JP2013018673A - Carbon nanotube aggregate where single-walled carbon nanotube and double-walled carbon nanotube are mixed at arbitrary ratio and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon nanotube aggregate with high purity and high quality where single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes having both of transporting property and strong mechanical toughness which are hopeful as an electronic component element and being useful as a transparent conductive material and an electron emitting element material are mixed and to provide a method for efficiently and inexpensively mass-producing the same.SOLUTION: In the method for producing carbon nanotubes from carbon sources by a gas phase fluidizing CVD method, a liquid hydrocarbon such as toluene and the like is used for a first carbon source and methane is used for a second carbon source in a mixed carrier gas atmosphere at least composed of hydrogen and an inert gas.

Description

本発明は、単層カーボンナノチューブと二層カーボンナノチューブが任意比率で混合してなるカーボンナノチューブ集合体並びにその製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon nanotube aggregate in which single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes are mixed at an arbitrary ratio, and a method for producing the same.

カーボンナノチューブ(以下、CNTと略す)は、その優れた機械的特性(鋼鉄の20倍の機械強度)、銅の10倍の熱伝導特性、および優れた電気伝導性(銅の1000倍以上の高電流密度耐性)から、ナノ材料の代表として注目を集めている。CNTはその円筒構造が1層である単層CNT(以下、SWCNTと略す)と、2層以上のグラファイト層が同心円状に重なった構造である多層CNT(以下、MWCNTと略す)に大きく分類される。特に2層のグラファイト層が同心円状に重なった構造を持つものは二層CNTと呼ばれている(以下、DWCNTと略す)。   Carbon nanotubes (hereinafter abbreviated as CNT) have excellent mechanical properties (20 times the mechanical strength of steel), 10 times the thermal conductivity of copper, and excellent electrical conductivity (more than 1000 times higher than copper). It has attracted attention as a representative of nanomaterials from current density tolerance. CNTs are broadly classified into single-walled CNTs (hereinafter abbreviated as SWCNTs) whose cylindrical structure is a single layer and multilayered CNTs (hereinafter abbreviated as MWCNTs) where two or more graphite layers are concentrically stacked. The In particular, a structure in which two graphite layers are concentrically overlapped is called a double-walled CNT (hereinafter abbreviated as DWCNT).

SWCNTが優れた特性を有することは多くの理論的研究で明らかにされている。   Many theoretical studies have shown that SWCNTs have excellent properties.

しかし、実際に合成されたSWCNTには多くの構造的欠陥が存在するため、その優れた特性が発現されにくい。それに比べ、DWCNTは外層のCNTにたとえ欠陥があったとしても内層のCNTはほぼ“完壁”な構造を保持できる。このため、SWCNTの有する電子部品素子としての有望な輸送特性と、MWCNTの有する機械的強靭性を併せもち、SWCNTより優れた特性を示す場合も多く知られている。例えば、DWCNTはSWCNTと同等の低い電圧で優れた電界電子放出(フィールドエミッション)特性を有し、しかもSWCNTより長寿命であり耐久性に優れるため、とくにFEDその他のエレクトロニクス分野での利用に優れるCNT材料とされている。このためDWCNTや、あるいはSWCNTとDWCNTが用途に合った割合で混合されたCNT集合体の効率的、且つ大量・安価に製造する方法の開発が産業的に求められている。   However, since SWCNT actually synthesized has many structural defects, it is difficult to exhibit its excellent characteristics. In contrast, DWCNT can maintain an almost “complete wall” structure even if there is a defect in the outer CNT. For this reason, there are many cases where SWCNT has a promising transport characteristic as an electronic component element and mechanical toughness which MWCNT has, and exhibits characteristics superior to SWCNT. For example, DWCNT has excellent field electron emission characteristics at a low voltage equivalent to that of SWCNT, and has a longer life and superior durability than SWCNT. It is considered as a material. For this reason, there is an industrial demand for the development of a method for producing DWCNT, or a CNT aggregate in which SWCNT and DWCNT are mixed at a ratio suitable for the application, in large quantities and at low cost.

CNTの合成には、主にアーク放電法、レーザー・アブレーション法、CVD法(化学気相成長法。化学気相蒸着法、または化学蒸着法とも言う。)の3つの手法が用いられている。さらにCVD法には厚さ数マイクロメートル−数ナノメートルの金属層を蒸着させた基板、もしくはゼオライトやセラミックなどの担体に遷移金属微粒子を担持させた担体からCNTを合成する担持触媒CVD法、触媒微粒子を形成する前駆体化合物を直接反応管に噴霧させ反応管入口で触媒前駆体の熱分解により形成された触媒微粒子が原料ガスとキャリアガスとともに反応管内へ送り込まれ反応管内の高温区域でCNTを合成する気相流動CVD法などが挙げられる。とくに気相流動CVD法は、スケールアップが容易であることから、CNTを工業的に大量に生産するのに最も適していると一般的に考えられる。   For the synthesis of CNTs, three methods are mainly used: an arc discharge method, a laser ablation method, and a CVD method (chemical vapor deposition method, also referred to as chemical vapor deposition method or chemical vapor deposition method). Furthermore, the CVD method is a supported catalyst CVD method or catalyst that synthesizes CNTs from a substrate on which a metal layer having a thickness of several micrometers to several nanometers is deposited, or from a support in which transition metal fine particles are supported on a support such as zeolite or ceramic. The precursor compound that forms the fine particles is sprayed directly on the reaction tube, and the catalyst fine particles formed by thermal decomposition of the catalyst precursor at the reaction tube inlet are fed into the reaction tube together with the raw material gas and the carrier gas. Examples include a vapor-phase flow CVD method for synthesis. In particular, the gas-phase flow CVD method is generally considered to be most suitable for industrially mass-producing CNTs because it is easy to scale up.

DWCNTの合成も上述のような方法で研究されてきている。たとえば、アーク放電法による研究例として、金属触媒入り炭素棒を陽極に用いるDWCNT合成法(特許文献1)、直流アークプラズマにより直径2−7nmの糸状DWCNT合成法(特許文献2)、含有量50%以上の膜状DWCNTの製造方法(特許文献3)が公開されている。また、DWCNT合成用としてアーク放電の陽極に用いる金属触媒についても研究されている。鉄(Fe)−コバルト(Co)−ニッケル(Ni)混合触媒含有炭素棒を陽極にしてアルゴン,水素,メタン含有雰囲気中でのナノ炭素合成法(特許文献4)、水素ガスと不活性ガスの存在下で(Fe,Ni,Co)と(亜鉛(Zn),銅(Cu),錫(Sn))の組み合わせ触媒を用いたDWCNT合成法(特許文献5)があげられる。さらに、アーク放電法よりも低温状態で異常グロー放電により発生したプラズマ中で水素とメタンガス雰囲気下、担持触媒塗布した基板上へのSWCNT(直径1nm)とDWCNT(直径0.699−1.236nm)の合成法(特許文献6)も公開されている。特許文献4に記載の方法によれば、主に直径2.7−5.5nmのDWCNTが70重量%以上含むナノ炭素が合成される。そして得られたDWの層間隔は0.35−0.45nmである。   The synthesis of DWCNT has also been studied by the method as described above. For example, as a research example by an arc discharge method, a DWCNT synthesis method using a carbon rod containing a metal catalyst as an anode (Patent Document 1), a thread-like DWCNT synthesis method having a diameter of 2 to 7 nm by DC arc plasma (Patent Document 2), a content of 50 % Of a film-like DWCNT manufacturing method (Patent Document 3). Also, metal catalysts used for arc discharge anodes for DWCNT synthesis have been studied. Nanocarbon synthesis method (Patent Document 4) in an atmosphere containing argon, hydrogen and methane using a carbon rod containing an iron (Fe) -cobalt (Co) -nickel (Ni) mixed catalyst as an anode, hydrogen gas and inert gas There is a DWCNT synthesis method using a combined catalyst of (Fe, Ni, Co) and (zinc (Zn), copper (Cu), tin (Sn)) in the presence (Patent Document 5). Further, SWCNT (diameter 1 nm) and DWCNT (diameter 0.699-1.236 nm) on a substrate coated with a supported catalyst in a hydrogen and methane gas atmosphere in a plasma generated by abnormal glow discharge at a lower temperature than the arc discharge method. The synthesis method (Patent Document 6) is also disclosed. According to the method described in Patent Document 4, nanocarbon mainly containing 70% by weight or more of DWCNT having a diameter of 2.7 to 5.5 nm is synthesized. The resulting DW layer spacing is 0.35-0.45 nm.

