JP2009263156A - Stereostructure composed of carbon nanotube and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブからなる立体構造物とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、軽量かつ機械的強度の求められる立体構造物等として有用なカーボンナノチューブからなる立体構造物と、それを流動気相法により直接製造する方法に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional structure composed of carbon nanotubes and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a three-dimensional structure composed of carbon nanotubes useful as a three-dimensional structure and the like that are required to be lightweight and mechanical strength, and a method for directly manufacturing the three-dimensional structure by a fluidized gas phase method.
カーボンナノチューブは新素材として多くの分野から注目を集めている材料であり、導電性および熱伝導性に優れることなどから、たとえば、フィールドエミッター、ヒートシンク、透明導電性電極などの電子材料として利用されている。また更に、カーボンナノチューブの軽量かつ機械的強度に優れた特性を活かし、立体構造を有する素材が製造されてその利用が期待されている。これらの立体構造物の製造方法として、たとえば、特許文献１には、テンプレートとなる構造体に触媒を担持させて、該テンプレート上にカーボンナノチューブを生成させて立体構造物を製造する方法が開示されている。しかしながら、この特許文献１の方法では、テンプレート上にばらつき無くカーボンナノチューブを生成することが極めて困難であることに加え、カーボンナノチューブ同士が有効に絡み合わずテンプレートのみで立体構造物の形状を保持しているため、テンプレートをはずした状態では立体構造を保持することが困難であるという問題があった。さらに高温の反応器内部にテンプレートを入れる必要があるため、テンプレートの材質が高温に耐久性があり、且つ反応に影響しない材質に制限されるという問題もあり、具体的に製造可能な立体構造物やその利用分野は極めて制限されていた。 Carbon nanotubes are attracting attention as a new material from many fields, and are used as electronic materials such as field emitters, heat sinks, and transparent conductive electrodes due to their excellent conductivity and thermal conductivity. Yes. Furthermore, a material having a three-dimensional structure is produced by utilizing the light weight and excellent mechanical strength of the carbon nanotube, and its use is expected. As a manufacturing method of these three-dimensional structures, for example, Patent Document 1 discloses a method of manufacturing a three-dimensional structure by supporting a catalyst on a structure serving as a template and generating carbon nanotubes on the template. ing. However, in the method of Patent Document 1, it is extremely difficult to generate carbon nanotubes on a template without variation, and the carbon nanotubes are not effectively entangled with each other, and the shape of the three-dimensional structure is maintained with only the template. Therefore, there is a problem that it is difficult to maintain the three-dimensional structure with the template removed. Furthermore, since it is necessary to put the template inside the high-temperature reactor, there is a problem that the material of the template is limited to a material that is durable at high temperatures and does not affect the reaction. And their fields of use were extremely limited.
また、あらかじめ得られた粉末ないし綿状のカーボンナノチューブを用いて立体構造物を作製することも知られている。多くの場合、カーボンナノチューブを溶媒に分散した後、塗布、加工または成形して製造されるバッキーペーパーとも呼ばれるカーボンナノチューブのシート、リボン等の２次元形状の素材を利用し、これを加工することによって曲面を有する３次元の構造体、すなわち、立体構造物の作製が行われている。しかしながら、その立体構造物は、直線エレメントをもつ線織面の中でも平面への展開が可能な可展面と呼ばれる曲面で構成されるごく一部の構造体、すなわち、折り鶴や紙飛行機といった折り紙に代表される限られた一部の立体構造体しか作れなかった。 It is also known to produce a three-dimensional structure using previously obtained powder or cotton-like carbon nanotubes. In many cases, carbon nanotubes are dispersed in a solvent and then applied, processed, or molded to produce a two-dimensional material such as a carbon nanotube sheet or ribbon, which is also called a bucky paper. A three-dimensional structure having a curved surface, that is, a three-dimensional structure has been manufactured. However, the three-dimensional structure is a very small part of a structure called a developable surface that can be developed into a plane, even among ruled surfaces with linear elements, that is, origami such as paper cranes and paper airplanes. Only a limited number of representative three-dimensional structures could be made.
