JP2004156194A - カーボンナノファイバーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】
配向を制御しやすいカーボンナノファイバーの製造方法を提供することである。更にはナノワイアのような用途に対しても使用可能であるカーボンナノファイバーの製造方法を提供するものである。
【解決手段】
熱処理により炭素化される物質を含む島成分を少なくとも1本以上の有する海島型連続繊維を不活性雰囲気下の熱処理により炭素化する過程と、前記島成分の芯部および海成分を酸化分解する過程を含むカーボンナノファイバーの製造方法である。
【選択図】なし
配向を制御しやすいカーボンナノファイバーの製造方法を提供することである。更にはナノワイアのような用途に対しても使用可能であるカーボンナノファイバーの製造方法を提供するものである。
【解決手段】
熱処理により炭素化される物質を含む島成分を少なくとも1本以上の有する海島型連続繊維を不活性雰囲気下の熱処理により炭素化する過程と、前記島成分の芯部および海成分を酸化分解する過程を含むカーボンナノファイバーの製造方法である。
【選択図】なし
Description
本発明は、カーボンナノファイバーの製造方法に関する。
従来から、カーボンナノファイバーとして、気相成長炭素繊維や、直径が1nm前後の単層カーボンナノチューブ、直径が1nmから500nm前後の多層カーボンナノチューブ等が知られているが、いずれもアスペクト比は1000前後であり、長さとしては1μmから長くても数10μmの非常に微細な物であった。そのためにマクロな外観はすす状のものであり、これを配向させて所望の方向に配列することは非常に困難であり、引張強度、引張弾性率などの機械的特性を十分に発揮できないという問題があるとともに、その取り扱いにはナノレベルの特別の配列設備が必要であった。またナノワイアのような用途に対しても長い連続体を作れないという問題があった。さらに基本的にアーク放電、レーザーアブレーションあるいは化学的気相成長法などの気相のカーボンを原料として製造する方法であるために、生産性が低いという問題もあった。これら問題への対策として、アーク放電、レーザーアブレーションあるいは化学的気相成長法などの合成条件を適正化することにより、直径やアスペクト比を制御する試みがなされているが、その生産性は十分ではなく、またアスペクト比も前述のようにせいぜい1000前後の低いものであった。
生産性を上げる方法として、例えば、フェノール樹脂で被覆したポリエチレン微粒子をポリエチレンをマトリックスとして溶融紡糸し、その後焼成する方法が提案されている(例えば、特許文献1)。しかしながら、この製造法は微粒子を引き延ばしてカーボンナノチューブとしているため、アスペクト比は高々4000前後と小さいものであった。
特開2002−29719号公報(全体)
本発明は、上記問題点を解決し、配向を制御しやすいカーボンナノファイバーの製造方法を提供するものである。
本発明は、下記骨子によって上記課題を解決するものである。
即ち、本発明は、熱処理により炭素化される物質を含む島成分を少なくとも1本以上有する海島型繊維を、不活性雰囲気下の熱処理により炭素化する過程と、該海島型繊維の海成分を酸化分解する過程を含むカーボンナノファイバーの製造方法である。
本発明によれば、ナノレベルの特別配列装置などを用いなくとも配向制御しやすいカーボンナノファイバーを提供することを可能とするものである。更にはナノワイアのような用途に対しても使用可能であるカーボンナノファイバーの製造方法を提供するものである。
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明のカーボンナノファイバーの製造方法は、海島型繊維をカーボンナノファイバーの前駆体として用い、かつ特定の炭素化処理と酸化分解処理を行うことを必須とするものである。
本発明に用いられる海島型繊維は、熱処理により炭素化される物質を含む島成分を少なくとも1本以上有する海島型繊維である。かかる島成分の少なくとも一部は不活性雰囲気下の熱処理によって炭素化する前駆体物質で構成されており、海島型繊維の海成分と、前記島成分の中で炭素化されない物質がある場合のその物質は、後述するような酸化分解処理により分解する化合物で構成されている。
本発明において、島成分の少なくとも一部を構成する炭素化される物質となる化合物は不活性雰囲気下の熱処理によって炭素化する物質であれば特に限定されないが、ポリアクリロニトリル、セルロース、フェノール樹脂、ピッチ及びそれらが主成分となる共重合体などから選ばれる1種または2種以上の混合物を好適に用い得る。なかでも、ポリアクリロニトリル、セルロース、ピッチ、及びそれらが主成分となる共重合体がより好ましく、セルロース、ピッチ、及びそれらが主成分となる共重合体がさらに好ましい。収率の観点からは、炭素化収率の高いピッチが好ましく用いられる。