一方、担持触媒CVD法によるDWCNT合成法が公開されている。   On the other hand, a DWCNT synthesis method by a supported catalyst CVD method is disclosed.

プラズマ中Coを塗布した基板上に平均内径3nm、平均外径4nmのDWCNTアレイの合成法(特許文献7)、鉄触媒を塗布した基板上に微量の水蒸気存在下、外径2−5nm、純度50%以上の、基板に垂直に配向したDWCNTを合成する方法(特許文献8)、メタンガスの熱分解によって金属担持触媒を設置された基板上に純度95%以上のDWCNTを合成する方法(特許文献9)などが公開されている。特許文献8の方法では、合成温度が1000℃以下と低いため、合成されたCNTには、ラマン分光スペクトルにおける不純物に由来するDバンドが強く観測されている。SWCNTとDWCNTのほかに多層カーボンナノチューブも存在する。また、特許文献9の方法で合成されたCNTのラマン分光におけるDバンドは大きく観察されるので、結晶性あるいは品質は低いものと推定される。   A method of synthesizing a DWCNT array having an average inner diameter of 3 nm and an average outer diameter of 4 nm on a substrate coated with Co in plasma (Patent Document 7), an outer diameter of 2-5 nm in the presence of a small amount of water vapor on a substrate coated with an iron catalyst, purity A method of synthesizing 50% or more of DWCNT oriented perpendicular to a substrate (Patent Document 8), and a method of synthesizing DWCNT of 95% or more purity on a substrate on which a metal-supported catalyst is installed by thermal decomposition of methane gas (Patent Document 8) 9) etc. are open to the public. In the method of Patent Document 8, since the synthesis temperature is as low as 1000 ° C. or lower, a D band derived from impurities in the Raman spectrum is strongly observed in the synthesized CNT. In addition to SWCNT and DWCNT, multi-walled carbon nanotubes also exist. In addition, since the D band in Raman spectroscopy of CNT synthesized by the method of Patent Document 9 is greatly observed, it is estimated that the crystallinity or quality is low.

しかしアーク放電法あるいは担持触媒CVD法のいずれの場合も、結晶性の低いカーボンナノチューブしかできない上、連続生産は難しく工業生産には不適である。   However, in either case of the arc discharge method or the supported catalytic CVD method, only carbon nanotubes with low crystallinity can be produced, and continuous production is difficult and unsuitable for industrial production.

一方、下記のように工業的にスケールアップしやすいDWCNT合成法も公開されている。   On the other hand, a DWCNT synthesis method that is easy to scale up industrially as described below is also disclosed.

流動床反応器中Ni担持触媒を用いたメタン熱分解によるCNT(SWCNT、DWCNT、MWCNT)合成法(特許文献10)、水素とアルゴンの混合ガスをキャリアガスに、ベンゼンに溶かした混合触媒(Fe,Co,Ni)前駆体とチオフェンを用いたSWCNTとDWCNTを含むCNT合成法(特許文献11)、MgO担持触媒を用いた、直径1−2.5nmのDWCNTの製造方法(特許文献12)、合成反応途中で酸化剤を導入して金属担体触媒活性の回復と炭素不純物の除去を図り、メタンガスを900℃で熱分解させることによって、直径1−3nm、含有量50%以上、ラマン散乱分析におけるGバンドとDバンドの強度比IG/ID>30を示すDWCNTの合成法(特許文献13)が開示されている。   CNT (SWCNT, DWCNT, MWCNT) synthesis method by thermal decomposition of methane using Ni-supported catalyst in a fluidized bed reactor (Patent Document 10), a mixed catalyst in which a mixed gas of hydrogen and argon is dissolved in benzene in a carrier gas (Fe , Co, Ni) CNT synthesis method including SWCNT and DWCNT using thiophene and thiophene (Patent Document 11), production method of DWCNT having a diameter of 1 to 2.5 nm using MgO supported catalyst (Patent Document 12), Introducing an oxidant during the synthesis reaction to recover the catalytic activity of the metal carrier and removing carbon impurities, and thermally decomposing methane gas at 900 ° C., resulting in a Raman scattering analysis with a diameter of 1-3 nm and a content of 50% or more. A method for synthesizing DWCNT (Patent Document 13) showing an intensity ratio IG / ID> 30 of G band and D band is disclosed.

これらの方法では、いずれも多孔質担体に担持された金属触媒を使用しており、高温下では金属微粒子が担体から蒸発される恐れがあるため、反応温度は1000℃以下に抑える必要があり、その結果ラマン散乱分析においてGバンドとDバンドの強度比IG/IDが50を超えるような高品質なDWCNTを製造することはできなかった。またCNT中のDWCNT含有量の制御が困難であり、さらに得られたCNTを固体の触媒から分離する必要があるため工業的な観点からプロセス数の増加に伴うコスト増となる、などの課題も挙げられる。これまで1000℃以上に反応温度を設定でき、スケールアップが容易である気相流動CVD法のCNTの製造技術としては、デカリンやトルエンなどの常温で液体の炭化水素とエチレンなどの常温で気体の不飽和脂肪族炭化水素の2種類の炭素源を用いたSWCNT製造技術(特許文献14および15)が開示されているが、SWCNTが選択的に製造されるためDWCNTを含むCNTの製造には不適であった。   In any of these methods, a metal catalyst supported on a porous support is used, and metal fine particles may be evaporated from the support at a high temperature. Therefore, the reaction temperature must be suppressed to 1000 ° C. or lower. As a result, it was impossible to produce a high-quality DWCNT having an intensity ratio IG / ID of G band and D band exceeding 50 in Raman scattering analysis. In addition, it is difficult to control the DWCNT content in the CNT, and further, it is necessary to separate the obtained CNT from the solid catalyst, so that there is a problem that the cost increases with an increase in the number of processes from an industrial viewpoint. Can be mentioned. Up to now, the reaction temperature can be set to 1000 ° C or more, and the production technology of CNTs in the gas-phase flow CVD method, which is easy to scale up, includes hydrocarbons that are liquid at normal temperatures such as decalin and toluene, Although SWCNT production technology (Patent Documents 14 and 15) using two types of carbon sources of unsaturated aliphatic hydrocarbons is disclosed, SWCNTs are selectively produced, and thus are not suitable for the production of CNTs including DWCNT. Met.

特開2003−034515号公報JP 2003-034515 A 特開2005−035807号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-035807 特開2011−073886号公報JP 2011-073886 A 特開2006−045057号公報JP 2006-045057 A 特開2006−281168号公報JP 2006-281168 A 特開2004−018351号公報JP 2004-018351 A 特開2006−315886号公報JP 2006-315886 A 特開2007−145634号公報JP 2007-145634 A 特開2007−210808号公報JP 2007-210808 A 特開2004−277241号公報JP 2004-277241 A 特開2006−045057号公報JP 2006-045057 A 特開2010−201351号公報JP 2010-201351 A 特開2009−242149号公報JP 2009-242149 A 特開2006−213590号公報(特許第4706058号)Japanese Patent Laying-Open No. 2006-213590 (Patent No. 4,706,058) WO2007/125923WO2007 / 125923

本発明は、電子部品素子としての有望な輸送特性と機械的強靭性を併せもち透明導電材料や電子放出素子材料として有用な、単層カーボンナノチューブと二層カーボンナノチューブが混合してなる、高品質のカーボンナノチューブ集合体およびその効率的、且つ大量・安価に製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention is a high-quality product comprising a mixture of single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes that have both promising transport properties and mechanical toughness as electronic component devices, and is useful as a transparent conductive material and electron-emitting device material. It is an object of the present invention to provide an aggregate of carbon nanotubes and a method for producing the carbon nanotube aggregate efficiently and in large quantities at low cost.

本発明者らは、前記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、縦型反応管を用いた気相流動CVD法により特定の反応条件下で高純度かつ高品質なDWCNTとSWCNTの任意比率の混合物を製造する方法を見出して、本発明を完成させた。
すなわち、この出願によれば、以下の発明が提供される。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have determined that an arbitrary ratio of high-purity and high-quality DWCNT and SWCNT can be obtained under a specific reaction condition by a gas-phase flow CVD method using a vertical reaction tube. A method for producing the mixture was found and the present invention was completed.
That is, according to this application, the following invention is provided.

