JP6851777B2 - カーボンナノチューブ分散液 - Google Patents
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Description
[1] カーボンナノチューブと、極性溶媒と、多糖類を含む第1分散剤と、ステロイド構造を有する化合物を含む第2分散剤と、を含有するとともに、前記第2分散剤が、前記カーボンナノチューブに対して質量比で1〜3倍含まれる、カーボンナノチューブ分散液。
[2] 前記カーボンナノチューブが、3層以上の層数、30μm以上の長さ、及び375以上のアスペクト比を有する、[1]に記載のカーボンナノチューブ分散液。
[3] 前記極性溶媒が、水、アルコール系溶媒、及びケトン系溶媒のうち、いずれか1種または2種類以上の混合溶媒である、[1]又は[2]に記載のカーボンナノチューブ分散液。
[4] 前記多糖類が、セルロース又はセルロース誘導体である、[1]乃至[3]のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
[5] 前記多糖類の数平均分子量が100,000〜1,000,000の範囲であるとともに、前記多糖類が、前記カーボンナノチューブに対して質量比で5〜60倍の範囲で含まれる、[1]乃至[4]のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
[6] 前記化合物が、コレステロール(C27H46O)である、[1]乃至[5]のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
先ず、本発明を適用した一実施形態であるカーボンナノチューブ分散液の構成について説明する。
本実施形態のカーボンナノチューブ分散液(CNT分散液)は、カーボンナノチューブ(CNT)と、極性溶媒と、多糖類を含む第1分散剤と、ステロイド構造を有する化合物を含む第2分散剤とを含有して、概略構成されている。
本実施形態のCNT分散液に適用可能なカーボンナノチューブとしては、極性溶媒に分散させることが可能であり、基材の表面に塗膜を形成した後に乾燥して溶媒を除去した際にCNTネットワークを形成することが可能であれば、特に限定されるものではない。上記CNTネットワークを形成することで基材に付与したい特性に応じて、適宜選択することができる。
本実施形態のCNT分散液に適用可能なカーボンナノチューブの製造方法としては、特に限定されるものではないが、基板に形成された触媒層上にバンドルを成して垂直配向するように作製することが好ましい。具体的には、例えば、炭素電極間にアーク放電を発生させ、放電用電極の陰極表面に成長させる方法(アーク放電法)、シリコンカーバイドにレーザービームを照射して加熱・昇華させる方法(レーザー蒸発法)、遷移金属系触媒を用いて炭化水素を還元雰囲気下の気相で炭化する方法(化学的気相成長法:CVD(Chemical Vapor Deposition)法)、熱分解法、プラズマ放電を利用する方法等を用いて、所要のカーボンナノチューブを作製することができる。これらの中でも、長尺のカーボンナノチューブを製造する観点で、化学的気相成長法(CVD法)が好ましい。
基板としては、特に限定されるものではないが、複数の触媒粒子から構成される触媒層を支持可能な基板であることが好ましく、触媒が流動化・粒子化する際にその動きを妨げない平滑度を有する基板であることが好ましい。また、基板の材質としては、特に限定されるものではないが、触媒金属に対する反応性が低い材料であることが好ましい。このような基板としては、具体的には、例えば、平滑性や価格の面、耐熱性の面で優れた単結晶シリコン基板が挙げられる。
本実施形態のCNT分散液に適用可能な極性溶媒としては、使用する第1分散剤及び第2分散剤を溶解することが可能であり、これらとの組み合わせでカーボンナノチューブバンドル(CNTB)を構成するカーボンナノチューブ同士の隙間に浸透して当該カーボンナノキューブを孤立状態で分散させ得るものであれば特に限定されない。
本実施形態のカーボンナノチューブ分散液に適用可能な第1分散剤は、多糖類を含む。第1分散剤に含まれる多糖類は、セルロースである。セルロースは、カーボンナノチューブと類似した炭素の環状構造を有するためにカーボンナノチューブの六員環との相溶性が良く、ヒドロキシル基も有するために極性溶媒との相溶性も良いため、CNT分散液中では環状構造をカーボンナノチューブ側に向け、ヒドロキシル基を極性溶媒側に向けて存在する。第1分散剤は、カーボンナノチューブのバンドルを開繊して、極性溶媒中にカーボンナノチューブの分散状態を得ることが可能な分散剤である。