また、たとえば、特許文献２には、請求項１４１に「誘導された単層カーボンナノチューブ分子から自己集合を行う三次元構造物」が開示されている。これは予め得られた単層カーボンナノチューブ分子のエンド・キャップに単機能の修飾体を付加し、それら分子を同一方向に自己整列させたものであって、微視的に非平面を構成する、三次元単層ナノチューブナノ構造体である。しかしながら、このナノ構造体は巨視的には粒状物として得られるものであって、巨視的な立体構造物を得ることは不可能である。
For example,
このように、従来のカーボンナノチューブからなる立体構造物は、巨視的には直線エレメントをもつ構造物に限られており、たとえば、形状および厚みを任意に変化させた立体構造物についてはほとんど知られていなかった。従って、たとえば、軽量かつ機械的な強度が求められる部材や部品をカーボンナノチューブで構成しようとすると、平面的な構造物に限られるか、または、予め用意したカーボンナノチューブシート等を更に成形加工する必要があった。 Thus, conventional three-dimensional structures made of carbon nanotubes are macroscopically limited to structures having linear elements. For example, three-dimensional structures with arbitrarily changed shapes and thicknesses are almost known. It wasn't. Therefore, for example, if a member or component that requires lightweight and mechanical strength is to be composed of carbon nanotubes, it is limited to a planar structure, or it is necessary to further process a carbon nanotube sheet prepared in advance. was there.
一方で、カーボンナノチューブを単体で製造させる方法の１つとして、流動気相法が知られている。この流動気相法は、化学気相成長法（ＣＶＤ法）の１種であって、キャリアガスと共に触媒を含む炭素原料を高温の加熱炉に霧状にして導入し、流動する気相中で単層カーボンナノチューブを製造する方法であり、カーボンナノチューブの量産および連続的運転が可能なことが特徴とされている。そしてこの出願の発明者らは、流動気相法によるカーボンナノチューブの製造について研究を重ねており、反応条件などを精密に制御することにより、得られるカーボンナノチューブの純度および結晶性（グラファイト化度）の飛躍的な改善を実現したり、またその直径を制御することなどを可能としてきた（たとえば、特許文献３）。
本発明は、以上の通りの実情に鑑みてなされたものであり、軽量かつ機械的強度の求められる立体構造物等として有用なカーボンナノチューブからなる立体構造物と、それを流動気相法により直接製造する方法を提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the actual situation as described above, and is a three-dimensional structure composed of carbon nanotubes useful as a three-dimensional structure and the like that are lightweight and require mechanical strength, and directly by a fluidized gas phase method. It is an object to provide a manufacturing method.
本発明は、上記の課題を解決するために、以下のようにした。 The present invention has been made as follows in order to solve the above problems.
発明１は、流動気相法によるカーボンナノチューブの製造方法において、加熱炉を備えた反応器内に触媒を含む炭素原料を霧状にして同伴ガスと共に導入し、流動する気相中でカーボンナノチューブを生成させ、生成されたカーボンナノチューブを含む同伴ガスを、反応器下流に備えられ少なくとも構造の一部として曲面を有する通気性構造体に通過させることで、該構造体上に、該曲面を表面形状の少なくとも一部として有するカーボンナノチューブからなる立体構造物を得ることを特徴とする。 Invention 1 is a method for producing carbon nanotubes by a fluidized gas phase method, in which a carbon raw material containing a catalyst is introduced into a reactor with a heating furnace in the form of a mist together with an entrained gas, and the carbon nanotubes are introduced in a flowing gas phase. The entrained gas containing the generated carbon nanotubes is passed through a gas-permeable structure provided at the downstream of the reactor and having a curved surface as at least a part of the structure. It is characterized in that a three-dimensional structure composed of carbon nanotubes as at least a part of is obtained.
発明２は、発明１において、通気性構造体は、金属、ガラス、セラミックスおよび有機高分子のいずれかからなることを特徴とする。
発明３は、発明１又は２において、通気性構造体は、網状体、多孔質体およびフィルターのいずれかであることを特徴とする。
発明４は、発明１ないし３において、通気性構造体が、ステンレススチール製金網であることを特徴とする。
The
発明５は、発明１ないし４において、通気性構造体が、物理的、化学的又は熱的処理によって除去可能な材料からなることを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is characterized in that, in the first to fourth aspects, the breathable structure is made of a material that can be removed by physical, chemical or thermal treatment.
