JP6940058B2 - Carbon nanotube aggregate - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンナノチューブ分子が凝集したカーボンナノチューブ集合体に関する。例えば、3次元形状を有するカーボンナノチューブ集合体に関する。 The present invention relates to an aggregate of carbon nanotubes in which carbon nanotube molecules are aggregated. For example, it relates to an aggregate of carbon nanotubes having a three-dimensional shape.
カーボンナノチューブ(以下、CNTと記す)は、炭素原子だけで構成される円筒状の主骨格を有する物質であり、電気的特性や熱伝導性、機械的性質の優れた材料である。CNTは、非常に軽量、かつ極めて強靱であり、同時に優れた弾性、復元性を有する材料である。このような性質を有するCNTは工業材料として極めて魅力的であり、かつ重要な物質である。例えば平面基板と、その上に垂直配向されたCNTは、乾式の接着シートとして応用することができる(非特許文献1参照)。 Carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNT) are substances having a cylindrical main skeleton composed of only carbon atoms, and are excellent in electrical properties, thermal conductivity, and mechanical properties. CNT is a material that is extremely lightweight and extremely tough, and at the same time has excellent elasticity and resilience. CNTs having such properties are extremely attractive and important substances as industrial materials. For example, a flat substrate and CNTs vertically oriented on the flat substrate can be applied as a dry adhesive sheet (see Non-Patent Document 1).
CNTは、例えばシリコンや酸化シリコンなどの基材上にCNTを垂直配向させながら成長させることで合成することができる。CNTは分子間のファンデルワールス力によって凝集しやすく、通常、複数のCNT分子がバンドル(束、以下、バンドル、あるいはCTNバンドルと記す)もしくは凝集体を形成する。バンドルはさらに集合体を形成し、フレーク状、粉体状、顆粒状、薄片状、あるいはブロック状の形態を備えるCNT集合体を与える(特許文献1、特許文献2参照)。
CNTs can be synthesized by growing CNTs while vertically orienting them on a substrate such as silicon or silicon oxide. CNTs are easily aggregated by the van der Waals force between molecules, and usually, a plurality of CNT molecules form a bundle (hereinafter referred to as a bundle, hereinafter referred to as a bundle or a CTN bundle) or an aggregate. The bundle further forms an aggregate and provides a CNT aggregate in the form of flakes, powders, granules, flakes, or blocks (see
本発明の目的は、基材、および基材上に成長し、長さや太さの分布が大きいバンドルを有するCNT集合体を提供することである。あるいは、本発明の目的は、長さや太さの分布が大きいバンドルを有するCNT成形体、およびこれを含むCNT分散体を提供することである。あるいは、本発明の目的は、これらのCNT集合体の作製方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a substrate and a CNT aggregate having a bundle that grows on the substrate and has a large distribution of length and thickness. Alternatively, it is an object of the present invention to provide a CNT molded body having a bundle having a large distribution of length and thickness, and a CNT dispersion containing the same. Alternatively, an object of the present invention is to provide a method for producing these CNT aggregates.
本発明の実施形態の一つは、粒子状の基材と、基材上のカーボンナノチューブのバンドルを有するカーボンナノチューブ集合体である。隣接するバンドル間の角度は58°以上180°以下の範囲に分布する。角度の標準偏差は、15°以上45°以下でもよい。 One of the embodiments of the present invention is a carbon nanotube aggregate having a particulate base material and a bundle of carbon nanotubes on the base material. The angles between adjacent bundles are distributed in the range of 58 ° or more and 180 ° or less. The standard deviation of the angle may be 15 ° or more and 45 ° or less.
バンドルの面積占有率は、40%以上85%以下でもよい。あるいは、バンドルの面積占有率の標準偏差は、4%以上10%以下でもよい。 The area occupancy of the bundle may be 40% or more and 85% or less. Alternatively, the standard deviation of the area occupancy of the bundle may be 4% or more and 10% or less.
バンドルの直径は80μm以上320μm以下の範囲に分布してもよい。あるいは、バンドルの直径の標準偏差は、40μm以上90μm以下でもよい。 The diameter of the bundle may be distributed in the range of 80 μm or more and 320 μm or less. Alternatively, the standard deviation of the bundle diameter may be 40 μm or more and 90 μm or less.
バンドルの長さは、400μm以上675μm以下の範囲に分布してもよい。あるいは、バンドルの長さの標準偏差は40μm以上100μm以下であってもよい。 The length of the bundle may be distributed in the range of 400 μm or more and 675 μm or less. Alternatively, the standard deviation of the bundle length may be 40 μm or more and 100 μm or less.
