JP2006083486A - 炭素繊維体およびそれを有する部材並びにそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 複数本の炭素繊維が縄状に捻れた形状を持つことを特徴とし、液体原料中で触媒を加熱することにより製造できる。原料としては、常温常圧で液状の炭化水素またはアルコール類とホウ素系化合物とからなるものが挙げられる。より詳細には、液体原料中で表面に触媒が存在する基板を加熱する。この製法により、炭素繊維体が基板上の触媒から成長したもの、即ち、該炭素繊維体の片末端が基板に結合した部材が得られる。この部材は、そのまま各種の電極材として使用可能である。
【選択図】 図1
Description
電気二重層キャパシタのうち、特に大容量のものは、パルスパワー用電源としての利用が期待できる。しかしながら、従来の電気二重層キャパシタは、瞬時に大電流を供給することができず、パルスパワー用電源として必要とされる機能を果たすことができない。これは、活性炭粉末のもつ直径数nmの微細な細孔の内部において、イオン種の移動が抑制されてしまうからである。詳述すると、活性炭粉末を用いた固体活性炭電極は、活性炭粉末のもつ直径数nmの細孔と、フェノール樹脂の炭化時に形成される直径100nm以上の細孔とを有している(例えば、特許文献2参照。)。
これらの細孔のうち、活性炭粉末のもつ直径数nmの微細な細孔の内部では、イオン種の移動が抑制されてしまう。従って、従来の電気二重層キャパシタには、大電流で放電を行うと、見かけ上、容量が減少し、十分な性能を発揮できないという問題点がある。このため、イオン種の保持および移動がより容易であるような微細な構造を有する電極の実現が望まれている。
即ち、本発明は以下の通りである。
(1)複数本の炭素繊維が縄状に捻れた形状を持つことを特徴とする炭素繊維体。
(2)1本の炭素繊維の直径が10〜40nmであることを特徴とする前記(1)記載の炭素繊維体。
(3)2〜5本の炭素繊維からなることを特徴とする前記(1)記載の炭素繊維体。
(4)直径が20〜200nmであることを特徴とする前記(1)記載の炭素繊維体。
(5)長さが1〜30μmであることを特徴とする前記(1)記載の炭素繊維体。
(7)前記(1)〜(5)のいずれかに記載の炭素繊維体が基板から成長したものであることを特徴とする部材。
(8)炭素繊維体が基板上の触媒から成長したものであることを特徴とする前記(6)または(7)記載の部材。
(10)原料が常温常圧で液状の炭化水素であることを特徴とする前記(9)記載の炭素繊維体の製造方法。
(11)炭化水素が、ヘキサン、ペプタン、オクタン、ベンゼン、トルエンおよびキシレンから選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする前記(10)記載の炭素繊維体の製造方法。
(13)アルコールに可溶なホウ素系化合物であることを特徴とする前記(12)記載の炭素繊維体の製造方法。
(14)ホウ素系化合物が、ボロン酸、カルボランまたはホウ酸エステルであることを特徴とする前記(13)記載の炭素繊維体の製造方法。
(15)ホウ素系化合物が、ジヒドロキシフェニルボラン、オルト−カルボラン、メタ−カルボランまたはホウ酸トリ−n−ブチルであることを特徴とする前記(14)記載の炭素繊維体の製造方法。
(17)触媒の加熱温度が700〜1100℃であることを特徴とする前記(9)記載の炭素繊維体の製造方法。
(18)加熱方法として抵抗加熱及び誘導加熱を用いることを特徴とする前記(9)または(17)に記載の炭素繊維体の製造方法。
(19)触媒として、基板の表面に存在するものを用いることを特徴とする前記(9)記載の炭素繊維体の製造方法。
(20)液体原料中で表面に触媒が存在する基板を加熱することを特徴とする前記(6)〜(8)のいずれかに記載の部材の製造方法。
本発明における炭素繊維とは、縄状体を構成する最小単位の繊維を意味し、炭素繊維体とは上記最小単位の炭素繊維から構成される縄状のものを意味するものとする。
このような炭素繊維の直径は、特に限定されないが、10〜40nmの範囲が好ましい。10nm以下であれば、捻れた隙間にイオンが入りにくくなり、40nm以上であれば、捻れた隙間が広すぎるため十分な比表面積が得られないためである。
1本の炭素繊維体を構成する炭素繊維の本数は、特に限定されないが、通常2〜5本より構成される。
本発明の炭素繊維体の直径は、特に限定されないが、20〜200nmの範囲が好ましい。また、本発明の炭素繊維体の長さは、特に限定されないが、1〜30μmの範囲が好ましい。1μm未満では、炭素繊維体が十分なイオンを保持することが難しく、30μm以上ではイオンを保持するための隙間が有効に活用されないためである。
より具体的には、基板の表面に触媒が存在するものを用い、該基板ごと原料(有機化合物)中で加熱する方法が挙げられる。
本発明の炭素繊維体およびその部材の製造方法に用いられる原料(有機化合物)は、触媒の作用を受けて、加熱により生じた熱により反応し、炭素繊維を生成できるものである。
本発明の縄状炭素繊維体の成長は、その製造方法、詳細には使用する液体原料に依存し、特徴ある縄状構造ができたと推測される。
本発明の炭素繊維体およびその部材の製造方法における液体原料としては下記の一成分系と二成分系とがある。
ホウ素系化合物としては、特に限定されないが、例えば、ボロン酸、カルボランまたはホウ酸エステル等が挙げられ、より詳細には、ジヒドロキシフェニルボラン(C6H5B(OH)2)、(オルト−又はメタ−カルボラン(C2H12B10)、ホウ酸トリ−n−ブチル(〔CH3(CH2)3O〕3B)等が挙げられる。
