JP2009161399A

JP2009161399A - カーボンナノチューブの製造装置及び製造方法

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Publication number: JP2009161399A
Application number: JP2008000621A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsuse; 貴裕松瀬
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2009-07-23

Abstract

【課題】高効率にてカーボンナノチューブを製造することができるカーボンナノチューブの製造装置及び製造方法を提供する。
【解決手段】配管１４から容器１３内に高圧ガスを供給し、粉末１５を高圧ガスと共にノズル１１から筒状体１の周面に吹き付けて、筒状体１の周面に厚さ５μｍのＳｉＣ膜を形成した（ＳｉＣ膜生成工程）。筒状体１を回転させて、レーザー装置２１からレーザーＣをＳｉＣ膜に照射させ、Ｓｉを分解除去して、筒状体１の表面にカーボンナノチューブを生成させた（生成工程）。筒状体１を回転させ、該筒状体１の表面に形成されたカーボンナノチューブを除去手段３０によって除去した（除去工程）。これらＳｉＣ膜生成工程、生成工程及び除去工程を１サイクルとして、当該サイクルを繰り返し行った。
【選択図】図１

Description

本発明はカーボンナノチューブの製造装置及びその製造装置を用いたカーボンナノチューブの製造方法に関する。

従来、カーボンナノチューブを製造する方法として、種々のものが知られている。

Ｉ．例えば、特開２００２−８０２１１号の従来の技術の欄には、触媒金属としてＣｏ−Ｎｉ合金を混入したカーボンターゲットを用い、電気炉に差し込んだ石英管内に該カーボンターゲットを配置し、レーザーアブレーションを行うことにより、ロープ状単層チューブを生成することが記載されている。

II．また、特開２００６−３４２０１１号には、金属が担持された３次元連続状の炭素繊維上に、熱ＣＶＤ法又はプラズマＣＶＤ法でカーボンナノチューブを生成させることが記載されている。

同号公報によると、熱ＣＶＤ法でカーボンナノチューブを生成させる場合、金属が担持された３次元連続状の炭素繊維を反応器に仕込み、所望の温度下で、炭素源となる炭化水素ガスとキャリアガスとの混合ガスを反応器に流通させる。ここで、炭化水素ガスとしては、メタンガス、アセチレンガス等が挙げられ、キャリアガスとしては、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス等が挙げられる。また、反応器の温度は、５００〜１０００℃程度が好ましい。このようにして、カーボンナノチューブが生成される。

III．特開平６−１５７０１６号には、アーク法によってカーボンナノチューブを製造する方法が記載されている。

同号公報によると、反応チャンバー内に向かい合った炭素棒３，５を設け、容器内にＨｅガスを入れて圧力を５００トールとし、直流電圧１８Ｖを炭素棒間に加え、電流１００Ａを流してアーク放電させる。アーク放電時における反応容器の温度を温度制御装置によって１０００〜４０００℃に加熱することが好ましい。これにより、ナノチューブを含んだ固体が陰極炭素棒に堆積する。
特開２００２−８０２１１号公報特開２００６−３４２０１１号公報特開平６−１５７０１６号公報

特許文献１〜３ではバッチ操作によってカーボンナノチューブを製造しているため、生産効率が低い。

本発明は、高効率にてカーボンナノチューブを製造することができるカーボンナノチューブの製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）のカーボンナノチューブの製造装置は、軸心を軸として回転可能な筒状体と、該筒状体の周面よりも外側に配置された、該周面にカーボンナノチューブを生成させるカーボンナノチューブの生成手段と、該筒状体の周面よりも外側かつ該生成手段よりも該筒状体の回転方向の下流側に配置された、該カーボンナノチューブの除去手段とを有することを特徴とする。

請求項２のカーボンナノチューブの製造装置は、請求項１において、前記生成手段は、前記周面に向けてＳｉＣ粉末を吹き付け、該周面にＳｉＣ膜を形成させるＳｉＣ粉末噴射部と、該ＳｉＣ粉末噴射部よりも回転方向の下流側に配置されており、該ＳｉＣ膜にレーザーを照射させ、該ＳｉＣ膜中のＳｉを分解除去してカーボンナノチューブを生成させるレーザー照射部とを有することを特徴とする。

