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JP7783102B2 - Method for manufacturing spun yarn made of carbon nanotubes and spun yarn made of carbon nanotubes - Google Patents
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JP7783102B2 - Method for manufacturing spun yarn made of carbon nanotubes and spun yarn made of carbon nanotubes - Google Patents

Method for manufacturing spun yarn made of carbon nanotubes and spun yarn made of carbon nanotubes

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JP7783102B2 JP2022045006A JP2022045006A JP7783102B2 JP 7783102 B2 JP7783102 B2 JP 7783102B2 JP 2022045006 A JP2022045006 A JP 2022045006A JP 2022045006 A JP2022045006 A JP 2022045006A JP 7783102 B2 JP7783102 B2 JP 7783102B2
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Description

本発明は、カーボンナノチューブからなる紡績糸の製造方法及びカーボンナノチューブからなる紡績糸に関する。 The present invention relates to a method for producing spun yarn made from carbon nanotubes and to spun yarn made from carbon nanotubes.

カーボンナノチューブ(以下、「CNT」とも記載する)は、高い機械強度、熱伝導性及び導電性を有する。また、複数のCNTを紡績して、CNTからなる紡績糸(以下、「CNT紡績糸」とも記載する)を作製することができる。CNT紡績糸もまた、高い機械強度、熱伝導性及び導電性を有することから、各種製品の材料として開発が進められている。 Carbon nanotubes (hereinafter also referred to as "CNTs") have high mechanical strength, thermal conductivity, and electrical conductivity. Furthermore, multiple CNTs can be spun together to produce spun yarn made from CNTs (hereinafter also referred to as "CNT spun yarn"). Because CNT spun yarn also has high mechanical strength, thermal conductivity, and electrical conductivity, it is being developed as a material for a variety of products.

例えば、非特許文献1は、2450℃の温度、12 ミリ秒の加熱時間(電圧パルス幅)、60 mNの張力の条件で通電加熱処理を行うことにより、結果として得られるCNT紡績糸の強度が、3.2 GPaの破断応力、123 GPaのヤング率まで向上することを記載する。 For example, Non-Patent Document 1 describes that by performing an electrical heating treatment under conditions of a temperature of 2450°C, a heating time (voltage pulse width) of 12 milliseconds, and a tension of 60 mN, the strength of the resulting CNT spun yarn increases to a breaking stress of 3.2 GPa and a Young's modulus of 123 GPa.

特許文献1は、CNTフォレストを備える紡績源部材から紡績された、構造体の製造方法であって、開口基板が筒状であるCNTフォレストの開放部側の端全体を紡ぎ出し可能部とし、前記紡ぎ出し可能部から前記CNTを引き出して紡績する紡績工程を備えている、互いに交絡した複数のカーボンナノチューブを備えており、内側面および外側面を有する筒状のウェブ状の構造体の製造方法を記載する。 Patent Document 1 describes a method for manufacturing a structure spun from a spinning source member comprising a CNT forest, in which the entire open end of the CNT forest, which is a cylindrical opening substrate, is used as a spinnable portion, and a spinning process is performed in which the CNTs are pulled out from the spinnable portion and spun. The method describes a method for manufacturing a cylindrical web-like structure having an inner surface and an outer surface and comprising multiple entangled carbon nanotubes.

特許第6667848号公報Patent No. 6667848

Y. Songら, Nanoscale 11, 13909-13917 (2019)Y. Song et al., Nanoscale 11, 13909-13917 (2019)

前記のように、CNT紡績糸を作製する方法が開発されている。しかしながら、従来技術の方法にはいくつかの課題が存在した。例えば、CNTフォレストから引き出した複数のCNTを紡績して得られるCNT紡績糸の場合、CNTバンドル間のファンデルワールス力によって紡績されるため、通常は0.7 g/cm3程度の密度となる。この程度の密度のCNT紡績糸の場合、強度が不十分となる可能性がある。CNT紡績糸の強度向上には、張力の印加による緻密化、及び加熱による非晶質カーボンからグラフェンへの構造変化が有効であることが知られている。しかしながら、前記密度のCNT紡績糸の場合、通電加熱処理の温度及び印加する張力を高くすると、高温での張力印加に耐えられず紡績糸が破断するという問題が存在した。他方、CNT紡績糸の破断を回避するために極短時間で通電加熱処理を行うと、CNT紡績糸の破断は回避し得るものの、非晶質カーボンからグラフェンへの構造変化が不十分となり、強度の向上も不十分となるという問題が存在した。 As mentioned above, methods for producing CNT spun yarns have been developed. However, conventional methods have several issues. For example, CNT spun yarns obtained by spinning multiple CNTs extracted from a CNT forest typically have a density of approximately 0.7 g/ cm3 because they are spun using van der Waals forces between CNT bundles. CNT spun yarns with this density may have insufficient strength. Densification through tension application and structural transformation from amorphous carbon to graphene through heating are known to be effective in improving the strength of CNT spun yarns. However, when the temperature and applied tension of the electrical heating treatment are increased, the spun yarns with this density cannot withstand the applied tension at high temperatures and break. On the other hand, when electrical heating treatment is performed for an extremely short time to avoid breakage of the CNT spun yarns, although breakage of the CNT spun yarns can be avoided, the structural transformation from amorphous carbon to graphene is insufficient, resulting in insufficient strength improvement.

それ故、本発明は、高強度のCNT紡績糸を作製する手段を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a means for producing high-strength CNT spun yarn.

本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した。本発明者らは、CNT紡績糸を通電加熱処理する前に、CNT紡績糸が破断しない範囲で予備的に高い張力を印加してCNT紡績糸を緻密化することにより、通電加熱処理の温度及び印加する張力を従来技術の方法より高くすることができることを見出した。本発明者らは、前記手順でCNT紡績糸を作製することにより、結果として得られるCNT紡績糸は、高い結晶性及び高い強度を有することを見出した。本発明者らは、前記知見に基づき、本発明を完成した。 The inventors have investigated various means for solving the above-mentioned problems. They have discovered that by applying a high tension to the CNT spun yarn before subjecting it to electrical heating treatment, within a range that does not cause the CNT spun yarn to break, to densify the CNT spun yarn, it is possible to increase the temperature and applied tension of the electrical heating treatment compared to conventional methods. The inventors have found that by producing CNT spun yarn using this procedure, the resulting CNT spun yarn has high crystallinity and high strength. Based on these findings, the inventors have completed the present invention.

