JP4940190B2 - カーボンナノチューブ製造装置 - Google Patents
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アーク放電法は、正負のグラファイト電極間にアーク放電を起こすことでグラファイトが蒸発し、陰極先端に凝縮したカーボンの堆積物の中にカーボンナノチューブが生成される方法である(例えば、特許文献1参照)。レーザー蒸着法は、高温に過熱した不活性ガス中に金属触媒を混合したグラファイト試料を入れ、レーザー照射することによりカーボンナノチューブを生成する方法である(例えば、特許文献2参照)。
CVD法には、反応炉の中に配置した基板にカーボンナノチューブを生成させる気相成長基板法(例えば、特許文献3参照)と、触媒金属と炭素源を一緒に高温の炉に流動させカーボンナノチューブを生成する流動気相法(例えば、特許文献4参照)の二つの方法がある。
本願第1,第2の発明において、帯状鉄板としては鉄の純度の高い鉄板もしくは鉄を含んだ炭素鋼からなる鉄板を用いることができる。ここで、鉄の純度が高い鉄板とは、純度が90%以上であることを意味する。
本願第2の発明において、「表面処理された」とは、帯状鉄板をサンドペーパー等で磨いた後、塩酸等により処理することを意味する。
本発明において、不活性ガスとしては、例えば窒素ガス,アルゴンガスが挙げられる。また、炭化水素としては、例えばエタノール(バイオエタノールを含む)が挙げられる。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るカーボンナノチューブ(CNT)製造装置の概略図である。
同製造装置は、内部を還元雰囲気に保持しうる反応容器1と、表面にナノカーボン(例えばカーボンナノチューブ)2が生成される無端状の帯状鉄板3と、加熱手段としてのヒータ4と、炭化水素供給手段5と、不活性ガス供給手段6と、カーボンナノチューブ掻き取り回収手段(以下、CNT掻き取り回収手段と呼ぶ)7と、鉄板活性化手段8と、ガス排気手段9を備えている。
1)まず、図2の(A)のように純度99.5%の鉄板41の表面S1をサンドペーパーで磨いた後、図2の(B)のように表面S2を塩酸で表面処理する。つづいて、表面処理した鉄板41を、原料供給手段42,不活性ガス供給手段43,排気ガス回収手段44及び加熱手段45を備えた反応容器46の中に入れ、500〜1000℃程度まで加熱する(図2の(C)参照)。
図3は、前記生成方法でCNT47を生成した写真の外形を描いたものである。即ち、図3は、鉄板41をステンレス線49で天板50に吊り下げた状態で加熱してCNT47を生成したことを示している。
まず、装置内部を不活性雰囲気にするために、不活性供給手段6を使って例えば窒素ガスを供給し、内部を窒素雰囲気に置換する。その後、帯状鉄板3を回転移動させ、ヒータ制御手段14の電源を入れ、カーボンナノチューブ生成雰囲気が500〜1000℃の生成温度に達するまで昇温する。生成温度に達したら、窒素の供給を止めると同時に、炭素原料供給手段5を起動し、例えばエタノールBを炭素原料供給ルズル16から供給し、雰囲気の温度で瞬間に蒸発して炭化水素を含んだ気体となる。その気体と十分に暖められた鉄板表面の鉄触媒と反応してCNT2を還元雰囲気で生成して生長する。帯状鉄板3の表面に生長したCNT2は、従動ローラ11の下部に設けられたCNT掻き取り板22で掻き落とされ、下部のCNT回収缶23に回収される。帯状鉄板3は、従動ローラ11で冷却された後、右へ移動し、研磨ブラシ29で磨き金属表面を露出させ、酸液塗付ブラシ30で表面を活性化して触媒効果を向上させる。その状態で鉄板3とヒータ4間のカーボンナノチューブ生成部に戻され、再度カーボンを生成する。
図4は、本発明の第2の実施形態に係るCNT製造装置の概略図である。但し、図1と同部材は同符番を付して説明を省略し、要部のみを説明する。
第2の実施形態に係るナノカーボン製造装置は、図1の場合と比べて、研磨ブラシ,酸液塗布ブラシ,研磨粉回収缶,酸液回収缶及び鉄板活性化手段を省いた点、及びCNTを掻き取り板で掻き取る際,鉄触媒の一部残す点が異なることを特徴とする。
まず、装置内部を不活性雰囲気にするために、不活性供給手段6を使って例えば窒素を供給し、内部を窒素雰囲気に置換する。その後、帯状鉄板3を回転移動させ、ヒータ制御手段14の電源を入れ、CNT生成雰囲気が500〜1000℃の生成温度に達するまで昇温する。生成温度に達したら、窒素の供給を止めると同時に、炭素原料供給手段5を起動し、例えばエタノールBを炭素原料供給ルズル16から供給し、雰囲気の温度で瞬間に蒸発して炭化水素を含んだ気体となる。その気体と十分に暖められた鉄板表面の鉄触媒と反応してCNT2を還元雰囲気で生成して生長する。帯状鉄板3の表面に生長したCNT3は、従動ローラ10の下部に設けられたCNT掻き取り板22で掻き落とされ、下部のCNT回収缶23に回収される。この掻き取りの際に触媒として機能する鉄触媒を殆ど残す。これが元になり再度CNT2が生成することになる。
