JP4819138B2 - Quartz-clad carbon nanotube fiber bundle - Google Patents
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Description
本発明は石英管中に収納したカーボンナノチューブ束を加熱し、カーボンナノチューブを 石英管と共に軟化しながら牽引して一体の線状体に延伸する石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束に係る。 The present invention relates to a quartz-clad carbon nanotube fiber bundle that heats a carbon nanotube bundle housed in a quartz tube and pulls the carbon nanotube while being softened together with the quartz tube to draw it into an integral linear body.
従来カーボンナノチューブについては、カーボンナノチューブの弾性常数の測定やその引っ張り強度の弾性限界に関する研究はトンネル顕微鏡の測定法を応用したものが、現在までに可なり報告されるようになってきている。 With regard to conventional carbon nanotubes, research on the measurement of elastic constants of carbon nanotubes and the elastic limit of tensile strength has been reported to date by applying a measurement method of a tunneling microscope.
しかしながら、チューブが張力によって切断されるときの臨界張力を測定した例は、まだ報告がない。従来の研究では、カーボンナノチューブを窒素気流中で石英管に入れ、加熱過程で瞬間的に細く引き延ばしたものを試料とし臨界張力の測定に用いる方法を試みた。また、この方法によって出来た試料の微細構造を倍率500倍の金属顕微鏡で観察し、拡大像をCCDカメラに記録し、その微細構造の不完全性と臨界張力との関係を調べたことがある。
然しながら、この実験はカーボンナノチューブの加熱延伸による臨界張力の測定実験だけである。
However, there has not been reported yet an example of measuring the critical tension when the tube is cut by tension. In the previous research, we tried a method in which carbon nanotubes were put into a quartz tube in a nitrogen stream, and the sample was stretched thinly instantaneously during the heating process and used to measure critical tension. In addition, the microstructure of the sample produced by this method was observed with a metal microscope with a magnification of 500 times, and an enlarged image was recorded on a CCD camera, and the relationship between the imperfection of the microstructure and the critical tension was investigated. .
However, this experiment is only a measurement experiment of critical tension by heating and stretching of carbon nanotubes.
本発明者は上記カーボンナノチューブの実験により、更に張力の大きな線状体を得る目的で石英管中にカーボンナノチューブ束を真空封入し、その外部を加熱しながら、石英管により被覆されたカーボンナノチューブを牽伸して製造された、一体化した線状体の石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束にある。
すなわち、本発明は、内径3mm且つ外径5mm程度の石英管中に、複数のカーボンナノチューブファイバーを真空封入し、該カーボンナノチューブファイバーが白熱軟化する900℃〜1300℃の温度となるように前記石英管を外部加熱して、前記カーボンナノチューブファイバーを軟化させる工程と、
当該軟化中に、カーボンナノチューブファイバーを前記石英管の外径が0.1mm以下となるまで前記石英管と共に牽伸する工程と、
これを室温まで急冷して、カーボンナノチューブファイバー束を含み、可撓性を持つ石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束を製造する工程と、
より成る製造工程を経て得られる石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束を提供する。
本発明者は石英−クラッド・カーボンナノチューブを製造する新規で、簡便な方法を開発したものである。
本発明においては、上記の石英−クラッド・カーボンナノチューブは900℃まで耐熱性体であり、これを石英管で被覆し、その石英被覆体で周囲雰囲気と反応しないよう化学的に安定であるようにしたものである。
The present inventor conducted experiments on the above carbon nanotubes, vacuum-sealing a bundle of carbon nanotubes in a quartz tube for the purpose of obtaining a linear body having a higher tension, and heating the outside of the carbon nanotube bundle, It is in an integrated linear quartz-clad carbon nanotube fiber bundle produced by drafting.
That is, in the present invention, a plurality of carbon nanotube fibers are vacuum sealed in a quartz tube having an inner diameter of 3 mm and an outer diameter of about 5 mm, and the quartz nanotube fibers are heated to incandescently soften at a temperature of 900 ° C. to 1300 ° C. Heating the tube externally to soften the carbon nanotube fiber;
During the softening, drafting the carbon nanotube fiber together with the quartz tube until the outer diameter of the quartz tube is 0.1 mm or less;
Quenching this to room temperature, producing a flexible quartz-clad carbon nanotube fiber bundle containing carbon nanotube fiber bundles,
A quartz-clad carbon nanotube fiber bundle obtained through a manufacturing process is provided.
The inventor has developed a new and simple method for producing quartz-clad carbon nanotubes.
In the present invention, the above-mentioned quartz-clad carbon nanotube is a heat-resistant body up to 900 ° C., and this is coated with a quartz tube so that the quartz-coated body is chemically stable so as not to react with the surrounding atmosphere. It is a thing.