すなわち、本発明は、以下の態様及び実施形態を包含する。
(1) カーボンナノチューブからなる紡績糸の製造方法であって、以下の工程:
カーボンナノチューブフォレストから複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブにカーボンナノチューブフォレストの幅1 cmあたり6 mN以下の張力を印加しながら該複数のカーボンナノチューブを紡績し、カーボンナノチューブからなる紡績糸前駆体αを作製する、紡績糸前駆体α作製工程;
紡績糸前駆体αに対して、紡績糸前駆体α作製工程よりも高い張力を印加して、紡績糸前駆体αを緻密化させた紡績糸前駆体βを作製する、紡績糸前駆体β作製工程;
紡績糸前駆体βに対して、張力を印加しながら通電加熱を行って、カーボンナノチューブからなる紡績糸を作製する、紡績糸作製工程;
を含む、前記方法。
(2) 紡績糸前駆体β作製工程において、紡績糸前駆体αを、メタノール、エタノール、アセトン、水、パラフィン及びトルエン、並びにそれらの混合物からなる群より選択される液体と接触させながら、該紡績糸前駆体αに張力を印加する、前記実施形態(1)に記載の方法。
(3) 紡績糸前駆体β作製工程において、紡績糸前駆体αに対して複数回に亘って段階的に張力を印加する、前記実施形態(1)又は(2)に記載の方法。
(4) 紡績糸作製工程において、3200 K以下の温度で通電加熱を行う、前記実施形態(1)~(3)のいずれかに記載の方法。
(5) 紡績糸作製工程において、紡績糸前駆体βに対して480 MPa未満の張力を印加しながら通電加熱を行う、前記実施形態(1)~(4)のいずれかに記載の方法。
(6) 紡績糸作製工程で得られたカーボンナノチューブからなる紡績糸を、硫化物の塩を含む水溶液に含浸させる、架橋工程をさらに含む、前記実施形態(1)~(5)のいずれかに記載の方法。
(7) 硫化物の塩が、四硫化ナトリウム又は二硫化ナトリウムである、前記実施形態(6)に記載の方法。
(8) カーボンナノチューブからなる紡績糸であって、
ラマン分光分析により得られるスペクトルのGバンドピークの強度(IG)とDバンドピークの強度(ID)との比(IG/ID)が5以上であり、且つ
カーボンナノチューブの少なくとも一部にグラフェンが存在する、
前記カーボンナノチューブからなる紡績糸。
(9) カーボンナノチューブ間が、ジスルフィド結合、トリスルフィド結合又はテトラスルフィド結合によって架橋されている、前記実施形態(8)に記載の紡績糸。
That is, the present invention includes the following aspects and embodiments.
(1) A method for producing a spun yarn made of carbon nanotubes, comprising the following steps:
a step of producing a spun yarn precursor α, in which a plurality of carbon nanotubes are drawn out from the carbon nanotube forest, and the plurality of carbon nanotubes are spun while applying a tension of 6 mN or less per 1 cm width of the carbon nanotube forest to the plurality of carbon nanotubes, thereby producing a spun yarn precursor α made of carbon nanotubes;
a spun yarn precursor β production step in which a higher tension than that in the spun yarn precursor α production step is applied to the spun yarn precursor α to produce a spun yarn precursor β by densifying the spun yarn precursor α;
a spun yarn production step in which the spun yarn precursor β is electrically heated while applying tension to produce a spun yarn made of carbon nanotubes;
The method comprising:
(2) The method according to embodiment (1), wherein in the step of producing the spun yarn precursor β, tension is applied to the spun yarn precursor α while the spun yarn precursor α is brought into contact with a liquid selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, water, paraffin, toluene, and mixtures thereof.
(3) The method according to the above embodiment (1) or (2), wherein tension is applied to the spun yarn precursor α in stages over multiple times in the spun yarn precursor β production step.
(4) The method according to any one of the above embodiments (1) to (3), wherein the spun yarn production step is performed by electrical heating at a temperature of 3200 K or less.
(5) The method according to any one of the above embodiments (1) to (4), wherein in the spun yarn production step, the spun yarn precursor β is electrically heated while being subjected to a tension of less than 480 MPa.
(6) The method according to any one of the above embodiments (1) to (5), further comprising a crosslinking step of impregnating the spun yarn made of carbon nanotubes obtained in the spun yarn preparation step with an aqueous solution containing a sulfide salt.
7. The method of claim 6, wherein the sulfide salt is sodium tetrasulfide or sodium disulfide.
(8) A spun yarn made of carbon nanotubes,
The ratio (IG/ID) of the G-band peak intensity (IG) to the D-band peak intensity (ID) in the spectrum obtained by Raman spectroscopy is 5 or more, and graphene is present in at least a part of the carbon nanotubes.
A spun yarn made of the carbon nanotubes.
(9) The spun yarn according to the embodiment (8), wherein the carbon nanotubes are cross-linked by disulfide bonds, trisulfide bonds, or tetrasulfide bonds.

本発明により、高強度のCNT紡績糸を作製する手段を提供することが可能となる。 This invention makes it possible to provide a means for producing high-strength CNT spun yarn.