海成分、及び、島成分の中で炭素化されない物質がある場合のその物質として好適に用いられる化合物としては、酸化分解処理により除去される化合物であれば特に限定されず、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンナフタレート等の芳香族系ポリエステル、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリスルホン、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリ−p−フェニレンベンゾビスチアゾール、ポリ−p−フェニレンベンゾビスオキサゾール等の芳香族環と複素環から構成され、環の連結基がエーテル、スルフィド、スルホン、カルボニル、エステル、アミド等からなる分子対称性のよい化合物、等を挙げることができる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。その中でも繊維を、例えば連続焼成しやすいように張力を掛けて焼成する場合には、繊維に引っ張り強度が必要であり、汎用もしくはスーパーエンプラに属するポリエステルやポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンは好ましく用いられる。中でも、コストの点で汎用エンプラに属するポリエステルは特に好ましく用いられる。
上記の炭素化される物質からなる前駆体物質は、炭素化するまでは互いに融着しやすく、炭素化までに前駆体物質間に介在する炭素化されない物質が分解・揮発してしまうと前駆体物質同士が融着を起こし、1本1本独立したカーボンナノファイバーとして得にくくなるが、本発明では、酸化分解するまでは炭素化されない物質が前駆体物質の間に全てまたは一部が残存するため、前駆体物質同士の融着を防ぐ作用がある。
なお、本発明で言う炭素化されない物質とは、得られるカーボンナノファイバー中に、その物質由来の炭素を実質的に残存させないことを目的として選択される物質のことである。なかでも、物質の性質として酸化分解より前の熱処理過程においては、その全てが分解・揮発する訳ではなく、その後の酸化分解過程において分解される化合物が好ましい。また同様に、本発明で言う炭素化される物質とは、得られるカーボンナノファイバーが、実質的にその物質由来の炭素から成ることを目的として選択される物質のことである。従って、本発明では、炭素化されない物質と炭素化される物質の両者共に、不活性雰囲気下での熱処理では炭素化する物質である。ただし、同じ熱処理履歴を与えた場合の炭素化残存率は、本発明で言う炭素化されない物質の方が炭素化される物質より小さくなるのが好ましい。
海成分(島成分の中で炭素化されない物質がある場合はその物質含む)を酸化分解する方法は、例えば、酸素、二酸化窒素のような酸化性ガス存在下で熱処理を行うのが好ましいが、酸素存在下がより好ましい。例えばこの場合、特に限定されないが、雰囲気中の酸素含有量は、好ましくは10体積%以上、より好ましくは15体積%以上、さらに好ましくは20体積%以上であり、好ましくは100体積%以下、より好ましくは70体積%以下、さらに好ましくは50体積%以下である。これを満足する混合気としては、空気が挙げられ、好ましく利用できる。酸化分解過程における熱処理温度としては、200℃以上が好ましく、300℃以上がより好ましく、400℃以上がさらに好ましく、3000℃以下が好ましく、2000℃以下がより好ましく、1000℃以下がさらに好ましい。かかる熱処理温度が200℃未満では酸化分解が実質的に起こらなかったり、あるいは実用的な時間内に酸化分解を完了させることができないという場合があり、3000℃を超えると酸化分解が著しく速くなり、例えば酸化分解時間の制御という観点において事実上制御困難となったり、それによって残さなければならない島成分の炭素化する物質をも酸化分解してしまうという場合がある。
熱処理する時は、上記の温度雰囲気下に、前駆体繊維を導入し直接処理する方法と、前駆体繊維存在下で雰囲気温度を室温から上記の温度まで昇温させて処理する方法があるが、後者の場合、その時の昇温速度は、特に限定されるものではないが、好ましくは1℃/分以上、より好ましくは5℃/分以上、さらに好ましくは10℃/分以上、好ましくは50℃/分以下、より好ましくは25℃/分以下、さらに好ましくは20℃/分以下である。
酸化分解過程を経ることにより、炭素化過程では除去されない場合がある海成分や、島成分の中で炭素化されない物質がある場合のその物質を除去できるという効果がある。
酸化分解により、海成分や、島成分の中で炭素化されない物質がある場合のその物質が除去されたことは、例えば、走査型電子顕微鏡による観察や熱重分析計などにより重量減少を測定することで確認できる。
