく、炉心管２３の内部にリフターを設けたり、炉心管２３の開口部にリング堰を設けたりすることができる。
【００６１】
タール除去部２０は、カーボンナノファイバーを、不活性ガス雰囲気中で６００〜１３００℃まで除々に昇温するように加熱する。この加熱処理により、タールがカーボンナノファイバーから好適に蒸発し、除去される。
【００６２】
加熱時間は、０．５〜６０分間、特に１〜３０分間であることが好適である。前記不活性ガス雰囲気としては、通常、窒素及び希ガス等の不活性ガス雰囲気が好適である。この不活性ガス雰囲気中に酸素が存在するとカーボンナノファイバーが酸化し、つまり焼失してしまうのであるが、不活性ガス雰囲気中の酸素濃度を完全にゼロにすることは極めて困難であるから、不活性ガス雰囲気中の許容することのできる酸素濃度としては多くとも１０ｐｐｍに、好ましくは多くとも１ｐｐｍに抑制することが望まれる。
【００６３】
なお以上においては、遷移金属除去部により粗カーボンナノファイバーを処理して得られた生成物を原料としてタール除去部を説明したが、前記タール除去部は、有機遷移金属化合物を使用して気相成長法により製造された粗カーボンナノファイバーをそのまま原料とすることもできる。
【００６４】
（３）黒鉛化部
図３に示されるように、この発明に係る製造装置における黒鉛化手段の一具体例である黒鉛化部３０は、原料ホッパー３１と、スクリュー回転用モーター３２と、炉心管３３と、スクリューコンベア３４と、高周波炉３５と、製品排出部３６と、原料供給スクリュー３７と、原料供給スクリュー回転用モーター３８と、原料供給管３９と、第１置換室４０と、第２置換室４１と、スライドゲート弁４２ａと、スライドゲート弁４２ｂと、スライドゲート弁４３ａと、スライドゲート弁４３ｂと、黒鉛化カーボンナノファイバー移送管４４とを有して成る。
【００６５】
原料ホッパー３１は、遷移金属除去部１０及びタール除去部２０においてカーボンナノファイバーに前記熱処理を施して得られた不純物除去済みカーボンナノファイバーを収容する部材である。第１置換室４０は、原料ホッパー３１の下端開口に、縦方向に延在するように設けられている。第１置換室４０は、その上端部及び延在方向中央部にそれぞれスライドゲート弁４２ａ及びスライドゲート弁４２ｂを有する。第１置換室４０は、スライドゲート弁４２ａ及びスライドゲート弁４２ｂを閉ざすことにより、スライドゲート弁４２ａとスライドゲート弁４２ｂとで挟まれる部分に密閉空間である第１置換室４０を形成する。この第１置換室４０は、図示しないガス出入口から特定のガスを送入することによって、特定のガス雰囲気にすることができる（一般に、ガス置換に際しては、この第１置換室４０内を一旦真空にした後、新しいガス特に不活性ガスを導入する方法が採用される。）。
【００６６】
原料供給管３９は、第１置換室４０の下部に取り付けられている。原料供給管３９は、第１置換室４０から落下してくる不純物除去済みカーボンナノファイバーを炉心管３３内に供給する部材である。原料供給管３９は、第１置換室管４０から不純物除去済みカーボンナノファイバーが供給される入口部が、出口部よりも上位になるように設置される。原料供給スクリュー３７は、原料供給管３９内に収容されている。原料供給スクリュー３７は、原料供給スクリュー回転用モーター３８により回転し、その作用により、第１置換室４０から原料供給管３９内に供給された不純物除去済みカーボンナノファイバーを炉心管３３内に移送する。
【００６７】
炉心管３３は、不純物除去済みカーボンナノファイバーを加熱処理し、黒鉛化カーボンナノファイバーを生成させる管体である。炉心管３３は、縦方向に延在するように設置されている。炉心管３３は、その下端部が原料供給管の出口部と結合している。したがって炉心管３３内には、不純物除去済みカーボンナノファイバーは、その下端部から供給される。高周波炉３５は、炉心管３３の延在方向中央部を覆うように設けられている。高周波炉３５は、炉心管３３に高周波を照射することにより炉心管３３を誘導加熱する所謂誘導加熱炉であって、炉心管３３内の不純物除去済みカーボンナノファイバーを加熱する装置である。スクリューコンベア３４は、炉心管３３内に収容されている。炉心管３３が加熱された時、スクリューコンベア３４の温度は周囲の炉心管温度に準じた温度になる。例えば、炉心管３３が２２００℃の位置のスクリューコンベアは２２００℃か少し低めの温度であり、炉心管３３が１５００℃の位置のスクリューコンベアは１５００℃か少し低めの温度である。移送手段であるスクリューコンベア３４は、スクリュー回転用モーター３２の作用により回転し、原料供給管３９から炉心管３３内に供給されたカーボンナノファイバーを、炉心管３３の入口側つまり下端側から出口側つまり上端側に向けて移送する。
【００６８】
黒鉛化カーボンナノファイバー移送管４４は、炉心管３３の上端部に設けられている。黒鉛化カーボンナノファイバー移送管４４は、その入口側が出口側よりも上位になるように設置される。第２置換室４１は、黒鉛化カーボンナノファイバー移送管４４の出口側下端部に、縦方向に延在するように設けられている。
【００６９】
第２置換室４１は、その延在方向中央部及び下端部にそれぞれスライドゲート弁４３ａ及びスライドゲート弁４３ｂを有する。第２置換室４１は、スライドゲート弁４３ａ及びスライドゲート弁４３ｂを閉ざすことにより、スライドゲート弁４３ａとスライドゲート弁４３ｂとで挟まれる部分に密閉空間である第２置換室４１を形成する。第２置換室４１は、図示しないガス出入口から特定のガスを送入することによって、特定のガス雰囲気にすることができる（一般に、ガス置換に際しては、この第２置換室４１を一旦真空にした後、新しいガス特に不活性ガスを導入する方法が採用される。）。
【００７０】
製品排出部３６は、第２置換室４１の下端開口部に設けられている。製品排出部３６は、炉心管３３内で生成された黒鉛化カーボンナノファイバーを黒鉛化部３０外に排出する部分である。
【００７１】
また黒鉛化部３０は、図示しないガス導入口及びガス導出口を有し、炉心管３３、原料供給管３９及び黒鉛化カーボンナノファイバー移送管４４内を不活性ガス、例えば窒素ガス又は希ガス、特にアルゴンで置換することができる。このようにすることにより炉心管３３等の酸化を防止することができる。
【００７２】
黒鉛化部３０においては、炉心管３３内におけるカーボンナノファイバーの移送をスクリューコンベア３４により行う点に特徴がある。黒鉛化部３０においてスクリューコンベア３４を採用する理由については、遷移金属除去部１０においてスクリューコンベア１４を採用する理由と同様である。黒鉛化部３０において、カーボンナノファイバーの移送手段としてこのようなスクリューコンベアを使用することにより、カーボンナノファイバーを均一に黒鉛化することができ、またカーボンナノファイバーをスムースに移送することができる。
【００７３】
スクリューコンベア３４の構造としては、前記機能を有していれば特に制限はなく、図３に示される標準的な一重の羽根スクリューの他、例えば二重羽根スクリュー、パドル付きスクリュー、カットフライトスクリュー又はリボンスクリューであってもよい。
【００７４】
スクリューコンベア３４において、ピッチｔと回転軸径ｄ_ｓと羽根外径ｄ_ｂとの関係が、ｔ／ｄ_ｂ＝０．１〜２０、ｄ_ｓ／ｄ_ｂ＝０．０５〜０．８であり、スクリューコンベア３の最外部と炉心管３３との距離が１〜３０ｍｍであると、前記効果が好適に発揮されるので好ましい。
【００７５】
黒鉛化部３０における炉心管３４は縦型であるが、これを横型にすることもできる。
【００７６】
黒鉛化部３０における移送手段は、スクリューコンベア３４であるが、この発明に係る黒鉛化部における黒鉛化部の移送手段としては、カーボンナノファイバーの繊維塊を前述のように移送することのできる手段であればスクリューコンベアに制限されることはなく、例えばロータリーキルンであってもよい。
【００７７】
黒鉛化部３０で処理するカーボンナノファイバーの嵩密度については、遷移金属除去部１０の説明において示したカーボンナノファイバーの嵩密度と同様である。
【００７８】
黒鉛化部３０においては、炉心管３３は黒鉛製シリンダーであり、スクリューコンベア３４が前記黒鉛製シリンダー内に収容された黒鉛製スクリューであることが好ましい。誘導加熱が可能で、１６００℃以上の温度で使用できる材料は黒鉛以外にはない。特に強度を高くするために、黒鉛繊維で強化した黒鉛複合材料、高純度黒鉛など、黒鉛の範疇で適当な黒鉛材料を選ぶ事ができる。
【００７９】
黒鉛化工程では、不純物除去生成物は１６００〜３０００℃に加熱される。２５００℃以下、好ましくは１６００〜２４００℃に、さらに好ましくは１７００〜２３００℃に加熱されると、特に、屈曲した黒鉛化カーボンナノファイバーの生成が少なくなる。屈曲のない黒鉛化カーボンナノファイバーは樹脂と混合して導電性部材を得ようとする場合、導電性の低下と言った問題の発生が少ない。したがって、導電性と言う観点からすると前記加熱温度に調節するのが好ましいと言える。
【００８０】
加熱時間は、カーボンナノファイバーの結晶構造が変化できる時間を必要とするので、０．５〜６０分間、特に１〜３０分間であることが好適である。
【００８１】
なおここでいう「黒鉛化処理」とは、完全な黒鉛結晶構造を得ることを目的とする処理ではなく、高結晶化構造を得ることを目的とする処理である。
【００８２】
従来の気相成長炭素繊維（直径１００ｎｍ以上）の黒鉛化には、処理温度として２５００℃以上、特に２５００〜３０００℃が採用されることが多い。
【００８３】
（４）作用
後処理装置１の作用を、原料が遷移金属除去部１０に供給され、その生成物がタール除去部２０に供給され、さらにその生成物が黒鉛化部３０に供給される場合を例にして説明する。この場合、この後処理装置１は、図１における遷移金属除去部１０における製品排出部２０が図２における原料ホッパー２１に置き換えられるか、又は図１における遷移金属除去部１０の下端開口部が図２における原料ホッパー２１の投入開口部に直結され、図２における製品排出部２６が図３における原料ホッパー３１に置き換えられるか、又は図２における製品排出部２６の下端開口部が図３における原料ホッパー３１の投入開口部に直結されて成る。
【００８４】
まず遷移金属除去部１０は次のように作用する。
【００８５】
窒素ガスを前記ガス導入口１７ａから導入し、原料ホッパー１１、炉心管１３及び製品排出部１６内を窒素ガスで置換する。
【００８６】
原料ホッパー１１内に原料である粗カーボンナノファイバーを入れる。スクリュー回転用モーター１２を駆動させてスクリューコンベア１４を回転させる。原料ホッパー１１から炉心管１３内に粗カーボンナノファイバーを供給する。粗カーボンナノファイバーは、スクリューコンベア１４の作用により、繊維塊となって、炉心管１３内を螺旋状に移動する。粗カーボンナノファイバーは、炉心管１３内で、電気炉１５から供給される熱により、有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い温度に加熱される。この熱処理により、粗カーボンナノファイバーに含有される遷移金属化合物は気化し、粗カーボンナノファイバーから離脱する。粗カーボンナノファイバーから遷移金属化合物が除去されて生成された生成物（以下において、金属成分除去粗カーボンナノファイバーと称することがある。）は、スクリューコンベア１４により炉心管１３内を移動し、炉心管１３の出口部に至り、製品排出部１６から図２に示す原料ホッパー２１に排出される。気化して、粗カーボンナノファイバーから離脱した遷移金属化合物の蒸気は、廃ガス放出部１７ｂから遷移金属除去部１０外に排出される。
【００８７】
遷移金属除去部１０において行われる上記工程が遷移金属除去工程である。
【００８８】
遷移金属除去部１０における上記工程においては、粗カーボンナノファイバーを有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い温度に加熱するので、前述のように遷移金属化合物を好適に蒸発除去させることができる。また炉心管１３内におけるカーボンナノファイバーは、スクリューコンベア１４によりその回転作用によって移送されるので、前述のようにその移送中に嵩密度が大きくなることがないか僅かな増加である。このため遷移金属除去部１０においては、粗カーボンナノファイバーから遷移金属化合物を速やかに蒸発除去させて、金属成分除去粗カーボンナノファイバーを効率的に製造することができ、さらに粗カーボンナノファイバー及び金属成分除去粗カーボンナノファイバーを炉心管内においてスムースに移送することができ、前記工程を円滑に行うことができる。
【００８９】