図1は、試験I-4において、異なる荷重で張力を印加しながら紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで通電加熱を行わずに紡績糸作製工程を実施することによって得られたCNT紡績糸のヤング率を示す。図中、横軸は、紡績糸前駆体β作製工程における荷重(mN)であり、縦軸は、ヤング率(GPa)である。図中の値は、3回の試験結果の平均値及び標準偏差を示す。Figure 1 shows the Young's modulus of the CNT spun yarns obtained in Test I-4 by carrying out the spun yarn precursor β production process while applying tension at different loads, and then carrying out the spun yarn production process without electrical heating. In the figure, the horizontal axis represents the load (mN) in the spun yarn precursor β production process, and the vertical axis represents Young's modulus (GPa). The values in the figure represent the average and standard deviation of the results of three tests. 図2は、試験I-4において、異なる荷重で張力を印加しながら紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで通電加熱を行わずに紡績糸作製工程を実施することによって得られたCNT紡績糸の破断応力を示す。図中、横軸は、紡績糸前駆体β作製工程における荷重(mN)であり、縦軸は、破断応力(GPa)である。図中の値は、3回の試験結果の平均値及び標準偏差を示す。Figure 2 shows the breaking stress of CNT spun yarns obtained in Test I-4 by carrying out the spun yarn precursor β production process while applying tension at different loads, followed by the spun yarn production process without electrical heating. In the figure, the horizontal axis represents the load (mN) in the spun yarn precursor β production process, and the vertical axis represents the breaking stress (GPa). The values in the figure represent the average and standard deviation of the results of three tests. 図3は、試験I-4において、異なる荷重で張力を印加しながら紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで通電加熱を行わずに紡績糸作製工程を実施することによって得られたCNT紡績糸の密度を示す。図中、横軸は、紡績糸前駆体β作製工程における荷重(mN)であり、縦軸は、密度(g/cm3)である。図中の値は、6箇所の断面積測定値から得られた試験結果の平均値及び標準偏差を示す。Figure 3 shows the density of the CNT spun yarn obtained in Test I-4 by carrying out the spun yarn precursor β production process while applying tension at different loads, and then carrying out the spun yarn production process without electrical heating. In the figure, the horizontal axis represents the load (mN) in the spun yarn precursor β production process, and the vertical axis represents the density (g/cm 3 ). The values in the figure represent the average and standard deviation of the test results obtained from cross-sectional area measurements at six locations. 図4は、試験II-1において、種々の処理条件で得られたCNT紡績糸の密度を示す。図中、横軸は、紡績糸作製工程における処理条件(張力及び通電加熱の温度)であり、縦軸は、密度(g/cm3)である。また、白抜きの棒は、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合の結果であり、黒塗りの棒は、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合の結果である。図中の値は、6箇所の断面積測定値から得られた試験結果の平均値及び標準偏差を示す。Figure 4 shows the density of CNT spun yarns obtained under various processing conditions in Test II-1. In the figure, the horizontal axis represents the processing conditions (tension and temperature of electrical heating) in the spun yarn production process, and the vertical axis represents density (g/ cm3 ). The open bars represent the results when the spun yarn precursor β production process was carried out under no load, and the filled bars represent the results when the spun yarn precursor β production process was carried out under load. The values in the figure represent the average and standard deviation of the test results obtained from cross-sectional area measurements at six locations. 図5は、試験II-2において、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸の1000~2000 cm-1の範囲のラマンスペクトルを示す。図中、横軸は、ラマンシフト(cm-1)であり、縦軸は、ラマン散乱光の強度(a.u.)である。Figure 5 shows the Raman spectrum in the range of 1000 to 2000 cm -1 of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under load in Test II-2. In the figure, the horizontal axis represents the Raman shift (cm -1 ), and the vertical axis represents the intensity of Raman scattered light (au). 図6は、試験II-2において、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸の2200~3400 cm-1の範囲のラマンスペクトルを示す。図中、横軸は、ラマンシフト(cm-1)であり、縦軸は、ラマン散乱光の強度(a.u.)である。Figure 6 shows the Raman spectrum in the range of 2200 to 3400 cm -1 of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under no load in Test II-2. In the figure, the horizontal axis represents the Raman shift (cm -1 ), and the vertical axis represents the intensity of Raman scattered light (au). 図7は、試験II-2において、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸の2200~3400 cm-1の範囲のラマンスペクトルを示す。図中、Aは、非処理対照のCNT紡績糸及び2500 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸のラマンスペクトルであり、Bは、非処理対照のCNT紡績糸及び3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸のラマンスペクトルである。図中、横軸は、ラマンシフト(cm-1)であり、縦軸は、ラマン散乱光の強度(a.u.)である。Figure 7 shows the Raman spectra in the range of 2200 to 3400 cm -1 of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under load in Test II-2. In the figure, A is the Raman spectrum of the untreated CNT spun yarn and the CNT spun yarn obtained by electrical heating at 2500 K, and B is the Raman spectrum of the untreated CNT spun yarn and the CNT spun yarn obtained by electrical heating at 3000 K. In the figure, the horizontal axis is the Raman shift (cm -1 ), and the vertical axis is the intensity of Raman scattered light (au). 図8は、試験II-3において、CNT紡績糸を透過型電子顕微鏡で観察した画像を示す。図中、Aは、非処理対照のCNT紡績糸の透過型電子顕微鏡画像であり、Bは、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで100 mN(紡績糸前駆体βに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら2500 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の透過型電子顕微鏡画像であり、Cは、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで100 mN(紡績糸前駆体βに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら2500 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の透過型電子顕微鏡画像であり、Dは、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで100 mN(紡績糸前駆体βに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の透過型電子顕微鏡画像である。図中、スケールバーは、10 nmである。FIG. 8 shows an image of the CNT spun yarn observed with a transmission electron microscope in Test II-3. In the figure, (A) is a transmission electron microscope image of an untreated CNT spun yarn; (B) is a transmission electron microscope image of a CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under unloaded conditions, followed by electrical heating at 2500 K while applying a tension of 100 mN (300 MPa for the spun yarn precursor β); (C) is a transmission electron microscope image of a CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under loaded conditions, followed by electrical heating at 2500 K while applying a tension of 100 mN (300 MPa for the spun yarn precursor β); and (D) is a transmission electron microscope image of a CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under loaded conditions, followed by electrical heating at 3000 K while applying a tension of 100 mN (300 MPa for the spun yarn precursor β). The scale bar in the figure is 10 nm. 図9は、試験II-4において、紡績糸作製工程における通電加熱の温度と結果として得られるCNT紡績糸のヤング率との関係を示す。図中、横軸は、紡績糸作製工程における通電加熱の温度(K)であり、縦軸は、CNT紡績糸のヤング率(GPa)である。また、図中の点線は、荷重なし又はありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した非処理対照のCNT紡績糸のヤング率を示す。図中の値は、3回の試験結果の平均値及び標準偏差を示す。Figure 9 shows the relationship between the temperature of electrical heating in the spun yarn production process and the Young's modulus of the resulting CNT spun yarn in Test II-4. The horizontal axis of the figure represents the temperature (K) of electrical heating in the spun yarn production process, and the vertical axis represents the Young's modulus (GPa) of the CNT spun yarn. The dotted line in the figure also represents the Young's modulus of the untreated control CNT spun yarn, which was subjected to the spun yarn precursor β production process with or without load. The values in the figure represent the average and standard deviation of the results of three tests. 図10は、試験II-4において、紡績糸作製工程における通電加熱の温度と結果として得られるCNT紡績糸の破断応力との関係を示す。図中、横軸は、紡績糸作製工程における通電加熱の温度(K)であり、縦軸は、CNT紡績糸の破断応力(GPa)である。また、図中の点線は、荷重なし又はありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した非処理対照のCNT紡績糸の破断応力を示す。図中の値は、3回の試験結果の平均値及び標準偏差を示す。Figure 10 shows the relationship between the temperature of electrical heating in the spun yarn production process and the breaking stress of the resulting CNT spun yarn in Test II-4. The horizontal axis of the figure represents the temperature (K) of electrical heating in the spun yarn production process, and the vertical axis represents the breaking stress (GPa) of the CNT spun yarn. The dotted line in the figure also represents the breaking stress of the untreated control CNT spun yarn, which was subjected to the spun yarn precursor β production process with or without load. The values in the figure represent the average and standard deviation of the results of three tests. 図11は、試験III-2において、架橋工程を含む方法で得られたCNT紡績糸の表面を走査型電子顕微鏡で観察した画像を示す。図中、Aは、架橋工程において2時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像であり、Bは、架橋工程において24時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像であり、Cは、架橋工程において48時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像である。図中、スケールバーは、10 μmである。Figure 11 shows scanning electron microscope images of the surface of CNT spun yarn obtained by the method including the crosslinking step in Test III-2. In the figure, A is a scanning electron microscope image of a CNT spun yarn obtained by a 2-hour impregnation treatment in the crosslinking step, B is a scanning electron microscope image of a CNT spun yarn obtained by a 24-hour impregnation treatment in the crosslinking step, and C is a scanning electron microscope image of a CNT spun yarn obtained by a 48-hour impregnation treatment in the crosslinking step. The scale bar in the figure is 10 μm. 図12は、試験III-2において、架橋工程を含む方法で得られたCNT紡績糸の直径及び密度を示す。図中、Aは、CNT紡績糸の直径を示すグラフであり、Bは、CNT紡績糸の密度を示すグラフである。横軸は、架橋工程における含浸時間であり、縦軸は、CNT紡績糸の直径(μm)又は密度(g/cm3)である。Figure 12 shows the diameter and density of the CNT spun yarn obtained in Test III-2 using a method including a crosslinking step. In the figure, graph A shows the diameter of the CNT spun yarn, and graph B shows the density of the CNT spun yarn. The horizontal axis represents the impregnation time in the crosslinking step, and the vertical axis represents the diameter (μm) or density (g/ cm3 ) of the CNT spun yarn. 図13は、試験III-3において、架橋工程を含む方法で得られたCNT紡績糸の断面を走査型電子顕微鏡で観察した画像を示す。図中、Aは、架橋工程において2時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像であり、Bは、架橋工程において24時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像であり、Cは、架橋工程において48時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像である。画像中の点は、エネルギー分散型X線分析装置(EDS)を用いてマッピングされた、CNT紡績糸の断面に存在する硫黄原子を示す。Figure 13 shows scanning electron microscope images of the cross-section of a CNT-spun yarn obtained using a method including a cross-linking step in Test III-3. In the figure, A is a scanning electron microscope image of a CNT-spun yarn obtained after a 2-hour impregnation treatment in the cross-linking step, B is a scanning electron microscope image of a CNT-spun yarn obtained after a 24-hour impregnation treatment in the cross-linking step, and C is a scanning electron microscope image of a CNT-spun yarn obtained after a 48-hour impregnation treatment in the cross-linking step. The dots in the images represent sulfur atoms present in the cross-section of the CNT-spun yarn, as mapped using an energy dispersive X-ray analyzer (EDS). 図14は、試験III-3において、EDSを用いて定量した、架橋工程を含む方法で得られたCNT紡績糸の断面に存在する硫黄原子の定量結果を示す。図中、Aは、CNT紡績糸の断面に存在する原子の総数に対する硫黄原子数の百分率を示すグラフであり、Bは、CNT紡績糸の断面に存在する原子の総質量に対する硫黄原子質量の百分率を示すグラフである。横軸は、架橋工程における含浸時間であり、縦軸は、硫黄原子数の百分率(%)又は硫黄原子質量の百分率(%)である。Figure 14 shows the quantitative results of sulfur atoms present in the cross section of a CNT spun yarn obtained by a method including a cross-linking step, as determined using EDS in Test III-3. In the figure, graph A shows the percentage of the number of sulfur atoms relative to the total number of atoms present in the cross section of the CNT spun yarn, and graph B shows the percentage of sulfur atomic mass relative to the total mass of atoms present in the cross section of the CNT spun yarn. The horizontal axis represents the impregnation time in the cross-linking step, and the vertical axis represents the percentage (%) of the number of sulfur atoms or the percentage (%) of sulfur atomic mass. 図15は、試験III-4において、架橋工程を含む方法で得られたCNT紡績糸の応力ひずみ曲線を示す。図中、横軸は、ひずみ率(%)であり、縦軸は、CNT紡績糸の破断応力(GPa)である。Figure 15 shows the stress-strain curve of the CNT spun yarn obtained in Test III-4 using a method including a crosslinking step. In the figure, the horizontal axis represents strain rate (%), and the vertical axis represents the breaking stress (GPa) of the CNT spun yarn. 図16は、試験III-5において、架橋工程を含む方法で得られたCNT紡績糸の応力ひずみ曲線を示す。図中、横軸は、ひずみ率(%)であり、縦軸は、CNT紡績糸の破断応力(GPa)である。Figure 16 shows the stress-strain curve of the CNT spun yarn obtained in Test III-5 using a method including a cross-linking step. In the figure, the horizontal axis represents strain rate (%), and the vertical axis represents the breaking stress (GPa) of the CNT spun yarn. 図17は、試験III-5において、架橋工程を含む方法で得られたCNT紡績糸の応力ひずみ曲線を示す。図中、横軸は、ひずみ率(%)であり、縦軸は、CNT紡績糸の破断応力(GPa)である。Figure 17 shows the stress-strain curve of the CNT spun yarn obtained in Test III-5 using a method including a cross-linking step. In the figure, the horizontal axis represents strain rate (%), and the vertical axis represents the breaking stress (GPa) of the CNT spun yarn.