発明６は、発明１ないし５において、通気性構造体の前後での圧力損失を測定することによってカーボンナノチューブからなる立体構造物の厚さを監視することを特徴とする。
The
発明７は、発明１ないし６において、生成されたカーボンナノチューブを含む同伴ガスを、メッシュフィルターを通してから通気性構造体に通過させることを特徴とする。
The
発明８は、発明１ないし７において、カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブであることを特徴とする。
The
発明９は、カーボンナノチューブが密に集合されてなる構造物であって、表面形状の少なくとも一部として曲面を有することを特徴とするカーボンナノチューブからなる立体構造物であることを特徴とする。 The invention 9 is a structure in which carbon nanotubes are densely assembled, and is a three-dimensional structure composed of carbon nanotubes characterized by having a curved surface as at least a part of the surface shape.
発明１０は、発明９において、上記の曲面が、柱面，錐面，接線曲面からなる可展面、双曲放物面，らせん面，錐状面，柱状面からなるねじれ面、円弧回転面からなる回転面、自由曲面、またはこれらの２以上の曲面を組み合わせた立体形状からなるグループから選ばれる１以上の曲面であることを特徴とする。 Invention 10 is the invention 9, wherein the curved surface is a developable surface comprising a cylindrical surface, a conical surface, a tangential curved surface, a hyperbolic paraboloid, a helical surface, a conical surface, a torsional surface comprising a columnar surface, an arc rotation surface It is characterized by being one or more curved surfaces selected from the group consisting of a rotating surface, a free-form surface, or a solid shape combining these two or more curved surfaces.
発明１１は、発明９又は１０において、通気性構造体上に一体的に形成されていることを特徴とする。 Invention 11 is characterized in that, in Invention 9 or 10, it is integrally formed on the breathable structure.
発明１２は、発明９ないし１１において、カーボンナノチューブが全体の７０重量％以上１００重量％未満であることを特徴とする。
An
発明１３は、発明９ないし１２において、カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブであることを特徴とする。
An
発明１４は、発明９ないし１３において、該構造物の厚みが部分的に異なるよう制御されていることを特徴とする。 The invention 14 is characterized in that, in the inventions 9 to 13, the thickness of the structure is controlled to be partially different.
上記第１の発明によって、カーボンナノチューブが密に集合されてなる立体構造物を、カーボンナノチューブを生成すると同時に製造することができる。 According to the first aspect of the present invention, a three-dimensional structure in which carbon nanotubes are densely assembled can be produced simultaneously with the generation of carbon nanotubes.
上記第２から第７の発明によって、目的に応じて立体構造物の形状を多様なものとして、また厚みを精密に制御されたものとして、実現することができるようになる。 According to the second to seventh inventions, the three-dimensional structure can be realized in various shapes according to the purpose, and the thickness can be precisely controlled.
上記第８の発明によって、単層カーボンナノチューブで構成された立体構造物を直接製造する方法が提供される。 The eighth invention provides a method for directly producing a three-dimensional structure composed of single-walled carbon nanotubes.
上記第９から第１４の発明によって、カーボンナノチューブが密に集合されてなる構造物であって、全体形状の一部ないしはすべてが曲面である立体構造物が提供される。このカーボンナノチューブからなる立体構造物は、カーボンナノチューブの生成と同時に製造されるため、簡便に、また環境による汚染を少なくすることができる。 According to the ninth to fourteenth aspects of the present invention, there is provided a three-dimensional structure that is a structure in which carbon nanotubes are densely assembled, and a part or all of the entire shape is a curved surface. Since the three-dimensional structure made of carbon nanotubes is manufactured at the same time as the production of carbon nanotubes, it can be easily and less polluted by the environment.
本発明は、上記のとおりの特徴をもつものであり、以下にその実施の形態について詳しく説明する。 The present invention has the features as described above, and the embodiments thereof will be described in detail below.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに到った。すなわち、この出願の発明のカーボンナノチューブからなる立体構造物の製造方法は、流動気相法によるカーボンナノチューブの製造方法において、加熱炉を備えた反応器内に触媒を含む炭素原料を霧状にして同伴ガスと共に導入し、流動する気相中でカーボンナノチューブを生成させ、生成されたカーボンナノチューブを含む同伴ガスを、反応器下流に備えられ少なくとも構造の一部として曲面を有する通気性構造体に通過させることで、該構造体上に、該曲面を表面形状の少なくとも一部として有するカーボンナノチューブからなる立体構造物を得ることを特徴としている。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have completed the present invention. That is, the method for producing a three-dimensional structure comprising carbon nanotubes of the invention of this application is a method for producing carbon nanotubes by a fluidized gas phase method, in which a carbon raw material containing a catalyst is atomized in a reactor equipped with a heating furnace. Introduced along with the entrained gas, carbon nanotubes are generated in the flowing gas phase, and the entrained gas containing the generated carbon nanotubes passes through a gas-permeable structure that is provided downstream of the reactor and has a curved surface as at least a part of the structure. Thus, a three-dimensional structure composed of carbon nanotubes having the curved surface as at least part of the surface shape is obtained on the structure.