また遷移金属除去部１０においては、粗カーボンナノファイバーから有機遷移金属化合物及び遷移金属を除去するために、次に示す後処理をすることができる。
【００９０】
前記（ａ）粗カーボンナノファイバーを製造するのに使用された有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い加熱温度に不活性雰囲気中で加熱する加熱処理（以下において、単に（ａ）加熱処理と称することがある。）に代えて、（ｂ）粗カーボンナノファイバーを製造するのに使用された有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い加熱温度に塩素ガスを含有する雰囲気中で加熱する加熱処理（以下において、単に（ｂ）加熱処理と称することがある。）をする。また前記（ａ）加熱処理の前後、好ましくは前記（ａ）加熱処理の後に前記（ｂ）加熱処理をしてもよい。
【００９１】
塩素ガスを含有する雰囲気として、塩素ガス１００容量％の雰囲気を挙げることができるが、通常、塩素ガス濃度が２０〜５０容量％の雰囲気であり、残りが不活性ガスである塩素ガス含有不活性ガス雰囲気を挙げることができる。
【００９２】
この（ｂ）加熱処理に供される粗カーボンナノファイバーの平均嵩密度及び局所嵩密度は、前記（ａ）加熱処理の場合と同様である。
【００９３】
この（ｂ）加熱処理における加熱温度は、前記（ａ）加熱処理における加熱温度と同様である。この（ｂ）加熱処理において、塩素ガスを粗カーボンナノファイバーに作用させ、前記加熱温度に粗カーボンナノファイバーを加熱すると、粗カーボンナノファイバーに含まれている前記遷移金属が蒸発可能な化合物に変化して、加熱温度によりこの化合物が蒸発除去されてしまい、また粗カーボンナノファイバーに含まれている有機遷移金属化合物も加熱温度により蒸発して除去される。
【００９４】
特に、有機遷移金属化合物の一例であるメタロセン例えばフェロセンから生じた鉄粒子を含む粗カーボンナノファイバーを４００〜５００℃、好ましくは４３０〜４６０℃と言った４５０℃付近において窒素と塩素との混合ガス雰囲気下で加熱処理すると、例えば鉄が塩化鉄になり、これが蒸発することによって、鉄粒子が除去される。このような塩素含有ガスを使用した場合には、粗カーボンナノファイバーに含有される鉄等の遷移金属を多くとも１％、さらには多くとも０．１％にまで除去することができる。
【００９５】
（ｂ）加熱処理は、塩素ガスを使用するので、炉心管１３にＳＵＳ管をそのまま使用するのでは腐食の問題を生じる。炉心管１３にＳＵＳ管を使用する必要があるときには、ＳＵＳ管に塩素に対する耐腐食性の処置を施しておくのが良い。そのために、炉心管及びスクリューコンベアにもセラミック例えば酸化物、炭化物、窒化物、及び炭窒化物、例えば、アルミナ、ムライト、サイアロン等を使用して塩素の接触する表面を塩素に対する耐腐食性にしておくのが、好ましい。
【００９６】
なお、前記加熱処理により得られたカーボンナノファイバー中に残存する遷移金属の含有量を更に低減させるには、前記加熱処理の前後においてカーボンナノファイバーを酸性水で洗浄する操作を施すのも有効である。
【００９７】
タール除去部２０は次のように作用する。
【００９８】
予めの操作として、原料ホッパー２１に設けられた第１不活性ガス導入部２７ａから窒素ガスを導入し、原料ホッパー２１と原料供給管２９との内部を窒素ガスで置換し、また、製品排出部２６に設けられた第２不活性ガス導入部２７ｂから窒素ガスを導入し、製品排出部２６及び炉心管２３の内部を窒素ガスで置換し、導入された窒素ガスは廃ガス放出部２７ｂより系外に放出する。
【００９９】
原料ホッパー２１内に、遷移金属除去部１０で製造された金属成分除去粗カーボンナノファイバーを投入する。原料供給スクリュー回転用モーター２２を駆動させて、原料供給スクリュー２４を回転させる。原料ホッパー２１から原料供給管２９内に金属成分除去粗カーボンナノファイバーを供給する。供給された粗金属成分除去粗カーボンナノファイバーは、原料供給スクリュー２４の作用により、繊維塊になって原料供給管２３内を移動し、炉心管２３内に供給される。
【０１００】
炉心管回転用モーター２８を駆動させて、炉心管２３を回転させる。炉心管２３内に供給された金属成分除去粗カーボンナノファイバーは、炉心管２３内を回転しながら移動する。金属成分除去粗カーボンナノファイバーは、炉心管２３内で、電気炉２５から供給される熱により、６００〜１３００℃に加熱される。この熱処理により、金属成分除去粗カーボンナノファイバーに含有されるタール成分は気化し、金属成分除去粗カーボンナノファイバーから離脱する。タール気化物の一部は炭化する。金属成分除去粗カーボンナノファイバーから遷移金属が除去されて生成された不純物除去済みカーボンナノファイバーは、さらに炉心管２３内を転がりながら移動し、炉心管２３の出口部に至り、製品排出部２６からタール除去部２０外に排出される。気化して、金属成分除去粗カーボンナノファイバーから離脱したタール成分の蒸気及びその炭化物は、廃ガス放出部２７ｃからタール除去部２０外に排出される。
【０１０１】
タール除去部２０において行われる上記工程がタール除去工程である。
【０１０２】
タール除去部２０における上記工程においては、不活性ガス雰囲気中で６００〜１３００℃にカーボンナノファイバーを加熱するので、前述のようにタール成分を金属成分除去粗カーボンナノファイバーから好適に除去することができる。また炉心管２３内におけるカーボンナノファイバーは、ロータリーキルン方式により転がりながら移送されるので、前述のようにその移送中に嵩密度が大きくなることがないか僅かな増加である。このためタール除去部２０においては、金属成分除去粗カーボンナノファイバーからタール成分を速やかに蒸発除去させて、不純物除去済みカーボンナノファイバーを効率的に製造することができ、さらに金属成分除去粗カーボンナノファイバー及び不純物除去済みカーボンナノファイバーを炉心管内においてスムースに移送することができ、前記工程を円滑に行うことができる。
【０１０３】
黒鉛化部３０は、次のように作用する。
【０１０４】
スライドゲート弁４２及びスライドゲート弁４３を閉じる。図示しない前記ガス導入口から第１置換室４１内に不活性ガスを導入して、第１置換室４１内の気体を不活性ガスに置換する。
【０１０５】
不活性ガスを前記ガス導入口（図示せず）から導入し、炉心管３３、原料供給管３９及び黒鉛化カーボンナノファイバー移送管４４内の気体を不活性ガスで置換し、酸素フリーの状態にする。
【０１０６】
原料ホッパー３１内に、タール除去部２０で製造された不純物除去済みカーボンナノファイバーを入れる。スライドゲート弁４２ａを開け、原料ホッパー３１内の不純物除去済みカーボンナノファイバーを第１置換室４０内に移行させる。スライドゲート弁４２ａを閉じる。前記ガス導入口から第１置換室４０内に不活性ガスを導入し、第１置換室４０内の気体を不活性ガスで置換する。原料供給スクリュー回転用モーター３８を駆動させて、原料供給スクリュー３７を回転させる。スライドゲート弁４２ｂを開けて、置換室４０ａから原料供給管３９内に不純物除去済みカーボンナノファイバーを供給する。供給された不純物除去済みカーボンナノファイバーは、原料供給スクリュー３７の作用により、繊維塊となって、原料供給管３９内を螺旋状に移動し、炉心管３３内に供給される。
【０１０７】
スクリュー回転用モーター３２を駆動させ、スクリューコンベア３４を回転させる。炉心管３３の最下部に供給された不純物除去済みカーボンナノファイバーは、スクリューコンベア３４の作用により、炉心管３３内を螺旋状に上昇する。不純物除去済みカーボンナノファイバーは、高周波炉３５からの高周波により加熱された炉心管３３により、１６００〜３０００℃に加熱される。この熱処理により、不純物除去済みカーボンナノファイバーは黒鉛化され、黒鉛化カーボンナノファイバーになる。この黒鉛化カーボンナノファイバーは、さらに炉心管３３内を上昇して黒鉛化カーボンナノファイバー移送管４４に至り、黒鉛化カーボンナノファイバー移送管４４内を下降し、置換室管４１に達する。スライドゲート弁４３ａを開け、第２置換室４１内に黒鉛化カーボンナノファイバーを送る。スライドゲート弁４３ａを閉じ、スライドゲート弁４３ｂを開け、製品排出部３６から黒鉛化カーボンナノファイバーを黒鉛化部３０から排出する。
【０１０８】
黒鉛化部３０で行われる上記工程が黒鉛化工程である。この例では、置換室４０、置換室４１利用によるセミバッチ的な黒鉛化処理を示した。このセミバッチ式で運転をスタートさせ、原料ホッパー３１内のガス置換を充分に行ってから、ゲート弁４２ａ、４２ｂ、４３ａ及びｂ４３ｂの全てを開放して、連続運転に以降する事が多い。
【０１０９】
黒鉛化部３０における上記工程においては、１６００〜３０００℃で不純物除去済みカーボンナノファイバーを加熱するので、前述のように好適に黒鉛化を行うことができる。また原料供給管３９及び炉心管３３内におけるカーボンナノファイバーは、スクリューコンベアによりその回転作用によって移送されるので、前述のようにその移送中に嵩密度が大きくなることがない。このため黒鉛化部３０においては、不純物除去済みカーボンナノファイバーを効率的に黒鉛化することができ、さらに不純物除去済みカーボンナノファイバー及び黒鉛化カーボンナノファイバーを炉心管等内においてスムースに移送することができ、前記工程を円滑に行うことができる。
【０１１０】
黒鉛化工程においては、炉心管内を前記のような高温に加熱する必要があるので、炉心管が、その材料の弾性率の低下により撓みを生ずることがあるが、黒鉛化部３０における炉心管３３は縦型であるので、そのような撓みを生ずるおそれはない。
【０１１１】
本例では、カーボンナノファイバーを炉心管３３内をスクリューコンベア３４により下から上に移送する場合を示したが、移送方向としては上から下に移送することも可能である。
【０１１２】
なお黒鉛化部における移送手段としてロータリーキルンを用いた場合には、炉心管は横型となるが、炉心管は回転しているので、炉心管の前記撓みは防止することができる。
【０１１３】
後処理装置１は、遷移金属除去部１０、タール除去部２０及び黒鉛化部３０を結び付けることによって効率的に実施することができる。
【０１１４】
カーボンナノファイバーは、黒鉛層が薄い。例えば中空孔径５ｎｍ、外径１５ｎｍのカーボンナノファイバーの場合、黒鉛層の厚さは５ｎｍである。黒鉛網面間の距離を約０．３６ｎｍとすると、黒鉛網面の数は１４枚でしかない。したがってカーボンナノファイバーでは、黒鉛化が進行するにつれて、繊維形状が変化する。熱処理温度を高くしすぎると、処理前は滑らかな曲面であった箇所が、繊維長手方向に鋭く折れ曲がり、屈曲点を生じる。鋭く屈曲したカーボンナノファイバーは、樹脂などとの混合時にわずかな力で折れ、短くなるので、導電性の低下という問題を生じる。したがって処理温度としては、前述した温度が好適である。
【０１１５】
前記温度に加熱することにより、得られる黒鉛化生成物には塊状黒鉛が殆ど含まれず、またタールが変質したと思われる微細黒鉛異物の量が著しく減少する。したがって、この黒鉛化生成物は、殆ど黒鉛化カーボンナノファイバーの集合体である。
【０１１６】
この黒鉛化カーボンナノファイバーは、通常黒鉛化カーボンナノチューブあるいは黒鉛化極細気相成長炭素繊維と当業者に考えられているものと同じ物である。
【０１１７】
また、このカーボンナノファイバー黒鉛化処理工程により得られる黒鉛化カーボンナノファイバーは、黒鉛化度が向上しているので、樹脂に混合して複合材料にするとその複合材料の導電性が著しく向上する。
【０１１８】
２．カーボンナノファイバーの後処理方法
この発明に係るカーボンナノファイバーの後処理方法は、前記の発明に係るカーボンナノファイバーの後処理装置を使用して、上記説明に基づいて実施することができる。
【０１１９】
【発明の効果】
この発明に係るカーボンナノファイバーの後処理装置においては、遷移金属除去部、タール除去部及びカーボンナノファイバー黒鉛部がそれぞれスクリューコンベア又はロータリーキルンを用いて移送する移送手段を有するので、プッシャーによりカーボンナノファイバーを移送する場合と異なり、各熱処理炉内を移動するカーボンナノファイバーの嵩密度が大きくなることがない。このため遷移金属除去部及びタール除去部においては、不純物を効率的に除去することができ、黒鉛化部においては、均一に黒鉛化を行うことができる。さらに前記炉心管において、カーボンナノファイバーをスムースに移送することができ、安定な熱処理を行うことができる。
【０１２０】
またカーボンナノファイバーの嵩密度が小さいことから、カーボンナノファイバーの熱処理に要する単位容積当りの熱量が小さく、熱処理後の放熱量も小さい。したがって前記製造装置においては処理量を大きくすることができる。