本発明のカーボンナノファイバーの製造方法における炭素化過程は、不活性雰囲気下での熱処理を必須とする。ここで不活性雰囲気とはアルゴン、窒素、ヘリウムといったものを挙げることができるが、コストという点で窒素を用いることがより好ましい。しかし、2000〜3000℃の温度で処理する時は、窒素は炭素と反応する場合があるので、アルゴンまたはヘリウムを用いるのが好ましい。また、不活性雰囲気下で熱処理する温度は、500〜3000℃が好ましい。500℃未満では炭素化が十分に進行しないという場合があり、3000℃を超えると炭素化の時間によっては炭素自体が揮発して収率が低下するという場合がある。また、不活性雰囲気下熱処理する工程を炭化工程と黒鉛化工程に分割してもよい。この場合、炭化工程の温度は、好ましくは500℃以上、より好ましくは550℃以上、さらに好ましくは600℃以上、好ましくは1500℃以下、より好ましくは1300℃以下、さらに好ましくは1000℃以下である。
黒鉛化工程の温度は、好ましくは1500℃以上、より好ましくは2000℃以上、さらに好ましくは2500℃以上、特に好ましくは2700℃以上、好ましくは3000℃以下である。炭化、黒鉛化工程における室温または、前工程の温度からの昇温速度は、好ましくは5℃/分以上、より好ましくは10℃/分以上、好ましくは20℃/分以下、より好ましくは15℃/分以下である。かかる昇温速度が5℃/分未満では、実用的な時間で処理できない場合があり、20℃/分を超えると切れてしまう場合がある。
また、上記の熱処理温度における保持時間は、好ましくは10分以上、より好ましくは30分以上、好ましくは120分以下、より好ましくは90分以下、さらに好ましくは60分以下である。かかる保持時間が10分未満であると炭素化が十分でない場合があり、120分を超えても黒鉛化は十分に発達し、それ以上に発達しない場合がある。
ピッチやポリアクリロニトリルなど、直接炭素化工程に持ち込むと溶融したり、発熱反応が急激に生じて燃焼するような物質を用いた場合には、不活性雰囲気下での炭素化に先だって、不融化あるいは耐炎化せしめることもできる。
かかる不融化あるいは耐炎化処理とは酸化反応による適度な脱水素や架橋反応を行わせればよく、例えば、空気中など酸素存在下において100〜300℃の温度で熱処理する方法などを採用することができる。上述の酸化分解処理において、海成分や島成分の中で炭素化されない物質がある場合のその物質として200〜300℃で除去されるような物質を用いた場合には、この不融化、耐炎化処理は酸化分解処理としての効果をもつ場合があり、不融化、耐炎化と同時に酸化分解処理により海成分や島成分の炭素化されない物質がある場合のその物質の少なくとも一部を除去できる場合もある。
また、不活性雰囲気下での炭素化工程は前記酸化分解過程の前であっても、後であっても、前後共に行っても良いが、酸化分解過程の後に行うことが好ましい。この場合、炭素化過程と酸化分解過程は不連続であっても、連続であってもよいが、連続で行うことが生産効率上好ましい。
炭素化を酸化分解に連続して行う場合、酸化性ガス雰囲気を不活性雰囲気に切り替えて熱処理することによりカーボンナノファイバーを製造することができる。この場合、不活性雰囲気に切り替える時点の温度は、200℃以上が好ましく、300℃以上がより好ましく、400℃以上がさらに好ましく、3000℃以下が好ましく、2000℃以下がより好ましく、1000℃以下がさらに好ましい。ただし、不活性雰囲気に切り替えるに際して、ガス置換に時間がかかり、残すべき鞘部を不必要に長時間酸化性ガス雰囲気に曝すこととなって鞘部の酸化分解が起こることがあるため、一旦、降温させる工程を含めることが好ましい。この場合、降温速度は、実用的範囲であれば特に限定されない。降温後の雰囲気温度は特に限定されず、25〜150℃の範囲であればいずれでもよいが、例えば100℃まで降温させてから再び昇温させるのが好ましい。
かかるカーボンナノファイバーの前駆体として用いる海島型繊維の製造方法は限定されないが、後述の方法に従えば、海成分と島成分の構造を制御することによって、任意の構造と直径をもつカーボンナノファイバーを得ることができ、さらに前駆体を連続繊維とすることで、長さも任意に制御することが可能となり、アスペクト比が長いカーボンナノファイバーの製造が可能となる。
先ず、島成分が炭素化させる物質のみから成る場合について説明する。好ましい前駆体の製造法の一つとして、紡糸温度より高い温度で炭素化される物質と炭素化されない物質を混練し、紡糸して繊維化する方法が挙げられる。混練比は、炭素化される物質が5〜50体積%が好ましく、10〜35%が更に好ましく、10〜20%がなかんずく好ましい。5%未満では製造効率が低く、50%を超えると炭素化される物質が島成分とはならず海成分になる可能性がある。紡糸法には、溶融紡糸等の乾式紡糸や湿式紡糸があるが、用いる炭素化される物質と炭素化されない物質に応じて適宜選択すれば良い。生産性を重視する場合には溶融紡糸が好ましい。なお、この方法では、有限のアスペクト比を有するカーボンナノファイバーが生成するが、操作が簡便であり、後述の非常に高い倍率の延伸を併用すれば、1万を越えるアスペクト比のものの製造が可能である。