本発明の実施形態の一つは、直径が40μm以上200μm以下の範囲に分布し、かつ、あるいは、長さが110μm以上485μm以下の範囲に分布するカーボンナノチューブのバンドルを含有するカーボンナノチューブ集合体である。 One of the embodiments of the present invention is an aggregate of carbon nanotubes containing a bundle of carbon nanotubes having a diameter of 40 μm or more and 200 μm or less and a length of 110 μm or more and 485 μm or less. be.
長さの標準偏差は、60μm以上100μm以下であってもよい。直径の標準偏差は、20μm以上50μm以下であってもよい。 The standard deviation of the length may be 60 μm or more and 100 μm or less. The standard deviation of the diameter may be 20 μm or more and 50 μm or less.
本発明の実施形態の一つは、カーボンナノチューブ集合体の作製方法である。作製方法は、5rpm以上10rpm以下の速度で回転するチャンバー内で球状の基材を攪拌しながら基材上に触媒層を形成すること、および基材を加熱しながら化学気相堆積法によってカーボンナノチューブを触媒層上に成長させることを含む。 One of the embodiments of the present invention is a method for producing carbon nanotube aggregates. The production method is to form a catalyst layer on the base material while stirring the spherical base material in a chamber that rotates at a speed of 5 rpm or more and 10 rpm or less, and carbon nanotubes by the chemical vapor deposition method while heating the base material. Includes growing on the catalyst layer.
長さや太さの分布が大きいバンドルを有するCNT集合体をワンポットで提供することができる。これにより、接着性に優れ、種々の材料との複合化が容易なCNT集合体やCNT成形体、CNT分散体を提供することができる。 It is possible to provide a CNT aggregate having a bundle having a large distribution of length and thickness in one pot. Thereby, it is possible to provide a CNT aggregate, a CNT molded body, and a CNT dispersion which are excellent in adhesiveness and can be easily combined with various materials.
以下、本出願で開示される発明の各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this application will be described with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof, and is not construed as being limited to the description contents of the embodiments exemplified below.
本明細書、および特許請求の範囲において、CNT集合体とは、基材と基材上に成長するCNTバンドル、およびCNTバンドルを基材から剥離して得られるCNT成形体、ならびにCNT成形体を溶媒中で分散したCNT分散液を含む。 In the present specification and claims, the CNT aggregate is a base material, a CNT bundle that grows on the base material, a CNT molded body obtained by peeling the CNT bundle from the base material, and a CNT molded body. Contains a CNT dispersion liquid dispersed in a solvent.
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。 The drawings may schematically represent the width, thickness, shape, etc. of each part as compared with the actual embodiment in order to clarify the explanation, but this is merely an example and the interpretation of the present invention is limited. It's not something to do. In this specification and each figure, elements having the same functions as those described with respect to the above-mentioned figures may be designated by the same reference numerals and duplicate description may be omitted.
以下の実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。 Other effects different from those brought about by the following embodiments, which are obvious from the description of the present specification or which can be easily predicted by those skilled in the art, are naturally according to the present invention. It is understood to be brought about.
(実施形態)
[1.構造]
図1(A)に本実施形態のCNT集合体100の模式図を示す。CNT集合体100は、曲面を有する基材102、および基材102上に成長した複数のCNTのバンドル104を有する。基材102は粒子状の形状をとることが可能であり、この場合、基材102の形状は球状でもよく、あるいは断面が楕円形状を有してもよい。基材102の表面の一部からCNTが成長する。したがって、基材102の表面の一部は露出してバンドル104に覆われなくてもよい。バンドル104の長さや太さ(直径)、成長方向にはばらつきがあり、一つの基材102表面上に、種々の長さ、直径を有するバンドル104が存在する。
(Embodiment)
[1. structure]
FIG. 1A shows a schematic diagram of the
CNT集合体100の断面模式図を図1(B)に示す。図1(B)に示すように、バンドル104が基材102の中心へ向かって延伸する方向を用い、隣接する二つのバンドル104間の角度θを定義することができる。一つのCNT集合体100に着目すると、角度(バンドル間角度)θは例えば58°以上180°以下とすることができる。バンドル間角度は上記範囲内で広く分布し、例えば58°のバンドル間角度を形成するバンドル104の組み合わせや、180°のバンドル間角度を形成するバンドル104の組み合わせ、および58°よりも大きく180°未満のバンドル間角度を形成するバンドル104の組み合わせが1つのCNT集合体100において同時に存在してもよい。
A schematic cross-sectional view of the
あるいは、一つのCNT集合体100において、バンドル間角度の平均は75°以上125°以下、90°以上110°以下、あるいは95°以上105°以下であり、その標準偏差は15°以上45°以下、あるいは20°以上30°以下でもよい。
Alternatively, in one
図1(C)に示すように、CNT集合体100の平面投影図において、全てのバンドル104を包含する最小の円106の面積に対し、この円106内でバンドル104が占有する面積の割合が面積占有率として定義される。面積占有率は幅広い分布を持ち、40%以上85%以下の値をとることができる。例えば複数のCNT集合体100を含有する集合体は、面積占有率が40%のCNT集合体100、85%のCNT集合体100、および40%よりも大きく85%未満のCNT集合体100を同時に含有することができる。
As shown in FIG. 1 (C), in the plan projection view of the
あるいは、複数のCNT集合体100を含有する集合体において、面積占有率の平均は、50%以上80%以下、60%以上70%以下、あるいは65%以上70%以下であり、標準偏差は4%以上10%以下、あるいは6%以上8%以下であってもよい。 Alternatively, in an aggregate containing a plurality of CNT aggregates 100, the average area occupancy is 50% or more and 80% or less, 60% or more and 70% or less, or 65% or more and 70% or less, and the standard deviation is 4. It may be% or more and 10% or less, or 6% or more and 8% or less.