【０１２１】
この発明に係るカーボンナノファイバーの後処理方法は、前記製造装置を使用することにより、前記と同様の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、後処理装置１における遷移金属除去部１０を示す説明図である。
【図２】図２は、後処理装置１におけるタール除去部２０を示す説明図である。
【図３】図３は、後処理装置１における黒鉛化部３０を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・後処理装置、１０・・遷移金属除去部、１１・・原料ホッパー、１２・・スクリュー回転用モーター、１３・・炉心管、１４・・スクリューコンベア、１５・・電気炉、１６・・製品排出部、１７ａ・・不活性ガス導入部、１７ｂ・・廃ガス放出部、２０・・タール除去部、２１・・原料ホッパー、２２・・原料供給スクリュー回転用モーター、２３・・炉心管、２４・・原料供給スクリュー、２５・・電気炉、２６・・製品排出部、２７ａ・・第１不活性ガス導入部、２７ｂ・・第２不活性ガス導入部、２７ｃ・・廃ガス放出部、２８・・炉心管回転用モーター、２９・・原料供給管、３０・・黒鉛化部、３１・・原料ホッパー、３２・・スクリュー回転用モーター、３３・・炉心管、３４・・スクリューコンベア、３５・・高周波炉、３６・・製品排出部、３７・・原料供給スクリュー、３８・・原料供給スクリュー回転用モーター、３９・・原料供給管、４０・・第１置換室、４１・・第２置換室、４２ａ・・スライドゲート弁、４２ｂ・・スライドゲート弁、４３ａ・・スライドゲート弁、４３ｂ・・スライドゲート弁、４４・・黒鉛化カーボンナノファイバー移送管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a post-treatment device and a post-treatment method for carbon nanofibers, and more particularly, to a post-treatment device capable of producing highly crystalline carbon nanofibers by efficiently post-treating carbon nanofibers, and Thereafter, it relates to a processing method.
[0002]
[Prior art]
It is known that the higher the crystallinity of the vapor-grown carbon fiber, the more the hexagonal lattice plane of the carbon is oriented in an annual ring shape and the more excellent the properties are. Further, when the vapor-grown carbon fiber is graphitized, the crystallinity is improved.
[0003]
Among the vapor grown carbon fibers, thin vapor grown carbon fibers having a diameter of 1 to 100 nm are particularly called carbon nanofibers. Carbon nanofibers are also called carbon nanotubes when the graphite mesh surface is formed by surrounding the fiber axis in an annual ring shape and is hollow.
[0004]
Therefore, it is expected that the higher the crystallinity of the carbon nanofibers, the more favorable the properties will be expressed. In particular, graphitized carbon nanofibers, that is, graphitized carbon nanofibers, are expected to have a large effect. The carbon nanofibers may be graphitized to some extent at the stage of manufacture, but in order to further enhance the crystallinity, the manufactured carbon nanofibers may be subjected to a graphitization treatment as a post-treatment. Graphitized carbon nanofibers, in particular, have a small fiber diameter, and when formed into a composite material containing the same, significantly improve the conductivity of the composite material or improve the tip discharge characteristics. It is considered that such a favorable property is exhibited.
[0005]
However, in order to exhibit the above properties of the carbon nanofibers, it is required that the carbon nanofibers have high purity, that is, high quality, whether or not the graphitization treatment is performed.
[0006]
In order to produce carbon nanofibers using the method for producing vapor-grown carbon fibers, it is necessary to reduce the diameter of the fibers to be produced, and for that purpose, it is necessary to suppress the growth of fiber thickness. . To do so, the decomposition rate is reduced by comparing the decomposition rate of the carbon source necessary for forming the fiber with the generation rate of metal particles (metal droplets) that are the core of fiber formation. It is necessary to increase the speed, shorten the residence time of the produced fiber in the reaction system, and discharge the produced fiber out of the reaction system before the produced fiber grows to a large thickness.
[0007]
To reduce the decomposition rate, it is necessary to lower the reaction temperature. Then, the production amount of the tar increases during the production of the carbon nanofiber.
[0008]
Further, even in the case of performing the graphitization treatment, the tar reduces the purity of the graphitized carbon nanofiber to be manufactured. Since the graphitization treatment is usually performed at 2000 to 3000 ° C., at this temperature, the tar is carbonized as it is, and becomes a graphite microcrystal without orientation, which will remain in the graphitized carbon nanofiber to be produced. Because.
[0009]
Therefore, if the decomposition rate is reduced for the purpose of efficiently producing carbon nanofibers, the purity of the carbon nanofibers or graphitized carbon nanofibers that are necessarily produced decreases.
[0010]
On the other hand, in order to increase the production rate, it is necessary to increase the amount of the organic transition metal compound used in the reaction. When the amount of the organic transition metal compound is increased and the residence time of the produced fiber in the reaction system is shortened, the amount of the remaining organic transition metal compound increases, so that the purity of the obtained carbon nanofiber decreases.
[0011]
Further, when the graphitization treatment is performed thereafter, the organic transition metal compound is decomposed during the graphitization treatment to generate particles of a transition metal such as iron, and the transition metal particles are melted during the graphitization process and then vaporized. Evaporate. At that time, the molten carbon melts the carbon nanofibers, so that amorphous carbon having no orientation increases in the graphitized carbon nanofibers to be generated.
[0012]
Therefore, if it is attempted to increase the production rate for the purpose of efficiently producing carbon nanofibers, the purity of the carbon nanofibers or graphitized carbon nanofibers that are necessarily produced decreases.