CCDカメラで観察した石英管中のファイバーは、10分の2〜3ミクロンの線幅の管束より出来ており、これは約100乃至数千ナノチューブ束の太さに対応する。予備的な測定によれば、臨界張力は3ton重/mm2乃至40ton重/mm2程度であった。この大きな臨界値の変動は、チューブの構造欠陥およびチューブとチューブとの間のチューブ軸方向の摩擦が、表面の化学処理によって大きく変動することによるものと思われる。 The fibers in the quartz tube observed with a CCD camera are made of tube bundles having a line width of 2 to 10 microns, which corresponds to the thickness of about 100 to several thousand nanotube bundles. Preliminary measurements, critical tension was 3ton heavy / mm 2 to 40ton heavy / mm 2 approximately. This large variation in critical value is thought to be due to the fact that the structural defects of the tube and the friction between the tubes in the axial direction of the tube greatly vary depending on the chemical treatment of the surface.
(実施例)
この線状体を製造するには、カーボンナノチューブの原素材を内径3mm、外径5mmの石英管に真空封入して、石英管中のカーボンナノチューブをカーボンが軟化する900〜1300℃、特に1200℃まで加熱する。試料の温度を測定しながら、石英管を速やかに延伸し、石英管の外径が0.1mm以下となるよう室温まで急冷する。コンピュータ制御のCCDカメラによる顕微鏡で光学的顕微鏡観察すると、カーボンナノチューブ束はその断面が50〜70nmまで薄くなったことが認められた。このカーボンナノチューブ束はラーマンスペクトル測定法で分析した。そのスペクトルは1580cm-1の周波数に近くブリージングモードのL−Tスプリットを示し、グラフィンシートスクロール(巻きもの)構造の存在を示した。
(Example)
In order to manufacture this linear body, the carbon nanotube raw material is vacuum-sealed in a quartz tube having an inner diameter of 3 mm and an outer diameter of 5 mm, and the carbon nanotubes in the quartz tube are softened by carbon at 900 to 1300 ° C, especially 1200 ° C. Until heated. While measuring the temperature of the sample, the quartz tube is quickly stretched and rapidly cooled to room temperature so that the outer diameter of the quartz tube is 0.1 mm or less. When observed with an optical microscope using a microscope with a computer controlled CCD camera, it was found that the cross section of the carbon nanotube bundle was reduced to 50 to 70 nm. The carbon nanotube bundle was analyzed by a Raman spectrum measurement method. Its spectrum was close to a frequency of 1580 cm −1 and showed a breathing mode LT split, indicating the presence of a graphene sheet scroll (roll) structure.
本発明者はナノチューブ束の破断臨界張力を測定するために石英管でカーボンナノチューブを被覆し延伸した線状体1を天井2に懸垂し、図1に示すように釣り支点3A,3Bを介して小さなバケット4を懸垂し水槽5の水をコック6により調節しながら水をバケット4に放出し、上記の石英管クラッドカーボンナノチューブの線状体1が破断する時の破断張力を測定した。
The present inventor suspended a
図1の(A)(B)(C)は、石英−クラッド・カーボンナノチューブの牽伸破断後の状態を示すもので、図1の(A)の場合は石英管よりカーボンナノチューブが突出した状態を示し、破断張力の測定不可の状態を示す。図1の(B)の場合は石英管と内部のカーボンナノチューブが一体となりほぼ同じ断面で破断するような測定可の状態を示す。図1の(C)の場合は外側の石英管の延伸が先であり内部のカーボンナノチューブと一体牽伸されていない状態を示すものでこれも破断張力の測定不可の状態を示す。 FIGS. 1A, 1B and 1C show the state after the draft fracture of the quartz-clad carbon nanotube. In the case of FIG. 1A, the carbon nanotube protrudes from the quartz tube. This indicates a state in which the breaking tension cannot be measured. In the case of FIG. 1B, a measurable state is shown in which the quartz tube and the internal carbon nanotube are integrated and fractured at substantially the same cross section. In the case of FIG. 1 (C), the outer quartz tube is first stretched and is not drafted integrally with the inner carbon nanotube, and this also indicates a state in which the breaking tension cannot be measured.
図1の破断試験において、石英管とカーボンナノチューブ束は破断臨界張力のかかった時点でどちらが早く破断されるかは確答できない。然しながら石英−クラッド・カーボンナノチューブの断面を顕微鏡で見ると、その破断は石英管と内部のカーボンナノチューブとが同時に破断したことを示した。
石英−クラッド・カーボンナノチューブの断面とその鞘となる石英管の断面との相対比より破断限界張力は104kg重/mm2のオーダーとなり、その価は極めて高い値であった。
In the rupture test of FIG. 1, it cannot be confirmed which of the quartz tube and the carbon nanotube bundle is ruptured earlier when the critical breaking tension is applied. However, when the cross section of the quartz-clad carbon nanotube was viewed with a microscope, the breakage showed that the quartz tube and the carbon nanotube inside were broken simultaneously.
The fracture limit tension was on the order of 10 4 kgf / mm 2 from the relative ratio between the cross section of the quartz-clad carbon nanotube and the cross section of the quartz tube serving as its sheath, and its value was extremely high.