この出願の発明において、流動気相法によるカーボンナノチューブの製造方法は特に制限されることはなく、目的に応じて公知の各種の方法を採用することができる。また、生成されるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでも多層カーボンナノチューブでもよく、それらの純度や、径の多きさ等が制限されることはない。したがって、製造するカーボンナノチューブからなる立体構造物に所望する特性に応じて、カーボンナノチューブの生成における諸条件を制御することができる。たとえば、特開２００６−２１３５９０号公報に開示の極細単層カーボンナノチューブの製造方法によると、結晶性が高く、径が均一に制御された極細単層カーボンナノチューブを生成できる点で、好ましい例として示される。 In the invention of this application, the method for producing carbon nanotubes by the fluidized gas phase method is not particularly limited, and various known methods can be employed depending on the purpose. The produced carbon nanotubes may be single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes, and their purity, large diameter, etc. are not limited. Therefore, various conditions in the production of carbon nanotubes can be controlled according to the properties desired for the three-dimensional structure made of carbon nanotubes to be produced. For example, according to the method for producing ultrafine single-walled carbon nanotubes disclosed in JP-A-2006-213590, it is shown as a preferred example in that ultrafine single-walled carbon nanotubes having high crystallinity and a uniform diameter can be produced. It is.
そこで、以下、特開２００６−２１３５９０号公報に開示の極細単層カーボンナノチューブの製造方法に沿って、この出願の発明のカーボンナノチューブからなる立体構造物とその製造方法を説明する。まず、図１および図２に、カーボンナノチューブからなる立体構造物の製造に用いた装置の一例の概略図を示す。この装置は、加熱炉１、反応器２、スプレーノズル３、整流板４、第一同伴ガス流量計５、第ニ同伴ガス流量計６、第二炭素原料流量計７、マイクロフィーダー８、ガス混合器９、通気性構造体２１、ゴムパッキン２２、差圧測定孔２３で構成されている。通気性構造体２１は、図２に詳しく示したように、反応器２下流部に、通気性構造体２１以外から同伴ガス１３が通過しないように、たとえばゴムパッキン２２等を利用して固定されている。この装置は、たとえば、公知の流動気相法による単層カーボンナノチューブ製造装置の反応器２下部に通気性構造体２１を機密的に連結したものでもよい。
Therefore, a three-dimensional structure composed of carbon nanotubes according to the invention of this application and a method for manufacturing the same will be described below in accordance with the method for manufacturing ultrafine single-walled carbon nanotubes disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-213590. First, FIG. 1 and FIG. 2 are schematic views of an example of an apparatus used for manufacturing a three-dimensional structure made of carbon nanotubes. This apparatus includes a heating furnace 1, a
たとえば、この製造装置において、遷移金属原子を含有する触媒と、硫黄原子を含有する硫黄化合物と、第一の炭素原料１１である炭化水素からなる原料液を調合してシリンジ１０に貯留し、マイクロフィーダー８でスプレーノズル３に供給し、同伴ガス１３と共に反応器２に導入される。第二の炭素原料１２である炭化水素は同伴ガス１３と混合し、８００〜１２００°Ｃの温度に維持された反応器２の反応領域に供給することで、直径が２．０ｎｍ未満の極細単層カーボンナノチューブを生成させることができる。
For example, in this manufacturing apparatus, a raw material liquid composed of a catalyst containing a transition metal atom, a sulfur compound containing a sulfur atom, and a hydrocarbon that is the first carbon raw material 11 is prepared and stored in a syringe 10. It is supplied to the
カーボンナノチューブの製造においては、たとえば上記のとおり、(ａ)分解温度の異なる２種類の炭素原料１１，１２を使用し、それらの割合を変えたり、(ｂ)反応器２内に導入する第一の炭素原料１１である炭化水素よりも、より低い温度で熱分解する炭化水素を第二の炭素原料１２として反応器２内に導入することなどが考慮される。
In the production of carbon nanotubes, for example, as described above, (a) two types of carbon
また、触媒を使用することが好ましく、使用する触媒は金属の種類やその形態の違いに特に制限されるものではないが、公知のとおり、鉄、ニッケル、コバルト、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン等の遷移金属化合物又は、フェロセン、ニッケロセン、コバルトセン、鉄カルボニル、アセチルアセトナート鉄、オレイン酸鉄等の有機遷移金属化合物や塩化鉄等の無機遷移金属化合物などに代表される遷移金属超微粒子が好ましく用いられる。 Further, it is preferable to use a catalyst, and the catalyst to be used is not particularly limited by the kind of metal or the form thereof, but as is well known, iron, nickel, cobalt, scandium, titanium, vanadium, chromium, Transition metal compounds such as manganese, transition metal ultrafine particles represented by organic transition metal compounds such as ferrocene, nickelocene, cobaltcene, iron carbonyl, iron acetylacetonate, and iron oleate, and inorganic transition metal compounds such as iron chloride Is preferably used.