また、別の好ましい製法として、海島型複合紡糸口金を用いた海島型紡糸、すなわち紡糸温度より高い温度で炭素化される物質を含む物質を、口金内で炭素化されない物質から成る海成分中に島成分として吐出し、海成分と島成分を口金から吐出して紡糸する方法が挙げられる。紡糸法も、上記と同様に、用いる炭素化される物質と炭素化されない物質によって適宜選択すれば良いが、基本的には溶融紡糸が生産性が高いため好ましく用いられる。この方法によれば、原理的にはアスペクト比が無限大となり、紡糸開始から紡糸終了までの間に途切れのないカーボンナノファイバーが得られる。
また、別の好ましい前駆体の製造法として、その物質に応じた紡糸法によって製造された炭素化される物質から成る繊維または繊維束に、炭素化されない物質から成る樹脂を含浸することによって、実質的に炭素化される物質を島成分とし、炭素化されない物質を海成分とする前駆体繊維とするという方法が挙げられる。
また、炭素化される物質から成る繊維が島成分となるように、炭素化されない物質から成る繊維束の中に分散させて埋め込み、場合によっては炭素化されない物質から成る樹脂も併用して、ガットもしくはロッドもしくはローソク状物質とする方法も挙げられる。この際、炭素化される物質から成る繊維と炭素化されない物質から成る繊維は、それぞれの物質に応じて別々の紡糸法を用いることが可能であるが、ガットもしくはロッドもしくはローソク状物質にするために、繊維束の外側から熱と圧力を加えて少なくとも海成分となる炭素化されない物質から成る繊維を融着させるのが好ましいため、海成分の繊維は、溶融紡糸によって製造されることが好ましい。繊維束の外側から圧力と熱を加える手段としては特に限定されないが、均等に圧力を掛けられる手段として熱収縮チューブとオーブンの利用が好ましく用いられる。即ち、束ねただけの状態の繊維束を、熱収縮チューブの中に通し、オーブン中で熱収縮チューブが収縮を開始する温度以上、かつ海成分の繊維が軟化して互いに融着できる温度以上の温度で加熱することにより、繊維束はガットもしくはロッドもしくはローソク状物質になる。
これらの方法または別の手段によって得られる前駆体繊維中の島成分の直径は、その炭化収率や体積収縮率等の因子により一慨には言えないものの、得られるカーボンナノファイバーの直径に反映されることに変わりなく、島成分の直径が既にナノオーダー直径であることが好ましい。この観点から前駆体繊維中の島成分の直径が充分に小さくない場合は、島成分が目標となる直径まで細くなるように前駆体繊維を2〜1000万倍に延伸することが好ましい。延伸方法は、通常の熱雰囲気や熱板、あるいはレーザー加熱による延伸等の他、非常に高い延伸倍率が期待できる方法として、上記方法で得られた繊維またはガットまたはロッドまたはローソク状物質をそのまま、または束にし、吐出孔に向かって先細りしている溶融紡糸口金に押し込んで溶融紡糸または溶融押出して引き取る方法が挙げられる。操業性との兼ね合い等の事情により1回の操作で目標の直径に到達しない場合は、この操作を繰り返し行えば良い。
上記のような島成分が炭素化される物質のみからなる前駆体から得られるカーボンナノファイバーは、基本的には中が炭素で詰まったものが得られる。ただし、島成分の直径が10nm以下である場合、より好ましくは2nm以下の場合は、繊維の軸中心が空洞になるカーボンナノチューブが得られることがある。
なお、本発明でいうところのカーボンナノチューブとは、カーボンナノファイバーに属するが、繊維の軸中心付近に繊維軸方向に沿って、連続的な中空部を有する、炭素からなる繊維状物質を指しており、炭素の種類はアモルファス性であっても黒鉛性であっても、あるいはそれらの混合であっても構わないが、炭素好ましくはグラフェンシートが繊維軸の回りに渦巻き状または同心円状に積層した円筒状結晶構造を有するものが好ましい。更に好ましくは、物理的、化学的あるいは機械的特性に優れる積層数の少ないものであり、50層以下が好ましく、より好ましくは10層以下、更に好ましくは5層以下、最も好ましいのは1層即ち単層である。これらは、用途や生産性等との兼ね合いから、前駆体繊維の島成分の設計、即ち直径や後述の芯鞘型の島成分では鞘部の厚さ等で決められる。
次に、島成分が炭素化される物質と炭素化されない物質からなる場合の製造方法について説明するが、紡糸法については、上記と同様に、紡糸する物質に応じて、溶融紡糸等の乾式紡糸か、或いは湿式紡糸かを適宜決められる。
上記の如き海島型複合紡糸口金を用いた海島型紡糸において、紡糸温度より高い温度で炭素化される物質を鞘部とし、炭素化されない物質を芯部とする芯鞘状流体を口金内で島成分として、紡糸温度より高い温度で炭素化されない物質から成る海成分中に吐出し、実質的に島成分の前記芯鞘状流体の芯鞘状構造を保持したまま、海成分と島成分を口金から吐出して紡糸する方法が好ましい一例として挙げられる。
また、紡糸温度より高い温度で炭素化される物質を鞘部とし、炭素化されない物質を芯部とする芯鞘型繊維を紡糸し、ついで該芯鞘型繊維を、炭素化されない物質からなる樹脂で含浸することによって、前記芯鞘型繊維を島成分とし、炭素化されない物質を海成分とする海島型構造を有する繊維もしくはガットもしくはロッドもしくはローソク状物質を作製することも好ましい製法の一つである。