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 A preferred embodiment of the present invention is described in detail below.

<1. カーボンナノチューブからなる紡績糸の製造方法>
本発明者らは、CNTからなる紡績糸(CNT紡績糸)を通電加熱処理する前に、CNT紡績糸が破断しない範囲で予備的に高い張力を印加してCNT紡績糸を緻密化することにより、通電加熱処理の温度及び印加する張力を従来技術の方法より高くすることができることを見出した。本発明者らは、前記手順でCNT紡績糸を作製することにより、結果として得られるCNT紡績糸は、高い結晶性及び高い強度を有することを見出した。それ故、本発明の一態様は、CNTからなる紡績糸の製造方法に関する。
1. Method for producing spun yarn made from carbon nanotubes
The present inventors have discovered that by applying a high tension to a spun yarn made of CNTs (CNT spun yarn) before subjecting it to an electrical heating treatment, within a range that does not cause the CNT spun yarn to break, to densify the CNT spun yarn, it is possible to increase the temperature and applied tension of the electrical heating treatment compared to conventional methods. The present inventors have discovered that by producing CNT spun yarn using this procedure, the resulting CNT spun yarn has high crystallinity and high strength. Therefore, one aspect of the present invention relates to a method for producing a spun yarn made of CNTs.

本発明の各態様において、CNTは、グラファイトの単層面が筒状の構造を有するカーボン材料を意味する。通常は、1層の筒状の構造を有するCNTを単層CNTと、2層以上の筒状の構造を有するCNTを多層CNTと、それぞれ分類する。本発明の各態様に適用されるCNTは、単層CNT及び多層CNTのいずれであってもよい。 In each aspect of the present invention, CNT refers to a carbon material in which a single layer of graphite has a tubular structure. CNTs with a single-layer tubular structure are typically classified as single-walled CNTs, and CNTs with two or more tubular layers are typically classified as multi-walled CNTs. The CNTs used in each aspect of the present invention may be either single-walled CNTs or multi-walled CNTs.

本態様の方法は、紡績糸前駆体α作製工程、紡績糸前駆体β作製工程及び紡績糸作製工程を少なくとも含む。以下、各工程について詳細に説明する。 The method of this embodiment includes at least a spun yarn precursor α production process, a spun yarn precursor β production process, and a spun yarn production process. Each process is described in detail below.

[1-1. CNTフォレスト準備工程]
本態様の方法は、CNTフォレストを準備する、CNTフォレスト準備工程を含んでもよい。
[1-1. CNT forest preparation process]
The method of this embodiment may include a CNT forest preparation step of preparing a CNT forest.