本発明（請求項３）のカーボンナノチューブの製造方法は、請求項１のカーボンナノチューブ製造装置を用いてカーボンナノチューブを製造する方法であって、該生成手段によって、該筒状体の周面にカーボンナノチューブを生成させる生成工程と、該筒状体を回転させて該カーボンナノチューブを該除去手段まで搬送し、該除去手段によって該カーボンナノチューブを該周面から除去する除去工程とを有することを特徴とする。

請求項４のカーボンナノチューブの製造方法は、請求項３において、前記生成工程において、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法又はアーク法によってカーボンナノチューブを生成させることを特徴とする。

本発明（請求項５）のカーボンナノチューブの製造方法は、請求項２のカーボンナノチューブ製造装置を用いてカーボンナノチューブを製造する方法であって、前記ＳｉＣ噴射部によって前記周面にＳｉＣ膜を形成させるＳｉＣ膜生成工程と、該筒状体を回転させて該ＳｉＣ膜を前記レーザー照射部まで搬送し、該レーザー照射部において、該ＳｉＣ膜にレーザーを照射させ、該ＳｉＣ膜中のＳｉを分解除去してカーボンナノチューブを生成させる生成工程と、該筒状体を回転させて該カーボンナノチューブを該除去手段まで搬送し、該除去手段によって該カーボンナノチューブを該周面から除去する除去工程と
を有することを特徴とする。

本発明のカーボンナノチューブの製造方法及び製造装置によると、カーボンナノチューブの生成手段によって筒状体の周面にカーボンナノチューブを生成させた後、該筒状体を回転させて該カーボンナノチューブを除去手段まで搬送し、該除去手段によって該カーボンナノチューブを該周面から除去する。このため、該筒状体を１回転させて該周面に再度カーボンナノチューブを生成させることにより、カーボンナノチューブを連続して製造することができる。

本発明において、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法又はアーク法のいずれによってカーボンナノチューブを生成させてもよい。

また、本発明において、筒状体の周面に向けてＳｉＣ粉末を吹き付けてＳｉＣ膜を形成させ、該ＳｉＣ膜にレーザーを照射させてＳｉを分解除去してカーボンナノチューブを生成させるようにしてもよい。この場合、簡易且つ高効率にてカーボンナノチューブを製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明のカーボンナノチューブ製造装置の一例を示す模式図である。

容器２内に筒状体１が配置されている。この筒状体１は、図示しない駆動手段により、軸心Ｂを軸として矢印Ａ方向に回転可能となっている。

この筒状体１の材質としては、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３などのセラミックス、更にはチタン、タングステンなどの各種高硬度金属等が用いられるが、ＳｉＣであることが好ましい。

この容器２の図１における上部側に粉末噴射部１０が設けられている。この粉末噴射部１０は、該容器２の上面に設けられたノズル１１と、ＳｉＣの粉末１５を収容する容器１３と、該容器１３とノズル１１とを接続するホース１２と、該容器１３に不活性ガスを供給するガス配管１４とを有している。

このＳｉＣの粉末１５の平均粒径（篩い分け法による長さ平均径）は３〜３０μｍ、特に５〜１０μｍであることが好ましい。

不活性ガスとしては、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｒｎなどのガスを用いることができる。

この容器２の図１における左側に、レーザー照射部２０が設けられている。このレーザー照射部２０は、容器２の左側面に設けられたノズル２ａ内に配置された集光レンズ２３と、該ノズル２ａの先端を閉止する石英窓２２と、該石英窓２２及び集光レンズ２３を介して筒状体１の周面にレーザーＣを照射するためのレーザー装置２１とを有している。