(1)気相流動CVD法において、少なくとも水素と不活性ガスで構成される混合型キャリアガス雰囲気中、第1炭素源として常温で液体の炭化水素を、第2炭素源としてメタンを用いることを特徴とする、少なくとも単層カーボンナノチューブと二層カーボンナノチューブが混合してなるカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   (1) In the vapor-phase flow CVD method, in a mixed carrier gas atmosphere composed of at least hydrogen and an inert gas, liquid hydrocarbon at room temperature is used as the first carbon source, and methane is used as the second carbon source. A method for producing an aggregate of carbon nanotubes characterized in that at least single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes are mixed.

(2)混合型キャリアガスにおける水素の含有率が10体積%以上50体積%以下であることを特徴とする(1)記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   (2) The method for producing a carbon nanotube aggregate according to (1), wherein the hydrogen content in the mixed carrier gas is 10% by volume or more and 50% by volume or less.

(3)混合型キャリアガスにおける不活性ガスが希ガス又は窒素であることを特徴とする(1)又は(2)記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   (3) The method for producing a carbon nanotube aggregate according to (1) or (2), wherein the inert gas in the mixed carrier gas is a rare gas or nitrogen.

(4)希ガスがアルゴン又はヘリウムであることを特徴とする(3)記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   (4) The method for producing an aggregate of carbon nanotubes according to (3), wherein the rare gas is argon or helium.

(5)第1炭素源が芳香族炭化水素であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   (5) The method for producing a carbon nanotube aggregate according to any one of (1) to (4), wherein the first carbon source is an aromatic hydrocarbon.

(6)芳香族炭化水素がトルエン又はベンゼンであることを特徴とする(5)記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   (6) The method for producing a carbon nanotube aggregate according to (5), wherein the aromatic hydrocarbon is toluene or benzene.

(7)第2炭素源のメタンガス流量を、同温度の気体と仮定した第1炭素源の流量の10倍から40倍とし、且つキャリアガス流量の500分の1以上5分の1以下の範囲で設定することによってカーボンナノチューブ集合体中の二層カーボンナノチューブの含有率を10重量%乃至80重量%の範囲に調整することを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   (7) The methane gas flow rate of the second carbon source is set to be 10 to 40 times the flow rate of the first carbon source assumed to be a gas at the same temperature, and in the range of 1/500 to 1/5 of the carrier gas flow rate. The carbon according to any one of (1) to (6), wherein the content of the double-walled carbon nanotube in the aggregate of carbon nanotubes is adjusted to a range of 10 wt% to 80 wt% Manufacturing method of nanotube aggregate.

(8)二層カーボンナノチューブの平均外径が3.2±0.5nm、平均内径が2.4±0.5nm、単層カーボンナノチューブの平均直径が2.5±0.5nmであり、且つラマン散乱分析におけるGバンドとDバンドの強度比IG/IDが50以上であることを特徴とする少なくとも単層カーボンナノチューブと二層カーボンナノチューブが混合してなるカーボンナノチューブ集合体。   (8) The average outer diameter of the double-walled carbon nanotube is 3.2 ± 0.5 nm, the average inner diameter is 2.4 ± 0.5 nm, the average diameter of the single-walled carbon nanotube is 2.5 ± 0.5 nm, and A carbon nanotube aggregate formed by mixing at least single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes, wherein an intensity ratio IG / ID of G band and D band in Raman scattering analysis is 50 or more.

(9)二層カーボンナノチューブの含有率が10重量%乃至80重量%であることを特徴とする(8)記載のカーボンナノチューブ集合体。   (9) The carbon nanotube aggregate according to (8), wherein the content of the double-walled carbon nanotube is 10% by weight to 80% by weight.

(10)3層以上の多層カーボンナノチューブ含有率が10重量%以下であることを特徴とする(9)記載のカーボンナノチューブ集合体。   (10) The carbon nanotube aggregate as set forth in (9), wherein the content of the multi-walled carbon nanotubes of three or more layers is 10% by weight or less.

(11)金属含有量が5重量%以下であることを特徴とする(10)記載のカーボンナノチューブ集合体。   (11) The carbon nanotube aggregate according to (10), wherein the metal content is 5% by weight or less.

(12)熱重量分析における20℃から500℃での重量減少率が10重量%以下であることを特徴とする(11)記載のカーボンナノチューブ集合体。   (12) The aggregate of carbon nanotubes according to (11), wherein the weight loss rate from 20 ° C. to 500 ° C. in thermogravimetric analysis is 10% by weight or less.

(13)(8)〜(12)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ集合体を加工してなる薄膜。   (13) A thin film obtained by processing the carbon nanotube aggregate according to any one of (8) to (12).

(14)加熱手段を有し、生成物排出側にカーボンナノチューブを捕集する捕集容器、原料供給側に少なくともメタンを含むガス状炭化水素で構成される炭素源、触媒又は触媒前駆体を含む芳香族炭化水素溶液、及び少なくとも水素と不活性ガスを含むキャリアガスのための各供給路を備え、これらを原料としてカーボンナノチューブ集合体を生成せしめることができることを特徴とする縦型カーボンナノチューブ製造装置。   (14) having a heating means, a collection container for collecting carbon nanotubes on the product discharge side, and a carbon source, a catalyst or a catalyst precursor composed of gaseous hydrocarbons containing at least methane on the raw material supply side Vertical carbon nanotube production apparatus comprising an aromatic hydrocarbon solution and supply paths for a carrier gas containing at least hydrogen and an inert gas, and using these as a raw material, a carbon nanotube aggregate can be generated. .

本発明の製造方法によれば、高純度かつ高品質のDWCNTとSWCNTが混合されたCNT集合体を効率的、且つ大量・安価に製造することができる。   According to the production method of the present invention, a CNT aggregate in which high-purity and high-quality DWCNT and SWCNT are mixed can be produced efficiently, in large quantities and at low cost.

また、本発明方法によって得られるCNT集合体はラマン散乱分析におけるGバンドとDバンドの強度比IG/IDが50以上、金属触媒残存量が5重量%以下と、従来に比べて高結晶性かつ高純度であるため、優れた輸送特性と機械的強靭性を有し、透明導電材料や電子放出素子材料に有用な高品質なCNTとしてエレクトロニクス分野等で多大な工業的貢献をもたらす。   In addition, the CNT aggregate obtained by the method of the present invention has a G-band to D-band intensity ratio IG / ID in a Raman scattering analysis of 50 or more and a metal catalyst residual amount of 5% by weight or less, which is highly crystalline and Because of its high purity, it has excellent transport properties and mechanical toughness, and brings a great industrial contribution in the electronics field and the like as a high-quality CNT useful for transparent conductive materials and electron-emitting device materials.

本発明のCNT製造装置の一例の概略図である。It is the schematic of an example of the CNT manufacturing apparatus of this invention. 透過型電子顕微鏡(TEM)で観察されたSWCNT集合体を示す図である。It is a figure which shows the SWCNT aggregate observed with the transmission electron microscope (TEM). TEMで観察されたSWとDWCNT集合体を示す図である。It is a figure which shows SW and DWCNT aggregate observed by TEM. TEMで観察されたSW、DW、MWCNT集合体を示す図である。It is a figure which shows SW, DW, and MWCNT aggregate observed with TEM. 実施例1におけるメタンガスの流量とSWCNT、DWCNTの直径との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the flow volume of methane gas in Example 1, and the diameter of SWCNT and DWCNT. 実施例1のCNT集合体のラマンスペクトルデータを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum data of the CNT aggregate of Example 1. 実施例1のCNT集合体のUV吸収スペクトルデータを示す図である。It is a figure which shows the UV absorption spectrum data of the CNT aggregate of Example 1. 実施例1のCNT集合体の熱重量分析結果を示す図である。It is a figure which shows the thermogravimetric analysis result of the CNT aggregate of Example 1. 実施例2におけるメタンガスの流量とSWCNT、DWCNTの直径との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the flow volume of methane gas in Example 2, and the diameter of SWCNT and DWCNT. 実施例2のCNT集合体のラマンスペクトルデータを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum data of the CNT aggregate of Example 2. 実施例3におけるメタンガスの流量とSWCNT、DWCNTの直径との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the flow volume of methane gas in Example 3, and the diameter of SWCNT and DWCNT. 実施例3のCNT集合体のラマンスペクトルデータを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum data of the CNT aggregate of Example 3. CNT塗布フィルム全光線透過率と表面抵抗値の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a CNT coating film total light transmittance, and a surface resistance value.