本発明の各態様において、CNTフォレストは、複数のCNTが、長軸方向の少なくとも一部について一定の方向に配向された構造を有するCNTの集合体を意味する。 In each aspect of the present invention, a CNT forest refers to an aggregate of CNTs having a structure in which multiple CNTs are oriented in a specific direction for at least a portion of their longitudinal axis.

本工程において準備されるCNTフォレストの形状及び寸法は、特に限定されず、任意の形状及び寸法であればよい。CNTフォレストは、例えば、一辺が5~1000 mmの範囲、好ましくは10~40 mmの範囲の長さを有する四角形の形状である。 The shape and dimensions of the CNT forest prepared in this process are not particularly limited and may be any shape and size. For example, the CNT forest is rectangular, with each side measuring 5 to 1000 mm, preferably 10 to 40 mm.

本工程において準備されるCNTフォレストは、当該技術分野で公知の様々な方法によって調製することができる。CNTフォレストは、例えば、金属製基板の表面に成長核となる触媒粒子を配置して、反応炉中で炭素を含有する原料ガスを該基板の表面に接触させることにより、形成することができる。本工程において、CNTフォレストは、当該技術分野で公知の様々な方法によって自ら準備してもよく、購入等して準備してもよい。 The CNT forest prepared in this process can be prepared by various methods known in the art. For example, a CNT forest can be formed by placing catalyst particles that serve as growth nuclei on the surface of a metal substrate and then contacting the surface of the substrate with a carbon-containing raw material gas in a reactor. In this process, the CNT forest can be prepared in-house by various methods known in the art, or it can be purchased.

[1-2. 紡績糸前駆体α作製工程]
本工程は、CNTフォレストから複数のCNTを引き出し、複数のCNTに張力を印加しながら該複数のCNTを紡績し、CNTからなる紡績糸前駆体α(以下、「CNT紡績糸前駆体α」とも記載する)を作製することを含む。
[1-2. Spun yarn precursor α production process]
This process involves pulling out multiple CNTs from a CNT forest, spinning the multiple CNTs while applying tension to the multiple CNTs, and producing a spun yarn precursor α (hereinafter also referred to as "CNT spun yarn precursor α") made of CNTs.

本工程において、CNTフォレストから複数のCNTを引き出す手段としては、当該技術分野で通常使用される各種の手段を使用することができる。例えば、CNTフォレスト基板の上面に、複数のブレードを有するコーミング用ブレードを配置して、ブレードの間から複数のCNTからなるCNTウェブを引き出せばよい。本実施形態の場合、コーミング用ブレードは、3個以上のブレードを有することが好ましい。 In this process, various means commonly used in the art can be used to extract multiple CNTs from the CNT forest. For example, a combing blade with multiple blades can be placed on top of the CNT forest substrate, and a CNT web consisting of multiple CNTs can be extracted from between the blades. In this embodiment, it is preferable that the combing blade have three or more blades.

本工程において、形成されたCNT紡績糸前駆体αは、回転体の周面に巻き付けることによって回収される。回転体は、例えば、ボビン又はローラーである。CNT紡績糸前駆体αを回転体の周面に巻き付けることにより、所望の引出速度でCNTフォレストから複数のCNTを引き出すとともに、所望の張力を複数のCNTに印加することができる。 In this process, the formed CNT spun yarn precursor α is recovered by winding it around the circumferential surface of a rotating body. The rotating body is, for example, a bobbin or roller. By winding the CNT spun yarn precursor α around the circumferential surface of the rotating body, multiple CNTs can be pulled out from the CNT forest at the desired pulling speed and the desired tension can be applied to the multiple CNTs.

本工程において、CNTフォレストから複数のCNTを引き出す引出速度は、100~1000 mm/分の範囲であることが好ましく、200~500 mm/分の範囲であることがより好ましい。 In this process, the pulling speed for pulling out multiple CNTs from the CNT forest is preferably in the range of 100 to 1000 mm/min, and more preferably in the range of 200 to 500 mm/min.

本工程において、CNTフォレストを所定の回転速度で回転させることにより、複数のCNTを紡績することが好ましい。本実施形態の場合、CNTフォレストの回転速度は、2000 rpm未満であることが好ましく、100~1000 rpmの範囲であることがより好ましく、200~500 rpmの範囲であることがさらに好ましい。また、CNTフォレストの回転速度/複数のCNTの引出速度の比は、0.25 rev/mm超且つ25 rev/mm未満の範囲であることが好ましい。 In this process, it is preferable to spin multiple CNTs by rotating the CNT forest at a predetermined rotational speed. In this embodiment, the rotational speed of the CNT forest is preferably less than 2000 rpm, more preferably in the range of 100 to 1000 rpm, and even more preferably in the range of 200 to 500 rpm. Furthermore, it is preferable that the ratio of the rotational speed of the CNT forest to the pulling speed of the multiple CNTs is in the range of more than 0.25 rev/mm and less than 25 rev/mm.

本工程において、複数のCNTに印加する張力は、通常は、CNTフォレストの幅1 cmあたり6 mN以下である。複数のCNTに印加する張力は、CNTフォレストの幅1 cmあたり0.1~6 mNの範囲であることが好ましく、CNTフォレストの幅1 cmあたり0.3~3 mNの範囲であることがより好ましく、CNTフォレストの幅1 cmあたり0.3~1 mNの範囲であることがさらに好ましい。例えば、CNTフォレストが前記で例示した形状及び寸法を有する場合、複数のCNTに印加する張力は、通常は、10 mN(複数のCNTに対して30 MPa)以下であり、0.15~10 mNの範囲であることが好ましく、0.5~5 mN(複数のCNTに対して1.6~16 MPa)の範囲であることがより好ましく、0.5~2 mN(複数のCNTに対して1.6~6.4 MPa)の範囲であることがさらに好ましい。張力が前記下限値未満である場合、結果として得られるCNT紡績糸前駆体αの密度が低くなる可能性がある。また、張力が前記上限値を超える場合、CNTが破断してCNT紡績糸前駆体αを得られない可能性がある。それ故、前記範囲の張力を複数のCNTに印加しながら本工程を実施することにより、高い密度のCNT紡績糸前駆体αを得ることができる。 In this process, the tension applied to the multiple CNTs is typically 6 mN or less per cm of CNT forest width. The tension applied to the multiple CNTs is preferably in the range of 0.1 to 6 mN per cm of CNT forest width, more preferably in the range of 0.3 to 3 mN per cm of CNT forest width, and even more preferably in the range of 0.3 to 1 mN per cm of CNT forest width. For example, when the CNT forest has the shape and dimensions exemplified above, the tension applied to the multiple CNTs is typically 10 mN or less (30 MPa per CNT), preferably in the range of 0.15 to 10 mN, more preferably in the range of 0.5 to 5 mN (1.6 to 16 MPa per CNT), and even more preferably in the range of 0.5 to 2 mN (1.6 to 6.4 MPa per CNT). If the tension is less than the lower limit, the density of the resulting CNT spun yarn precursor α may be low. Furthermore, if the tension exceeds the upper limit, the CNTs may break and it may not be possible to obtain CNT spun yarn precursor α. Therefore, by carrying out this process while applying a tension within the above range to multiple CNTs, it is possible to obtain a high-density CNT spun yarn precursor α.

