JP6569101B2 - カーボンナノファイバーの製造方法 - Google Patents
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Description
[1]カーボンナノファイバーを準備する工程と、前記カーボンナノファイバーにマイクロ波を照射して、前記カーボンナノファイバーの黒鉛化度の向上および前記カーボンナノファイバー中の不純物の除去を行う工程と、を含む、カーボンナノファイバーの製造方法。
[2]前記カーボンナノファイバーを準備する工程では、液パルスインジェクション法により前記カーボンナノファイバーを生成する、[1]に記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
[3]前記カーボンナノファイバーは、不活性雰囲気下においてマイクロ波を照射される、[1]または[2]に記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
[4]前記カーボンナノファイバーは、酸素、水蒸気または二酸化炭素を含む雰囲気下においてマイクロ波を照射される、[1]または[2]に記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
[5]前記カーボンナノファイバーは、大気下においてマイクロ波を照射される、[4]に記載のカーボンナノファイバーの製造方法。
[6]液パルスインジェクション法により生成されたカーボンナノファイバーであって、繊維長が100μm以上であり、かつd002が0.345nm以下である、カーボンナノファイバー。
第1の工程では、カーボンナノファイバーを準備する。たとえば、カーボンナノファイバーを生成する。市販のカーボンナノファイバーを購入することでカーボンナノファイバーを準備してもよい。なお、本明細書において「カーボンナノファイバー」とは、繊維径が1〜1000nmの範囲内、好ましくは10〜500nmの範囲内の炭素繊維を意味する。カーボンナノファイバーの長さは、特に限定されないが、例えば1〜1000μmの範囲内である。
第2の工程では、第1の工程で準備したカーボンナノファイバーにマイクロ波を照射する。ここで「マイクロ波」とは、波長が100μm〜1mの範囲内であり、周波数が300MHz〜3THzの電磁波を意味する。
1.カーボンナノファイバーの製造
(1)LPI法によるカーボンナノファイバーの生成
図1に示されるカーボンナノファイバーの生成装置100を用いて、以下の手順でカーボンナノファイバーを生成した。反応器130としては、長さ1200mm、内径85mmのセラミックスチューブ(株式会社ニッカトー)を使用した。
(1)で得られたカーボンナノファイバー100mgを長さ200mm、内径1インチの石英試験管内に入れた。石英試験管内を空気またはアルゴンガスで満たした後、シリコーン樹脂製の蓋をした。周囲をグラスウール(断熱材)で覆った石英試験管をマイクロ波照射装置内に設置し、マイクロ波(波長2.45GHz、照射出力100〜1800W)を1〜25分間照射した。
(1)透過型電子顕微鏡による観察
マイクロ波を照射した各カーボンナノファイバーについて、透過型電子顕微鏡(TecnaiG2 20 ST;FEI社)を用いて観察した。図5Aは、マイクロ波を照射する前のカーボンナノファイバーの像であり、図5Bは、アルゴンガス雰囲気下においてマイクロ波(波長2.45GHz、照射出力750W)を2分間照射した後のカーボンナノファイバーの像である。図5Bでは、黒鉛結晶に由来する回折像が、鮮明であり、かつ高い配向性を示している。この結果から、マイクロ波を照射することにより、カーボンナノファイバーの黒鉛化度が向上することがわかる。
マイクロ波を照射した各カーボンナノファイバーについて、ラマン分光測定装置(HoloLab 5000;Kaiser Optical Systems Inc.)を用いて黒鉛化度を評価した。黒鉛化度の評価は、Gバンド(1590cm−1)のラマン散乱強度IGに対するDバンド(1350cm−1)のラマン散乱強度IDの比R(ID/IG)を算出することにより行った。黒鉛化度が高いほどR値が小さくなる。
マイクロ波を照射した各カーボンナノファイバーについて、熱重量測定装置(TGA-50;株式会社島津製作所)を用いて不純物含有量および耐酸化性を評価した。不純物含有量の評価は、燃焼後の灰分量比(重量比の最小値)に基づいて行った。不純物含有量が少なくなるほど灰分量比が小さくなる。耐酸化性の評価は、燃焼開始温度(重量減少開始温度)に基づいて行った。耐酸化性が大きいほど燃焼開始温度が高くなる。