また更に、上記のように、硫黄化合物を添加することも好ましい態様として考慮される。この硫黄化合物は触媒である遷移金属と相互作用して、単層カーボンナノチューブの生成を促進する作用を有する。このような硫黄化合物としては、有機硫黄化合物、無機硫黄化合物を挙げることができる。前記有機硫黄化合物としては、例えば、チアナフテン、ベンゾチオフェン、チオフェン等の含硫黄複素環式化合物を挙げることができ、前記無機硫黄化合物としては、例えば、硫化水素等を挙げることができる。 Furthermore, as described above, addition of a sulfur compound is also considered as a preferred embodiment. This sulfur compound has an action of interacting with a transition metal as a catalyst to promote the production of single-walled carbon nanotubes. Examples of such sulfur compounds include organic sulfur compounds and inorganic sulfur compounds. Examples of the organic sulfur compound include sulfur-containing heterocyclic compounds such as thianaphthene, benzothiophene, and thiophene, and examples of the inorganic sulfur compound include hydrogen sulfide.
このようにして、生成されたカーボンナノチューブを含む同伴ガス１３を、反応器２の下流に予め備えられる通気性構造体２１に通過させる。
In this way, the entrained
この出願の発明において、通気性構造体２１は、通気性を有するするものであって、表面形態は、カーボンナノチューブからなる立体構造物の鋳型として所望の立体形状とすることができ、その表面形態の少なくとも一部または全体が曲面で構成される立体構造となっている。
In the invention of this application, the air-
この出願の発明において、曲面とは、たとえば図５にその概念を示したように、柱面、錐面、接線曲面などの可展面、双曲放物面、らせん面、錐状面、柱状面などのねじれ面、円弧回転面などの回転面、自由曲面、またはこれらの２以上の曲面を組み合わせたりこれらを変形させた立体形状（一般複曲面）からなるグループから選ばれる１以上の曲面とすることができ、工作機械、人間の手などにより純平面以外の形状に作製できるものである。 In the invention of this application, the curved surface means, as shown in FIG. 5, for example, a developable surface such as a column surface, a cone surface, and a tangential surface, a hyperbolic paraboloid, a spiral surface, a cone surface, and a column shape. One or more curved surfaces selected from the group consisting of twisted surfaces such as surfaces, rotating surfaces such as arc-rotating surfaces, free-form surfaces, or a combination of these two or more curved surfaces or deformed shapes (general double curved surfaces) It can be made into a shape other than a pure plane by a machine tool or a human hand.