[0013]
As understood from the above, it has been difficult to produce high-quality carbon nanofibers irrespective of whether or not the graphitization treatment is performed, even if the method for producing the vapor-grown carbon fiber is used. In conventional vapor-grown carbon fibers having a large fiber diameter, such a problem was small because the amount of the organic transition metal compound used was small, but carbon nanofibers, which are vapor-grown carbon fibers having a small fiber diameter, were used. The above problem is significant when producing a .gamma., And the problem becomes greater as the fiber diameter is smaller.
[0014]
Therefore, in order to obtain high-quality carbon nanofibers, regardless of whether or not the graphitization treatment is performed, a treatment for removing impurities contained in the carbon nanofibers, that is, a tar component and a residual metal component is performed as a post-treatment. There is a need.
[0015]
The residual metal component includes metal particles and the like generated by decomposing the organic transition metal compound and undecomposed organic transition metal compound.
[0016]
As a method for removing the decomposed product from the residual metal component, pickling has conventionally been used. However, this method has a drawback that the removal rate is low although the treatment is troublesome.
[0017]
Conventionally, there has been solvent extraction in the method of removing the undecomposed products and tar components of the residual metal component, but this method has a low removal rate and requires a step other than heat treatment of solvent extraction. There was a disadvantage that the cost was high.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a post-treatment device and a post-treatment method of a carbon nanofiber capable of efficiently post-treating a carbon nanofiber in order to obtain a highly crystallized carbon nanofiber. In particular, a post-processing device and a post-processing method of a carbon nanofiber capable of efficiently removing remaining unreacted organic transition metal compounds, and a post-processing device of a carbon nanofiber capable of efficiently removing tar components And a post-treatment method, and a post-treatment device and a post-treatment method for a carbon nanofiber capable of producing highly crystalline graphitized carbon nanofiber.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above-mentioned problems, a carbon nanofiber produced by a vapor phase growth method using an organic transition metal compound, a transfer means for transferring using a screw conveyor or a rotary kiln, and the carbon nanofiber A post-processing device for carbon nanofibers, comprising: a heat-processing means for performing post-processing of the carbon nanofiber by performing a heat treatment while being transferred by the transfer means,
As a preferred embodiment of the post-treatment device, the heat treatment means removes the organic transition metal compound from the carbon nanofiber by heating the carbon nanofiber to a temperature lower than a decomposition temperature of the organic transition metal compound. Transition metal removing means,
The heat treatment means comprises tar removal means for removing tar from the carbon nanofiber by heating the carbon nanofiber to 600 to 1300 ° C in an inert gas atmosphere,
The heat treatment unit includes a graphitization unit that heats the carbon nanofibers to 1600 to 3000 ° C. to graphitize.
[0020]
Another aspect of the present invention for solving the above-mentioned problem is to perform heat treatment of the carbon nanofibers while transferring the carbon nanofibers produced by a vapor phase growth method using an organic transition metal compound by a screw conveyor or a rotary kiln. It is a post-processing method of carbon nanofiber characterized by performing post-processing by
As a preferred embodiment of the post-treatment method, the heat treatment removes the organic transition metal compound from the carbon nanofiber by heating the carbon nanofiber to a temperature lower than a decomposition temperature of the organic transition metal compound. Comprising a transition metal removal step,
The heat treatment comprises a tar removal step of removing tar from the carbon nanofiber by heating the carbon nanofiber to 600 to 1300 ° C. in an inert gas atmosphere,
The heat treatment includes a graphitization step in which the carbon nanofibers are graphitized by heating to 1600 to 3000 ° C.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
1. Post-processing device for carbon nanofiber
FIGS. 1, 2 and 3 are explanatory views showing a post-processing device 1 which is a specific example of the post-processing device of the carbon nanofiber according to the present invention. The post-processing device 1 includes a transition metal removing unit 10, a tar removing unit 20, and a graphitizing unit 30. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a transition metal removing unit 10 in the post-processing device 1, FIG. 2 is an explanatory diagram showing a tar removing unit 20 in the post-processing device 1, and FIG. It is explanatory drawing which shows the graphitization part 30. The transition metal removing unit 10 of the post-processing apparatus 1 is an example of a transition metal removing unit that removes the organic transition metal compound as an impurity from carbon nanofibers manufactured by a vapor growth method using an organic transition metal compound. The tar removing unit 20 is an example of a tar removing unit that removes tar as an impurity from the carbon nanofiber. The transition metal removing section 10 and the tar removing section 20 form an impurity removing section. The graphitizing unit 30 of the post-processing apparatus 1 is an example of a graphitizing unit that performs a graphitizing process on the carbon nanofibers processed by the impurity removing unit.
[0022]
The raw material used for the post-processing apparatus 1 is a coarse carbon nanofiber manufactured by a vapor phase growth method using an organic transition metal compound. The carbon nanofiber is not particularly limited as long as it satisfies the conditions for the production method.
[0023]
As an apparatus for producing the carbon nanofiber, for example, FIG. 1 described in JP-A-8-301699, FIG. 1 described in JP-A-11-107052, and FIG. 1, the apparatus shown in FIG. 2 described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-73231, and the apparatus shown in FIG. 1 described in Publication 2001-115348 can be cited.
[0024]
Examples of the organic transition metal compound used for producing carbon nanofibers include, for example, organic transition metal compounds described in JP-A-60-54998, page 3, upper left column, line 9 to upper right column, bottom line. Organic transition metal compounds described in paragraph [0059] of JP-A-9-324325, and organic transition metal compounds described in paragraph [0049] of JP-A-9-78360. Compounds which can be used as a co-catalyst together with these organic transition metal compounds are described in paragraph [0051] of JP-A-9-78360 and paragraph [0061] of JP-A-9-324325. Examples thereof include a sulfur-containing heterocyclic compound and a sulfur compound.
[0025]
As the carbon source compound used in producing the carbon nanofiber, any compound capable of generating carbon by thermal decomposition to generate a carbon fibrous material, for example, a vapor grown carbon fiber, particularly a carbon nanofiber or a carbon nanotube. There is no particular limitation, and carbon compounds described in page 2, lower left column, line 4 to lower right column, line 10 in JP-A-60-54998, paragraph numbers in JP-A-9-324325 [ Organic compounds described in paragraph [0050] of JP-A-9-78360.
[0026]
Carbon nanofibers produced under such reaction conditions contain, as impurities, undecomposed organic transition metal compounds, transition metals generated after decomposition, tar components, and the like. The content of these impurities varies depending on the reaction conditions. In any case, such carbon nanofibers containing impurities may be referred to as coarse carbon nanofibers for convenience.
[0027]
(1) Transition metal removal means
The transition metal removing means is means for removing the organic transition metal compound from the carbon nanofiber at a temperature lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound.
[0028]
As shown in FIG. 1, a transition metal removing unit 10, which is a specific example of a transition metal removing unit in a post-processing device according to the present invention, includes a raw material hopper 11, a screw rotation motor 12, a core tube 13, It has a screw conveyor 14 as an example of the transfer means, an electric furnace 15, a product discharge section 16, a waste gas discharge section 17a, and a waste gas discharge section 17b.
[0029]
The raw material hopper 11 is a member that stores the crude carbon nanofiber to be processed. The furnace tube 13 is a tube that heat-treats the crude carbon nanofiber. The reactor core tube 13 is installed so as to extend in the lateral direction, and a raw material hopper 11 is mounted on an upper portion of an inlet side thereof, so that the coarse carbon nanofibers in the raw material hopper 11 are supplied into the reactor core tube 13. Has become. The electric furnace 15 is provided so as to cover a central portion of the furnace tube 13 in the extending direction. The electric furnace 15 is a device that supplies heat into the furnace tube 13 and heats the coarse carbon nanofibers in the furnace tube 13.
[0030]
The screw conveyor 14 as a transfer means is accommodated in the core tube 13. The screw conveyor 14 is rotated by the operation of the screw rotation motor 12 and transports the carbon nanofibers supplied from the raw material hopper 11 into the core tube 13 from the inlet side to the outlet side of the core tube 13 by the rotation operation. I do. The product discharge section 16 is provided at a lower portion of the core furnace 13 on the outlet side. The product discharge section 16 is a section that discharges the carbon nanofibers that have been heat-treated in the core furnace 13 to the outside of the transition metal removal section 10.
[0031]
The gas supply unit 17 a is provided at an upper portion on the inlet side of the furnace tube 13, and the waste gas discharge unit 17 b is provided at an upper portion on the outlet side of the furnace tube 13. The gas, for example, nitrogen gas, supplied from 17a becomes waste gas containing vapor of the organic transition metal compound generated during the heat treatment of the crude carbon nanofiber in the furnace tube 13. This exhaust gas is discharged outside the transition metal removing unit 10 through the waste gas discharging unit 17b.
[0032]
The transition metal removal unit 10 has a gas inlet and a gas outlet (not shown), and can replace the inside of the raw material hopper 11, the furnace tube 13, and the product discharge unit 16 with a specific gas, for example, nitrogen gas. By doing so, the partial pressure of the transition metal compound vapor generated in the furnace tube 13 can be reduced by nitrogen gas or the like, and the removal efficiency can be increased. In addition, since carbon nanofibers may burn in the presence of air (oxygen), it is important to pass an inert gas such as nitrogen through the furnace tube.
[0033]
The transition metal removing unit 10 is characterized in that the carbon nanofibers are transferred in the furnace tube 13 by the screw conveyor 14.
[0034]
In the transition metal removing section 10, it is necessary to heat the crude carbon nanofiber to evaporate and remove the organic transition metal compound contained therein, so that the evaporated organic transition metal compound is easily transferred to the outside of the fibrous body. In addition, it is desirable that the carbon nanofibers to be treated in the furnace tube 13 have large voids between the fibers, that is, low bulk density. Also, if the bulk density of the carbon nanofiber is large, the frictional resistance with the inner wall of the furnace tube 13 becomes large, and it becomes difficult to move the inside of the furnace tube 13.
[0035]
If the transfer of the coarse carbon nanofibers in the furnace tube 13 is performed by, for example, a pusher, the coarse carbon nanofibers processed in the furnace tube 13 receive a force in the same direction as the moving direction of the pusher. And the area of contact with the pusher is subjected to particularly high forces, which results in locally compressed and very bulky parts. As the bulk density of the coarse carbon nanofibers increases, the friction between the coarse carbon nanofibers and the inner wall surface of the furnace tube 13 increases, and as a result, even greater pressure is applied to the coarse carbon nanofibers. A vicious cycle of increasing bulk density occurs. As a result, as described above, the removal of the organic transition metal compound as an impurity by evaporation is prevented. Increasing the bulk density also increases the likelihood of sticking based on tar and amorphous carbon deposited on the fiber surface. Agglutination reduces the dispersibility of the carbon nanofibers after the post-treatment and reduces the strength and conductivity in the final product. When the bulk density further increases, the carbon nanofibers also buckle, and the carbon nanofibers are broken or deformed.