マイクロ波を照射した各カーボンナノファイバーについて、親水性を評価した。親水性の評価は、水20mLにカーボンナノファイバー20mgを加え、超音波処理を5分間行った後の分散状況を目視観察することにより行った。親水性が高くなるほどカーボンナノファイバーは水に分散する。
黒鉛化度を評価した各カーボンナノファイバーについて、電気伝導率を評価した。2つの円柱形状の鉄製プローブの底面の間にカーボンナノファイバーを配置し、一方のプローブを他方のプローブに4MPaで押圧した。プローブの底面の直径は、12.5mmである。押圧した状態におけるプローブの底面間の距離(試料の厚み)は、1.1〜1.8mmである。この状態で2つのプローブ間に電圧を印加して電気抵抗を測定し、以下の式(1)によりカーボンナノファイバーの電気伝導率σ(S/m)を算出した。
上記の各評価結果を表1に示す。
1.カーボンナノファイバーの製造
(1)LPI法によるカーボンナノファイバーの生成
実験1と同様の手順で、LPI法によりカーボンナノファイバーを生成した。
(1)で得られたカーボンナノファイバー100mgを長さ200mm、内径1インチの石英試験管内に入れた。石英試験管内を空気で満たした後、シリコーン樹脂製の蓋をした。石英試験管をマイクロ波照射装置内に設置し、マイクロ波(波長2.45GHz、照射出力750W)を10分間照射した。このとき、ある試験管は周囲をグラスウール(断熱材)で覆った状態で冷却せずにマイクロ波を照射した。別の試験管は液体窒素で冷却した状態でマイクロ波を照射した。
(1)で得られたカーボンナノファイバー100mgを長さ200mm、内径1インチの石英試験管内に入れた。石英試験管内を空気で満たした後、シリコーン樹脂製の蓋をした。石英試験管を電気炉内に設置し、1700℃に10分間加熱した。
マイクロ波を照射または電気炉で加熱した各カーボンナノファイバーについて、実験1と同様にラマン分光測定装置を用いて黒鉛化度を評価した。
1.カーボンナノファイバーの製造
(1)LPI法によるカーボンナノファイバーの生成
キャリアガスを7.2cm/分の速度で連続導入しながら原料液100μLを原料液導入口110からパルス状に反応器130内に導入した点を除いては実験1と同様の手順で、LPI法によりカーボンナノファイバーを生成した。
図3に示されるように、長さ200mm、内径1インチの石英試験管310内に窒化ホウ素(BN)製の保護器(BNセル)340を配置した。この保護器340上に(1)で得られたカーボンナノファイバー100mgを配置し、雰囲気ガス導入口320およびガス排出口330を設けられたシリコーン樹脂製の蓋をした。石英試験管310をマイクロ波照射装置300内に設置し、雰囲気ガス導入口320から石英試験管310内にアルゴンガスを導入しながら、マイクロ波(波長2.45GHz、照射出力700Wまたは1800W)を6分間または10分間照射した。
マイクロ波を照射した各カーボンナノファイバーについて、X線回折装置(CuKα線;株式会社リガク;Ultima IV)を用いて黒鉛化度を評価した。黒鉛化度の評価は、カーボンナノファイバーにおける(002)面の間隔d002を測定することにより行った。黒鉛化度が高いほどd002が小さくなる。
110 原料液導入口
120 キャリアガス導入口
130 反応器
140 フィルター
150 電気炉
160 ガス排出口
170 高温領域
210 原料液
220 キャリアガス
230 原料ガス
232 炭素源
234 触媒微粒子
236 初期繊維
238 カーボンナノファイバー
300 マイクロ波照射装置
310 石英試験管
320 雰囲気ガス導入口
330 ガス排出口
340 保護器
410 雰囲気ガス
Claims (2)
- 液パルスインジェクション法によりカーボンナノファイバーを生成する工程と、
前記カーボンナノファイバーにマイクロ波を照射して、前記カーボンナノファイバーの黒鉛化度の向上および前記カーボンナノファイバー中の不純物の除去を行う工程と、
を含む、カーボンナノファイバーの製造方法。 - カーボンナノファイバーを準備する工程と、
前記カーボンナノファイバーに大気下においてマイクロ波を照射して、前記カーボンナノファイバーの黒鉛化度の向上および前記カーボンナノファイバー中の不純物の除去を行う工程と、
を含む、カーボンナノファイバーの製造方法。
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