また、紡糸温度より高い温度で炭素化される物質を鞘部とし、炭素化されない物質を芯部とする芯鞘型繊維を紡糸し、ついで該芯鞘型繊維を、炭素化されない物質からなる繊維の束の中に分散配置するように、場合によっては炭素化されない物質からなる樹脂も併用して、合わせて束にすることにより、実質的に海島型構造を有する繊維もしくはガットもしくはロッドもしくはローソク状物質を作製する方法も挙げられる。この際、芯鞘型繊維と炭素化されない物質からなる繊維は、それぞれの物質に応じて別々の紡糸法を用いることが可能であるが、両者からなる繊維束をガットもしくはロッドもしくはローソク状物質にするため、繊維束の外側から熱と圧力を加えて少なくとも海成分となる炭素化されない物質からなる繊維を融着させるのが好ましいため、海成分の繊維は、溶融紡糸によって製造されることが好ましい。均等に圧力を掛けられる手段は、前述の熱収縮チューブを用いた方法をそのまま適用できる。
これらの方法または別の手段による前駆体繊維から得られるカーボンナノファイバーの直径は、島成分が炭素化される物質のみから成る場合で説明したことと同様であるため、前駆体繊維中の島成分の直径が充分に小さくない場合は、2〜1000万倍の延伸を行うことが好ましい。延伸方法は前述と同様の方法を用いることができる。
上記のような島成分が炭素化される物質と炭素化されない物質から成る前駆体から得られるカーボンナノファイバーは、繊維の軸中心が空洞になるカーボンナノチューブとなる。
なお、1本の海島型繊維中の島成分は1本以上含まれていればよいが、2本以上が好ましく、10本以上がより好ましく、100本以下が好ましく、50本以下がより好ましい。何本にするかは、海島型繊維の直径と島成分の直径によって適宜決められるものである。島成分の海島型繊維に対する割合は、10重量%以上が好ましく、90重量%以下が好ましい。基本的には島成分の本数や海島型繊維に対する割合は、大きい方が収率が高くなるので好ましいが、あまりに島成分が密集しすぎると、前駆体繊維の製造工程もしくは海成分及び芯部の酸化分解工程において島成分同士が合一または融着することがあるので、島成分を適当に海成分で互いを隔離するのが好ましい。隔離する距離は、隣り合う島成分の表面同士の最短距離において、1nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましく、50nm以上が更に好ましく、1000nm以下が好ましく、500nm以下がより好ましく、200nm以下が更に好ましい。また、島成分が炭素化される物質と炭素化されない物質から成る場合、島成分中の炭素化される物質の割合は、1重量%以上が好ましく、90重量%以下が好ましい。より好ましくは10重量%以上80重量%以下、さらに好ましくは20重量%以上70重量%以下である。1重量%より少なくなると、得られる中空の繊維状物質の鞘部が薄すぎるために芯部と海が所々で連通する可能性があり、また、90重量%を越えると、芯部が所々で途切れる断片的になる可能性がある。
上述した前駆体の製造方法を用いることによって、好ましくは0.1nm以上、好ましくは500nm以下、より好ましくは100nm以下、さらに好ましくは50nm以下、特に好ましくは10nm以下の直径を有するカーボンナノファイバーを得ることができる。また、上記の製造方法を用いることによりアスペクト比を従来になく大きくすることも可能であり、かかるアスペクト比は大きいほど配向制御がしやすく、好ましくは100万以上、より好ましくは1000万以上、最も好ましいのは実質的に連続すなわち無限大である。かかるアスペクト比は、本発明の製造方法であれば特に限定はされないが、紡糸口金の島の直径及び紡糸時に前駆体繊維の長さを適当な値とすることによっても制御することができる。
また、前記島成分の芯部を前述のような汎用もしくはスーパーエンプラに属するポリエステルやポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンを用いる場合には、特に熱処理時の繊維へ張力を掛けることができ、延伸比を調整できるので、アスペクト比のコントロールが容易になるため好ましい。
このような本発明の製造方法により得られるカーボンナノファイバーは、これを配向させて所望の方向に配列することが容易となり、カーボンナノファイバーが有する引張強度、引張弾性率などの機械的特性を十分に発揮させることができ、用途は限定されるものではないが、例えばナノワイアや繊維強化複合材料の繊維強化材のような用途に用いることができるようになる。長さの絶対値としては、好ましくは1mm以上、より好ましくは1cm以上、さらに好ましくは1m以上、最も好ましいのは1km以上の連続とすることである。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
