JP2007076962A - アルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＮＴの表面の全部又は一部にＡｌ成分を含む被膜を有するＡｌ含有被膜付きＣＮＴ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】ＣＮＴの表面の全部又は一部にＡｌ成分を含む被膜を有するＡｌ含有被膜付きＣＮＴ。
Ａｌ含有被膜付きＣＮＴの製造方法である。Ａｌ粉末を用いてＡｌスラリーを作製する工程（１）と、ＣＮＴを用いてＣＮＴサスペンションを作製する工程（２）と、工程（１）で得られたＡｌスラリーと工程（２）で得られたＣＮＴサスペンションとを用いて、Ａｌ／ＣＮＴ混合スラリーを作製する工程（３）と、工程（３）で得られたＡｌ／ＣＮＴ混合スラリーを濃縮する工程（４）と、を含む。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブ及びその製造方法に係り、更に詳細には、カーボンナノチューブの表面の全部又は一部にアルミニウム成分を含む被膜を有するアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブ及びその製造方法に関する。

従来から、熱伝導特性、強度特性といった性能を著しく向上させる材料として、金属基カーボンナノチューブ複合材が期待されている。
その中でも、特に、アルミニウム基カーボンナノチューブ複合材は、軽量、高熱伝導特性が得られるという観点から注目されている。

しかしながら、カーボンナノチューブ同士は凝集し易いため、特別な処理をすることなく、金属と複合化させると、金属マトリックス中にカーボンナノチューブの凝集体が多数形成されてしまい、複合化による効果を充分に享受できないといった問題が生じることも知られている。

一方、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバーにニッケルをコーティングする技術が報告されている。
具体的には、還元剤を含む無電解金属めっき液に、分散剤とカーボンナノチューブを添加してカーボンナノチューブを無電解金属めっき液中に分散させ、該カーボンナノチューブを分散させた無電解金属めっき液中に無電解金属めっき用の触媒を添加し、カーボンナノチューブ表面に金属粒子を多数析出させる方法が提案されている（特許文献１参照。）。
特開２００５−２００７３２号公報

したがって、上述した特許文献１に記載のめっき処理を行い、個々のカーボンナノチューブの表面に金属コーティングを施すことにより、複合化前の段階において物理的にカーボンナノチューブ同士の凝集を抑制することができるものと考えられる。
そして、焼結法や鋳造法によって金属と複合化させた場合には、カーボンナノチューブが凝集体を形成せずに、金属マトリックス中に分散した金属基カーボンナノチューブ複合材が得られるものと考えられる。

しかしながら、上述した特許文献１に記載のめっき処理によって、カーボンナノチューブの表面にコーティングを施すことができる金属は限られている。
例えばアルミニウムに関しては、上述しためっき処理によって、カーボンナノチューブにコーティングすることは非常に困難であった。
また、上述した特許文献１に記載の手法のように、めっき処理前に更に前処理が必要となり、工程増加による生産性の低下や製造コストの増大が懸念される。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、カーボンナノチューブの表面の全部又は一部にアルミニウム成分を含む被膜を有するアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブ及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねたところ、アルミニウム粉末を用いてアルミニウムスラリーを作製する一方、カーボンナノチューブを用いてカーボンナノチューブサスペンションを作製し、得られたアルミニウムスラリーとカーボンナノチューブサスペンションとを用いて、アルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを作製し、得られたアルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを濃縮することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの表面の全部又は一部にアルミニウム成分を含む被膜を有することを特徴とする。

また、本発明のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法は、上記本発明のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法であって、下記の工程（１）〜（４）を含むことを特徴とする。
（１）：アルミニウム粉末を用いてアルミニウムスラリーを作製する工程
（２）：カーボンナノチューブを用いてカーボンナノチューブサスペンションを作製する工程
（３）：上記工程（１）で得られたアルミニウムスラリーと上記工程（２）で得られたカーボンナノチューブサスペンションとを用いて、アルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを作製する工程
（４）：上記工程（３）で得られたアルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを濃縮する工程