図5は、本発明の第3の実施形態に係るCNT製造装置の概略図である。但し、図1と同部材は同符番を付して説明を省略し、要部のみを説明する。
図5中の符番51は、CNTを生成し、CNT掻き取り後の帯状鉄板3aを巻き取る駆動巻取りローラである。また、符番52は、例えば塩酸等により表面処理した帯状鉄板3が巻回された従動ローラである。表面処理した帯状鉄板3aは、従動ローラ52から第1の支持ローラ53aを経てCNT生成部でCNTを生成し、CNT掻き取り後、第2の支持ローラ53bを経て巻取りローラ51で巻き取るようになっている。
まず、装置内部を不活性雰囲気にするために、不活性ガス供給手段6を使って例えば窒素を供給し、内部を窒素雰囲気に置換する。次に、ヒータ制御手段14の電源を入れ、カーボンナノチューブ生成雰囲気が500〜1000℃の生成温度に達するまで昇温する。生成温度に達したら、窒素の供給を止めると同時に、表面処理した帯状鉄板3aを回転移動させ、炭素原料供給手段5を起動し、例えばエタノールBを炭素原料供給ルズル16から供給し、雰囲気の温度で瞬間に蒸発して炭化水素を含んだ気体となる。その気体と十分に暖められた鉄板表面の鉄触媒と反応してCNT2を還元雰囲気で生成して生長する。帯状鉄板3aの表面に生長したCNT2は、駆動巻き取りローラ51の下部に設けられたCNT掻き取り板22で掻き落とされ、下部のCNT回収缶23に回収される。
図6は、本発明の第4の実施形態に係るCNT製造装置の要部のみを示す概略図である。但し、図1と同部材は同符番を付して説明を省略し、要部のみを説明する。
同製造装置は、内部を還元雰囲気に保持しうる反応容器(図示せず)と、表面にCNT2が生成される円板形状の鉄板60と、加熱手段としてのヒータ4と、炭化水素供給手段5を構成する炭素原料供給ノズル16と、不活性ガス供給手段(図示せず)と、CNT掻き取り回収手段を構成するCNT掻き取り板22と、鉄板活性化手段8を構成する酸液供給ノズル35と、ガス排気手段(図示せず)と、鉄板60をゆっくり回転させる回転手段61を備えている。
まず、装置内部を不活性雰囲気にするために、筐体18内に窒素供給手段を用いて例えば窒素を供給し、内部を窒素雰囲気に置換する。次に、駆動モータ64を矢印Fの方向に回転させる。次に、ヒータ4の電源を入れ、鉄板60がカーボンナノチューブ生成雰囲気が500〜1000℃の生成温度に達するまで昇温する。生成温度に達したら、窒素の供給を止めると同時に、炭素原料供給手段を起動し、例えばエタノールBを炭素原料供給ルズル16から供給する。エタノール16は、雰囲気の温度で瞬間に蒸発して炭化水素を含んだ気体となる。その気体と十分に暖められた鉄板60表面の鉄触媒と反応してCNT2を還元雰囲気で生成して生長する。鉄板60の表面に生長したCNT2は、CNT掻き取り板22で掻き落とされ、下部のCNT回収缶24に回収される。鉄板60は仕切り板65aを通り過ぎ、冷却された後に研磨ブラシ66で磨き、さらに、酸液塗付ノズル35で例えば塩酸Dを鉄板50表面に噴霧して表面を活性化(活性化面S)し、触媒効果を向上させる。その後、鉄板60は、仕切り板65bを通過し再度CNT2の生成を繰り返す。
図7は、本発明の第5の実施形態に係るCNT製造装置の要部のみを示す概略図である。但し、図1,図6と同部材は同符番を付して説明を省略し、要部のみを説明する。 第5の実施形態に係るナノカーボン製造装置は、図6の場合と比べ、円形の鉄板60を縦型にし、酸液供給ノズル35から鉄板60に横方向から塩酸Dを噴霧するようにした点が異なり、他は図6の場合と同様である。また、CNT2の製造の仕方も第4の実施形態で述べたとおりである。
図8は、本発明の第6の実施形態に係るCNT製造装置の概略図である。但し、図1と同部材は同符番を付して説明を省略し、要部のみを説明する。
まず、装置内部を不活性雰囲気にするために、不活性供給手段を用いて例えば窒素を供給し、内部を窒素雰囲気に置換する。次に、ヒータ4の電源を入れ、円筒72が500〜1000℃のカーボンナノチューブ生成温度に達するまで昇温する。生成温度に達したら、窒素の供給を止めると同時に、炭素原料供給手段を起動し、例えばエタノールを炭素原料供給ルズルから供給する。エタノールは、雰囲気の温度で瞬間に蒸発して炭化水素を含んだ気体となる。その気体と十分に暖められた円筒72の内表面の鉄触媒と反応してCNT2を還元雰囲気で生成して生長する。
CNT2が十分成長したら駆動モータ75を矢印Fの方向に回転させ、円筒72の内面に生長したCNT2を掻き取り羽根74で掻き落とし、下部のCNT回収缶24に回収される。なお、カーボン製造装置内で発生するガスは、ガス排気手段8で水封を介してガスが逆流しないように排気される。
図9は、本発明の第7の実施形態に係るCNT製造装置の概略図である。但し、図1,8と同部材は同符番を付して説明を省略し、要部のみを説明する。