なお、本実施例では、カーボンナノファイバー前駆体繊維中の島成分の芯部と海成分を酸化分解した後の形態及びカーボンナノファイバーの形態は、走査型電子顕微鏡によって確認した。具体的には、液体窒素中で一旦凍結させた後、鋭利な刃物で切断した繊維(酸化分解処理後の前駆体繊維およびカーボンナノファイバー)をPt+Pd蒸着処理し、その断面及び側面を加速電圧20kv、観測倍率5万倍で観測した。測定するn数は5とした。走査型電子顕微鏡としては日立(株)製S−4000を用いた。
また、本実施例では、カーボンナノファイバー前駆体繊維中の島成分の芯部と海成分を酸化分解処理したことによる重量減少(熱減量率)は、熱重量分析計により求めた。熱量分析計としては理学電機製TAS-300を用いた。
(実施例1)
芯鞘型(芯:鞘=28:72)の島成分を36個含む海島型複合紡糸口金(島:海=38:62)を用い、ポリエチレンテレフタレートを島成分の芯部と海成分とし、軟化点が250℃、キノリン不溶分が21%、光学的異方性量が90%のピッチを島成分の鞘部として、300℃で複合溶融紡糸し、400m/分で巻き取った。得られた繊維約40万本を束にしてその束よりわずかに大きい直径のシリコーン樹脂型の熱収縮チューブ内に装填し、200℃のオーブン内で加熱し、ローソク状物質を作製した。これを細孔から300℃で、吐出量1g/分にて溶融押し出しして750m/分で巻き取った。得られた繊維の直径は34.6μmであり、その中に含まれる島成分の直径は5.7nm、該島成分の鞘部の厚さは約1.5nmであった。
(実施例1)
芯鞘型(芯:鞘=28:72)の島成分を36個含む海島型複合紡糸口金(島:海=38:62)を用い、ポリエチレンテレフタレートを島成分の芯部と海成分とし、軟化点が250℃、キノリン不溶分が21%、光学的異方性量が90%のピッチを島成分の鞘部として、300℃で複合溶融紡糸し、400m/分で巻き取った。得られた繊維約40万本を束にしてその束よりわずかに大きい直径のシリコーン樹脂型の熱収縮チューブ内に装填し、200℃のオーブン内で加熱し、ローソク状物質を作製した。これを細孔から300℃で、吐出量1g/分にて溶融押し出しして750m/分で巻き取った。得られた繊維の直径は34.6μmであり、その中に含まれる島成分の直径は5.7nm、該島成分の鞘部の厚さは約1.5nmであった。
この前駆体繊維を1万本束ね、実効炉長が3mの縦型炉の中を、炉の下部から上部に繊維束が0.5m/hの速度で移動するように繊維束の巻き出し装置と巻き取り装置及びフリーローラーを設置した。炉内を空気雰囲気とし、炉の入り側の温度を120℃、出側の温度を240℃としてその間、直線的に温度分布に傾斜が掛かるようにして繊維束の連続不融化処理を行った。次いで、得られた繊維束を再度巻き出し装置側に戻し、炉の入り側の温度を240℃、出側の温度を570℃としてそのまま空気雰囲気下で10℃/分の昇温速度となる約5.4m/hの糸速で連続酸化分解処理した。
酸化分解処理の結果、熱減量率は83%であり、残渣を走査型電子顕微鏡で観察した結果、島の芯部と海は消失し、中空の繊維状物質が得られた。
炭素化処理として、かかる中空の繊維状物質を、上記とは別の横型連続炉を用い、窒素雰囲気下1000℃で1時間炭化を行い、更に別の横型連続炉を用いてアルゴン雰囲気下、3000℃で1時間黒鉛化処理することにより、アスペクト比が100万、直径5nm、長さ1kmの多層(4層)のカーボンナノチューブを得た。
(実施例2)
芯鞘型(芯:鞘=28:72)の島成分を36個含む海島型複合紡糸口金(島:海=38:62)を用い、ポリエチレンナフタレートを島成分の芯部と海成分とし、軟化点が270℃、キノリン不溶分が27%、光学的異方性量が95%のピッチを島成分の鞘部として、330℃で複合溶融紡糸し、500m/分で巻き取った。得られた繊維約40万本を束にして、ローソク状物質を作製し、これを細孔から330℃で、吐出量1.5g/分にて溶融押し出しして800m/分で巻き取った。得られた繊維の直径は42.6μmであり、その中に含まれる島成分の直径は6.9nm、該島成分の鞘部の厚さは約1.8nmであった。
(実施例2)
芯鞘型(芯:鞘=28:72)の島成分を36個含む海島型複合紡糸口金(島:海=38:62)を用い、ポリエチレンナフタレートを島成分の芯部と海成分とし、軟化点が270℃、キノリン不溶分が27%、光学的異方性量が95%のピッチを島成分の鞘部として、330℃で複合溶融紡糸し、500m/分で巻き取った。得られた繊維約40万本を束にして、ローソク状物質を作製し、これを細孔から330℃で、吐出量1.5g/分にて溶融押し出しして800m/分で巻き取った。得られた繊維の直径は42.6μmであり、その中に含まれる島成分の直径は6.9nm、該島成分の鞘部の厚さは約1.8nmであった。
この前駆体繊維を5千本束ね、実施例1と同じ縦型炉及び巻き出し装置、巻き取り装置、フリーローラーを用い、炉内を空気雰囲気とし、炉の入り側温度を140℃、出側の温度を260℃として、糸速0.5m/hで糸即を連続不融化処理した。次いで、得られた繊維束を再度巻き出し装置側に戻し、炉内を酸素40体積%、窒素60体積%の混合ガスの雰囲気とし、炉の入り側の温度を30℃、出側の温度を600℃として10℃/分の昇温速度となる約3.1m/hの糸速で連続酸化分解処理した。