本発明によれば、アルミニウム粉末を用いてアルミニウムスラリーを作製する一方、カーボンナノチューブを用いてカーボンナノチューブサスペンションを作製し、得られたアルミニウムスラリーとカーボンナノチューブサスペンションとを用いて、アルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを作製し、得られたアルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを濃縮することなどとしたため、カーボンナノチューブの表面の全部又は一部にアルミニウム成分を含む被膜を有するアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブ及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブについて詳細に説明する。なお、アルミニウムは「Ａｌ」、カーボンナノチューブは「ＣＮＴ」と記載することがある。

上述の如く、本発明のＡｌ含有被膜付きＣＮＴは、ＣＮＴの表面の全部又は一部にＡｌ成分を含む被膜を有するものである。
このような構造を有するものは、これまで得られておらず、Ａｌマトリックス中にＣＮＴが凝集体を形成せずに分散したＡｌ基ＣＮＴ複合材を作製する際の出発原料として特に望ましい。

また、本発明においては、Ａｌ成分を含む被膜が、Ａｌ又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成る被膜であることが望ましく、特にＡｌ被膜であることが望ましい。
このような構造を有するものは、これまで得られておらず、Ａｌ被膜のものは、Ａｌマトリックス中にＣＮＴが凝集体を形成せずに分散したＡｌ基ＣＮＴ複合材を作製する際の出発原料として特に望ましい。
なお、Ａｌ成分を含む被膜は、空気中において表面が酸化されやすいため、特に雰囲気制御を行わない場合には、表面のＡｌは酸化されてＡｌ_２Ｏ_３となるが、窒素（Ｎ_２）やアルゴン（Ａｒ）などを用いて、雰囲気制御を行えばＡｌのままで保つこともできる。

次に、本発明のＡｌ含有被膜付きＣＮＴの製造方法について詳細に説明する。
上述の如く、本発明のＡｌ含有被膜付きＣＮＴの製造方法は、上記本発明のＡｌ含有被膜付きＣＮＴを製造する方法であって、下記の工程（１）〜（４）を含む方法である。
（１）：Ａｌ粉末を用いてＡｌスラリーを作製する工程
（２）：ＣＮＴを用いてＣＮＴサスペンションを作製する工程
（３）：上記工程（１）で得られたＡｌスラリーと上記工程（２）で得られたＣＮＴサスペンションとを用いて、Ａｌ／ＣＮＴ混合スラリーを作製する工程
（４）：上記工程（３）で得られたＡｌ／ＣＮＴ混合スラリーを濃縮する工程

このような工程を経ること、特にＡｌスラリーとＣＮＴサスペンションとを別工程で作製して、しかる後、双方を混合することにより、個々のＣＮＴの表面の全部又は一部にＡｌ成分を含む被膜が形成されているＡｌ含有被膜付きＣＮＴを得ることができる。
また、特に他の成分を用いた前処理を必要とせず、生産性に優れるという利点もある。

まず、本発明の製造方法において用いる原料粉末について説明する。
Ａｌ粉末の平均粒径は、特に限定されるものではないが、０．１〜５０μｍであることが好ましく、０．１〜１０μｍであることがより好ましい。
平均粒径が０．１μｍ未満の場合には、原材料コスト増となり、上述したようにＡｌは酸化しやすいためハンドリングが困難となる可能性があり好ましくない。
また、平均粒径が５０μｍを超えると、Ａｌ粒子がＣＮＴに対して大きくなりすぎると、ＣＮＴが粒子間に凝集する可能性が高まるため好ましくない。

また、ＣＮＴについても、特に限定されるものではないが、ＣＮＴの平均外径が１５〜１００ｎｍのものを用いることが好ましい。
このようなＣＮＴはハンドリング性に優れ、かかるＣＮＴを用いて作製されたＡｌ含有被膜付きＣＮＴは、Ａｌマトリックス中にＣＮＴが凝集体を形成せずに分散したＡｌ基ＣＮＴ複合材を作製する際の出発原料として特に望ましい。

次に、本発明の製造方法において、各工程の手順について説明する。
まず、Ａｌ粉末を用いてＡｌスラリーを作製する工程（１）について説明する。
上記（１）工程においては、Ａｌ粉末とＡｌ粉末用分散媒とを混合すればよく、具体的には、Ａｌ粉末用分散媒にＡｌ粉末を添加し、混合すればよい。
このようにＡｌスラリーを作製することによって、Ａｌ粉末をより分散させることができ、Ａｌ粉末とＣＮＴとがより均一に混合されたＡｌ／ＣＮＴ混合スラリーを得ることが可能となる。