ホウ素化合物の適切な濃度範囲は、その種類と用いる有機液体の種類によって異なり、適宜好ましい濃度を選択する。
有機液体としては、特に限定されないが、不純物質の溶解性の点で、アルコール類が挙げられ、エタノール、メタノール、オクタノール等が挙げられる。
さらに、上記の微細な触媒は、その大きさが揃っていることが好ましい。微細な触媒として大きさの揃っているものを用いることにより、均一な径の炭素繊維を生成することができる。
加熱温度は基板の表面に存在する触媒の温度が700〜1100℃の範囲になるように抵抗加熱または誘導加熱を行い、合成中もこの加熱温度に保つ。
導線に交流電気を流すと、その周囲に磁力線が発生する。導線をコイル状に巻き、その中心部に金属のような電気的導体を置いてコイルに通電すると、磁力線の影響を受けて、電気的導体(金属等)の中に誘導電流(うず電流)が生じる。この誘導電流は、電気的導体(金属等)のもつ抵抗によりエネルギーを損失し、熱を発生させる。この発熱現象を熱源として加熱に利用したものである。
この誘導加熱によって加熱対象である基板を加熱する場合、殆どの電気的導体が基板となる。また、電流を流すための電極部分が必要なく構造が簡易かつ加熱対象である基板の形状も自由度が高くなる。また、抵抗加熱と異なる非接触加熱であり、温度制御がしやすい。特に大面積・大容量の加熱対象の場合でも加熱温度にムラを生じることなく緻密に温度制御可能となる。
〔実施例1〕
高純度オクタン(98%以上)を液体原料として用いた。体積抵抗率が0.02ΩcmのSi(100)面方位、寸法10×20×0.5mm3 の基板を用いた。Si基板は、アセトン中で超音波洗浄した。Si(100)基板表面に、Arガスによるスパッタ法で平均10nm厚のFe薄膜を堆積した。このSi基板を、基板ホルダーに配置し、セパラブルフラスコに入れたオクタンに浸漬した後、窒素ガスを導入して直流電流を流し、930℃に加熱した。Si基板表面はオクタンの蒸気(泡)で覆われ、フラスコのオクタンの温度は約60℃に上昇した。原料のオクタンを沸騰点よりも低くするためにオクタンの入ったフラスコを冷水で満たした冷却槽に入れた。また、蒸発したオクタンを回収するためにリービッヒコンデンサーを取り付けた。Si基板温度は、光学放射温度計を使用し、焦点を基板表面に合わせて測定した。Si基板に流す電流は成長中一定に保った。基板温度は、炭素繊維体の長さが長くなるに従ってゆっくりと減少することが観測された。
図1、図2は、合成した炭素繊維体のSEM(電子顕微鏡)及びTEM(透過型電子顕微鏡)像である。基板表面に図1のSEM写真に示すような、炭素繊維体が成長していることが観察され、さらに拡大したところ、該炭素繊維体は図2のTEM写真に示すような、炭素繊維が縄状に捻れた形状を有するものであった。なお、図2のTEM写真では、2本の炭素繊維からなる縄状捻れ形状が観られた。
液体原料としてオクタンを二成分系原料(オクタノール + 10wt%C6H5B(OH)2)に代えた以外は実施例1と同様の方法で製造し、図3の炭素繊維体の成長が観察された。図4のTEM写真に示すような、4〜5本の炭素繊維が縄状に捻れた形状も観られた。
〔実施例3〕
液体原料としてオクタンを(メタノール + 5wt%オルト−カルボラン)に代えた以外は実施例2と同様の方法で製造し、実施例2と同様の炭素繊維体の成長が観察された。
〔実施例4〕
10wt%C6H5B(OH)2を15wt%ホウ酸トリ−n−ブチルに代えた以外は実施例3と同様の方法で製造し、実施例2と同様の炭素繊維体の成長が観察された。
Claims (14)
- 複数本の炭素繊維が縄状に捻れた形状を持つことを特徴とする炭素繊維体。
- 1本の炭素繊維の直径が10〜40nmであることを特徴とする請求項1記載の炭素繊維体。
- 2〜5本の炭素繊維からなることを特徴とする請求項1記載の炭素繊維体。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維体の片末端が基板に結合したものであることを特徴とする部材。
- 炭素繊維体が基板上の触媒から成長したものであることを特徴とする請求項4記載の部材。
- 液体原料中で触媒を加熱することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維体の製造方法。
- 原料が常温常圧で液状の炭化水素であることを特徴とする請求項6記載の炭素繊維体の製造方法。
- 炭化水素が、ヘキサン、ペプタン、オクタン、ベンゼン、トルエンおよびキシレンから選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする請求項7記載の炭素繊維体の製造方法。
- 原料がアルコール類とホウ素系化合物とからなることを特徴とする請求項6記載の炭素繊維体の製造方法。
- アルコールに可溶なホウ素系化合物であることを特徴とする請求項9記載の炭素繊維体の製造方法。
- ホウ素系化合物が、ボロン酸、カルボランまたはホウ酸エステルであることを特徴とする請求項10記載の炭素繊維体の製造方法。
- ホウ素系化合物が、ジヒドロキシフェニルボラン、オルト−カルボラン、メタ−カルボランまたはホウ酸トリ−n−ブチルであることを特徴とする請求項11記載の炭素繊維体の製造方法。
- 触媒の加熱温度が700〜1100℃であることを特徴とする請求項6記載の炭素繊維体の製造方法。
- 液体原料中で表面に触媒が存在する基板を加熱することを特徴とする請求項4または5記載の部材の製造方法。
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