図9のCNT製造装置は、図8と比べ、内部を還元雰囲気に保持しうる鉄製の円筒81のみを用いる点が異なり、この円筒81の内壁にCNTを生成することを特徴とする。その他の構成部材及び製造方法は、図8の場合と同様である。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1] 内部を還元雰囲気に保持しうる反応容器と、この反応容器内に設けられ,ローラにより駆動するとともに表面にナノカーボンが生成される無端状の帯状鉄板と、帯状鉄板を加熱する加熱手段と、反応容器内に炭化水素を供給する炭化水素供給手段と、反応容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、帯状鉄板に生成されたナノカーボンを回収する掻き取り回収手段と、反応容器内のガスを排気するガス排気手段とを具備することを特徴とするナノカーボン製造装置。
[2] 帯状鉄板を活性化させる鉄板活性化手段を更に具備することを特徴とする[1]記載のナノカーボン製造装置。
[3] 内部を還元雰囲気に保持しうる反応容器と、この反応容器内に設けられ,ローラにより駆動するとともに表面にナノカーボンが生成される表面処理された帯状鉄板と、帯状鉄板を加熱する加熱手段と、反応容器内に炭化水素を供給する炭化水素供給手段と、反応容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、帯状鉄板に生成されたナノカーボンを回収する掻き取り回収手段と、反応容器内のガスを排気するガス排気手段とを具備することを特徴とするナノカーボン製造装置。
[4] 前記鉄板は、鉄の純度の高い鉄板もしくは鉄を含んだ炭素鋼からなる鉄板であることを特徴とする[1]もしくは[2]記載のナノカーボン製造装置。
[5] 内部を還元雰囲気に保持しうる反応容器と、この反応容器内に設けられ,表面にナノカーボンが生成される円板形状の鉄板と、この鉄板を駆動する駆動手段と、前記鉄板を加熱する加熱手段と、反応容器内に炭化水素を供給する炭化水素供給手段と、反応容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記鉄板に生成されたナノカーボンを回収する掻き取り回収手段と、前記鉄板を活性化させる鉄板活性化手段と、反応容器内のガスを排気するガス排気手段とを具備することを特徴とするナノカーボン製造装置。
[6] 内部を還元雰囲気に保持しうるとともに,外気と遮断可能な円筒状縦型反応容器と、この縦型反応容器内に配置された鉄系材料からなる円筒と、この円筒の内壁に生成されるナノカーボンを掻き取る螺旋状の掻き取り羽根と、この掻き取り羽根を駆動する駆動源と、円筒を加熱する加熱手段と、縦型反応容器内に炭化水素を供給する炭化水素供給手段と、縦型反応容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、鉄系材料からなる円筒鉄板に生成されたナノカーボンを回収する回収手段と、縦型反応容器内のガスを排気するガス排気手段とを具備することを特徴とするナノカーボン製造装置。
[7]前記炭化水素供給手段より反応容器内に供給される炭化水素は、エタノール(バイオエタノールを含む)であることを特徴とする[1]乃至[6]いずれか一記載のナノカーボン製造装置。
Claims (3)
- 内部を還元雰囲気に保持しうる反応容器と、この反応容器内に設けられ,ローラにより駆動するとともに表面にカーボンナノチューブが生成される無端状の帯状鉄板と、帯状鉄板を加熱する加熱手段と、反応容器内に炭素原料を供給する炭素原料供給手段と、反応容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、帯状鉄板に生成されたカーボンナノチューブを回収する掻き取り回収手段と、反応容器内のガスを排気するガス排気手段と、前記帯状鉄板の表面に酸液を塗布する酸液塗布ブラシと、前記帯状鉄板に酸液を供給して帯状鉄板を活性化させる鉄板活性化手段とを具備し、前記鉄板活性化手段は、一端が前記酸液塗布ブラシまで延出する酸液供給ノズルと、酸液を収容する酸液収容タンクと、この酸液収容タンク内の酸液を、酸液供給ノズルを通して酸液塗布ブラシに送るポンプとを備えていることを特徴とするカーボンナノチューブ製造装置。
- 前記鉄板は、鉄の純度の高い鉄板もしくは鉄を含んだ炭素鋼からなる鉄板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製造装置。
- 前記炭素原料供給手段より反応容器内に供給される炭素原料は、エタノール(バイオエタノールを含む)であることを特徴とする請求項1または2記載のカーボンナノチューブ製造装置。
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