個々のバンドル104の大きさは、図2(A)に示すように、太さ(直径)Dと長さLで定義される。複数のCNT集合体100を含有する集合体において、バンドル104の直径Dは、バンドル104が基材102に結合した状態では、例えば80μm以上320μm以下とすることができ、この範囲で幅広く分布する。例えば、複数のCNT集合体100を含有する集合体は、直径Dが80μmのバンドル104、直径Dが320μmのバンドル104、および直径Dが80μmよりも大きく320μm未満のバンドル104を同時に含有することができる。
The size of each
あるいは、複数のCNT集合体100を含有する集合体において、直径Dの平均は、140μm以上260μm以下、160μm以上240μm以下、あるいは180μm以上220μm以下であり、標準偏差は、40μm以上90μm以下、あるいは55μm以上75μm以下であってもよい。 Alternatively, in an aggregate containing a plurality of CNT aggregates 100, the average diameter D is 140 μm or more and 260 μm or less, 160 μm or more and 240 μm or less, or 180 μm or more and 220 μm or less, and the standard deviation is 40 μm or more and 90 μm or less, or 55 μm. It may be 75 μm or more and 75 μm or less.
複数のCNT集合体100を含有する集合体において、バンドル104の長さLは、バンドル104が基材102に結合した状態では、例えば400μm以上675μm以下であり、この範囲で幅広く分布する。例えば、複数のCNT集合体100を含有する集合体は、長さLが400μmのバンドル104、長さLが675μmのバンドル104、および長さLが400μmよりも大きく675μm未満のバンドル104を同時に含むことができる。
In the aggregate containing the plurality of CNT aggregates 100, the length L of the
あるいは、複数のCNT集合体100を含有する集合体において、長さLの平均は、300μm以上750μm以下、400μm以上650μm以下、あるいは500μm以上600μm以下であり、標準偏差は、40μm以上100μm以下、50μm以上90μm以下、あるいは60μm以上80μm以下であってもよい。 Alternatively, in an aggregate containing a plurality of CNT aggregates 100, the average length L is 300 μm or more and 750 μm or less, 400 μm or more and 650 μm or less, or 500 μm or more and 600 μm or less, and the standard deviation is 40 μm or more and 100 μm or less, 50 μm. It may be 90 μm or more, or 60 μm or more and 80 μm or less.