本工程において、張力は、通常は、CNTフォレストから引き出された複数のCNTに対して、テンショニングロッド、スライダーシステム又はモーター等を用いて荷重を付与することにより、印加することができる。 In this process, tension can typically be applied to multiple CNTs pulled from the CNT forest by applying a load using a tensioning rod, slider system, motor, or the like.

本工程において、CNTフォレストから引き出された複数のCNTを液体と接触させながら、該複数のCNTに張力を印加することが好ましい。本実施形態の場合、液体は、メタノール、エタノール、アセトン、水、パラフィン及びトルエン、並びにそれらの混合物からなる群より選択されることが好ましく、メタノール、エタノール、アセトン及び水、並びにそれらの混合物からなる群より選択されることがより好ましい。前記液体は、金属塩類(例えば、塩化鉄、又は塩化ニッケル)又は金属酸化物(例えば、酸化鉄)等の1種以上のさらなる成分を含んでもよい。特に好ましくは、前記液体は、メタノール、エタノール、アセトン又は水である。本実施形態において、複数のCNTを液体と接触させる手段としては、限定するものではないが、例えば、複数のCNTを液体に含浸させる、複数のCNTに液体を噴霧する、複数のCNTに液体を滴下する、及び複数のCNTに液体の蒸気を曝露する等を挙げることができる。複数のCNTを液体に含浸させることにより、複数のCNTを液体と接触させることが好ましい。本実施形態の場合、液体と接触させた複数のCNTを、室温又はそれ以上の温度で乾燥させることが好ましい。前記手段で複数のCNTを液体と接触させることにより、液体の気化による凝集力を利用して複数のCNTを凝集させて、結果として得られるCNT紡績糸前駆体αの密度を向上させることができる。 In this process, tension is preferably applied to the CNTs extracted from the CNT forest while they are in contact with a liquid. In this embodiment, the liquid is preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, water, paraffin, toluene, and mixtures thereof, and more preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, water, and mixtures thereof. The liquid may contain one or more additional components, such as metal salts (e.g., iron chloride or nickel chloride) or metal oxides (e.g., iron oxide). The liquid is particularly preferably methanol, ethanol, acetone, or water. In this embodiment, methods for contacting the CNTs with the liquid include, but are not limited to, impregnating the CNTs with the liquid, spraying the CNTs with the liquid, dripping the liquid onto the CNTs, and exposing the CNTs to liquid vapor. It is preferable to contact the CNTs with the liquid by impregnating them with the liquid. In this embodiment, it is preferable to dry the CNTs that have been contacted with the liquid at room temperature or higher. By bringing multiple CNTs into contact with a liquid using this method, the agglomeration force caused by vaporization of the liquid can be utilized to aggregate the multiple CNTs, improving the density of the resulting CNT spun yarn precursor α.

本工程において形成されるCNT紡績糸前駆体αの撚り角は、通常は、約4°である。CNT紡績糸前駆体αの密度は、通常は、0.7 g/cm3未満である。CNT紡績糸前駆体αのヤング率は、通常は、100 GPa未満である。また、CNT紡績糸前駆体αの破断応力は、通常は、1.4 GPa未満である。前記性質を有するCNT紡績糸前駆体αを以下の工程で用いることにより、本態様の方法において高い強度のCNT紡績糸を得ることができる。 The twist angle of the CNT spun yarn precursor a formed in this step is usually about 4°. The density of the CNT spun yarn precursor a is usually less than 0.7 g/ cm3 . The Young's modulus of the CNT spun yarn precursor a is usually less than 100 GPa. The breaking stress of the CNT spun yarn precursor a is usually less than 1.4 GPa. By using the CNT spun yarn precursor a having the above properties in the following steps, a high-strength CNT spun yarn can be obtained in the method of this embodiment.

[1-3. 紡績糸前駆体β作製工程]
本工程は、紡績糸前駆体αに対して、紡績糸前駆体α作製工程よりも高い張力を印加して、紡績糸前駆体αを緻密化させた紡績糸前駆体βを作製することを含む。本工程は、紡績糸作製工程において紡績糸前駆体βを通電加熱処理する前に、紡績糸前駆体αが破断しない範囲で予備的に高い張力を印加して、紡績糸前駆体αを緻密化させることを目的とする。
[1-3. Spun yarn precursor β production process]
This step involves applying a higher tension to the spun yarn precursor α than in the spun yarn precursor α production step, thereby producing a spun yarn precursor β by densifying the spun yarn precursor α. The purpose of this step is to densify the spun yarn precursor α by preliminarily applying a high tension within a range that does not cause the spun yarn precursor α to break, before subjecting the spun yarn precursor β to an electrical heating treatment in the spun yarn production step.

本工程は、例えば、紡績糸前駆体α作製工程で得られた紡績糸前駆体αを、回転体の周面から引き出し、張力を印加することによって実施することができる。形成された紡績糸前駆体βは、回転体の周面に巻き付けることによって回収される。回転体は、例えば、ボビン又はローラーである。紡績糸前駆体βを回転体の周面に巻き付けることにより、所望の引出速度で紡績糸前駆体αを引き出すとともに、所望の張力を紡績糸前駆体αに印加することができる。 This process can be carried out, for example, by drawing the spun yarn precursor α obtained in the spun yarn precursor α production process from the circumferential surface of a rotor and applying tension. The formed spun yarn precursor β is recovered by winding it around the circumferential surface of a rotor. The rotor is, for example, a bobbin or roller. By winding the spun yarn precursor β around the circumferential surface of the rotor, the spun yarn precursor α can be drawn out at the desired drawing speed and the desired tension can be applied to the spun yarn precursor α.

本工程において、紡績糸前駆体αを引き出す引出速度は、4000 mm/分未満であることが好ましく、1000~3000 mm/分の範囲であることがより好ましい。 In this process, the drawing speed for drawing out the spun yarn precursor α is preferably less than 4000 mm/min, and more preferably in the range of 1000 to 3000 mm/min.