本発明の炭素源から気相流動CVD法によりDWCNTとSWCNTの混合してなるCNT集合体を製造する方法は、少なくとも水素と不活性ガスで構成される混合型キャリアガス雰囲気中に、少なくとも2種類の炭素源を必要とし、第1炭素源として常温で液体の炭化水素を、第2炭素源としてメタンガスを用いることを特徴としている。   The method for producing a CNT aggregate obtained by mixing DWCNT and SWCNT from the carbon source according to the present invention by vapor-phase flow CVD method includes at least two types in a mixed carrier gas atmosphere composed of at least hydrogen and an inert gas. It is characterized by using a hydrocarbon which is liquid at normal temperature as the first carbon source and methane gas as the second carbon source.

ここでいう、「気相流動CVD法」とは、「触媒(その前駆体を含む)及び反応促進剤を含む含炭素原料をスプレー等で霧状にして高温の加熱炉(電気炉等)に導入することによってCNTを流動する気相中で合成する方法」と定義される。   As used herein, “vapor-phase flow CVD method” refers to “a carbon-containing raw material containing a catalyst (including its precursor) and a reaction accelerator, which is sprayed into a high-temperature heating furnace (such as an electric furnace). It is defined as “a method of synthesizing CNTs in a flowing gas phase by introducing them”.

また、炭素源とは、一般に「炭素原子を含む有機化合物」を意味する。
なお、本発明において、常温とは、好ましくは15〜35℃を指す。
The carbon source generally means “an organic compound containing a carbon atom”.
In the present invention, room temperature preferably refers to 15 to 35 ° C.

本発明において、CVD反応場の基本的な雰囲気となるキャリアガスは、少なくとも水素と不活性ガスで構成された混合型キャリアガスであり、CNTの製造効率の観点から、キャリアガス中の水素の含有率は5体積%以上95体積%以下が好ましく用いられ、更に好ましくは10体積%以上50体積%以下が好適である。   In the present invention, the carrier gas serving as the basic atmosphere of the CVD reaction field is a mixed carrier gas composed of at least hydrogen and an inert gas. From the viewpoint of the production efficiency of CNTs, the content of hydrogen in the carrier gas is included. The rate is preferably 5% by volume to 95% by volume, more preferably 10% by volume to 50% by volume.

また、上記キャリアガスにおける不活性ガスは希ガス又は窒素が好ましく用いられ、更に好ましくはアルゴン、ヘリウム又は窒素が好適である。   Further, the inert gas in the carrier gas is preferably a rare gas or nitrogen, more preferably argon, helium or nitrogen.

本発明において、第1炭素源となる炭化水素は、常温で液体の芳香族炭化水素が好ましく用いられ、この芳香族炭化水素には、単環式、縮合環式およびそれらの誘導体のいずれもが含まれる。   In the present invention, the hydrocarbon serving as the first carbon source is preferably an aromatic hydrocarbon that is liquid at room temperature, and the aromatic hydrocarbon includes any of monocyclic, condensed cyclic, and derivatives thereof. included.

本発明に使用される第1炭素源は常温で液体の条件を満たすことが必要である。このような単環式の芳香族炭化水素としては、たとえば、ベンゼン、トルエン、キシレン(オルト体、メタ体、パラ体およびこれらの混合物を含む)、トリメチルベンゼン(1,2,3-、1,2,4-、1,3,5-トリメチルベンゼンおよびこれらの混合物を含む)が例示される。本発明でとくに好ましく使用される第1炭素源は、ベンゼンまたはトルエンである。   The first carbon source used in the present invention must satisfy the liquid condition at room temperature. Examples of such monocyclic aromatic hydrocarbons include benzene, toluene, xylene (including ortho, meta, para, and mixtures thereof), trimethylbenzene (1,2,3-, 1, 2,4-, 1,3,5-trimethylbenzene and mixtures thereof). The primary carbon source particularly preferably used in the present invention is benzene or toluene.

上記第1炭素源と触媒(その前駆体を含む)及び反応促進剤を含む原料液をスプレーする方法は、特に制限はないが、上記混合型キャリアガスや水素ガス、希ガスなどを使って原料液をスプレーする二流体ノズルを用いたスプレー方式が好ましく用いられる。   The method for spraying the raw material liquid containing the first carbon source, the catalyst (including its precursor) and the reaction accelerator is not particularly limited, but the raw material is prepared using the mixed carrier gas, hydrogen gas, rare gas, or the like. A spray method using a two-fluid nozzle for spraying liquid is preferably used.

本発明において、第2炭素源となる炭化水素は第1炭素源で用いる芳香族炭化水素よりもより高い温度で熱分解するものを用いることが好ましい。このような炭化水素としては、メタンガスが挙げられ、本発明で第2炭素源として好ましく使用される。   In the present invention, it is preferable to use a hydrocarbon that is thermally decomposed at a higher temperature than the aromatic hydrocarbon used in the first carbon source as the second carbon source. Examples of such hydrocarbons include methane gas, which are preferably used as the second carbon source in the present invention.

また、第1炭素源、第2炭素源、キャリアガスの流量割合は、反応場の雰囲気としてカーボンナノチューブ製造に適するかどうかや、目標とするCNT集合体中のDWCNTの含有率によって定められるが、第1炭素源と第2炭素源のモル比は、1:10〜1:40、好ましくは1:10〜1:50であり、且つ第2炭素源とキャリアガスの体積の比は、1:5〜1:500、好ましくは1:10〜1:200、更に好ましくは1:20〜1:40である。このようにするとCNT集合体中のDWCNTの含有率を10重量%乃至80重量%の範囲に調整することができる。   In addition, the flow rate ratio of the first carbon source, the second carbon source, and the carrier gas is determined depending on whether the reaction field atmosphere is suitable for carbon nanotube production and the target content of DWCNT in the CNT aggregate. The molar ratio of the first carbon source to the second carbon source is 1:10 to 1:40, preferably 1:10 to 1:50, and the volume ratio of the second carbon source to the carrier gas is 1: 5 to 1: 500, preferably 1:10 to 1: 200, more preferably 1:20 to 1:40. In this way, the content of DWCNT in the CNT aggregate can be adjusted to a range of 10 wt% to 80 wt%.

第2炭素源であるメタンガス流量とキャリアガス流量の割合は、CNT集合体中のDWCNTの含有率と特に密接に関連しており、メタンガス流量の割合を増加することによってDWCNTの含有率が増加する傾向にある。たとえばキャリアガス流量に対してメタンガス流量を0.2体積%に設定することによってDWCNTの含有率を10重量%程度に、メタンガス流量を30体積%に設定することによって、DWCNTの含有率を70重量%程度にすることができる(実施例1参照)。   The ratio of the methane gas flow rate and the carrier gas flow rate as the second carbon source is particularly closely related to the DWCNT content rate in the CNT aggregate, and increasing the methane gas flow rate rate increases the DWCNT content rate. There is a tendency. For example, by setting the methane gas flow rate to 0.2% by volume with respect to the carrier gas flow rate, the DWCNT content rate is set to about 10% by weight, and by setting the methane gas flow rate to 30% by volume, the DWCNT content rate is set to 70% by weight. % (See Example 1).

また、第1炭素源と第2炭素源を反応器への導入方法は、副反応制御の点からみて、第1炭素源が導入される前に第2炭素源を導入してはならず、好ましくは第1炭素源と第2炭素源を同時に反応器に導入するのがよい。   In addition, the method of introducing the first carbon source and the second carbon source into the reactor should not introduce the second carbon source before the first carbon source is introduced from the viewpoint of side reaction control. Preferably, the first carbon source and the second carbon source are introduced into the reactor at the same time.

また、第1炭素源および第2炭素源は反応を迅速、且つ、均一に行わせるために、キャリアガスと共に反応器に導入するのが好ましい。   The first carbon source and the second carbon source are preferably introduced into the reactor together with the carrier gas in order to perform the reaction quickly and uniformly.