基材102からバンドル104を剥離することで、複数のバンドル104を含有するCNT成形体110(図2(B)参照)が得られる。上述したように、このような基材102を含まないCNT成形体110もCNT集合体に含まれ、本実施形態の一つである。CNT成形体110のバンドル104の直径Dは、40μm以上200μmとすることができる。CNT集合体100のバンドル104の直径Dのばらつきに起因し、CNT成形体110のバンドル104の直径Dも大きな分布を有しており、上述した範囲で広く分布する。例えばCNT成形体110は、直径Dが40μmのバンドル104、直径Dが200μmのバンドル104、および直径Dが40μmよりも大きく200μm以下のバンドル104を同時に含有することができる。
By peeling the
あるいは、CNT成形体110のバンドルの直径Dの平均は、60μm以上140μm以下、80μm以上120μm以下、あるいは90μm以上110μm以下であり、直径Dの標準偏差は、20μm以上50μm以下、あるいは30μm以上40μm以下であってもよい。
Alternatively, the average diameter D of the bundle of the CNT molded
同様に、CNT集合体100のバンドル104の長さLのばらつきに起因し、CNT成形体110のバンドル104の長さLも大きな分布を有しており、110μm以上485μm以下の範囲で広く分布する。例えばCNT成形体110は、長さLが110μmのバンドル104、長さLが485μmのバンドル104、および長さLが110μmよりも大きく485μm未満のバンドル104を同時に含むことができる。
Similarly, due to the variation in the length L of the
あるいは、CNT成形体110のバンドル104の長さLの平均は、200μm以上350μm以下、あるいは200μm以上300μm以下であり、標準偏差は、60μm以上100μm以下、70μm以上90μm以下、あるいは70μm以上85μm以下であってもよい。なお、基材102からバンドル104を剥離する際、バンドル104の構造が何らかの理由により変化するため、CNT成形体110のバンドル104の直径Dや長さLの平均値、標準偏差は、CNT集合体100のバンドル104のそれらと異なることがある。
Alternatively, the average length L of the
[2.作製方法]
上述したCNT集合体100は、図2(C)に示すように、触媒層122を基材102の表面上に不均一に、あるいは部分的に形成して触媒担持体120を作製し、この触媒層122を用い、熱化学気相堆積法(熱CVD法)を適用してCNTを成長することで作製することができる。
[2. Manufacturing method]
In the above-mentioned
基材102としては、酸化アルミニウムや酸化亜鉛、酸化ジルコニウムなどの金属酸化物を用いることができる。基材102の粒径は任意に決定することができ、例えば0.1mmから50mm、0.1mmから20mm、あるいは0.1mmから10mmの範囲から選択される平均粒径を有することができる。
As the
触媒層122は、Fe、Co、Niなどの金属を一種、あるいは複数種含むことができる。触媒層122内で上記金属は少なくとも一部は0価の状態で存在する。基材102を、5rpmから10rpmの速度で回転させたチャンバー内で攪拌させながら、上記金属を含むターゲットに対してスパッタリング(例えば高周波マグネトロンスパッタリング)を行うことで、基材102の表面上に不均一に触媒層122が形成された触媒担持体120が得られる。触媒層122の厚さは1nm以上10nm以下、あるいは1nm以上3nm以下、典型的には1.8nmとすることができる。触媒層122は、スパッタリング法以外にも、例えば真空蒸着法や有機金属CVD(MOCVD)法などを用いて形成してもよい。なお、上記金属をスパッタリングする前に、基材102上に酸化アルミニウムなどの金属酸化物をスパッタリング法などを用いて形成してもよい。この場合、触媒層122は、金属酸化物の層と金属の層が積層された構造となる。
The
CNTのバンドル104は、ベンゼンやアセチレン、一酸化炭素、メタン、エタノールなどのCNT成長用のガス、および水などの触媒賦活物質の存在下、触媒担持体120を600℃から1200℃の温度範囲で加熱してCNTを成長させることで形成することができる。この時、CNT成長用のガスを希薄するためのヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスを供給してもよい。以上の工程により、CNT集合体100を作製することができる。
The
得られるCNT集合体100を例えば酸性あるいは塩基性の溶媒で処理することにより、基材102を溶解することができる。これにより、バンドル104が基材102から剥離され、CNT成形体110を得ることができる。酸性の溶媒としては、例えば塩化アンモニウムや過塩素酸アンモニウムなどのアンモニウム塩の水溶液、塩酸や硫酸などの無機酸などが挙げられる。
The
通常CNT集合体は、シリコンや酸化シリコンなどの基材上に触媒層を均一に形成し、その後CNTを成長させることで作製される。これにより、直径や長さの分布が小さいバンドルを有するCNT集合体をワンポット(すなわち、一回の合成過程)で作製することができる。これは、触媒を均一に成膜することで、触媒表面から垂直にCNTが成長、配向し、さらにその成長開始および終了がほぼすべての触媒表面において同時におこるためである。換言すると、種々の直径や長さを有するCNT集合体、すなわち、直径や長さの分布(標準偏差)が大きいCNT集合体を作製するためには、様々な条件下で形成したCNTを混合させる必要がある。これに対し、本実施形態を適用することにより、直径や長さの分布が大きいCNT集合体をワンポットで効率よく作製することができる。このため、直径や長さの分布が大きなCNT成形体やCNT分散体を低コストで提供することが可能となる。 Usually, the CNT aggregate is produced by uniformly forming a catalyst layer on a substrate such as silicon or silicon oxide, and then growing the CNTs. This makes it possible to produce CNT aggregates having bundles having a small diameter and length distribution in one pot (that is, one synthesis process). This is because CNTs grow and orient vertically from the catalyst surface by uniformly forming the catalyst, and the growth start and end occur simultaneously on almost all catalyst surfaces. In other words, in order to produce CNT aggregates having various diameters and lengths, that is, CNT aggregates having a large diameter and length distribution (standard deviation), the CNTs formed under various conditions are mixed. There is a need. On the other hand, by applying the present embodiment, it is possible to efficiently produce a CNT aggregate having a large diameter and length distribution in one pot. Therefore, it is possible to provide a CNT molded body or a CNT dispersion having a large diameter and length distribution at low cost.