本実施形態のカーボンナノチューブ分散液に適用可能な第2分散剤は、ステロイド構造を有する化合物を含む。第2分散剤に含まれる、ステロイド構造を有する化合物は、コレステロール(C27H46O)である。コレステロールは、硬くてほぼ平面のステロイド骨格(ステロイド環)と柔らかいアルキル基とを有しており、生体膜を構成する分子の一つである。
本実施形態のカーボンナノチューブ分散液は、カーボンナノチューブの濃度が0.1質量%未満であることが好ましく、0.5質量%以下であることがより好ましい。分散液中のカーボンナノチューブの濃度を0.1質量%未満とすることで、カーボンナノチューブの長さをある程度維持した状態で分散液中に均一に分散させることができる。
次に、上述した本実施形態のカーボンナノチューブ分散液の調製方法(製造方法)について説明する。
このようにして、本実施形態のカーボンナノチューブ分散液を作製する。
次に、上述した本実施形態のカーボンナノチューブ分散液を使用した、カーボンナノチューブのネットワーク(CNTネットワーク)が形成された薄膜(CNT薄膜)の形成方法について説明する。
ところで、PETフィルム等の基材上にCNT分散液を塗布・乾燥して形成されるCNT薄膜は、当該薄膜中のカーボンナノチューブの表面が、絶縁性の分散剤(第1分散剤、及び第2分散剤)によって被覆されており、カーボンナノチューブ本来の高導電性を発揮できない。そのため、基材上にCNT分散液を塗布・乾燥した後で、カーボンナノチューブを被覆する分散剤を除去する。
上述したCNT薄膜を形成する際、PETフィルム、PENフィルム、ガラス基材等の透明な基材上に、CNT分散液を塗布・乾燥させることで、透明基材上にCNTネットワークを形成することができる。その際、CNT分散液の濃度と塗布膜厚とを適宜調整することにより、透明基材の透明性を維持した状態で導電性を付与した透明導電膜を作製することができる。例えば、カーボンナノチューブの濃度が0.05質量%のCNT分散液を20μm程度成膜した後、分散剤を除去することで、全光線透過率86%程度、表面抵抗値1000Ω/□程度の透明導電膜が得られる。
(実施例)
厚さ1000Åの酸化膜(SiO2膜)が形成された6インチサイズのシリコン基板を用意した。次いで、スパッタ法によってSiO2膜上に鉄触媒を3.0nmの厚さで堆積させた。次いで、鉄触媒が形成されたシリコン基板を石英製の反応炉内に設置し、該反応炉内にN2を導入し、不活性雰囲気下において、赤外線加熱ヒーターにより該シリコン基板を720℃まで加熱した。
樹脂製のスクレーパーにて、上記シリコン基板上に成長した複数のカーボンナノチューブ(この段階では複数のカーボンナノチューブはバンドルを形成している)を回収した。
次に、得られた複数のカーボンナノチューブをカーボン製のるつぼに充填した。その後、複数のカーボンナノチューブが充填されたカーボン製のるつぼを高温カーボン製電気炉(丸祥電器株式会社製)に挿入し、複数のカーボンナノチューブに対し2600℃にて10分間の熱処理を実施し、カーボンナノチューブの結晶構造に変化を与えることなく、不純物であるカーボンナノチューブ表層のアモルファス(非結晶のカーボン)を除去した。
上記アモルファスを除去したカーボンナノチューブについて、ラマンスペクトルを測定し、励起波長632.8nmで得られるGバンドに出現するピークの強度IGとDバンドに出現するピークの強度IDとの比からG/Dを測定した。この測定の結果、アモルファスを除去したカーボンナノチューブのG/Dは測定した全てのデータが10以上で、平均12であることが分かった。
(実施例1〜2及び比較例1〜2)
多糖類(第1分散剤)として、ヒドロキシプロピルセルロース(以下、「HPC」と略記する)306mg(カーボンナノチューブ質量比30倍)をエタノール20g中に加え、超音波ホモジナイザーを用いて10分間分散させて、第1分散剤溶液を作製した。次いで、第1分散剤溶液に、上記第1〜第4工程によって作製したカーボンナノチューブ10.2mgを加え、超音波ホモジナイザーを用いて15分間分散させて、カーボンナノチューブの分散濃度が0.05質量%のカーボンナノチューブ分散液原料を作製した。
(実施例1)
上記第5工程で作成したカーボンナノチューブ分散液原料に、ステロイド骨格を有するコレステロール(第2分散剤)10.2mg(カーボンナノチューブの質量比:1倍)を加え、超音波ホモジナイザーを用いて15分間分散させて、実施例1のカーボンナノチューブ分散液を作製した。
上記第5工程で作成したカーボンナノチューブ分散液原料に、ステロイド骨格を有するコレステロール(第2分散剤)30.6mg(カーボンナノチューブの質量比:3倍)を加え、超音波ホモジナイザーを用いて15分間分散させて、実施例2のカーボンナノチューブ分散液を作製した。