また、（１）工程において、超音波処理を行うことが望ましい。これにより、スラリー中に生じ得る凝集物が破壊され、より均一に混合することができる。したがって、Ａｌ含有被膜付きＣＮＴを更に歩留まり良く得ることが可能となる。

ここで、上記Ａｌ粉末用分散媒としては、例えば水系のものや非水系のものを用いることができる。

上記水系のものとしては、代表的には純水や必要に応じて適宜添加する合金元素を含有する水などを挙げることができる。
なお、「純水」とは、（１）蒸留水を超える電気抵抗値を示す水、（２）イオンを完全に除去した水、を意味する。

また、上記非水系のものとしては、例えばメタノール、エタノール、プロピルアルコールなどの低級アルコールに代表される有機溶媒を挙げることができる。

次に、ＣＮＴを用いてＣＮＴサスペンションを作製する工程（２）について説明する。
上記（２）工程においては、ＣＮＴとＣＮＴ用分散媒とを混合すればよいが、ＣＮＴ用分散剤を用いてもよく、その場合には、ＣＮＴ用分散媒にＣＮＴ用分散剤を添加し、次いで、ＣＮＴを添加し、しかる後、混合することが望ましい。
このようにＣＮＴサスペンションを作製することによって、ＣＮＴをより分散させることができ、Ａｌ粉末とＣＮＴとがより均一に混合されたＡｌ／ＣＮＴ混合スラリーを得ることが可能となる。

また、（２）工程においても、超音波処理を行うことが望ましい。これにより、サスペンション中に生じ得る凝集物が破壊され、より均一に混合することができる。したがって、Ａｌ含有被膜付きＣＮＴを更に歩留まり良く得ることが可能となる。

ここで、上記ＣＮＴ用分散媒としては、上述したようなＡｌスラリーを作製する際に用いるものと同様のものを用いることができる。
また、上記ＣＮＴ用分散剤としては、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を挙げることができるが、これに限定されるものではない。

次に、（１）工程で得られたＡｌスラリーと（２）工程で得られたＣＮＴサスペンションとを用いて、Ａｌ／ＣＮＴ混合スラリーを作製する工程（３）について説明する。
上記（１）工程や（２）工程と同様に、ＡｌスラリーとＣＮＴサスペンションとを混合すればよいが、（３）工程においても、超音波処理を行うことが望ましい。特に（３）工程における超音波処理の実施は効果的である。
これにより、Ａｌ／ＣＮＴ混合スラリー中に生じ得る凝集物が破壊され、より均一に混合することができる。したがって、Ａｌ含有被膜付きＣＮＴを更に歩留まり良く得ることが可能となる。

また、超音波処理後にＡｌ／ＣＮＴ混合スラリーを４０〜５０℃に保ち、１２〜２４時間撹拌混合することが好ましい。これにより、Ａｌ粉末及びＣＮＴがＡｌ／ＣＮＴ混合スラリー中に均一に分散する状態を維持することができる。

次に、（３）工程で得られたＡｌ／ＣＮＴ混合スラリーを濃縮する工程（４）について説明する。
Ａｌ／ＣＮＴ混合スラリーを室温（具体的には、２７℃程度）にて乾燥させ、溶媒を蒸発させて濃縮することによって、Ａｌ含有被膜付きＣＮＴを得ることができる。

以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが本発明はかかる実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１は、本発明のＡｌ含有被膜付きＣＮＴの製造方法の一例（実施例１）を示すフローチャートである。

同図に示すように、ＣＮＴサスペンションの作製のために、原料粉末として平均外径５０ｎｍの多層ＣＮＴ、分散剤としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、溶媒として純水を用意した。
純水に、後に添加するＣＮＴに対して重量比で４倍量のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を添加し、次いでＣＮＴを添加し、しかる後、超音波処理を行って、ＣＮＴサスペンションを得た。
なお、上記超音波処理は０．５秒毎にｏｎ／ｏｆｆが切り替わるように設定し、出力７Ｗで１時間行った。