[0036]
On the other hand, when the transfer of the coarse carbon nanofibers in the furnace tube 13 is performed by the screw conveyor 14, the coarse carbon nanofibers processed in the furnace tube 13 receive a force obliquely to the moving direction of the screw conveyor 14. Therefore, the force acting on the coarse carbon nanofiber is reduced, and the coarse carbon nanofiber forms a small lump and draws a helical trajectory in the core tube 13, and in some cases, moves while rolling. There is no big power. Therefore, the bulk carbon nanofibers do not increase in bulk density as a whole, and do not locally increase in bulk density. For example, when the coarse carbon nanofibers are transferred by the screw conveyor 14, the bulk of the coarse carbon nanofibers has a bulk density of 0.1 g / cm. ³ The following is true, and adhesion between fibers does not occur.
[0037]
Therefore, according to the method using the screw conveyor, it is possible to efficiently evaporate and remove the transition metal compound from the coarse carbon nanofibers in the furnace core tube, and furthermore, it is possible to smoothly transfer the coarse carbon nanofibers in the furnace core tube. Benefits can be obtained.
[0038]
The structure of the screw conveyor 14 is not particularly limited as long as it has the function described above, and in addition to the standard single blade screw shown in FIG. 1, for example, a double blade screw, a paddle screw, a cut flight screw or It may be a ribbon screw.
[0039]
In the screw conveyor 14, the pitch t and the rotating shaft diameter d _s And blade outer diameter d _b Is t / d _b = 0.1-20, d _s / D _b = 0.05 to 0.8, and the distance between the outermost part of the screw conveyor 14 and the furnace tube 13 is preferably 1 to 30 because the above-mentioned effect is suitably exhibited.
[0040]
Although the core tube 13 in the transition metal removing section 10 is of a horizontal type, it may be of a vertical type.
[0041]
The transfer means in the transition metal removal unit 10 is the screw conveyor 14, but as the transfer means in the transition metal removal unit in the post-processing device according to the present invention, the fiber mass of carbon nanofibers can be transferred as described above. The means is not limited to a screw conveyor as long as it can be used. For example, a rotary kiln may be used.
[0042]
The coarse carbon nanofiber to be heat-treated has an average bulk density of at most 0.05 g / cm for the above-described reason. ³ , Especially 0.001 to 0.01 g / cm ³ And the local density is at most 0.3 g / cm ³ , Especially 0.1 g / cm ³ It is preferred that Note that, here, the bulk density of the coarse carbon nanofibers can be said to be, in general terms, the weight per unit volume, but in the present invention, it is the overall density during the addition of the treatment, (Weight of carbon nanofiber in the device) / (internal volume of the device). On the other hand, the local density is a partial density in the average bulk density measurement region, and is obtained by a model experiment or calculation. For example, a coarse nanofiber has a diameter of 20 mm (a volume of 4.19 cm). ³ ) Is made and the weight is adjusted to be 0.10 g, the bulk density (local density) is 0.024 g / cm. ³ It is. A heating tube (volume: 3300 cm) having a diameter of 100 mm and an effective heating length of 500 mm ³ ), Instead of forcibly applying pressure, stuffing it lightly. If the weight of the coarse nanofiber is 25 g, the bulk density (average bulk density) is 0.007 g / cm. ³ It is.
[0043]
The transition metal removal unit 10 heats the crude carbon nanofiber to a temperature lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound and equal to or higher than the evaporation temperature of the organic transition metal compound.
[0044]
Since the organic transition metal compound contained in the crude carbon nanofiber is a compound used as a catalytic metal source when producing the carbon nanofiber, the heating temperature in the post-treatment method according to the present invention depends on the organic The difference will depend on the type of the transition metal compound. Generally, the heating temperature is an appropriate temperature that is within a temperature range equal to or higher than the evaporation temperature of the organic transition metal compound used in producing the crude carbon nanofiber and lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound. Yes, it can be said. Specifically, when a metallocene such as ferrocene is used as the organic transition metal compound, the “temperature lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound” is 350 to 500 ° C. under normal pressure, and particularly 400 to 450 ° C. It is. In addition, since some organic transition metal compounds decompose before the organic transition metal compound evaporates, when such an organic transition metal compound is used, the temperature at which evaporation occurs under reduced pressure is adopted. Is done. That is, the heat treatment is performed under reduced pressure, and the heating is performed under reduced pressure at a temperature equal to or higher than the evaporation temperature of the organic transition metal compound and lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound.
[0045]
When the coarse carbon nanofiber is heated to the heating temperature, the organic transition metal compound adhering to the surface of the coarse carbon nanofiber evaporates and is separated from the coarse carbon nanofiber and removed.
[0046]
The atmosphere of the heat treatment for heating to a heating temperature lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound is usually an inert gas atmosphere such as nitrogen and a rare gas.
[0047]
The heating time for heating the crude carbon nanofiber to a heating temperature lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound is usually 0.5 to 60 minutes, preferably 1 to 30 minutes. If the heating time is shorter than the above range, the removal of the organic transition metal compound becomes insufficient. If the heating time is longer than the above range, a technical effect proportional to the prolonged heating time cannot be expected.
[0048]
By performing this heat treatment, for example, the organic transition metal compound contained in the crude carbon nanofiber before heating at a ratio of 5 to 10% by weight is reduced to at most 3% by weight, usually 1% by weight or less. can do.
[0049]
In the above description, the transition metal removing section is described using the crude carbon nanofiber as a raw material. However, the transition metal removing section uses a product obtained by treating the crude carbon nanofiber by the tar removing section as a raw material. You can also.
[0050]
(2) Tar removal section
As shown in FIG. 2, the tar removing unit 20 which is a specific example of the tar removing means in the manufacturing apparatus according to the present invention includes a raw material hopper 21, a raw material supply screw rotating motor 22, a furnace tube 23, A supply screw 24, an electric furnace 25, a product discharge section 26, a first inert gas supply section 27a, a second inert gas supply section 27b, a waste gas discharge section 27c, and a motor 28 for rotating the core tube. , And a raw material supply pipe 29.
[0051]
The raw material hopper 21 is a member that stores the carbon nanofiber to be processed. The raw material supply pipe 29 is attached to a lower part of the raw material hopper 21. The raw material supply pipe 29 is a member that supplies the carbon nanofibers falling from the raw material hopper 21 into the core tube 23. The raw material supply screw 24 is housed in a raw material supply pipe 29. The raw material supply screw 24 is rotated by a raw material supply screw rotating motor 22, and transfers the carbon nanofibers supplied from the raw material hopper 21 into the raw material supply pipe 29 into the core tube 23 by the action.
[0052]
The furnace tube 23 is a tube for heat-treating carbon nanofibers. The core tube 23 is installed so as to extend in the lateral direction. The outlet of the raw material supply screw 24 is inserted into the furnace core tube 23 at the inlet side opening, and the carbon nanofibers in the raw material hopper 21 are supplied into the core tube 23 by the raw material supply screw 24. . When the core tube 23 rotates, the outlet side is lower than the inlet side to the extent that the carbon nanofiber mass inside the core tube 23 can move from the inlet side to the outlet side by gravity while rolling. ing. The furnace tube rotation motor 28 rotates the furnace tube 23. That is, the furnace tube 23 and the furnace tube rotating motor 28 form a rotary kiln as a transfer means. The electric furnace 25 is provided so as to cover portions other than the inlet and outlet of the furnace tube 23. The electric furnace 25 is a device that supplies heat into the furnace tube 23 and heats the carbon nanofibers in the furnace tube 23.
[0053]
The product discharge section 26 is provided on the outlet side of the core furnace 23. The product discharge section 26 is a section that discharges the carbon nanofibers that have been heat-treated in the core furnace 23 to the outside of the tar removing section 20.
[0054]
The first inert gas supply unit 27 a is formed so as to introduce an inert gas such as a nitrogen gas into the raw material hopper 21, and is attached to the raw material hopper 21. The inert gas supplied into the raw material hopper 21 from the first inert gas supply unit 27a flows through the inside of the raw material hopper 21 and the inside of the raw material supply pipe 29, and is discharged from the exhaust gas discharge unit 27c to the outside of the system. The second inert gas supply unit 27b is formed so as to introduce an inert gas, for example, nitrogen gas, into the product discharge unit 26, and is attached to the product discharge unit 26. The inert gas supplied from the second inert gas supply unit 27b to the inside of the product discharge unit 26 flows through the inside of the furnace core tube 23, and is discharged from the exhaust gas discharge 27c to the outside of the system. The exhaust gas discharge part 27c is installed so as to house the inlet of the core furnace 23 and the outlet of the raw material supply screw 24. The waste gas discharge unit 27b supplies the waste gas containing the tar component vapor generated during the heat treatment of the carbon nanofibers in the core furnace 23 to the first inert gas supply unit 27a and the second inert gas supply unit. 27b is a portion which is discharged to the outside of the tar removing section 20 together with the inert gas introduced from each of them.
[0055]
The first inert gas supply unit 27a and the second inert gas supply unit 27b supply the inert gas to the raw material hopper 21, the furnace tube 23, the raw material supply tube 29, the product discharge unit 26, and the inert gas supply unit 27a. By introducing, the inside can be replaced with an inert gas such as a nitrogen gas or a rare gas. By doing so, the partial pressure of the tar component vapor generated in the furnace tube 23 can be reduced by nitrogen gas or the like, and the removal efficiency can be increased.
[0056]
The tar removing section 20 is characterized in that the transfer of the carbon nanofibers in the furnace tube 23 is performed by rotation of the furnace tube 23, that is, performed by a rotary kiln method. According to the rotary kiln system, the fiber mass of carbon nanofibers moves while rolling on the inner peripheral surface of the furnace tube 23. The reason for employing such a transfer method is the same as the reason for employing the screw conveyor 14 in the transition metal removing unit 10. By using a rotary kiln as the carbon nanofiber transfer means in the tar removing section 20, the same effect as that obtained by using a screw conveyor in the transition metal removing section 10 can be obtained.
[0057]
The rotation speed of the furnace tube 23 is preferably 0.1 to 100 rpm, and the gradient is preferably 0.5 to 10 °. If the rotation speed and the gradient satisfy this condition, the above-mentioned effect is sufficiently obtained.