酸化分解処理の結果、熱減量率は80%であり、残渣を走査型電子顕微鏡で観察した結果、島の芯部と海は消失し、中空の繊維状物質が得られた。
炭素化処理として、かかる中空の繊維状物質を、実施例1と同様に2つの横型連続炉を用いて、窒素雰囲気下1000℃で1時間炭化した後、アルゴン雰囲気下2800℃で1時間黒鉛化処理することにより、アスペクト比が150万、直径6nm、長さ2kmの多層(5層)のカーボンナノチューブを得た。
(実施例3)
芯鞘型(芯:鞘=28:72)の島成分を36個含む海島型複合紡糸口金(島:海=38:62)を用い、ポリイミドを島成分の芯部と海成分とし、軟化点が320℃、キノリン不溶分が35%、光学的異方性量が98%のピッチを島成分の鞘部として、360℃で複合溶融紡糸し、600m/分で巻き取った。得られた繊維約40万本を束にして、ローソク状物質を作製し、これを細孔から360℃で、吐出量0.8g/分にて溶融押し出しして350m/分で巻き取った。得られた繊維の直径は45.6μmであり、その中に含まれる島成分の直径は7.4nm、該島成分の鞘部の厚さは約2.0nmであった。
芯鞘型(芯:鞘=28:72)の島成分を36個含む海島型複合紡糸口金(島:海=38:62)を用い、ポリイミドを島成分の芯部と海成分とし、軟化点が320℃、キノリン不溶分が35%、光学的異方性量が98%のピッチを島成分の鞘部として、360℃で複合溶融紡糸し、600m/分で巻き取った。得られた繊維約40万本を束にして、ローソク状物質を作製し、これを細孔から360℃で、吐出量0.8g/分にて溶融押し出しして350m/分で巻き取った。得られた繊維の直径は45.6μmであり、その中に含まれる島成分の直径は7.4nm、該島成分の鞘部の厚さは約2.0nmであった。
この前駆体繊維を5千本束ね、実施例1と同じ縦型炉等の装置を用い、炉内を空気雰囲気とし、炉の入り側温度を160℃、出側温度を280℃として、糸速0.5m/hで連続不融化処理した。次いで、得られた繊維束を再度巻き出し装置側に戻し、炉の雰囲気は空気のままで、入り側温度を280℃、出側の温度を730℃として10℃/分の昇温速度となる4m/hの糸速で連続酸化分解処理した。
酸化分解処理の結果、熱減量率は75%であり、残査を走査型電子顕微鏡で観察した結果、島の芯部と海は消失し、中空の繊維状物質が得られた。
炭素化処理として、かかる中空の繊維状物質を、実施例1と同様に、窒素雰囲気下、1200℃で1時間炭化した後、アルゴン雰囲気下、3000℃で1時間黒鉛化処理することにより、アスペクト比が80万、直径7nm、長さ500mの多層(6層)のカーボンナノチューブを得た。
(実施例4)
実施例1で用いたピッチからなる島成分を36個含む海島型複合紡糸口金(島:海=38:62)を用い、ポリエチレンテレフタレートを海成分とした以外の諸条件は実施例1と同様にして実施した結果、直径5nm、長さ1kmのカーボンナノファイバーを得た。
(実施例5)
実施例3における熱処理の順番は、不融化、酸化分解、炭化、黒鉛化の順であるが、本実施例では、炭化と酸化分解の順を逆にし、不融化、炭化、酸化分解、黒鉛化として操作を行った。これによって得られたカーボンナノチューブは、実施例1と同等のものであったが、実施例1よりも更にカーボンナノチューブ同士の融着が少ないものであった。
(比較例1)
実施例1において、ポリエチレンテレフタレートの代わりに、窒素雰囲気下400℃付近において、完全に分解・揮発する高密度ポリエチレンを用い、その他は実施例1と同様の操作を行おうとした。
(実施例4)
実施例1で用いたピッチからなる島成分を36個含む海島型複合紡糸口金(島:海=38:62)を用い、ポリエチレンテレフタレートを海成分とした以外の諸条件は実施例1と同様にして実施した結果、直径5nm、長さ1kmのカーボンナノファイバーを得た。
(実施例5)
実施例3における熱処理の順番は、不融化、酸化分解、炭化、黒鉛化の順であるが、本実施例では、炭化と酸化分解の順を逆にし、不融化、炭化、酸化分解、黒鉛化として操作を行った。これによって得られたカーボンナノチューブは、実施例1と同等のものであったが、実施例1よりも更にカーボンナノチューブ同士の融着が少ないものであった。
(比較例1)
実施例1において、ポリエチレンテレフタレートの代わりに、窒素雰囲気下400℃付近において、完全に分解・揮発する高密度ポリエチレンを用い、その他は実施例1と同様の操作を行おうとした。
しかしながら、不融化工程において、糸切れが発生し、連続的に不融化を行うことができなかった。
(比較例2)
実施例1において、ポリエチレンテレフタレートの代わりに、窒素雰囲気下400℃付近において、完全に分解・揮発するナイロン−6を用い、その他は実施例1と同様の操作を行おうとした。
(比較例2)
実施例1において、ポリエチレンテレフタレートの代わりに、窒素雰囲気下400℃付近において、完全に分解・揮発するナイロン−6を用い、その他は実施例1と同様の操作を行おうとした。