このように通気性構造体２１は、目的とする立体構造物の形状に応じた鋳型となるよう構成される。代表的には、円錐形状、円柱形状、半円球形状、半楕円球形状、およびこれらを基本に変形させた立体形状のうちのいずれか１つの形状、又はそれらの組み合わせを例示することができる。なお、以上に例示された立体形状は、幾何学的に厳密に定義される形状だけでなく、それを基本に変形させた形状をも含むものとする。また、上記以外にも、文章では表現し難い各種の非平面形状が含まれることはいうまでもない。
Thus, the air-
また、通気性構造体２１は、通気性を有するするものであればよく、たとえば、網状体、多孔質体およびフィルターで構成することで通気性を持たせることができる。そして、後述のカーボンナノチューブからなる立体構造物の製造時に伴って増大する圧力損失に耐えるもので構成されれば通気性構造体２１の素材は特に限定されることはなく、金属、ガラス、セラミックスおよび有機高分子の各種のものであってよい。このような条件を満たす通気性構造体２１としては、ステンレス製金網を好ましく用いることができ、メッシュの開目は、特に制限は無いが、好ましくは５メッシュ〜５００メッシュ、より好ましくは２０メッシュ〜２００メッシュの範囲を例示することができる。
Moreover, the air
このような通気性構造体２１に、生成されたカーボンナノチューブを含む同伴ガス１３を、該曲面から通過させることで、通気性構造体２１上に該立体構造を有するカーボンナノチューブからなる立体構造物を得ることができる。すなわち、流動気相法により生成されたカーボンナノチューブは、同伴ガス１３と伴に反応器２内を流下して通気性構造体２１に到達し、カーボンナノチューブのみが通気性構造体２１上に捕捉され、同伴ガス１３は反応器２の外へと排出される。ここで、
（１）通気性構造体２１表面において、カーボンナノチューブを捕捉した領域は未捕捉の領域より目詰まりしていくため、カーボンナノチューブを含む同伴ガス１３は流れ難くなる。したがって、通気性構造体２１上に、カーボンナノチューブは所定の立体形状を有する均一な膜状の構造物として捕捉されていく。
By passing the entrained
(1) On the surface of the air-
（２）さらに続けることで、カーボンナノチューブは通気性構造体２１上に厚みを増していく。したがって、カーボンナノチューブからなる立体構造物の厚さは、反応時間や反応条件を調整することによって容易に制御することができる。反応時間の調整は装置や反応条件により異なるため一概には言えないが、たとえば、厚みが薄いもので１分〜１５分程度、適度な厚みと強度を要するもので１５分以上などのように、経験的に簡便に制御することができる。
(2) By continuing further, the carbon nanotubes increase in thickness on the
（３）ここで、通気性構造体２１上のカーボンナノチューブの厚みが増すほど同伴ガス１３は流れ難くなり、通気性構造体２１前後で差圧が生じる。同一反応条件の場合、通気性構造体２１前後の差圧と立体構造物の厚さとはほぼ直線関係があることが確認されている。したがって、立体構造物の厚さの変化は、たとえば図２に例示したように通気性構造体２１前後の圧力損失を差圧測定孔２３等を利用して測定することによって、より精密に監視することができる。
(3) Here, as the thickness of the carbon nanotube on the air-
（４）なお、均一な厚さの立体構造物を製造するには、通気性構造体２１前後の圧力損失が均一で、局所的な分布が発生しないようにする。また、立体構造物の厚さを変化させるには、通気性構造体２１の厚みを部分的に厚くしたり薄くしたりすることによって圧力損失を制御し、その部分を薄くまたは厚くすることができる。もちろん、連続的に立体構造物の厚みを変えることも可能である。
(4) In order to manufacture a three-dimensional structure having a uniform thickness, the pressure loss before and after the air-
（５）より厚みが均一な立体構造物を製造する場合には、生成されたカーボンナノチューブを含む同伴ガス１３を、予めメッシュフィルター（図示せず）を通過させてから通気性構造体２１を通過させるようにしてもよい。この場合のメッシュフィルターの目開は、特に制限は無く、カーボンナノチューブの生成速度や大きさによって適宜使い分けることができ、大抵の場合において通気性構造体２１の開目よりも大きい、すなわち目の粗いものが好ましい。
(5) When manufacturing a three-dimensional structure having a more uniform thickness, the entrained
（６）通気性構造体２１の設置については、同伴ガス１３が通気性構造体２１以外を通過しないようにする必要があり、1)通気性構造体２１の周縁部をそのまま反応器２に固定する方法や、2)通気性構造体２１の周縁部に通気性の無い素材で固定部を設け、この固定部を介して反応器２に固定する方法などが考慮される。いずれの場合も、図２に示すように、周縁部又は固定部の上下をゴムパッキン等２２を介して挟み込み、フランジ部で締結するなどできる。メッシュフィルターの設置にしても同様である。また、より大きいカーボンナノチューブからなる立体構造物を製造する場合は、たとえば、図３に例示したように、反応器２の下部に大型の回収容器２４を接合して、そこに通気性構造体２１を設けて大型の立体構造物の製造を行うこともできる。なお、通気性構造体２１が図３の例のように周縁部又は固定部から一方向に大きく突出した形状の場合、通気性構造体２１の設置の向き等は任意であり、同伴ガス１３の流下方向に凸または凹のいずれになるように設置しても良い。
(6) Regarding the installation of the air-
（７）以上のようにして製造された立体構造物の形態は、通気性構造体２１上の立体構造物をそのまま製品として提供してもよいし、通気性構造体２１を物理的、化学的又は熱的処理により除去し、立体構造物単体として提供してもよい。通気性構造体２１を除去する手法の一例としては、たとえば、通気性構造体２１と一体的に得られた立体構造物に、アセトンやエタノールなどの有機溶剤の蒸気又は液体を作用させて圧縮・高密度化した後、通気性構造体２１を酸やアルカリ等で溶解、加熱分解又は酸化消失などして除去し、立体構造物を単体として提供する。
(7) As for the form of the three-dimensional structure manufactured as described above, the three-dimensional structure on the