第1炭素源、第2炭素源、キャリアガスの流量を合わせたトータル流量は、特に制限はなく、反応器の容量および形状等に応じて適宜選ばれる。   The total flow rate that combines the flow rates of the first carbon source, the second carbon source, and the carrier gas is not particularly limited, and is appropriately selected according to the capacity and shape of the reactor.

本発明によりCNT集合体を製造するには、たとえば、触媒と、反応促進剤と、前記第1炭素源と、第2炭素源および好ましくはキャリアガスのそれぞれをあるいはこれらを混合して得られる原料混合物を反応器内における800〜1200℃の温度に維持された反応領域に供給すればよい。   In order to produce a CNT aggregate according to the present invention, for example, a catalyst, a reaction accelerator, the first carbon source, a second carbon source, and preferably a carrier gas, or a raw material obtained by mixing them, is used. What is necessary is just to supply a mixture to the reaction zone maintained at the temperature of 800-1200 degreeC in a reactor.

本発明で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、遷移金属化合物又は遷移金属超微粒子が好ましく用いられる。   The catalyst used in the present invention is not particularly limited by the kind of metal or the form thereof, but a transition metal compound or transition metal ultrafine particles are preferably used.

前記遷移金属化合物は、反応器内で分解することにより、触媒としての遷移金属微粒子を生成することができ、反応器内における800〜1200℃の温度に維持された反応領域に、気体若しくは金属クラスタの状態で供給されるのが好ましい。   The transition metal compound can be decomposed in a reactor to produce fine particles of a transition metal as a catalyst. In the reaction region maintained at a temperature of 800 to 1200 ° C. in the reactor, a gas or a metal cluster It is preferable to be supplied in the state of

前記遷移金属化合物としては、例えば、有機遷移金属化合物、無機遷移金属化合物等を挙げることができる。前記有機遷移金属化合物としては、フェロセン、コバルトセン、ニッケロセン、鉄カルボニル、アセチルアセトナート鉄、オレイン酸鉄等を挙げることができ、より好ましくはフェロセンである。前記無機遷移金属化合物としては塩化鉄等を挙げることができる。   Examples of the transition metal compound include organic transition metal compounds and inorganic transition metal compounds. Examples of the organic transition metal compound include ferrocene, cobaltocene, nickelocene, iron carbonyl, iron acetylacetonate, and iron oleate, and ferrocene is more preferable. Examples of the inorganic transition metal compound include iron chloride.

前記遷移金属超微粒子としては、鉄、コバルト、ニッケル、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン等を挙げることができ、中でもより好ましいのは鉄、コバルト、ニッケルである。   Examples of the transition metal ultrafine particles include iron, cobalt, nickel, scandium, titanium, vanadium, chromium, and manganese. Among these, iron, cobalt, and nickel are more preferable.

本発明に係る反応促進剤としては、硫黄化合物が好ましく用いられる。この硫黄化合物は、硫黄原子を含有し、触媒としての遷移金属と相互作用して、CNTの生成を促進させることができる。   A sulfur compound is preferably used as the reaction accelerator according to the present invention. This sulfur compound contains a sulfur atom and can interact with a transition metal as a catalyst to promote the generation of CNTs.

前記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、より好ましくはチオフェンである。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。   Examples of the sulfur compound 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 thiophene is more preferable. Examples of the inorganic sulfur compound include hydrogen sulfide.

本発明に係る主にDWCNTとSWCNTで構成されるCNT集合体は、DWCNTの平均外径が3.2±0.5nm、平均内径が2.4±0.5nm、SWCNTの平均直径が2.5±0.5nmであり、且つラマン散乱分析におけるGバンドとDバンドの強度比IG/IDが50以上であることを特徴とする。   The CNT aggregate mainly composed of DWCNT and SWCNT according to the present invention has an average outer diameter of DWCNT of 3.2 ± 0.5 nm, an average inner diameter of 2.4 ± 0.5 nm, and an average diameter of SWCNT of 2. It is 5 ± 0.5 nm, and the intensity ratio IG / ID of G band and D band in Raman scattering analysis is 50 or more.

ここで、ラマン散乱分析におけるGバンドとは、1590cm−1付近に観測される振動モードでグラファイトのラマン活性モードと同種の振動モードであると考えられている。一方、Dバンドとは1350cm−1付近に観測される振動モードである。グラファイトはこの振動数領域に巨大なフォノン状態密度をもつが、ラマン活性ではないためにHOPG(高配向熱分解黒鉛)などの結晶性の高いグラファイトでは観測されない。しかし欠陥が導入されると運動量保存則に破れが生じ、ラマンピークとなって観測される。そのためこの種のピークは欠陥由来のピークとして考えられる。欠陥由来であるため結晶性の低いアモルファスやナノ粒子において、強い強度で観測されることが知られている。したがって、これらGバンドとDバンドに由来するピークの強度比IG/IDはCNTの構造や純度の指標として客観性が高く、最も信頼できる純度評価法の一つと言える。IG/IDの値が高いほど、高純度で高品質なものとされる。 Here, the G band in the Raman scattering analysis is a vibration mode observed in the vicinity of 1590 cm −1 and is considered to be a vibration mode similar to the Raman active mode of graphite. On the other hand, the D band is a vibration mode observed near 1350 cm −1 . Graphite has a huge phonon density of states in this frequency range, but is not observed in highly crystalline graphite such as HOPG (highly oriented pyrolytic graphite) because it is not Raman active. However, when a defect is introduced, the momentum conservation law is broken, and a Raman peak is observed. Therefore, this type of peak is considered as a defect-derived peak. It is known to be observed with strong intensity in amorphous and nanoparticles with low crystallinity because they are derived from defects. Therefore, the intensity ratio IG / ID of peaks derived from these G and D bands is highly objective as an index of the structure and purity of CNT, and can be said to be one of the most reliable purity evaluation methods. The higher the value of IG / ID, the higher the purity and quality.

本発明の背景技術の項で述べたように、いずれの方法によって製造されたDWCNTにおいても、ラマンスペクトルにおけるGバンドとDバンドの強度比IG/IDは高くてもせいぜい30程度であり、構造欠陥や不純物を多く包含するものであって、高品質なものとはいえなかった。   As described in the background section of the present invention, in any DWCNT produced by any method, the intensity ratio IG / ID between the G band and the D band in the Raman spectrum is at most about 30, and structural defects It contains a lot of impurities and was not high quality.

これに対して、本発明に係るDWCNTとSWCNTが混合してなるCNT集合体は、従来のものとは異なり、その直径が2〜4nm程度の範囲内にあり、かつ上記IG/IDは少なくとも50以上、より好ましくは100以上を有するものであり、その高結晶性のために、従来のものに比し、電気的、力学的特性が優れていると考えられる。   On the other hand, the CNT aggregate formed by mixing DWCNT and SWCNT according to the present invention is different from the conventional CNT aggregate and has a diameter in the range of about 2 to 4 nm, and the IG / ID is at least 50 As described above, more preferably 100 or more, and due to its high crystallinity, it is considered that the electrical and mechanical characteristics are superior to those of the conventional one.

殊に、DWCNTの含有量が全体の10重量%以上、とくに70〜80重量%程度を占めるカーボンナノチューブ集合体は不均一な直径分布を有するSWCNTや直径の太いCNTに比べて、非常に高い導電性と機械的強靭性を与えることから、透明導電材料や電子放出素子材料などとしてエレクトロニクス分野等で多大な工業的貢献をもたらす。また、3層以上のMWCNTの含有量は材料特性の劣化を防ぐ観点から10重量%以下であることが好ましい。   In particular, the aggregate of carbon nanotubes having a DWCNT content of 10% by weight or more, particularly about 70 to 80% by weight, has a very high conductivity compared to SWCNTs having a non-uniform diameter distribution and CNTs having a large diameter. It gives a great industrial contribution in the electronics field etc. as a transparent conductive material and an electron-emitting device material. Moreover, it is preferable that content of 3 or more layers of MWCNT is 10 weight% or less from a viewpoint of preventing deterioration of a material characteristic.

さらに、本発明のCNT集合体は熱重量分析における室温(20℃程度)から500℃までの重量減少率が10重量%以下であることが好ましく、このようなCNT集合体はアモルファスカーボンなどの不純物含有量が少なく品質の高い単層と二層カーボンナノチューブの混合物集合体である。   Further, the CNT aggregate of the present invention preferably has a weight reduction rate of 10% by weight or less from room temperature (about 20 ° C.) to 500 ° C. in thermogravimetric analysis. Such a CNT aggregate is an impurity such as amorphous carbon. It is a mixed aggregate of single-walled and double-walled carbon nanotubes with low content and high quality.