このレーザー装置２１としては、波長が１１ｎｍ〜２５０μｍの範囲内のレーザーが好適に用いられ、例えば、Ｎｄ−ＹＡＧ、ＣＯ_２、エキシマレーザー等が好適に用いられる。このレーザー装置２１から照射されるレーザーＣのエネルギー密度は、例えば１００〜２０００ｍｍＪ／ｃｍ^２程度である。レーザー照射は連続照射でもパルス照射でもよいが、パルス照射が好ましい。

この容器２の下部には、除去手段３０が設けられている。この除去手段３０としては、回転除去や超音波による除去等が用いられる。

この容器２の右側面には、容器２内のガスを真空ポンプで排気するための排気配管２ｂが接続されている。この容器２内には、ヒータ３が設置されている。

次に、このように構成されたカーボンナノチューブ製造装置を用いてカーボンナノチューブを製造する方法の一例を説明する。

配管１４から容器１３内に高圧ガスを供給する。これにより、該容器１３内の粉末１５は、ホース１２を介してノズル１１まで供給され、該粉末１５は高圧ガスと共に該ノズル１１から筒状体１の周面に吹き付けられる。該周面に吹き付けられた粉末１５は、衝突エネルギーによって該周面に固着する。高圧ガスは、ノズル２ｂを介して系外に排出される。このようにして、筒状体１の周面にＳｉＣ膜が形成される（ＳｉＣ膜生成工程）。

なお、このＳｉＣ膜生成工程において、筒状体１を一定速度で回転させてもよく、回転させなくてもよい。

ＳｉＣ膜生成工程を行った後、筒状体１を回転させて、該ＳｉＣ膜をノズル２ａと対面する位置まで搬送する。また、排気配管２ｂの下流側の真空ポンプを作動させると共に、ヒータ３を作動させる。

このとき、カーボンナノチューブの収率を高くするためには、容器２内の圧力を１００〜２５００Ｔｏｒｒ特に２００〜６００Ｔｏｒｒ程度にすることが好ましく、また、雰囲気温度を６００〜１５００℃特に１０００〜１３００℃程度にすることが好ましい。

次いで、レーザー装置２１からレーザーＣを発生させる。レーザーＣは石英窓２２及び集光レンズ２３を介してＳｉＣ膜に照射される。このようにしてＳｉＣ膜にレーザーが照射されると、ＳｉＣ膜中のＳｉが分解されて除去され、筒状体１の表面にカーボンナノチューブが生成される（生成工程）。

生成工程の後、筒状体１を回転させて該カーボンナノチューブを除去手段３０と対面する位置まで搬送し、該カーボンナノチューブをこの除去手段３０によって除去する（除去工程）。

これらＳｉＣ膜生成工程、生成工程及び除去工程を１サイクルとして、当該サイクルを繰り返し行う。

本実施の形態のカーボンナノチューブの製造方法及び製造装置によると、カーボンナノチューブを連続して製造することができる。

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、図１の粉末噴射部１０を省略し、レーザー噴射部２０に代えてＣＶＤ装置を設け、ＣＶＤ法によって筒状体１にカーボンナノチューブを生成するようにしてもよい。

熱ＣＶＤ法によってカーボンナノチューブを製造する場合には、筒状体１として、例えば本体の表面に触媒薄膜が形成されたものが用いられる。本体としては、アルミナ、シリカ、チタニア、ＳｉＣなどのセラミックスや耐熱ガラスなどが用いられる。触媒薄膜としては、鉄、ニッケル、コバルトなどの金属をスパッタ、メッキ、金属有機化合物の焼結などによって該本体の周面に形成させたものなどが用いられる。

先ず、ヒータ３によって容器２内を７００〜９５０℃程度に加熱し、ＣＶＤ装置からキャリアガスと原料ガスの混合ガスを容器２内に供給して、触媒薄膜の上にカーボンナノチューブを生成させる。

ここで、キャリアガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素などの不活性ガスなどが用いられる。原料ガスとしては、アセチレン、エチレン、プロピレン、ベンゼンなどの炭化水素の１種又は２種以上の混合ガスが用いられる。