[0058]
The transfer means in the tar removing section 20 is a rotary kiln formed by the furnace tube 23 and the motor 28 for rotating the furnace tube. In the post-processing apparatus according to the present invention, the transfer means of the tar removing section is a carbon nanofiber fiber. It is not limited to a rotary kiln as long as it is a means capable of transferring the lump as described above, and may be, for example, a screw conveyor similar to the transition metal removing unit 10, and when a screw conveyor is used, The core tube may be horizontal or vertical.
[0059]
The bulk density of the coarse carbon nanofibers to be treated in the tar removal unit 20 is the same as the bulk density of the coarse carbon nanofibers described in the description of the transition metal removal unit 10.
[0060]
The structure of the furnace tube 23 is not particularly limited as long as the rotary kiln as described above can be formed. A lifter is provided inside the furnace tube 23, and a ring weir is provided at an opening of the furnace tube 23. be able to.
[0061]
The tar removing section 20 heats the carbon nanofibers so as to gradually increase the temperature to 600 to 1300 ° C. in an inert gas atmosphere. By this heat treatment, tar is suitably evaporated from the carbon nanofibers and removed.
[0062]
The heating time is preferably 0.5 to 60 minutes, particularly preferably 1 to 30 minutes. As the inert gas atmosphere, usually, an inert gas atmosphere such as nitrogen and a rare gas is suitable. If oxygen is present in the inert gas atmosphere, the carbon nanofibers are oxidized, that is, burned out. However, it is extremely difficult to completely reduce the oxygen concentration in the inert gas atmosphere to zero. It is desired that the allowable oxygen concentration in the active gas atmosphere be suppressed to at most 10 ppm, preferably at most 1 ppm.
[0063]
In the above description, the tar removal unit has been described using a product obtained by treating the crude carbon nanofibers by the transition metal removal unit as a raw material, but the tar removal unit uses an organic transition metal compound to form a gas phase. Crude carbon nanofibers produced by the growth method can also be used as raw materials.
[0064]
(3) Graphitization department
As shown in FIG. 3, a graphitizing section 30 which is a specific example of the graphitizing means in the manufacturing apparatus according to the present invention includes a raw material hopper 31, a screw rotation motor 32, a furnace tube 33, and a screw conveyor 34. A high-frequency furnace 35, a product discharge section 36, a raw material supply screw 37, a raw material supply screw rotating motor 38, a raw material supply pipe 39, a first replacement chamber 40, a second replacement chamber 41, and a slide gate. It comprises a valve 42a, a slide gate valve 42b, a slide gate valve 43a, a slide gate valve 43b, and a graphitized carbon nanofiber transfer pipe 44.
[0065]
The raw material hopper 31 is a member for accommodating the carbon nanofibers obtained by performing the heat treatment on the carbon nanofibers in the transition metal removing unit 10 and the tar removing unit 20. The first substitution chamber 40 is provided at the lower end opening of the raw material hopper 31 so as to extend in the vertical direction. The first replacement chamber 40 has a slide gate valve 42a and a slide gate valve 42b at the upper end and the center in the extending direction, respectively. By closing the slide gate valve 42a and the slide gate valve 42b, the first replacement chamber 40 forms the first replacement chamber 40, which is a closed space, at a portion sandwiched between the slide gate valve 42a and the slide gate valve 42b. The first replacement chamber 40 can be brought into a specific gas atmosphere by feeding a specific gas from a gas inlet / outlet (not shown). (Generally, when replacing the gas, the inside of the first replacement chamber 40 is once evacuated. After that, a method of introducing a new gas, particularly an inert gas, is adopted.)
[0066]
The raw material supply pipe 39 is attached to a lower part of the first substitution chamber 40. The raw material supply pipe 39 is a member that supplies the carbon nanofibers from which impurities have been removed from the first substitution chamber 40 and from which impurities have been removed, into the furnace core tube 33. The raw material supply pipe 39 is installed such that an inlet to which the carbon nanofibers from which impurities have been removed is supplied from the first replacement chamber pipe 40 is higher than an outlet. The material supply screw 37 is housed in a material supply pipe 39. The raw material supply screw 37 is rotated by a raw material supply screw rotating motor 38, and by its action, transfers the carbon nanofibers from which impurities have been removed supplied from the first substitution chamber 40 into the raw material supply pipe 39 into the furnace core tube 33. .
[0067]
The furnace tube 33 is a tube that heats the carbon nanofibers from which impurities have been removed to generate graphitized carbon nanofibers. The core tube 33 is installed so as to extend in the vertical direction. The lower end of the furnace tube 33 is connected to the outlet of the raw material supply tube. Therefore, the carbon nanofibers from which impurities have been removed are supplied into the furnace tube 33 from the lower end thereof. The high-frequency furnace 35 is provided so as to cover a central portion of the furnace tube 33 in the extending direction. The high-frequency furnace 35 is a so-called induction heating furnace in which the furnace tube 33 is induction-heated by irradiating the furnace tube 33 with high frequency, and is a device for heating the carbon nanofibers in the furnace tube 33 from which impurities have been removed. The screw conveyor 34 is housed in the furnace tube 33. When the furnace tube 33 is heated, the temperature of the screw conveyor 34 becomes a temperature according to the surrounding core tube temperature. For example, the screw conveyor where the core tube 33 is at 2200 ° C. has a temperature of 2200 ° C. or slightly lower, and the screw conveyor where the core tube 33 is at 1500 ° C. has a temperature of 1500 ° C. or slightly lower. The screw conveyor 34, which is a transfer means, rotates by the action of the screw rotation motor 32, and feeds the carbon nanofibers supplied from the raw material supply pipe 39 into the core tube 33, from the inlet side of the core tube 33, that is, the outlet side from the lower end side. That is, it is transported toward the upper end side.
[0068]
The graphitized carbon nanofiber transfer tube 44 is provided at the upper end of the furnace tube 33. The graphitized carbon nanofiber transfer pipe 44 is installed such that the inlet side is higher than the outlet side. The second replacement chamber 41 is provided at the lower end on the outlet side of the graphitized carbon nanofiber transfer pipe 44 so as to extend in the vertical direction.
[0069]
The second replacement chamber 41 has a slide gate valve 43a and a slide gate valve 43b at a central portion and a lower end portion in the extending direction, respectively. By closing the slide gate valve 43a and the slide gate valve 43b, the second replacement chamber 41 forms the second replacement chamber 41, which is a closed space, in a portion sandwiched between the slide gate valve 43a and the slide gate valve 43b. The second replacement chamber 41 can be set to a specific gas atmosphere by feeding a specific gas from a gas inlet / outlet (not shown). (Generally, when the gas is replaced, the second replacement chamber 41 is temporarily evacuated. Later, a method of introducing a new gas, particularly an inert gas, is adopted.)
[0070]
The product discharge section 36 is provided at the lower end opening of the second replacement chamber 41. The product discharge section 36 is a section that discharges the graphitized carbon nanofibers generated in the furnace tube 33 to the outside of the graphitization section 30.
[0071]
The graphitizing unit 30 has a gas inlet and a gas outlet (not shown), and the inside of the furnace tube 33, the raw material supply tube 39, and the graphitized carbon nanofiber transfer tube 44 contains an inert gas such as nitrogen gas or a rare gas. In particular, it can be replaced by argon. By doing so, oxidation of the furnace tube 33 and the like can be prevented.
[0072]
The graphitizing section 30 is characterized in that the carbon nanofibers in the furnace tube 33 are transferred by the screw conveyor 34. The reason why the screw conveyor 34 is used in the graphitizing unit 30 is the same as the reason why the screw conveyor 14 is used in the transition metal removing unit 10. By using such a screw conveyor as the carbon nanofiber transfer means in the graphitizing section 30, the carbon nanofibers can be graphitized uniformly and the carbon nanofibers can be transferred smoothly.
[0073]
The structure of the screw conveyor 34 is not particularly limited as long as the screw conveyor 34 has the above-described function. In addition to the standard single blade screw shown in FIG. 3, for example, a double blade screw, a paddle screw, a cut flight screw or It may be a ribbon screw.
[0074]
In the screw conveyor 34, the pitch t and the rotating shaft diameter d _s And blade outer diameter d _b Is t / d _b = 0.1-20, d _s / D _b = 0.05 to 0.8, and the distance between the outermost part of the screw conveyor 3 and the furnace tube 33 is preferably 1 to 30 mm, because the above-mentioned effect is suitably exhibited.
[0075]
Although the core tube 34 in the graphitizing section 30 is of a vertical type, it may be of a horizontal type.
[0076]
The transfer means in the graphitization section 30 is the screw conveyor 34, but the transfer means of the graphitization section in the graphitization section according to the present invention can transfer the carbon nanofiber fiber mass as described above. If it is, it is not limited to a screw conveyor, and may be, for example, a rotary kiln.
[0077]
The bulk density of the carbon nanofibers to be treated in the graphitizing section 30 is the same as the bulk density of the carbon nanofibers described in the description of the transition metal removing section 10.
[0078]
In the graphitizing section 30, the furnace tube 33 is preferably a graphite cylinder, and the screw conveyor 34 is preferably a graphite screw housed in the graphite cylinder. There is no material other than graphite that can be induction heated and can be used at a temperature of 1600 ° C. or higher. In particular, in order to increase the strength, an appropriate graphite material can be selected in the category of graphite, such as a graphite composite material reinforced with graphite fibers and high-purity graphite.
[0079]
In the graphitization step, the impurity-removed product is heated to 1600 to 3000 ° C. When heated to 2500 ° C. or lower, preferably 1600 to 2400 ° C., more preferably 1700 to 2300 ° C., the generation of bent graphitized carbon nanofibers is particularly reduced. When a non-bent graphitized carbon nanofiber is mixed with a resin to obtain a conductive member, the occurrence of a problem such as a decrease in conductivity is small. Therefore, it can be said that it is preferable to adjust the heating temperature from the viewpoint of conductivity.
[0080]
The heating time needs to be such that the crystal structure of the carbon nanofiber can be changed, and is therefore preferably 0.5 to 60 minutes, particularly preferably 1 to 30 minutes.
[0081]
Note that the “graphitization process” here is not a process for obtaining a complete graphite crystal structure, but a process for obtaining a highly crystallized structure.
[0082]
For graphitization of conventional vapor-grown carbon fibers (100 nm or more in diameter), a treatment temperature of 2500 ° C. or more, particularly 2500 to 3000 ° C., is often adopted.