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これらの実施例に制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。
[直径および層数評価法]
透過型電子顕微鏡:Topcom社EM−002B/UHR、加速電圧120kVでCNTを観察し、100本のCNTの直径(DWCNTの場合には内層と外層の直径)と層数を測定して統計的に解析した。なお、以下の実施例において単純にSW含有率、DW含有率等と表記した場合には、100本中のSWCNTやDWCNTの本数の割合のことを示す。
[ラマン散乱分析]
レーザーラマン分光光度計として日本分光株式会社製NRS−2100レーザーラマン分光光度計を使用し、アルゴンガスレーザー(波長514.5nm)を励起光源として測定した。
[光吸収分光分析]
分散剤としてコール酸ナトリウムを使って重水にCNTを分散させ、127600Gで遠心分離したのち、上澄み溶液を日立製作所製U−4100型で光吸収スペクトルを測定した。
[熱重量分析]
株式会社リガク社製、示差熱天秤TG8120を用い、空気流量100cc/min、昇温速度5℃/minで20℃から900℃まで重量減少曲線を測定した。
[透明導電性評価]
分散剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩を用いて、CNTの濃度が0.09重量%のCNT分散水溶液を調製し、PETフィルム(15cm×10cm、光透過率は91%であった)上にバーコーター(No.3〜10)を用いて塗布成膜したのち、得られる膜を水で洗浄してCNT膜を得た。このCNT膜の導電性は、表面抵抗値を(株)ダイアインスツルメンツ社製抵抗率計ロレスタGP MCP−T600を用いて測定した。また透過率は日本電色工業株式会社製ヘイズメーターNDH4000を使用してCNT膜が基材上に密着した状態で基材ごと測定した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. In addition, the following examples are for facilitating the understanding of the present invention, and are not limited to these examples. That is, modifications, embodiments, and other examples based on the technical idea of the present invention are included in the present invention.
[Diameter and number of layers evaluation method]
Transmission electron microscope: Topcom EM-002B / UHR, observing CNTs at an acceleration voltage of 120 kV, measuring the diameter of 100 CNTs (in the case of DWCNT, the diameters of the inner and outer layers) and the number of layers statistically Analyzed. In the following examples, when simply described as SW content, DW content, etc., it indicates the ratio of the number of SWCNTs or DWCNTs out of 100.
[Raman scattering analysis]
An NRS-2100 laser Raman spectrophotometer manufactured by JASCO Corporation was used as a laser Raman spectrophotometer, and an argon gas laser (wavelength 514.5 nm) was measured as an excitation light source.
[Light absorption spectroscopy]
After dispersing CNT in heavy water using sodium cholate as a dispersant and centrifuging at 127600 G, the light absorption spectrum of the supernatant solution was measured with a U-4100 model manufactured by Hitachi.
[Thermogravimetric analysis]
Using a differential thermal balance TG8120 manufactured by Rigaku Corporation, a weight reduction curve was measured from 20 ° C. to 900 ° C. at an air flow rate of 100 cc / min and a heating rate of 5 ° C./min.
[Transparent conductivity evaluation]
A CNT-dispersed aqueous solution having a CNT concentration of 0.09 wt% was prepared using carboxymethylcellulose sodium salt as a dispersant, and a bar coater (15 cm × 10 cm, light transmittance was 91%) on a PET film (15% × 10 cm). No. 3 to 10) were used for coating and film formation, and the resulting film was washed with water to obtain a CNT film. The conductivity of the CNT film was measured using a resistivity meter Loresta GP MCP-T600 manufactured by Dia Instruments Co., Ltd. Moreover, the transmittance | permeability was measured for each base material in the state which the CNT film | membrane closely_contact | adhered on the base material using the Nippon Denshoku Industries Co., Ltd. haze meter NDH4000.

<実施例1>
図1に示すような、縦型のCNT製造装置を使用して本発明のCNT集合体を製造した。
<Example 1>
The CNT aggregate of the present invention was manufactured using a vertical CNT manufacturing apparatus as shown in FIG.

本装置は電気炉1、内径52mm、外径60mm、長さ1200mm、内有効加熱長さ600mmのムライト製反応管2、液状原料スプレー3、スプレーガス流量計4、第1キャリアガス流量計5、第2キャリアガス流量計6、マイクロフィーダー7、回収フィルター8、第2炭素源流量計9、ガス混合器10、で構成されている。   The apparatus comprises an electric furnace 1, a mullite reaction tube 2 having an inner diameter of 52 mm, an outer diameter of 60 mm, a length of 1200 mm, and an inner effective heating length of 600 mm, a liquid raw material spray 3, a spray gas flow meter 4, a first carrier gas flow meter 5, It comprises a second carrier gas flow meter 6, a microfeeder 7, a recovery filter 8, a second carbon source flow meter 9, and a gas mixer 10.

マイクロフィーダー7には、第1炭素源となるトルエン:有機遷移金属化合物であるフェロセン:有機硫黄化合物であるチオフェンの混合比が、重量比で100:4:1の原料液を貯留し、他方第2炭素源としてメタンを使用し、第2炭素源流量計9、ガス混合器10を経て、流量制御した。   The microfeeder 7 stores a raw material liquid having a mixing ratio of toluene: organic transition metal compound ferrocene: organic sulfur compound thiophene: 100: 4: 1 as a first carbon source, Methane was used as the two carbon source, and the flow rate was controlled via the second carbon source flow meter 9 and the gas mixer 10.

水素ガスを第1キャリアガスおよびスプレーガス、アルゴンを第2キャリアガスとしてスプレーガス流量計4、キャリアガス流量計5および6を用いて、水素:アルゴンの混合比を体積比で3:7、合計流量を流量3L/minに制御した混合型キャリアガスとして流通させ、1200℃に加熱された電気炉中の反応管2に、上記原料液を7.5μL/minの流速で3時間スプレーすることによって流動気相CVD合成を行った。生成物は回収フィルター8で捕集した。第2炭素源のメタンガス流量を0−90sccmに制御して製造した生成物の時間当たりの収量、IG/ID比、TEM観察の結果によって得られたSWCNTの含有率と、DWCNTの含有率を表1に示す。   Using a spray gas flow meter 4 and carrier gas flow meters 5 and 6 with hydrogen gas as the first carrier gas and spray gas and argon as the second carrier gas, the hydrogen: argon mixture ratio is 3: 7 in volume ratio, total By flowing as a mixed carrier gas whose flow rate is controlled to 3 L / min and spraying the raw material liquid on the reaction tube 2 in an electric furnace heated to 1200 ° C. at a flow rate of 7.5 μL / min for 3 hours. Fluidized gas phase CVD synthesis was performed. The product was collected with a collection filter 8. Table 2 shows the yield per hour, the IG / ID ratio, the SWCNT content and the DWCNT content obtained by controlling the methane gas flow rate of the second carbon source to 0-90 sccm. It is shown in 1.

CNTの時間当たりの収量はメタンガス流量の増加とともに高くなり、60sccmで最大となった。   The yield per hour of CNT increased with increasing methane gas flow rate and reached a maximum at 60 sccm.

図2aは、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察されたSWCNT集合体(メタンガス流量10sccmでの生成物)であり、図2bはTEMで観察されたSWとDW集合体(メタンガス流量30sccmでの生成物)であり、図2cはSW,DW、MWCNT集合体(メタンガス流量90sccmでの生成物)である。図2bにおいてSWCNTは円で囲まれている。図2cにおいてMWCNTは○で、SWCNTは破線で囲まれている。TEM写真によれば、実際には、得られた生成物はほとんどSWとDWCNTであり、三層以上のMWCNTも確認されたが、その量はわずか10重量%以下であった。   FIG. 2a is a SWCNT aggregate (product at a methane gas flow rate of 10 sccm) observed by a transmission electron microscope (TEM), and FIG. 2b is a SW and DW aggregate observed at a TEM (production at a methane gas flow rate of 30 sccm). FIG. 2c shows a SW, DW, and MWCNT aggregate (product at a methane gas flow rate of 90 sccm). In FIG. 2b, SWCNTs are circled. In FIG. 2c, MWCNT is circled and SWCNT is surrounded by a broken line. According to the TEM photograph, the products obtained were actually SW and DWCNT, and three or more layers of MWCNT were also confirmed, but the amount was only 10% by weight or less.