一般的に、分子量(長さや直径)が揃った材料よりも、分子量に分布のある材料の方が溶媒や他の材料と混合しやすく、均一に混合された複合材料を形成しやすい。また、例えば基材表面に直径や長さの異なるCNTを形成した場合、アンカー効果によって乾式接着強度が向上することが期待される。したがって、本実施形態のCNT集合体100を用いることで、CNTを含む種々の複合材料を容易に提供することができる。あるいは、乾式接着強度の高い乾式接着剤を提供することが可能となる。
In general, a material having a molecular weight distribution is easier to mix with a solvent or other material than a material having a uniform molecular weight (length or diameter), and it is easier to form a uniformly mixed composite material. Further, for example, when CNTs having different diameters and lengths are formed on the surface of the base material, it is expected that the dry adhesive strength is improved by the anchor effect. Therefore, by using the
本実施例では、CNT集合体100、およびCNT成形体110の作製例と特性評価に関し説明する。
In this embodiment, a production example and characteristic evaluation of the
[1.基材]
基材102としてジルコニア球状基材(東ソー製、直径0.5mmから5.0mm)を用いた。
[1. Base material]
A zirconia spherical base material (manufactured by Tosoh, diameter 0.5 mm to 5.0 mm) was used as the
[2.球状基材の洗浄]
それぞれの球状基材は、表面上の汚れや不純物を除去するために洗浄した。洗浄は、中性洗剤もしくはアセトン中で超音波洗浄器(シャープ製、UT-106)による超音波照射を繰り返し、その後、洗浄液が完全に除去できるまで蒸留水による洗浄を繰り返すことで行った。洗浄した球状基材を恒温槽内で空気中、120℃で一昼夜乾燥させ、水分を完全に取り除いた。なお、洗浄液の種類は、CNTの成長に影響を与えないことが発明者らによって既に確認されている。
[2. Cleaning of spherical substrate]
Each spherical substrate was washed to remove dirt and impurities on the surface. The cleaning was carried out by repeating ultrasonic irradiation with an ultrasonic cleaner (manufactured by Sharp, UT-106) in a neutral detergent or acetone, and then repeating washing with distilled water until the cleaning liquid could be completely removed. The washed spherical substrate was dried in air at 120 ° C. for 24 hours in a constant temperature bath to completely remove water. It has already been confirmed by the inventors that the type of cleaning liquid does not affect the growth of CNTs.
[3.触媒層の形成]
ジルコニア球状基材10gから500gを回転式触媒蒸着装置(ISYS製、MSS−700)に導入し、その後装置チャンバー内を真空ポンプで1.0×10−4Pa以下になるまで減圧した。その後、チャンバー内に酸素とアルゴンガスを導入し、チャンバー回転速度1rpmから10rpmで球状基材を均一に攪拌しながら、アルミニウムを1000秒以上スパッタリングすることで、球状基材上にアルミナ薄膜(厚さ15nm以上)を形成した。引き続き、アルゴン雰囲気中において、アルミナ薄膜形成時と同じ回転速度でチャンバーを回転させながら鉄を240秒スパッタリングすることで、アルミナ薄膜上に鉄薄膜(厚さ1.8nm程度)を積層し、アルミナ薄膜/鉄薄膜を球状基材上に形成した。これにより触媒担持体120が得られ、アルミナ薄膜/鉄薄膜が触媒層122として機能する。
[3. Formation of catalyst layer]
10 g to 500 g of a zirconia spherical substrate was introduced into a rotary catalyst vapor deposition apparatus (MSS-700 manufactured by ISYS), and then the inside of the apparatus chamber was depressurized by a vacuum pump to 1.0 × 10 -4 Pa or less. After that, oxygen and argon gas are introduced into the chamber, and aluminum is sputtered for 1000 seconds or more while uniformly stirring the spherical base material at a chamber rotation speed of 1 rpm to 10 rpm to obtain an alumina thin film (thickness) on the spherical base material. 15 nm or more) was formed. Subsequently, in an argon atmosphere, the iron thin film (thickness of about 1.8 nm) was laminated on the alumina thin film by sputtering iron for 240 seconds while rotating the chamber at the same rotation speed as when the alumina thin film was formed. / An iron thin film was formed on a spherical substrate. As a result, the