[0083]
(4) Action
The operation of the post-treatment device 1 will be described by taking as an example a case where a raw material is supplied to the transition metal removing unit 10, a product thereof is supplied to the tar removing unit 20, and the product is further supplied to the graphitizing unit 30. I do. In this case, in the post-processing apparatus 1, the product discharge unit 20 in the transition metal removal unit 10 in FIG. 1 is replaced with the raw material hopper 21 in FIG. 2, or the lower end opening of the transition metal removal unit 10 in FIG. 2 is directly connected to the input opening of the raw material hopper 21, and the product discharge unit 26 in FIG. 2 is replaced with the raw material hopper 31 in FIG. 3, or the lower end opening of the product discharge unit 26 in FIG. 31 is directly connected to the input opening.
[0084]
First, the transition metal removing section 10 operates as follows.
[0085]
Nitrogen gas is introduced from the gas inlet 17a, and the inside of the raw material hopper 11, the furnace tube 13, and the product discharge section 16 is replaced with nitrogen gas.
[0086]
The raw material crude carbon nanofiber is put into the raw material hopper 11. The screw conveyor 14 is rotated by driving the screw rotation motor 12. Raw carbon nanofibers are supplied from the raw material hopper 11 into the core tube 13. The coarse carbon nanofibers form a fiber mass by the action of the screw conveyor 14 and move spirally in the furnace tube 13. The crude carbon nanofibers are heated in the furnace tube 13 to a temperature lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound by the heat supplied from the electric furnace 15. By this heat treatment, the transition metal compound contained in the crude carbon nanofiber is vaporized and separated from the crude carbon nanofiber. A product produced by removing the transition metal compound from the crude carbon nanofiber (hereinafter, may be referred to as a “metal component-removed crude carbon nanofiber”) is moved inside the furnace tube 13 by the screw conveyor 14, and It reaches the outlet of the pipe 13 and is discharged from the product discharge section 16 to the raw material hopper 21 shown in FIG. The vapor of the transition metal compound that has been vaporized and separated from the crude carbon nanofibers is discharged from the waste gas discharge unit 17b to the outside of the transition metal removal unit 10.
[0087]
The above process performed in the transition metal removing unit 10 is a transition metal removing process.
[0088]
In the above step in the transition metal removing section 10, the crude carbon nanofiber is heated to a temperature lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound, so that the transition metal compound can be suitably evaporated and removed as described above. In addition, since the carbon nanofibers in the furnace tube 13 are transferred by the rotation of the screw conveyor 14, the bulk density does not increase or slightly increases during the transfer as described above. For this reason, in the transition metal removing section 10, the transition metal compound can be promptly evaporated and removed from the crude carbon nanofiber to efficiently produce the crude carbon nanofiber with the metal component removed. The component-removed coarse carbon nanofiber can be smoothly transferred in the furnace tube, and the above process can be performed smoothly.
[0089]
In the transition metal removing unit 10, the following post-treatment can be performed to remove the organic transition metal compound and the transition metal from the crude carbon nanofiber.
[0090]
(A) heating treatment in an inert atmosphere at a heating temperature lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound used to produce the crude carbon nanofiber (hereinafter, simply referred to as (a) heating treatment) Instead of (b) heating treatment in a chlorine gas-containing atmosphere at a heating temperature lower than the decomposition temperature of the organic transition metal compound used to produce the crude carbon nanofiber ( Hereinafter, it may be simply referred to as (b) heat treatment.) Further, the heat treatment (b) may be performed before or after the heat treatment (a), preferably after the heat treatment (a).
[0091]
As an atmosphere containing chlorine gas, an atmosphere of 100% by volume of chlorine gas can be mentioned. Usually, an atmosphere having a concentration of 20 to 50% by volume of chlorine gas and an inert gas containing chlorine gas is used. A gas atmosphere can be mentioned.
[0092]
The average bulk density and the local bulk density of the crude carbon nanofibers subjected to the heat treatment (b) are the same as those in the case of the heat treatment (a).
[0093]
The heating temperature in the heat treatment (b) is the same as the heating temperature in the heat treatment (a). In the heat treatment (b), chlorine gas is allowed to act on the coarse carbon nanofibers, and when the coarse carbon nanofibers are heated to the heating temperature, the transition metal contained in the coarse carbon nanofibers changes to a compound capable of evaporating. Then, the compound is evaporated and removed by the heating temperature, and the organic transition metal compound contained in the crude carbon nanofiber is evaporated and removed by the heating temperature.
[0094]
In particular, a mixed gas of nitrogen and chlorine at about 450 to 500 ° C., which is a crude carbon nanofiber containing iron particles generated from a metallocene such as ferrocene, which is an example of an organic transition metal compound, is preferably 400 to 500 ° C. When heat treatment is performed in an atmosphere, for example, iron turns into iron chloride, which evaporates, thereby removing iron particles. When such a chlorine-containing gas is used, transition metals such as iron contained in the crude carbon nanofibers can be removed to at most 1%, and further to at most 0.1%.
[0095]
(B) Since chlorine gas is used in the heat treatment, if the SUS tube is used as the furnace tube 13 as it is, there is a problem of corrosion. When it is necessary to use a SUS tube for the furnace core tube 13, it is preferable that the SUS tube be subjected to a treatment for corrosion resistance to chlorine. For that purpose, the core tube and the screw conveyor are also made of ceramics such as oxides, carbides, nitrides, and carbonitrides, for example, alumina, mullite, sialon, etc. to make the surface in contact with chlorine corrosion resistant to chlorine. Is preferred.
[0096]
In order to further reduce the content of the transition metal remaining in the carbon nanofiber obtained by the heat treatment, it is also effective to perform an operation of washing the carbon nanofiber with acidic water before and after the heat treatment. is there.
[0097]
The tar removing section 20 operates as follows.
[0098]
As a preliminary operation, nitrogen gas is introduced from the first inert gas introduction part 27a provided in the raw material hopper 21, the inside of the raw material hopper 21 and the raw material supply pipe 29 is replaced with nitrogen gas, and Nitrogen gas is introduced from a second inert gas introduction part 27b provided in 26, the inside of the product discharge part 26 and the furnace tube 23 is replaced with nitrogen gas, and the introduced nitrogen gas is discharged from the waste gas discharge part 27b into the system. Release outside.
[0099]
Into the raw material hopper 21, the metal component-removed coarse carbon nanofibers produced in the transition metal removing unit 10 are introduced. The material supply screw rotating motor 22 is driven to rotate the material supply screw 24. The raw carbon material is removed from the raw material hopper 21 into the raw material supply pipe 29. The supplied coarse metal component-removed coarse carbon nanofibers are moved into the raw material supply pipe 23 as a fiber mass by the action of the raw material supply screw 24 and supplied into the furnace core tube 23.
[0100]
The furnace tube rotating motor 28 is driven to rotate the furnace tube 23. The metal component-removed coarse carbon nanofibers supplied into the furnace tube 23 move while rotating inside the furnace tube 23. The metal component-removed coarse carbon nanofiber is heated to 600 to 1300 ° C. in the furnace tube 23 by heat supplied from the electric furnace 25. By this heat treatment, the tar component contained in the metal component-removed coarse carbon nanofiber is vaporized and separated from the metal component-removed coarse carbon nanofiber. Some of the tar vapors are carbonized. The impurity-removed carbon nanofiber generated by removing the transition metal from the metal component-removed coarse carbon nanofiber further moves while rolling in the furnace tube 23, reaches the outlet of the furnace tube 23, and is discharged from the product discharge portion 26. It is discharged out of the tar removing section 20. The vapor of the tar component and the carbide thereof which have been vaporized and separated from the metal component-removed coarse carbon nanofiber are discharged out of the tar removing unit 20 from the waste gas discharge unit 27c.
[0101]
The above process performed in the tar removing unit 20 is a tar removing process.
[0102]
In the above step in the tar removing section 20, the carbon nanofiber is heated to 600 to 1300 ° C in an inert gas atmosphere, so that the tar component can be suitably removed from the metal component-removed coarse carbon nanofiber as described above. it can. Further, since the carbon nanofibers in the furnace tube 23 are transferred while being rolled by the rotary kiln method, the bulk density does not increase or slightly increases during the transfer as described above. For this reason, in the tar removing section 20, the tar component can be promptly evaporated and removed from the metal component-removed coarse carbon nanofiber, and the carbon nanofiber with the impurity removed can be efficiently produced. The fibers and the carbon nanofibers from which impurities have been removed can be smoothly transferred in the furnace tube, and the above steps can be performed smoothly.
[0103]
The graphitized section 30 operates as follows.
[0104]
The slide gate valve 42 and the slide gate valve 43 are closed. An inert gas is introduced into the first replacement chamber 41 from the gas inlet (not shown) to replace the gas in the first replacement chamber 41 with the inert gas.
[0105]
An inert gas is introduced from the gas inlet (not shown), and the gases in the furnace tube 33, the raw material supply tube 39, and the graphitized carbon nanofiber transfer tube 44 are replaced with the inert gas, and the oxygen-free state is established. I do.
[0106]
The carbon nanofibers from which impurities have been removed produced in the tar removing section 20 are put into the raw material hopper 31. The slide gate valve 42 a is opened, and the carbon nanofibers from which the impurities have been removed in the raw material hopper 31 are transferred into the first replacement chamber 40. The slide gate valve 42a is closed. An inert gas is introduced into the first replacement chamber 40 from the gas inlet, and the gas in the first replacement chamber 40 is replaced with the inert gas. The material supply screw rotating motor 38 is driven to rotate the material supply screw 37. The slide gate valve 42b is opened, and the carbon nanofibers from which impurities have been removed are supplied from the replacement chamber 40a into the raw material supply pipe 39. The supplied carbon nanofibers from which impurities have been removed are turned into a fiber mass by the action of the raw material supply screw 37, move spirally in the raw material supply pipe 39, and are supplied into the core tube 33.
[0107]
The screw rotation motor 32 is driven to rotate the screw conveyor 34. The carbon nanofibers from which impurities have been removed and which have been supplied to the lowermost portion of the furnace tube 33, spirally rise in the furnace tube 33 by the action of the screw conveyor 34. The carbon nanofibers from which impurities have been removed are heated to 1600 to 3000 ° C. by the furnace tube 33 heated by high frequency from the high frequency furnace 35. By this heat treatment, the carbon nanofibers from which impurities have been removed are graphitized to become graphitized carbon nanofibers. The graphitized carbon nanofibers further rise in the furnace core tube 33 to reach the graphitized carbon nanofiber transfer tube 44, descend in the graphitized carbon nanofiber transfer tube 44, and reach the replacement chamber tube 41. The slide gate valve 43a is opened, and the graphitized carbon nanofiber is sent into the second substitution chamber 41. The slide gate valve 43a is closed, the slide gate valve 43b is opened, and the graphitized carbon nanofibers are discharged from the product discharge unit 36 from the graphitization unit 30.