しかしながら、酸化分解工程において、糸切れが発生し、連続的に酸化分解を行うことができなかった。
(比較例3)
比較例2において、連続処理ではなくバッチ処理として、小型の炉の中に金属皿を設置し、その上で前駆体繊維を、不融化、炭化、酸化分解の順で行った(温度や時間は実施例1に準ずる)。
(比較例3)
比較例2において、連続処理ではなくバッチ処理として、小型の炉の中に金属皿を設置し、その上で前駆体繊維を、不融化、炭化、酸化分解の順で行った(温度や時間は実施例1に準ずる)。
得られた中空の繊維状物質は、互いに融着しており、これを水の中に入れ、超音波分散を試みたが、離れることはなかった。
Claims (11)
- 熱処理により炭素化される物質を含む島成分を少なくとも1本以上有する海島型繊維を前駆体繊維とし、該海島型繊維の島成分を不活性雰囲気下の熱処理により炭素化する過程と、該海島型繊維の海成分を酸化分解する過程を含むカーボンナノファイバーの製造方法。
- 前記島成分が芯鞘型繊維であり、かかる芯鞘型繊維の鞘部は熱処理により炭素化される物質からなる請求項1に記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
- 酸化性ガス存在下で熱処理することにより前記海成分を酸化分解する請求項1に記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
- 酸化性ガス存在下で熱処理することにより島成分の芯部および海成分を酸化分解する請求項2に記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
- 前記酸化分解温度が200℃以上3000℃以下である請求項1〜4のいずれかに記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
- 海成分を酸化分解した後に、不活性雰囲気下で熱処理することにより島成分を炭素化する請求項1、3または5のいずれかに記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
- 島成分の芯部および海成分を酸化分解した後に、不活性雰囲気下で熱処理することにより島成分の鞘部を炭素化する請求項2、4または5のいずれかに記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
- 酸化性ガス存在下で熱処理することにより酸化分解した後、処理雰囲気を不活性ガスに切り替えることで酸化分解処理と炭素化処理を連続して行う請求項1〜7のいずれかに記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
- 不活性雰囲気下における熱処理温度が500℃以上3000℃以下である請求項1〜8のいずれかに記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
- 酸化分解処理および炭素化処理に先立って不融化処理を行う請求項1〜9のいずれかに記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
- 前記カーボンナノファイバーがカーボンナノチューブである請求項1〜10のいずれかに記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
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JP2003350457A JP2004156194A (ja) | 2002-10-15 | 2003-10-09 | カーボンナノファイバーの製造方法 |
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Cited By (3)
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JP2011500978A (ja) * | 2007-10-11 | 2011-01-06 | ジョージア テック リサーチ コーポレイション | カーボンファイバおよびフィルムならびにその製造方法 |
JP2019094603A (ja) * | 2017-11-24 | 2019-06-20 | 帝人株式会社 | メソフェーズピッチ含有繊維束、安定化メソフェーズピッチ含有繊維束、及びこれらの製造方法 |
CN114574999A (zh) * | 2022-03-08 | 2022-06-03 | 大连民族大学 | 一种CaNb2O6纳米纤维及其制备方法与在分解水制氢中的应用 |
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2003
- 2003-10-09 JP JP2003350457A patent/JP2004156194A/ja active Pending
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