[4.CNTの成長]
得られた触媒担持体120(1.0gから10g)を、線径0.1mmから0.8mm、メッシュ数:10から100目数/inchのステンレスメッシュで作製したボート状のサンプルホルダーに入れ、そのサンプルホルダーを電気炉内の80mmφの石英管に導入した。ヘリウム/水素の混合ガスを加熱した石英管内に導入しながら触媒層122の表面に対して還元を行うとともに粒子状の形態を付与し、その後、ヘリウム/成長賦活剤(水)/エチレンを810℃で導入することで、球状基材上にCNTの成長を行った。チャンバー回転速度を3rpm、5rpmに設定して得られた触媒担持体120を用いて作製した試料を比較例1、実施例1とそれぞれ呼ぶ。
[4. Growth of CNT]
The obtained catalyst carrier 120 (1.0 g to 10 g) was placed in a boat-shaped sample holder made of a stainless steel mesh having a wire diameter of 0.1 mm to 0.8 mm and a mesh number of 10 to 100 meshes / inch. The sample holder was introduced into an 80 mmφ quartz tube in an electric furnace. While introducing a mixed gas of helium / hydrogen into a heated quartz tube, the surface of the
[5.触媒層の均一性評価]
上述した方法で作製したCNT集合体100を、デジタルマイクロスコープ(キーエンス製、VHX−5000、以下同じ)で観察した。具体的には、CNTが成長した球状基材をシリコン基材に両面テープを用いて接着して観察試料を作製し、20倍から200倍の倍率にて観察を行った。
[5. Evaluation of catalyst layer uniformity]
The
図3(A)、図3(B)に、実施例1と比較例1の光学顕微鏡像をそれぞれ示す。比較例1の場合に比べて実施例1のCNT集合体100は、CNTの成長が球状基材上全体で起こらず、不均一である。このことは、実施例1の触媒層122は比較例1のそれに比べて、不均一に形成されていることを示している。
3 (A) and 3 (B) show optical microscope images of Example 1 and Comparative Example 1, respectively. Compared with the case of Comparative Example 1, the
[6.CNTバンドルの評価]
<6−1.バンドル間角度>
球状基材上におけるCNTの成長方向を比較する一つの指標として、バンドル間角度を光学顕微鏡像に基づいて評価した。光学顕微鏡観察は上述した方法と同様に行い、バンドル間角度はデジタルマイクロスコープに付属の解析ツールを用いて測定した。図4はバンドル間角度の測定例を示している。バンドル間角度が小さいほど、バンドル104がより密接するようにCNTが成長する、すなわち球状基材上に均一にバンドル104が成長していることを示す。
[6. Evaluation of CNT bundle]
<6-1. Angle between bundles>
The angle between bundles was evaluated based on an optical microscope image as an index for comparing the growth direction of CNTs on a spherical substrate. The optical microscope observation was performed in the same manner as described above, and the angle between bundles was measured using the analysis tool attached to the digital microscope. FIG. 4 shows an example of measuring the angle between bundles. The smaller the angle between the bundles, the more the CNTs grow so that the
比較例1と実施例1におけるバンドル間角度のヒストグラムを図5に、バンドル間角度の分布を図6にまとめる。図5や図6に示すように、比較例1ではバンドル間角度の分布が狭く、平均角度は19°であり、最小角度9°から最大角度36°の狭い範囲に収まっている。これに対し実施例1では、バンドル間角度は平均101°であり、最小角度58°から最大角度180°に至る範囲に広く分布しており、バンドル間角度の分布が比較例1と比較して明らかに増大している。このことは、比較例1のバンドル間角度の標準偏差が6°であるのに対し、実施例1のそれが28°と大きくなっていることからも明らかである。球状基材上に触媒層122が均一に形成されている比較例1に対し、触媒層122が不均一に形成されている実施例1ではバンドル間角度が大きいことから、球状基材上の触媒層122の均一性が基材102の表面に対するCNTの成長方向に影響を与えていることが示唆される。