（８）また、流動気相法によるカーボンナノチューブの生成は、一般に反応時間や原料の供給量等の条件を適切に制御することで、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブの作り分けが可能とされる。また、不純物が多いと得られる立体構造物が脆くなる傾向がある。従って、立体構造物の所望の特性に応じて、流動気相法によるカーボンナノチューブの生成の諸条件を適宜制御することができる。 (8) In addition, the production of carbon nanotubes by the fluidized gas phase method generally enables the production of single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes by appropriately controlling conditions such as reaction time and feed rate of raw materials. The Moreover, when there are many impurities, the three-dimensional structure obtained will tend to be brittle. Therefore, according to the desired characteristics of the three-dimensional structure, various conditions for generating carbon nanotubes by the fluidized gas phase method can be appropriately controlled.
以上のようにして得られるカーボンナノチューブからなる立体構造物は、カーボンナノチューブが密に集合されてなる構造物であって、表面形状の少なくとも一部として曲面を有することを特徴としている。この曲面は通気性構造体２１を鋳型として得られるものであって、前に詳述したとおり、柱面、錐面、接線曲面などの可展面、双曲放物面、らせん面、錐状面、柱状面などのねじれ面、円弧回転面などの回転面、自由曲面、またはこれらの２以上の曲面を組み合わせたりこれらを変形させた立体形状（一般複曲面）からなるグループから選ばれる１以上の曲面とすることができ、純平面以外の所望の形状とすることができる。たとえば、円錐形状、円柱形状、半円球形状、半楕円球形状、多角錐形状、多角柱形状、およびこれらを基本に変形させた立体形状のうちのいずれか１つの形状又はそれらの組み合わせなど、様々なものが例示される。また、立体構造物の厚みについても、厚みが均一に制御されたもの、部分的に異なるよう制御されたもの、連続的に変化するよう制御されたものなど、任意の形態のものとして提供される。
The three-dimensional structure made of carbon nanotubes obtained as described above is a structure in which carbon nanotubes are densely assembled, and has a curved surface as at least a part of the surface shape. This curved surface can be obtained by using the air-
また、立体構造物の形態としては、通気性構造体上に形成されて一体化されているものや、通気性構造体が除去されて立体構造物単体とされているものとしても提供される。 Further, as a form of the three-dimensional structure, it is also provided as one formed on the breathable structure and integrated, or one obtained by removing the breathable structure as a single three-dimensional structure.
加えて、カーボンナノチューブの製造条件を適切に制御することで、カーボンナノチューブを全体の７０重量％以上１００重量％未満とした立体構造物を構成することが可能とされる。ここで、たとえば、カーボンナノチューブの製造において、触媒と共に硫黄化合物をもちいることや、複数の分解特性の異なる炭素源を適切な割合でもちいることで、カーボンナノチューブからなる立体構造物全体のうちの７０重量％以上１００重量％未満、より好ましくは８０重量％以上１００重量％未満の割合をカーボンナノチューブで構成することができる。 In addition, by appropriately controlling the manufacturing conditions of the carbon nanotubes, it is possible to constitute a three-dimensional structure in which the carbon nanotubes are 70% by weight or more and less than 100% by weight. Here, for example, in the production of carbon nanotubes, by using a sulfur compound together with a catalyst, or by using a plurality of carbon sources having different decomposition characteristics at an appropriate ratio, A proportion of 70% by weight or more and less than 100% by weight, more preferably 80% by weight or more and less than 100% by weight, can be constituted by carbon nanotubes.
さらには、立体構造物を構成するカーボンナノチューブの機械的、電気的、化学的特性をも制御することができる。 Furthermore, the mechanical, electrical, and chemical characteristics of the carbon nanotubes that make up the three-dimensional structure can be controlled.