TEM写真をもってSWCNTとDWCNTの割合及びそれぞれの直径を測定した。SWCNTの含有率はメタンガス流量に依存し、メタン増加につれて95%から36%に低下し、逆にDWCNT含有率は5%から63%に増えた。図3に示すように、メタンガス流量の変化によらずカーボンナノチューブの直径はほぼ一定であり、SWCNTの平均直径は2.5nmで、DWCNTの平均外形は3.2nm、平均内径は2.4nmであった。これらの値からメタンガス流量によって制御できるDWCNTの含有率を重量パーセント表示すると10重量%〜80重量%であった。   The ratio of SWCNT and DWCNT and the diameter of each were measured with a TEM photograph. The SWCNT content depends on the methane gas flow rate, and decreases from 95% to 36% as methane increases, and conversely, the DWCNT content increases from 5% to 63%. As shown in FIG. 3, the diameter of the carbon nanotube is almost constant regardless of the change in the methane gas flow rate, the average diameter of SWCNT is 2.5 nm, the average outer shape of DWCNT is 3.2 nm, and the average inner diameter is 2.4 nm. there were. From these values, the content of DWCNT that can be controlled by the methane gas flow rate is 10 wt% to 80 wt% in terms of weight percent.

図4にあるようにラマン分光では、100cm−1に主なRBMピークがあり、直径約2.48nmのSWCNTに対応する。この位置はメタンガス流量が30sccmまで変わらず、より多くのメタンの添加では、DWCNT割合の増加でピークの強度が弱くなった。またいずれの場合1590cm−1における強いGバンドに比べ1300cm−1付近におけるDバンドのピークは非常に弱い。得られたCNTのIG/ID比はいずれも60以上であった。 As shown in FIG. 4, in Raman spectroscopy, there is a main RBM peak at 100 cm −1 , which corresponds to SWCNT having a diameter of about 2.48 nm. At this position, the flow rate of methane gas did not change up to 30 sccm, and when more methane was added, the intensity of the peak became weaker as the DWCNT ratio increased. The peak of the D band at 1300cm around -1 compared to strong G band in the case 1590 cm -1 in either very weak. The obtained CNT had an IG / ID ratio of 60 or more.

さらに図5にあるようにUV吸収スペクトルでは、メタン流量変化によるS22吸収ピークの変化はわずかであり、SWCNTの直径はほぼ一定であることを反映している。これは上記のTEM観察の結果と一致している。   Further, as shown in FIG. 5, in the UV absorption spectrum, the change in the S22 absorption peak due to the change in the methane flow rate is slight, reflecting that the SWCNT diameter is almost constant. This is consistent with the results of the above TEM observation.

熱重量測定により、図6のようにCNT集合体は500℃までの重量減少率は2−6重量%以下であり、900℃までの重量減少率から計算された金属含有率はいずれも4重量%以下であった。   As shown in FIG. 6, the weight loss rate up to 500 ° C. is 2-6% by weight or less, and the metal content calculated from the weight reduction rate up to 900 ° C. is 4%. % Or less.

<実施例2>
マイクロフィーダー7に貯留する原料液におけるトルエン:有機遷移金属化合物であるフェロセン:有機硫黄化合物であるチオフェンの混合比が、重量比で100:2:0.5、キャリアガスを水素:窒素の混合比が、体積比で5:5の混合型キャリアガスにした以外は、実施例1と同様にして実験を行った。結果を表2に示す。
<Example 2>
The mixing ratio of toluene: organic transition metal compound ferrocene: organic sulfur compound thiophene in the raw material liquid stored in the microfeeder 7 is 100: 2: 0.5 by weight ratio, and the carrier gas is a mixing ratio of hydrogen: nitrogen. However, the experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that the mixed carrier gas was 5: 5 by volume. The results are shown in Table 2.

CNTの時間当たりの収量はメタンガス流量の増加とともに高くなったが、触媒量が少ないため実施例1で得られた収量より低下した。メタンガス流量の増加につれてSWCNTの含有率は84%から52%に低下し、逆にDWCNT含有率は16%から48%に増えた。   The yield per hour of CNT increased with an increase in the methane gas flow rate, but was lower than the yield obtained in Example 1 due to the small amount of catalyst. As the methane gas flow rate increased, the SWCNT content decreased from 84% to 52%, and conversely, the DWCNT content increased from 16% to 48%.

図7のように、TEM観察により得られたSWCNTとDWCNTの直径はほぼ一定であり、SWCNTの平均直径は2.5nmで、DWCNTの平均外径は3.3nm、平均内径は2.2nmであった。これらの値からメタンガス流量によって制御できるDWCNTの含有率を重量パーセント表示すると30重量%〜70重量%であった。   As shown in FIG. 7, the diameters of SWCNT and DWCNT obtained by TEM observation are almost constant, the average diameter of SWCNT is 2.5 nm, the average outer diameter of DWCNT is 3.3 nm, and the average inner diameter is 2.2 nm. there were. From these values, the content of DWCNT that can be controlled by the methane gas flow rate is 30 wt% to 70 wt% when expressed in weight percent.

図8のラマン測定の結果、100cm−1におけるRBMピーク(直径2.48nmのSWCNTに対応)は一定であり、CNTのIG/ID比はいずれも60以上であった。 As a result of the Raman measurement in FIG. 8, the RBM peak at 100 cm −1 (corresponding to SWCNT having a diameter of 2.48 nm) was constant, and the IG / ID ratio of each CNT was 60 or more.

熱重量測定によると、CNT集合体は500℃までの重量減少率は4−6重量%であり、900℃までの重量減少率から計算された金属含有率はいずれも2重量%以下であった。   According to thermogravimetry, the weight loss rate up to 500 ° C. of the CNT aggregate was 4-6% by weight, and the metal content calculated from the weight loss rate up to 900 ° C. was less than 2% by weight. .

<実施例3>
マイクロフィーダー7に貯留する原料液におけるトルエン:有機遷移金属化合物であるフェロセン:有機硫黄化合物であるチオフェンの混合比が、重量比で100:4:2、キャリアガスを水素:ヘリウムの混合比が、体積比で1:9の混合型キャリアガスにしたにした以外は、実施例1と同様にして実験を行った。結果を表3に示す。
<Example 3>
The mixing ratio of toluene: organic transition metal compound ferrocene: organic sulfur compound thiophene in the raw material liquid stored in the microfeeder 7 is 100: 4: 2 by weight, and the carrier gas is a hydrogen: helium mixing ratio. The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the mixed carrier gas was in a volume ratio of 1: 9. The results are shown in Table 3.

CNT収量はメタンガス流量の増加とともに高くなったが、実施例1より低下した。TEM観察によりメタンガス流量の増加につれてSWCNTの含有率は82%から56%に低下し、逆にDWCNT含有率は18%から44%に増えた。   The CNT yield increased with increasing methane gas flow, but decreased from Example 1. According to TEM observation, the SWCNT content decreased from 82% to 56% as the methane gas flow rate increased, and conversely, the DWCNT content increased from 18% to 44%.

図9のように、SWCNTの平均直径は2.2nmでほぼ一定であったものの、DWCNTはメタン量の増加につれて、外径は3.9nmから2.8nmに、内径は2.9nmから1.9nmに細くなる傾向が見られた。平均外径は3.3nm、平均内径は2.2nmとなった。これらの値からメタンガス流量によって制御できるDWCNTの含有率を重量パーセント表示すると30重量%〜65重量%であった。   As shown in FIG. 9, although the average diameter of SWCNT was almost constant at 2.2 nm, the outer diameter of DWCNT increased from 3.9 nm to 2.8 nm and the inner diameter increased from 2.9 nm to 1.nm as the amount of methane increased. There was a tendency to narrow to 9 nm. The average outer diameter was 3.3 nm, and the average inner diameter was 2.2 nm. From these values, the content of DWCNT that can be controlled by the methane gas flow rate is 30% to 65% by weight when expressed in weight percent.