The histogram of the angle between bundles in Comparative Example 1 and Example 1 is summarized in FIG. 5, and the distribution of the angle between bundles is summarized in FIG. As shown in FIGS. 5 and 6, in Comparative Example 1, the distribution of the angle between bundles is narrow, the average angle is 19 °, and the minimum angle is 9 ° to the maximum angle of 36 °. On the other hand, in Example 1, the angle between bundles is 101 ° on average, and is widely distributed in the range from the minimum angle of 58 ° to the maximum angle of 180 °, and the distribution of the angle between bundles is compared with that of Comparative Example 1. It is clearly increasing. This is clear from the fact that the standard deviation of the angle between bundles in Comparative Example 1 is 6 °, whereas that in Example 1 is as large as 28 °. Compared to Comparative Example 1 in which the
<6−2.面積占有率>
球状基材上のCNTの成長方向の均一性を、面積占有率によって評価した。面積占有率は、上述した光学顕微鏡像を利用して評価した。図7(A)、図7(B)にそれぞれ、実施例1と比較例1のCNT集合体100の光学顕微鏡像を示す。面積占有率の算出は、デジタルマイクロスコープに付属の解析ツールを用い、以下の方法に従って行った。まず、図7(A)、図7(B)に示すように、全てのバンドル104を包含する最小の円を光学顕微鏡像内に描き、その面積を求めた。次に、その円内に存在するCNTバンドルの面積を測定した。円の面積に対するCNTバンドルの面積比(100×[(円中のCNTバンドルの面積)/(円の面積)])を面積占有率(%)として算出した。算出に用いた試料数(球状基材数)は20から30とした。
<6-2. Area occupancy>
The uniformity of the growth direction of CNTs on the spherical substrate was evaluated by the area occupancy. The area occupancy was evaluated using the above-mentioned optical microscope image. 7 (A) and 7 (B) show optical microscope images of the
比較例1と実施例1における面積占有率のヒストグラムを図8に示し、面積占有率の分布を図9にまとめる。比較例1の場合は面積占有率の分布が狭く、平均が96%であり、最小面積占有率92%から最大面積占有率99%の狭い範囲に収まっている。それに対し、実施例1では平均面積占有率は67%と低く、最小面積占有率48%から最大面積占有率81%に至る広い範囲に分布しており、比較例1と比べて平均面積占有率は明らかに減少し、かつ分布が増大している。このことは、比較例1の面積占有率の標準偏差が2.3%であるのに対し、実施例1の面積占有率の標準偏差が7.3%と大きくなっていることからも明らかである。この結果も、実施例1におけるCNTの成長方向は、触媒層が不均一に成膜しているため、比較例1と比較してランダムであることを示している。 The histograms of the area occupancy rates in Comparative Example 1 and Example 1 are shown in FIG. 8, and the distribution of the area occupancy rates is summarized in FIG. In the case of Comparative Example 1, the distribution of the area occupancy is narrow, the average is 96%, and it is within a narrow range from the minimum area occupancy of 92% to the maximum area occupancy of 99%. On the other hand, in Example 1, the average area occupancy rate was as low as 67%, and it was distributed in a wide range from the minimum area occupancy rate of 48% to the maximum area occupancy rate of 81%. Is clearly decreasing and the distribution is increasing. This is clear from the fact that the standard deviation of the area occupancy rate of Comparative Example 1 is 2.3%, whereas the standard deviation of the area occupancy rate of Example 1 is as large as 7.3%. be. This result also shows that the growth direction of CNTs in Example 1 is random as compared with Comparative Example 1 because the catalyst layer is formed in a non-uniform manner.