また、本発明によって多角錐、多角柱などの平面多角形で囲まれた立体構造物など従来技術で構成可能な構造体についても、同様に極めて容易に立体構造体を製造することができる。 Further, according to the present invention, a three-dimensional structure can be manufactured very easily similarly for a structure that can be configured by a conventional technique such as a three-dimensional structure surrounded by a plane polygon such as a polygonal pyramid or a polygonal column.
以上のようなこの出願の発明のカーボンナノチューブからなる立体構造物は、カーボンナノチューブの軽量かつ高導電性、高熱電導性、機械的強度などの優れた特性を活かして様々な分野で利用されることが期待できる。 The three-dimensional structure composed of the carbon nanotubes of the invention of this application as described above should be used in various fields by taking advantage of the excellent characteristics of carbon nanotubes such as light weight, high conductivity, high thermal conductivity, and mechanical strength. Can be expected.
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以下の例によって本発明が限定されることはない。 Therefore, an example will be shown below and will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited by the following examples.
図１に示した装置を用い、カーボンナノチューブからなる立体構造物を製造した。この装置は、４ｋＷの電気炉１、内径５．０ｃｍ、外径５．５ｃｍのムライト製反応器２、スプレーノズル３、整流板４、第一キャリアガス流量計５、第二キャリアガス流量計６、第二炭素源流量計７、マイクロフィーダー８、ガス混合器９、通気性構造体２１、ゴムパッキン２１、差圧測定孔２３で構成されている。通気性構造体２１は、図４に示したように、２００メッシュの金網を固定部の径が５．５ｃｍで、高さ４．０ｃｍ、直径４．５ｃｍの半楕円球体に成型したものを用いた。この装置を用い、特開２００６−２１３５９０号公報に開示の公知の方法に従って極細単層カーボンナノチューブを生成させた。なお、第一炭素原料１１は、トルエン：フェロセン：チオフェンを重量比で１００：２：１になるように原料液を調合してシリンジ１０に貯留し、マイクロフィーダー８でスプレーノズル３に供給した。他方、第二炭素原料１２にはエチレンを使用し、これを第二炭素流量計７で流量を１００ｃｃ／ｍｉｎに制御し、同伴ガス１３には水素を用い、第二キャリアガス流量計６で流量を５Ｌ/ｍｉｎに制御して両者をガス混合器９を介して、反応工程に供給した。スプレーノズルには流量２Ｌ／ｍｉｎの水素１３とともに上記原料液を５０μＬ／ｍｉｎの流量で供給し、１２００°Ｃに加熱された電気炉１中の反応器２に、差圧を確認しながら、１３分間スプレーすることによって、極細単層カーボンナノチューブを流動気相ＣＶＤ法により生成させた。
Using the apparatus shown in FIG. 1, a three-dimensional structure composed of carbon nanotubes was manufactured. This apparatus includes a 4 kW electric furnace 1, a
生成された極細単層カーボンナノチューブは、同伴ガス１３の流れに乗って通気性構造体２１に補足され、通気性構造体２１前後の差圧が上昇すると共に厚みを増していき、目的の立体構造物を構成した。その表面を良く観察すると、半楕円球体の通気性構造体２１は概ね約３ｍｍで均一の厚みであったが、頂部にのみ単層カーボンナノチューブの紐状の集合体が付着しているのが見られた。また、得られた立体構造物の約８０重量％が単層カーボンナノチューブで構成されているのが確認された。
The produced ultra-thin single-walled carbon nanotubes are captured by the air-
そこで、図３のように、反応器２下部のフランジと回収容器２４上部のフランジとを接合し、回収容器２４の下部において通気性構造体２１としての２０メッシュの金網ゴムパッキン２２を挟んで同じ条件で立体構造物を製造したところ、紐状の生成物は２０メッシュの金網に捕捉され、約３ｍｍの均一な厚みの極細単層カーボンナノチューブからなる半楕円球体の立体構造物が得られたことが確認された。
Therefore, as shown in FIG. 3, the flange at the bottom of the
１ 加熱炉
２ 反応器
３ スプレーノズル
４ 整流板
５ 第一同伴ガス流量計
６ 第二同伴ガス流量計
７ 第二炭素流量計
８ マイクロフィーダー
９ ガス混合器
１０ シリンジ
１１ 第一炭素原料（原料液）
１２ 第二炭素原料
１３ 同伴ガス
２１ 通気性構造体
２２ ゴムパッキン
２３ 差圧測定孔
２４ 回収容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
12 Second carbon
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