図2は本発明の試料となるカーボンナノチューブ束の高干渉波長選択フィルター内蔵の高分解能ラマン分光器を使用した試験装置の一例を示したもので、石英−クラッド・カーボンナノチューブ束6を入射レーザー光7で照射し、散乱光8を光学レンズ9により収斂し、これを高干渉波長選択形フィルター内蔵の高分解能ラマン分光器10で受け、その分光出力をCCD検出器11で検出し、この出力を制御電源12を介してスペクトル記録計13によりディスプレイするもので、単層ナノチューブのときがスペクトル記録計13に表示される。14は通常のグラファイトの場合のディスプレイを示す。
FIG. 2 shows an example of a test apparatus using a high-resolution Raman spectrometer with a built-in high interference wavelength selection filter for a carbon nanotube bundle as a sample of the present invention. The quartz-clad carbon nanotube bundle 6 is irradiated with incident laser light. 7, the scattered light 8 is converged by the optical lens 9, and this is received by a high resolution Raman
図3は石英管15中にカーボンナノチューブ16を真空封入し(図3の(A))、ガスバーナー17により外部加熱しながら、石英管の両端19,19を牽伸し(図3の(B))、石英−クラッド・カーボンナノチューブを製作する状態を示す(図3の(C))。18は牽伸した石英−クラッド・カーボンナノチューブの断面を示す。
図4は実験に使用した単層カーボンナノチューブの分子構造数例を示す模式的図面である。
In FIG. 3,
FIG. 4 is a schematic drawing showing examples of the number of molecular structures of single-walled carbon nanotubes used in the experiment.
〔実験例〕
試料は、予めカーボンファイバーを出来るだけ機械的に細分化したもの(直径約0.1mm)に表面処理を弗酸で行い、これを内径0.3mm程度の石英管の中に挿入して窒素気流中に置く。外部から石英管15を酸素ガス17で加熱し、カーボンナノチューブファイバー16が白熱軟化する程度まで高温になったときに、素早くカーボンナノチューブを石英管共々引き延ばす。この操作によって、カーボンナノファイバーを石英管で被覆して1体に延伸された線状体ができる。これによりカーボンナノチューブファイバーの太さを約10ミクロン程度に細めることができる。ファイバーの微細構造を金属顕微鏡で観察しその微細構造をCCDカメラで撮影して解析した。次に同じような石英微細管をカーボンファイバー無しで作製する。以上2種類の管についてそれらの両端に付けた釣り端子に金属細線を接着させ(図1,3Aおよび3B)、両端から細線に加えた張力でファイバーが切断するまで、張力を増加させ切断するときの張力を計る。
図7に示すものは図6の試料にくらべ構造欠陥が多くL−T分裂が不明瞭である。図8に示すものは焼鈍効果によりL−T分裂が著しく不明瞭となっている。
[Experimental example]
The sample is a carbon fiber that has been subdivided mechanically as much as possible (diameter approx. 0.1 mm), and the surface is treated with hydrofluoric acid. Put. When the
The structure shown in FIG. 7 has more structural defects than the sample of FIG. 6 and the LT splitting is unclear. In the case shown in FIG. 8, the LT splitting is significantly unclear due to the annealing effect.
張力を計るには、図1に示すように細線化した石英−クラッド・カーボンナノチューブよりなる試料管1の一端を天井2に固定し、石英細管接着用の端子3Aおよび3Bを介して垂直に垂らした試料管1にバケット4を懸吊する。他端3Bにはバケット4を吊し、バケット4に水槽5よりパルブ6を調整しながら水を徐々に注入する。試料が切断したときの注入水量から断面積で規準化した臨界張力を求める。石英管+カーボンナノチューブについての臨界張力から、別に測定した石英管のみの臨界張力を引き去りその差を本発明石英被覆カーボンナノチューブの臨界張力と見なした。
In order to measure the tension, as shown in FIG. 1, one end of a
Claims (2)
当該軟化中に、カーボンナノチューブファイバーを前記石英管の外径が0.1mm以下となるまで前記石英管と共に牽伸する工程と、
これを室温まで急冷して、カーボンナノチューブファイバー束を含み、可撓性を持つ石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束を製造する工程と、
より成る製造工程によって製造されることを特徴とする石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束。 A plurality of carbon nanotube fibers are vacuum-sealed in a quartz tube having an inner diameter of 3 mm and an outer diameter of about 5 mm, and the quartz tube is externally heated so that the temperature becomes 900 ° C. to 1300 ° C. at which the carbon nanotube fibers soften incandescent. Softening the carbon nanotube fiber;
During the softening, drafting the carbon nanotube fiber together with the quartz tube until the outer diameter of the quartz tube is 0.1 mm or less;
Quenching this to room temperature, producing a flexible quartz-clad carbon nanotube fiber bundle containing carbon nanotube fiber bundles,
A quartz-clad carbon nanotube fiber bundle manufactured by a manufacturing process comprising:
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