[0108]
The above-mentioned process performed in the graphitization section 30 is a graphitization process. In this example, a semi-batch type graphitization process using the replacement chamber 40 and the replacement chamber 41 has been described. In many cases, the operation is started in the semi-batch system, and after sufficient gas replacement in the raw material hopper 31 is performed, all of the gate valves 42a, 42b, 43a, and b43b are opened to perform continuous operation.
[0109]
In the above-described process in the graphitization section 30, the carbon nanofibers from which impurities have been removed are heated at 1600 to 3000 ° C., so that graphitization can be suitably performed as described above. Further, since the carbon nanofibers in the raw material supply pipe 39 and the furnace core pipe 33 are transferred by the rotation of the screw conveyor, the bulk density does not increase during the transfer as described above. For this reason, in the graphitization section 30, the carbon nanofibers with the impurities removed can be efficiently graphitized, and the carbon nanofibers with the impurities removed and the graphitized carbon nanofibers can be smoothly transferred in a furnace tube or the like. And the above steps can be performed smoothly.
[0110]
In the graphitization step, it is necessary to heat the inside of the furnace tube to the high temperature as described above, so that the furnace tube may be bent due to a decrease in the elastic modulus of the material. Is vertical, there is no risk of such bending.
[0111]
In this example, the case where the carbon nanofibers are transferred from the bottom to the top in the furnace tube 33 by the screw conveyor 34 has been described, but the transfer direction may be transferred from the top to the bottom.
[0112]
When a rotary kiln is used as the transfer means in the graphitizing section, the core tube is horizontal, but the core tube is rotating, so that the bending of the core tube can be prevented.
[0113]
The post-processing apparatus 1 can be efficiently implemented by connecting the transition metal removing unit 10, the tar removing unit 20, and the graphitizing unit 30.
[0114]
Carbon nanofibers have a thin graphite layer. For example, in the case of a carbon nanofiber having a hollow hole diameter of 5 nm and an outer diameter of 15 nm, the thickness of the graphite layer is 5 nm. If the distance between the graphite screens is about 0.36 nm, the number of graphite screens is only 14 sheets. Therefore, in the carbon nanofiber, the fiber shape changes as the graphitization progresses. If the heat treatment temperature is too high, a portion having a smooth curved surface before the treatment is sharply bent in the longitudinal direction of the fiber, and a bending point is generated. The sharply bent carbon nanofiber breaks with a slight force when mixed with a resin or the like, and becomes short, thus causing a problem of a decrease in conductivity. Therefore, the above-mentioned temperature is preferable as the processing temperature.
[0115]
By heating to the above-mentioned temperature, the graphitized product obtained hardly contains lump graphite, and the amount of fine graphite foreign matter that is considered to have altered tar is remarkably reduced. Therefore, this graphitized product is almost an aggregate of graphitized carbon nanofibers.
[0116]
The graphitized carbon nanofibers are the same as those usually considered by those skilled in the art as graphitized carbon nanotubes or graphitized ultrafine vapor grown carbon fibers.
[0117]
The graphitized carbon nanofibers obtained by the carbon nanofiber graphitization process have an improved degree of graphitization, and when mixed with a resin to form a composite material, the conductivity of the composite material is significantly improved.
[0118]
2. Post-processing method of carbon nanofiber
The post-processing method for a carbon nanofiber according to the present invention can be carried out based on the above description using the post-processing apparatus for a carbon nanofiber according to the above-described invention.
[0119]
【The invention's effect】
In the carbon nanofiber post-processing apparatus according to the present invention, the transition metal removing section, the tar removing section and the carbon nanofiber graphite section each have a transfer means for transferring using a screw conveyor or a rotary kiln, so that the carbon nanofiber is pushed by a pusher. Unlike the case where carbon nanofibers are transferred, the bulk density of carbon nanofibers moving in each heat treatment furnace does not increase. Therefore, impurities can be efficiently removed in the transition metal removal section and the tar removal section, and the graphitization section can uniformly graphitize. Further, in the furnace tube, the carbon nanofibers can be smoothly transferred, and stable heat treatment can be performed.
[0120]
In addition, since the bulk density of the carbon nanofiber is small, the amount of heat per unit volume required for heat treatment of the carbon nanofiber is small, and the amount of heat radiation after the heat treatment is also small. Therefore, the throughput can be increased in the manufacturing apparatus.
[0121]
The post-processing method of the carbon nanofiber according to the present invention has the same effects as described above by using the manufacturing apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a transition metal removing unit 10 in a post-processing apparatus 1. FIG.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a tar removing unit 20 in the post-processing device 1.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a graphitizing section 30 in the post-processing apparatus 1.
[Explanation of symbols]
1. Post-processing device, 10. Transition metal removal unit, 11. Raw material hopper, 12. Screw rotation motor, 13. Core tube, 14. Screw conveyor, 15. Electric furnace, 16. Product discharge section, 17a ·· Inert gas introduction section, 17b ·· Waste gas discharge section, 20 ·· Tar removal section, 21 ·· Raw material hopper, 22 ·· Rotation supply screw rotating motor, 23 ·· Core tube, 24 ··· feed screw, 25 · · electric furnace, 26 · · · product discharge section, 27a · · · first inert gas introduction section, 27b · · · second inert gas introduction section, 27c · · · waste gas discharge section 28 ··· Motor for rotating core tube, 29 ·· Raw material supply pipe, 30 ·· Graphization unit, 31 ·· Raw material hopper, 32 ·· Motor for rotating screw, 33 ··· Core tube, 34 ··· Screw conveyor, 35 ··high frequency 36, a product discharge unit, 37, a material supply screw, 38, a material supply screw rotating motor, 39, a material supply pipe, 40, a first replacement chamber, 41, a second replacement chamber, 42a.・ Slide gate valve, 42b ・ ・ Slide gate valve, 43a ・ ・ Slide gate valve, 43b ・ ・ Slide gate valve, 44 ・ ・ Graphized carbon nanofiber transfer pipe

Claims (8)

有機遷移金属化合物を使用して気相成長法により製造されたカーボンナノファイバーを、スクリューコンベア又はロータリーキルンを用いて移送する移送手段と、前記カーボンナノファイバーを前記移送手段で移送しながら加熱処理して前記カーボンナノファイバーの後処理を行う加熱処理手段とを有して成ることを特徴とするカーボンナノファイバーの後処理装置。Carbon nanofibers produced by a vapor phase growth method using an organic transition metal compound, a transfer means for transferring using a screw conveyor or a rotary kiln, and heat treatment while transferring the carbon nanofibers by the transfer means. A post-processing apparatus for a carbon nanofiber, comprising: a heat treatment means for performing post-processing of the carbon nanofiber. 前記加熱処理手段は、前記有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い温度に前記カーボンナノファイバーを加熱することにより前記カーボンナノファイバーから前記有機遷移金属化合物を除去する遷移金属除去手段を有して成る請求項１に記載のカーボンナノファイバーの後処理装置。The heat treatment unit includes a transition metal removing unit that removes the organic transition metal compound from the carbon nanofiber by heating the carbon nanofiber to a temperature lower than a decomposition temperature of the organic transition metal compound. The post-processing device of the carbon nanofiber according to claim 1. 前記加熱処理手段は、前記カーボンナノファイバーを不活性ガス雰囲気中で６００〜１３００℃に加熱することにより前記カーボンナノファイバーからタールを除去するタール除去手段を有して成る請求項１又は２に記載のカーボンナノファイバーの後処理装置。The said heat treatment means has tar removal means which removes tar from the said carbon nanofiber by heating the said carbon nanofiber to 600-1300 degreeC in an inert gas atmosphere. Post-processing device for carbon nanofiber. 前記加熱処理手段は、前記カーボンナノファイバーを１６００〜３０００℃に加熱することにより黒鉛化する黒鉛化手段を有して成る請求項１〜３のいずれか１項に記載のカーボンナノファイバーの後処理装置。The post-treatment of the carbon nanofiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat treatment unit includes a graphitization unit that graphitizes the carbon nanofiber by heating the carbon nanofiber to 1600 to 3000 ° C. apparatus. 有機遷移金属化合物を使用して気相成長法により製造されたカーボンナノファイバーをスクリューコンベア又はロータリーキルンで移送しながら前記カーボンナノファイバーの加熱処理を行うことにより後処理を行うことを特徴とするカーボンナノファイバーの後処理方法。Carbon nanofibers produced by vapor phase epitaxy using an organic transition metal compound, wherein the carbon nanofibers are subjected to a post-treatment by performing a heat treatment on the carbon nanofibers while transferring the carbon nanofibers by a screw conveyor or a rotary kiln. Fiber post-treatment method. 前記加熱処理は、前記有機遷移金属化合物の分解温度よりも低い温度に前記カーボンナノファイバーを加熱することにより前記カーボンナノファイバーから前記有機遷移金属化合物を除去する遷移金属除去工程を有して成る請求項５に記載のカーボンナノファイバーの後処理方法。The heat treatment includes a transition metal removing step of removing the organic transition metal compound from the carbon nanofiber by heating the carbon nanofiber to a temperature lower than a decomposition temperature of the organic transition metal compound. Item 6. A post-treatment method of the carbon nanofiber according to Item 5. 前記加熱処理は、前記カーボンナノファイバーを不活性ガス雰囲気中で６００〜１３００℃に加熱することにより前記カーボンナノファイバーからタールを除去するタール除去工程を有して成る請求項５又は６に記載のカーボンナノファイバーの後処理方法。The said heat treatment has a tar removal process which removes tar from the said carbon nanofiber by heating the said carbon nanofiber to 600-1300 degreeC in an inert gas atmosphere. Post-processing method of carbon nanofiber. 前記加熱処理は、前記カーボンナノファイバーを１６００〜３０００℃に加熱することにより黒鉛化する黒鉛化工程を有して成る請求項５〜７のいずれか１項に記載のカーボンナノファイバーの後処理方法。The post-treatment method of the carbon nanofiber according to any one of claims 5 to 7, wherein the heat treatment includes a graphitization step of graphitizing the carbon nanofiber by heating the carbon nanofiber to 1600 to 3000 ° C. .

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