ラマン測定の結果、図10のようにCNTのIG/ID比はいずれも60以上であった。ただし、低いメタン流量においてRBMピークは低波数側にも見られ、より太いCNTの存在を示唆する結果を得た。TEM観察の結果からおもに直径の太いDWCNTが生成したためであることを確認した。   As a result of Raman measurement, the IG / ID ratio of CNTs was 60 or more as shown in FIG. However, the RBM peak was also seen on the low wavenumber side at a low methane flow rate, and the result suggesting the presence of thicker CNTs was obtained. From the result of TEM observation, it was confirmed that this was mainly due to the generation of DWCNT having a large diameter.

熱重量測定によると、CNT集合体は500℃までの重量減少率は3−6%であり、900℃までの重量減少率から計算された金属含有率はいずれも3%以下であった。   According to thermogravimetry, the weight loss rate up to 500 ° C. of the CNT aggregate was 3-6%, and the metal content calculated from the weight loss rate up to 900 ° C. was 3% or less.

<実施例4>
実施例1で用いたメタンガス流量10sccm(DWCNT含有率7%)のCNT集合体と、メタンガス流量60sccm(DWCNT含有率42%)のCNT集合体とを用いて、CNT膜の透明導電性を測定したところ、良好な透明導電性を示した。DWCNTの含有量が多いほど優れた透明導電性を示す結果となった(図11)。
<Example 4>
The transparent conductivity of the CNT film was measured using the CNT aggregate having a methane gas flow rate of 10 sccm (DWCNT content of 7%) and the CNT aggregate having a methane gas flow rate of 60 sccm (DWCNT content of 42%) used in Example 1. However, it showed good transparent conductivity. The higher the DWCNT content, the better the transparent conductivity (FIG. 11).

本発明の製造装置を用いた製造方法にて得られるカーボンナノチューブ集合体は、任意の比率で高品質かつ高純度の単層と二層のカーボンナノチューブを有し、カーボンナノチューブの本来の優れた電気・熱伝導性、及び機械的性質を発現でき、従来の炭素繊維よりも高強度、高熱伝導性、高電気伝導性を有しており、透明導電膜、電解電子放出デバイス、などの用途に好適である。   The aggregate of carbon nanotubes obtained by the production method using the production apparatus of the present invention has high-quality and high-purity single-walled and double-walled carbon nanotubes at an arbitrary ratio, and the carbon nanotube original excellent electric -It can exhibit thermal conductivity and mechanical properties, has higher strength, higher thermal conductivity, and higher electrical conductivity than conventional carbon fiber, and is suitable for applications such as transparent conductive films and electrolytic electron emission devices. It is.

1 電気炉
2 反応管
3 液状原料スプレー
4 スプレーガス流量計
5 第1キャリアガス流量計
6 第2キャリアガス流量計
7 マイクロフィーダ―
8 回収フィルター
9 第2炭素源流量計
10 ガス混合器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric furnace 2 Reaction tube 3 Liquid raw material spray 4 Spray gas flow meter 5 1st carrier gas flow meter 6 2nd carrier gas flow meter 7 Micro feeder
8 Recovery filter 9 Second carbon source flow meter 10 Gas mixer

Claims (14)

気相流動CVD法において、少なくとも水素と不活性ガスで構成される混合型キャリアガス雰囲気中、第1炭素源として常温で液体の炭化水素を、第2炭素源としてメタンを用いることを特徴とする、少なくとも単層カーボンナノチューブと二層カーボンナノチューブが混合してなるカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   In the gas-phase flow CVD method, hydrocarbons that are liquid at room temperature as a first carbon source and methane as a second carbon source are used in a mixed carrier gas atmosphere composed of at least hydrogen and an inert gas. A method for producing a carbon nanotube aggregate formed by mixing at least single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes. 混合型キャリアガスにおける水素の含有率が10体積%以上50体積%以下であることを特徴とする請求項1記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   The method for producing a carbon nanotube aggregate according to claim 1, wherein the hydrogen content in the mixed carrier gas is 10% by volume or more and 50% by volume or less. 混合型キャリアガスにおける不活性ガスが希ガス又は窒素であることを特徴とする請求項1又は2記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   The method for producing an aggregate of carbon nanotubes according to claim 1 or 2, wherein the inert gas in the mixed carrier gas is a rare gas or nitrogen. 希ガスがアルゴン又はヘリウムであることを特徴とする請求項3記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   The method for producing a carbon nanotube aggregate according to claim 3, wherein the rare gas is argon or helium. 第1炭素源が芳香族炭化水素であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   The method for producing an aggregate of carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 4, wherein the first carbon source is an aromatic hydrocarbon. 芳香族炭化水素がトルエン又はベンゼンであることを特徴とする請求項5記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   6. The method for producing a carbon nanotube aggregate according to claim 5, wherein the aromatic hydrocarbon is toluene or benzene. 第2炭素源のメタンガス流量を、同温度の気体と仮定した第1炭素源の流量の10倍から40倍とし、且つキャリアガス流量の500分の1以上5分の1以下の範囲で設定することによってカーボンナノチューブ集合体中の二層カーボンナノチューブの含有率を10重量%乃至80重量%の範囲に調整することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のカーボンナノチューブ集合体の製造方法。   The methane gas flow rate of the second carbon source is set to be 10 to 40 times the flow rate of the first carbon source, which is assumed to be a gas at the same temperature, and set in the range of 1/500 to 1/5 of the carrier gas flow rate. The content of the double-walled carbon nanotube in the carbon nanotube aggregate is adjusted to a range of 10 wt% to 80 wt%, thereby producing the carbon nanotube aggregate according to any one of claims 1 to 6 Method. 二層カーボンナノチューブの平均外径が3.2±0.5nm、平均内径が2.4±0.5nm、単層カーボンナノチューブの平均直径が2.5±0.5nmであり、且つラマン散乱分析におけるGバンドとDバンドの強度比IG/IDが50以上であることを特徴とする少なくとも単層カーボンナノチューブと二層カーボンナノチューブが混合してなるカーボンナノチューブ集合体。   The average outer diameter of double-walled carbon nanotubes is 3.2 ± 0.5 nm, the average inner diameter is 2.4 ± 0.5 nm, the average diameter of single-walled carbon nanotubes is 2.5 ± 0.5 nm, and Raman scattering analysis An aggregate of carbon nanotubes comprising a mixture of at least single-walled carbon nanotubes and double-walled carbon nanotubes, wherein the intensity ratio IG / ID between G band and D band is 50 or more. 二層カーボンナノチューブの含有率が10重量%乃至80重量%であることを特徴とする請求項8記載のカーボンナノチューブ集合体。   The aggregate of carbon nanotubes according to claim 8, wherein the content of the double-walled carbon nanotubes is 10 wt% to 80 wt%. 3層以上の多層カーボンナノチューブ含有率が10重量%以下であることを特徴とする請求項9記載のカーボンナノチューブ集合体。   The aggregate of carbon nanotubes according to claim 9, wherein the content of the multi-walled carbon nanotubes of three or more layers is 10% by weight or less. 金属含有量が5重量%以下であることを特徴とする請求項10記載のカーボンナノチューブ集合体。   11. The carbon nanotube aggregate according to claim 10, wherein the metal content is 5% by weight or less. 熱重量分析における20℃から500℃での重量減少率が10重量%以下であることを特徴とする請求項11に記載のカーボンナノチューブ集合体。   The aggregate of carbon nanotubes according to claim 11, wherein a weight reduction rate from 20 ° C. to 500 ° C. in thermogravimetric analysis is 10% by weight or less. 請求項8〜12のいずれかに記載のカーボンナノチューブ集合体を加工してなる薄膜。   The thin film formed by processing the carbon nanotube aggregate in any one of Claims 8-12. 加熱手段を有し、生成物排出側にカーボンナノチューブを捕集する捕集容器、原料供給側に少なくともメタンを含むガス状炭化水素で構成される炭素源、触媒又は触媒前駆体を含む芳香族炭化水素溶液、及び少なくとも水素と不活性ガスを含むキャリアガスのための各供給路を備え、これらを原料としてカーボンナノチューブ集合体を生成せしめることができることを特徴とする縦型カーボンナノチューブ製造装置。   A collection container having a heating means for collecting carbon nanotubes on the product discharge side, an aromatic carbonization containing a carbon source composed of gaseous hydrocarbons containing at least methane on the raw material supply side, a catalyst or a catalyst precursor An apparatus for producing vertical carbon nanotubes comprising a supply path for a hydrogen solution and a carrier gas containing at least hydrogen and an inert gas, and using these as a raw material, a carbon nanotube aggregate can be generated.
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