本工程において、紡績糸前駆体αに印加する張力は、紡績糸前駆体α作製工程よりも高い。紡績糸前駆体αに印加する張力は、例えば、150 mN(紡績糸前駆体αに対して480 MPa)未満であり、0.5~120 mN(紡績糸前駆体αに対して1.6~380 MPa)の範囲であることが好ましく、1~100 mN(紡績糸前駆体αに対して3~300 MPa)の範囲であることがより好ましい。張力が前記下限値未満である場合、結果として得られるCNT紡績糸前駆体βの密度が低くなる可能性がある。また、張力が前記上限値を超える場合、紡績糸前駆体αが破断してCNT紡績糸前駆体βを得られない可能性がある。それ故、前記範囲の張力を紡績糸前駆体αに印加しながら本工程を実施することにより、紡績糸前駆体αを緻密化して、高い密度のCNT紡績糸前駆体βを得ることができる。また、それにより、高い強度のCNT紡績糸を得ることができる。 In this process, the tension applied to the spun yarn precursor α is higher than that in the spun yarn precursor α production process. The tension applied to the spun yarn precursor α is, for example, less than 150 mN (480 MPa for the spun yarn precursor α), preferably in the range of 0.5 to 120 mN (1.6 to 380 MPa for the spun yarn precursor α), and more preferably in the range of 1 to 100 mN (3 to 300 MPa for the spun yarn precursor α). If the tension is below the lower limit, the density of the resulting CNT spun yarn precursor β may be low. If the tension exceeds the upper limit, the spun yarn precursor α may break, making it impossible to obtain a CNT spun yarn precursor β. Therefore, by performing this process while applying a tension within the above range to the spun yarn precursor α, the spun yarn precursor α can be densified, resulting in a high-density CNT spun yarn precursor β. This also results in a high-strength CNT spun yarn.

本工程において、紡績糸前駆体αに対して複数回に亘って段階的に張力を印加することが好ましい。本実施形態の場合、紡績糸前駆体α作製工程と実質的に同じ張力から段階的に張力を増加させて、紡績糸前駆体αに対して複数回に亘って繰り返し段階的に張力を印加すればよい。この場合、張力印加の繰り返し回数は、2回以上であることが好ましく、2~5回の範囲であることがより好ましく、3回であることがさらに好ましい。また、1回目に印加する張力は、0.5~10 mN(紡績糸前駆体αに対して1.6~30 MPa)の範囲であることが好ましく、1~10 mN(紡績糸前駆体αに対して3~30 MPa)の範囲であることがより好ましい。最終段階に印加する張力は、10~120 mN(紡績糸前駆体αに対して30~380 MPa)の範囲であることが好ましく、20~100 mN(紡績糸前駆体αに対して64~300 MPa)の範囲であることがより好ましく、50~100 mN(紡績糸前駆体αに対して160~300 MPa)の範囲であることがさらに好ましい。特定の実施形態において、紡績糸前駆体αに対して、1 mN、50 mN又は100 mN(紡績糸前駆体αに対して3 MPa、160 MPa又は300 MPa)の順に張力を増加させて、3回に亘って繰り返し段階的に張力を印加することが好ましい。繰り返し回数が前記下限値未満の場合、及び1回目に印加する張力が前記上限値を超える場合、張力が急激に増加し、紡績糸前駆体αが破断してCNT紡績糸前駆体βを得られない可能性がある。また、繰り返し回数が前記上限値を超える場合、処理時間が長くなり、本態様の方法のコストが増大する可能性がある。それ故、前記条件で本工程を実施することにより、紡績糸前駆体αを緻密化して、安定して高い密度のCNT紡績糸前駆体βを得ることができる。また、それにより、高い強度のCNT紡績糸を得ることができる。 In this process, it is preferable to apply tension to the spun yarn precursor α in stages multiple times. In this embodiment, the tension is increased stepwise from substantially the same tension as in the spun yarn precursor α production process, and the tension is repeatedly applied stepwise to the spun yarn precursor α multiple times. In this case, the number of repeated tension applications is preferably two or more, more preferably two to five, and even more preferably three. Furthermore, the tension applied the first time is preferably in the range of 0.5 to 10 mN (1.6 to 30 MPa for the spun yarn precursor α), and more preferably 1 to 10 mN (3 to 30 MPa for the spun yarn precursor α). The tension applied in the final stage is preferably in the range of 10 to 120 mN (30 to 380 MPa for spun yarn precursor α), more preferably in the range of 20 to 100 mN (64 to 300 MPa for spun yarn precursor α), and even more preferably in the range of 50 to 100 mN (160 to 300 MPa for spun yarn precursor α). In a specific embodiment, it is preferable to apply tension to the spun yarn precursor α in a stepwise manner, increasing the tension in the order of 1 mN, 50 mN, or 100 mN (3 MPa, 160 MPa, or 300 MPa for spun yarn precursor α), three times. If the number of repetitions is less than the lower limit or if the tension applied in the first step exceeds the upper limit, the tension may increase rapidly, causing the spun yarn precursor α to break and preventing the production of CNT spun yarn precursor β. Furthermore, if the number of repetitions exceeds the upper limit, the processing time may become longer, potentially increasing the cost of the method of this embodiment. Therefore, by carrying out this process under the above conditions, the spun yarn precursor α can be densified, and a CNT spun yarn precursor β with a stable high density can be obtained. This also makes it possible to obtain a CNT spun yarn with high strength.

本工程において、張力は、通常は、回転体の周面から引き出された紡績糸前駆体αに対して、テンショニングロッド、スライダーシステム又はモーター等を用いて荷重を付与することにより、印加することができる。 In this process, tension can typically be applied to the spun yarn precursor α pulled out from the circumferential surface of the rotor by applying a load using a tensioning rod, slider system, motor, or the like.

本工程において、紡績糸前駆体αを液体と接触させながら、該紡績糸前駆体αに張力を印加することが好ましい。本実施形態の場合、液体は、メタノール、エタノール、アセトン、水、パラフィン及びトルエン、並びにそれらの混合物からなる群より選択されることが好ましく、メタノール、エタノール、アセトン及び水、並びにそれらの混合物からなる群より選択されることがより好ましい。前記液体は、金属塩類(例えば、塩化鉄、又は塩化ニッケル)又は金属酸化物(例えば、酸化鉄)等の1種以上のさらなる成分を含んでもよい。特に好ましくは、前記液体は、メタノール、エタノール、アセトン又は水である。本実施形態において、紡績糸前駆体αを液体と接触させる手段としては、限定するものではないが、例えば、紡績糸前駆体αを液体に含浸させる、紡績糸前駆体αに液体を噴霧する、紡績糸前駆体αに液体を滴下する、及び紡績糸前駆体αに液体の蒸気を曝露する等を挙げることができる。紡績糸前駆体αを液体に含浸させることにより、紡績糸前駆体αを液体と接触させることが好ましい。本実施形態の場合、液体と接触させた紡績糸前駆体αを、室温又はそれ以上の温度で乾燥させることが好ましい。前記手段で紡績糸前駆体αを液体と接触させることにより、液体の気化による凝集力を利用して複数のCNTを凝集させて、結果として得られるCNT紡績糸前駆体βの密度を向上させることができる。 In this process, tension is preferably applied to the spun yarn precursor α while it is being brought into contact with a liquid. In this embodiment, the liquid is preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, water, paraffin, toluene, and mixtures thereof, and more preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, water, and mixtures thereof. The liquid may contain one or more additional components, such as metal salts (e.g., iron chloride or nickel chloride) or metal oxides (e.g., iron oxide). The liquid is particularly preferably methanol, ethanol, acetone, or water. In this embodiment, means for bringing the spun yarn precursor α into contact with the liquid include, but are not limited to, impregnating the spun yarn precursor α with the liquid, spraying the liquid onto the spun yarn precursor α, dripping the liquid onto the spun yarn precursor α, and exposing the spun yarn precursor α to the vapor of the liquid. It is preferable to bring the spun yarn precursor α into contact with the liquid by impregnating the spun yarn precursor α with the liquid. In this embodiment, it is preferable to dry the spun yarn precursor α that has been brought into contact with the liquid at room temperature or a higher temperature. By bringing the spun yarn precursor α into contact with the liquid using this method, the coagulation force caused by the vaporization of the liquid can be used to aggregate multiple CNTs, improving the density of the resulting CNT spun yarn precursor β.