次いで、筒状体１を回転させ、該筒状体１の表面に形成されたカーボンナノチューブを除去手段３０によって除去する。

以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

実施例１
図１の装置を用いてカーボンナノチューブを製造した。

なお、粉末１５としては、平均粒径（篩い分け法による長さ平均径）５μｍのＳｉＣ粉末を用い、該粉末１５を噴射させるためのガスとしては、Ａｒを用いた。また、レーザー装置２１としては、ＹＡＧレーザーを用いた。

配管１４から容器１３内に高圧ガスを供給し、粉末１５を高圧ガスと共にノズル１１から筒状体１の周面に吹き付けて、筒状体１の周面に厚さ５μｍのＳｉＣ膜を形成した（ＳｉＣ膜生成工程）。

ＳｉＣ膜生成工程を行った後、筒状体１を回転させて、該ＳｉＣ膜をノズル２ａと対面する位置まで搬送し、容器２内の圧力を５００Ｔｏｒｒ、雰囲気温度を１２００℃とした。レーザー装置２１からレーザーＣ（波長５３２ｎｍ、エネルギー密度３００ｍｍＪ／ｃｍ^２、１０Ｈｚ）をスポットサイズ６ｍｍφでＳｉＣ膜に照射させ、Ｓｉを分解除去して、筒状体１の表面にカーボンナノチューブを生成させた（生成工程）。

その後、筒状体１を回転させ、該筒状体１の表面に形成されたカーボンナノチューブを除去手段３０によって除去した（除去工程）。

これらＳｉＣ膜生成工程、生成工程及び除去工程を１サイクルとして、当該サイクルを繰り返し行った。

その結果、筒状体１の周面にカーボンナノチューブを連続的に製造することができた。

実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造装置及び製造方法を説明する模式図である。

符号の説明

１筒状体
２容器
３ヒータ
１０粉末噴射部
１１ノズル
１３容器
１５粉末
２０レーザー照射部
２１レーザー装置
３０除去手段

Claims

軸心を軸として回転可能な筒状体と、
該筒状体の周面よりも外側に配置された、該周面にカーボンナノチューブを生成させるカーボンナノチューブの生成手段と、
該筒状体の周面よりも外側かつ該生成手段よりも該筒状体の回転方向の下流側に配置された、該カーボンナノチューブの除去手段と
を有することを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
請求項１において、前記生成手段は、
前記周面に向けてＳｉＣ粉末を吹き付け、該周面にＳｉＣ膜を形成させるＳｉＣ粉末噴射部と、
該ＳｉＣ粉末噴射部よりも回転方向の下流側に配置されており、該ＳｉＣ膜にレーザーを照射させ、該ＳｉＣ膜中のＳｉを分解除去してカーボンナノチューブを生成させるレーザー照射部とを有することを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
請求項１のカーボンナノチューブ製造装置を用いてカーボンナノチューブを製造する方法であって、
該生成手段によって、該筒状体の周面にカーボンナノチューブを生成させる生成工程と、
該筒状体を回転させて該カーボンナノチューブを該除去手段まで搬送し、該除去手段によって該カーボンナノチューブを該周面から除去する除去工程と
を有することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
請求項３において、前記生成工程において、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法又はアーク法によってカーボンナノチューブを生成させることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
請求項２のカーボンナノチューブ製造装置を用いてカーボンナノチューブを製造する方法であって、
前記ＳｉＣ噴射部によって前記周面にＳｉＣ膜を形成させるＳｉＣ膜生成工程と、
該筒状体を回転させて該ＳｉＣ膜を前記レーザー照射部まで搬送し、該レーザー照射部において、該ＳｉＣ膜にレーザーを照射させ、該ＳｉＣ膜中のＳｉを分解除去してカーボンナノチューブを生成させる生成工程と、
該筒状体を回転させて該カーボンナノチューブを該除去手段まで搬送し、該除去手段によって該カーボンナノチューブを該周面から除去する除去工程と
を有することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。