<6−3.直径、長さ>
球状基材上のCNTの成長の均一性を、バンドル104の直径と長さによって評価した。評価は、CNT集合体100のバンドル104、および球状基材からバンドル104を剥離して得られるCNT成形体110のバンドル104に対して行った。評価は、上述した光学顕微鏡像を利用し、デジタルマイクロスコープに付属の解析ツールを用いて行った。図10(A)、図10(B)にそれぞれ、実施例1と比較例1のCNT集合体100の光学顕微鏡像を示す。また、図11(A)、図11(B)に、実施例1のCNT成形体110の光学顕微鏡像とその模式図をそれぞれ示す。ここでバンドル104の直径と長さはそれぞれ、球状基材の表面に対して平行な方向におけるバンドル104の太さ、および球状基材の表面に対して垂直な方向におけるバンドル104の高さに相当する。直径と長さの算出では、実施例1と比較例1のいずれにおいても、75から100のバンドル104を用いた。
<6-3. Diameter, length>
The uniformity of CNT growth on the spherical substrate was evaluated by the diameter and length of the
CNT集合体100のバンドル104、およびCNT成形体110のバンドル104の直径のヒストグラムを、それぞれ図12、図13に示す。図12に示すように、実施例1では、直径は80μm以上320μm以下の範囲に分布しており(範囲幅:240μm)、規格化頻度が5%以上で存在するバンドル104に注目すると、その直径の分布範囲は100μm以上260μm以下(範囲幅:160μm)であった。これに対し比較例1では、規格化頻度が5%以上で存在するバンドル104の直径の分布範囲は20μm以上80μm以下(範囲幅:60μm)であり、実施例1の分布範囲は比較例1のそれの約2倍であった。実際、比較例1におけるバンドル104の直径の標準偏差が27μmであるのに対し、実施例1におけるそれは65μmであった。
Histograms of the diameters of the
CNT集合体100のバンドル104の直径の大きな分布に起因し、実施例1のCNT成形体110のバンドル104の直径も大きな分布を有することが確認された。具体的には図13に示すように、実施例1では、バンドル104の直径は40μm以上200μm以下の範囲に分布し(範囲幅:160μm、標準偏差:35μm)、規格化頻度が5%以上で存在するバンドル104に注目すると、直径の分布範囲は40μm以上160μm以下(範囲幅:120μm)であった。これに対し比較例1では、この分布範囲は10μm以上70μm以下(範囲幅:60μm、標準偏差:17μm)であった。これらの結果から、触媒層122が不均一に形成されることで、CNTの成長方向がランダムになり、バンドル104は大きな直径分布を有することが分かった。
It was confirmed that the diameter of the
バンドル104の長さに関しても同様の傾向が確認された。CNT集合体100のバンドル104、およびCNT成形体110のバンドル104の長さのヒストグラムを、それぞれ図14、図15に示す。図14に示すように、比較例1では、規格化頻度が5%以上で存在するバンドル104の長さの分布範囲が300μm以上400μm以下(範囲幅:100μm、標準偏差:29μm)であった。これに対し実施例1では、バンドル104の長さは400μm以上675μm以下の範囲(範囲幅:275μm、標準偏差:73μm)に分布しており、規格化頻度が5%以上で存在するバンドル104に注目すると、長さの分布範囲は450μm以上675μm以下(範囲幅:225μm)であった。
A similar tendency was confirmed for the length of the
同様に、図15に示すように、CNT成形体110のバンドル104では、実施例1において長さが110μm以上485μm以下(範囲幅:375μm、標準偏差:79μm)の範囲に分布し、規格化頻度が5%以上で存在するバンドル104に注目すると、長さは175μm以上400μm以下の範囲で分布する。これに対し、比較例1では85μm以上215μm以下(範囲幅:130μm、標準偏差:30μm)の範囲に分布することが分かった。
Similarly, as shown in FIG. 15, in the
なお、詳細は割愛するが、ジルコニア球状基材の替わりにアルミナ球状基材(大明化学製、直径0.5mmから5.0mm)を用いても同様の結果が得られることを確認した。 Although details are omitted, it was confirmed that the same result can be obtained by using an alumina spherical base material (manufactured by Daimei Chemical Co., Ltd., diameter 0.5 mm to 5.0 mm) instead of the zirconia spherical base material.
本実施例で述べた結果は、触媒層が不均一に形成されることで触媒サイズや触媒活性が不均一となり、そのため、触媒担持体120上においてCNTの成長方向がランダムになり、これがCNTの成長の不均一性に寄与することを示唆している。さらにこれらの結果は、同一のCNT成長条件下において、長さや直径の分布が大きいCNTをワンポットで合成可能であることを示している。
The result described in this example shows that the catalyst layer is formed non-uniformly, so that the catalyst size and the catalytic activity become non-uniform. Therefore, the growth direction of the CNTs becomes random on the
100:CNT集合体、102:基材、106:円、104:バンドル、110:CNT成形体、120:触媒担持体、122:触媒層
100: CNT aggregate, 102: base material, 106: circle, 104: bundle, 110: CNT molded body, 120: catalyst carrier, 122: catalyst layer
Claims (7)
前記基材上に部分的に積層された触媒層と、
前記基材上の触媒層から成長したカーボンナノチューブのバンドルを有し、
隣接する前記バンドル間の角度が58°以上180°以下の範囲に分布するカーボンナノチューブ集合体。 Particle-like base material and
A catalyst layer partially laminated on the substrate and
It has a bundle of carbon nanotubes grown from the catalyst layer on the substrate.
An aggregate of carbon nanotubes distributed in a range where the angle between adjacent bundles is 58 ° or more and 180 ° or less.
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