一方で、Ａｌスラリーの作製のために、原料粉末として平均粒径３μｍのＡｌ粉末（東洋アルミニウム（株）製、０４−００１１）、溶媒としてエタノールを用意した。
エタノールにＡｌ粉末を添加して、超音波処理を行って、Ａｌスラリーを得た。
なお、上記超音波処理においても０．５秒毎にｏｎ／ｏｆｆが切り替わるように設定し、出力７Ｗで１時間行った。

得られたＣＮＴサスペンションとＡｌスラリーを混合し、次いで、超音波処理を行い、しかる後、撹拌して、Ａｌ／ＣＮＴ混合スラリーを作製した。
なお、上記超音波処理は０．５秒毎にｏｎ／ｏｆｆが切り替わるように設定し、出力７Ｗで０．５時間行い、上記撹拌は、回転数２００ｒｐｍ、４０℃で１２時間行った。

得られたＡｌ／ＣＮＴ混合スラリーをＡｌ粉末及びＣＮＴの粉末充填率が５％となるまで室温（約２７℃）で乾燥・濃縮して、本例のＡｌ含有被膜付きＣＮＴを得た。

図２は、実施例１のＡｌ含有被膜付きＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
同図に示すように、原料粉末であるＡｌ粉末２とＡｌ含有被膜付きＣＮＴ１が観察される。また、Ａｌ含有被膜付きＣＮＴ１の凝集体が形成されていないことが観察される。

図３は、図２で観察されたＡｌ粉末に対して、元素分析の一種であるエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（ＥＤＸ）による組成分析を行った結果を示す図である。図３においては、アルミニウム（Ａｌ）と酸素（Ｏ）のみが検出されている。

また、図４は、図２で観察されたＡｌ含有被膜付きＣＮＴに対して、ＥＤＸによる組成分析を行った結果を示す図である。図４においては、アルミニウム元素（Ａｌ）と炭素元素（Ｃ）と酸素元素（Ｏ）のみが検出されており、ＣＮＴの表面に原料粉末由来のＡｌア含有被膜が形成されていることが分かる。

本発明のＡｌ含有被膜付きＣＮＴの製造方法の一例（実施例１）を示すフローチャートである。 実施例１のＡｌ含有被膜付きＣＮＴのＳＥＭ写真である。 図２で観察されたＡｌ粉末に対して、ＥＤＸによる組成分析を行った結果を示す図である。 図２で観察されたＡｌ含有被膜付きＣＮＴに対して、ＥＤＸによる組成分析を行った結果を示す図である。

符号の説明

１ Ａｌ含有被膜付きＣＮＴ
２ Ａｌ粉末

Claims (10)

1. カーボンナノチューブの表面の全部又は一部にアルミニウム成分を含む被膜を有することを特徴とするアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブ。
2. 上記アルミニウム成分を含む被膜が、アルミニウム又は酸化アルミニウムから成る被膜であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブ。
3. 元素分析により検出される元素がアルミニウム、炭素及び酸素元素であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブ。
4. 請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法であって、下記の工程（１）〜（４）
   （１）：アルミニウム粉末を用いてアルミニウムスラリーを作製する工程、
   （２）：カーボンナノチューブを用いてカーボンナノチューブサスペンションを作製する工程、
   （３）：上記工程（１）で得られたアルミニウムスラリーと上記工程（２）で得られたカーボンナノチューブサスペンションとを用いて、アルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを作製する工程、
   （４）：上記工程（３）で得られたアルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを濃縮する工程、
   を含むことを特徴とするアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法。
5. 上記工程（１）において、アルミニウム粉末の平均粒径が０．１〜５０μｍであることを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法。
6. 上記工程（２）において、カーボンナノチューブの平均外径が１５〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項４又は５に記載のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法。
7. 上記工程（２）において、カーボンナノチューブ用分散剤としてポリビニルアルコールを用いることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つの項に記載のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法。
8. 上記工程（３）において、アルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーに対し、超音波処理を行うことを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つの項に記載のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法。
9. 上記工程（３）において、アルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを４０〜５０℃に保ち、１２〜２４時間撹拌することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法。
10. 上記工程（４）において、アルミニウム／カーボンナノチューブ混合スラリーを室温で乾燥する濃縮処理を行うことを特徴とする請求項４〜９のいずれか１つの項に記載のアルミニウム含有被膜付きカーボンナノチューブの製造方法。

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