上記第5工程で作成したカーボンナノチューブ分散液原料に、ステロイド骨格を有するコレステロール(第2分散剤)添加せずに、比較例1のカーボンナノチューブ分散液とした。
上記第5工程で作成したカーボンナノチューブ分散液原料に、ステロイド骨格を有するコレステロール(第2分散剤)51.0mg(カーボンナノチューブの質量比:5倍)を加え、超音波ホモジナイザーを用いて15分間分散させて、比較例2のカーボンナノチューブ分散液を作製した。
[第7工程:カーボンナノチューブ薄膜の作製]
上記第6工程によって作製した実施例1〜2及び比較例1〜2のカーボンナノチューブ分散液を、PETフィルムの表面に塗布して塗布膜を形成した。CNT分散液の塗布は、バーコーター(番手No.10)を用い、塗布速度2.5m/minで行った。次いで、角型恒温乾燥機を用い、90℃の条件で塗布膜が形成されたPETフィルムを乾燥し、溶媒を除去した。このようにして、PETフィルムの表面上に、実施例1〜2及び比較例1〜2のCNT薄膜を作製した。
次に、CNT薄膜が形成されたPETフィルムを常温(25℃)のイオン交換水に浸し、分散剤を洗浄除去した。洗浄処理された透明導電膜を、速やかに100℃に加熱された電気炉内に挿入し、1分間の2次乾燥処理を実施した。その後、3mol/Lの硝酸水溶液を準備し、2次乾燥処理された透明導電膜を上記硝酸水溶液に浸し、分散剤を洗浄除去した。硝酸水溶液処理を終了した透明導電膜を常温のイオン交換水に浸し、透明導電膜に付着した硝酸水溶液を洗浄除去した。次いで、透明導電膜を速やかに100℃に加熱された電気炉内に挿入し、1分間の3次乾燥処理を実施することにより、実施例1〜2及び比較例1〜2の透明導電膜を作製した。
実施例1〜2及び比較例1〜2の分散液について、ゼータ電位・粒径測定システム(大塚電子株式会社製、ELSZ−1000)にてゼータ電位を電気泳動光散乱法にて測定し、分散度を評価した。
実施例1〜2及び比較例1〜2の分散液については粘度計(ビステック社製、「型式VISCOLEAD ONE」)、塗布膜について光ピックアップ法にて粘度を測定し、塗布膜の流動性の変化を評価した。
実施例1〜2及び比較例1〜2の透明導電膜について、低抵抗率計(三菱化学アナリテック製、ロレスタGP)にて表面抵抗値を測定し、導電性を評価した。
また、実施例1〜2及び比較例1〜2のCNT薄膜について、ヘイズメーター(日本電色製、「NDH4000」)にて全光線透過率を測定し、透明性を評価した。
実施例1〜2及び比較例1〜2の透明導電膜について、走査型電子顕微鏡(SEM;JEOL製、「JSM−7401F」)にて目視観察し、CNT薄膜におけるCNTネットワークの分散状態を評価した。
実施例1〜2及び比較例1〜2のCNT分散液について、作製条件と、ゼータ電位測定、粘度測定、表面抵抗値、及び全光線透過率の評価結果とを下記の表1に示す。
また、CNT分散液をPET基材に塗布・乾燥して作製したCNT薄膜(透明導電膜)のSEM観察の結果を、図1〜4に示す。
Claims (6)
- カーボンナノチューブと、極性溶媒と、多糖類を含む第1分散剤と、ステロイド構造を有する化合物を含む第2分散剤と、を含有し、
前記第2分散剤が、前記カーボンナノチューブに対して質量比で1〜3倍含まれ、
前記多糖類の数平均分子量が100,000〜1,000,000の範囲であり、
前記多糖類が、前記カーボンナノチューブに対して質量比で5〜60倍の範囲で含まれる、カーボンナノチューブ分散液。 - 前記化合物が、コレステロール(C 27 H 46 O)である、請求項1に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- カーボンナノチューブと、極性溶媒と、多糖類を含む第1分散剤と、ステロイド構造を有する化合物を含む第2分散剤と、を含有し、
前記第2分散剤が、前記カーボンナノチューブに対して質量比で1〜3倍含まれ、
前記化合物が、コレステロール(C 27 H 46 O)である、カーボンナノチューブ分散液。 - 前記カーボンナノチューブが、3層以上の層数、30μm以上の長さ、及び375以上のアスペクト比を有する、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 前記極性溶媒が、水、アルコール系溶媒、及びケトン系溶媒のうち、いずれか1種または2種類以上の混合溶媒である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 前記多糖類が、セルロース又はセルロース誘導体である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
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