前記条件で本工程を実施することにより、紡績糸前駆体αを緻密化して、安定して高い密度のCNT紡績糸前駆体βを得ることができる。本工程において形成される紡績糸前駆体βの密度は、通常は、1.0 g/cm3以上であり、例えば、1.0~1.2 g/cm3の範囲である。CNT紡績糸前駆体βのヤング率は、通常は100 GPa以上であり、例えば、100~150 GPaの範囲である。また、CNT紡績糸前駆体βの破断応力は、通常は、1.4 GPa以上であり、例えば、1.4~2 GPaの範囲である。前記性質を有する紡績糸前駆体βを以下の工程で用いることにより、本態様の方法において高い強度のCNT紡績糸を得ることができる。 By carrying out this step under the above conditions, the spun yarn precursor α can be densified, and a high-density CNT spun yarn precursor β can be stably obtained. The density of the spun yarn precursor β formed in this step is usually 1.0 g/ cm3 or higher, for example, in the range of 1.0 to 1.2 g/ cm3 . The Young's modulus of the CNT spun yarn precursor β is usually 100 GPa or higher, for example, in the range of 100 to 150 GPa. The breaking stress of the CNT spun yarn precursor β is usually 1.4 GPa or higher, for example, in the range of 1.4 to 2 GPa. By using the spun yarn precursor β having the above properties in the following steps, a high-strength CNT spun yarn can be obtained in the method of this embodiment.

[1-4. 紡績糸作製工程]
本工程は、紡績糸前駆体βに対して、張力を印加しながら通電加熱を行って、カーボンナノチューブからなる紡績糸を作製することを含む。
[1-4. Spun yarn production process]
This step involves applying tension to the spun yarn precursor β while electrically heating it, to produce a spun yarn made of carbon nanotubes.

本工程は、例えば、紡績糸前駆体β作製工程で得られた紡績糸前駆体βを、回転体の周面から引き出し、張力を印加しながら通電加熱処理することによって実施することができる。形成されたCNT紡績糸は、回転体の周面に巻き付けることによって回収される。回転体は、例えば、ボビン又はローラーである。CNT紡績糸を回転体の周面に巻き付けることにより、所望の引出速度で紡績糸前駆体αを引き出すとともに、所望の張力を紡績糸前駆体αに印加することができる。 This process can be carried out, for example, by drawing the spun yarn precursor β obtained in the spun yarn precursor β production process from the circumferential surface of a rotor and subjecting it to an electrical heating treatment while applying tension. The formed CNT spun yarn is recovered by winding it around the circumferential surface of a rotor. The rotor is, for example, a bobbin or roller. By winding the CNT spun yarn around the circumferential surface of the rotor, the spun yarn precursor α can be drawn out at the desired drawing speed and the desired tension can be applied to the spun yarn precursor α.

本工程において、紡績糸前駆体αを引き出す引出速度は、60超且つ6000 mm/分の範囲であることが好ましく、100~1000 mm/分の範囲であることがより好ましく、100~600 mm/分の範囲であることがさらに好ましい。 In this process, the drawing speed for drawing out the spun yarn precursor α is preferably in the range of more than 60 and 6000 mm/min, more preferably in the range of 100 to 1000 mm/min, and even more preferably in the range of 100 to 600 mm/min.

本工程において、紡績糸前駆体βに印加する張力は、紡績糸前駆体β作製工程と同一又はそれ以上であればよい。紡績糸前駆体βに印加する張力は、例えば、150 mN(紡績糸前駆体βに対して480 MPa)未満であり、0.5~120 mN(紡績糸前駆体βに対して1.6~380 MPa)の範囲であることが好ましく、1~100 mN(紡績糸前駆体βに対して3~300 MPa)の範囲であることがより好ましい。張力が前記下限値未満である場合、結果として得られるCNT紡績糸の密度が低くなる可能性がある。また、張力が前記上限値を超える場合、紡績糸前駆体βが破断してCNT紡績糸を得られない可能性がある。それ故、前記範囲の張力を紡績糸前駆体βに印加しながら本工程を実施することにより、紡績糸前駆体βを緻密化して、高い密度のCNT紡績糸を得ることができる。また、それにより、高い強度のCNT紡績糸を得ることができる。 In this step, the tension applied to the spun yarn precursor β may be the same as or greater than that applied in the spun yarn precursor β production step. The tension applied to the spun yarn precursor β is, for example, less than 150 mN (480 MPa for the spun yarn precursor β), preferably in the range of 0.5 to 120 mN (1.6 to 380 MPa for the spun yarn precursor β), and more preferably in the range of 1 to 100 mN (3 to 300 MPa for the spun yarn precursor β). If the tension is less than the lower limit, the density of the resulting CNT spun yarn may be low. If the tension exceeds the upper limit, the spun yarn precursor β may break, making it impossible to obtain a CNT spun yarn. Therefore, by performing this step while applying a tension within the above range to the spun yarn precursor β, the spun yarn precursor β can be densified, resulting in a CNT spun yarn with high density. This also results in a CNT spun yarn with high strength.

本工程において、張力は、通常は、回転体の周面から引き出された紡績糸前駆体βに対して、テンショニングロッド、スライダーシステム又はモーター等を用いて荷重を付与することにより、印加することができる。 In this process, tension can typically be applied to the spun yarn precursor β pulled out from the circumferential surface of the rotor by applying a load using a tensioning rod, slider system, motor, or the like.

本工程において、紡績糸前駆体βに対して通電加熱を行う手段は特に限定されず、当該技術分野で通常使用される各種の手段を適用することができる。本工程は、例えば、不活性ガス(例えば、アルゴン等のガス)雰囲気下で、ヒーター(例えば、クオーツヒーター等)を用いて実施してもよく、張力印加機構を備える超高温加熱可能な雰囲気炉を用いて実施してもよい。本実施形態の場合、ヒーターの電極間距離は、1~50 mmの範囲であることが好ましく、1~10 mmの範囲であることがより好ましい。 In this process, the means for electrically heating the spun yarn precursor β is not particularly limited, and various means commonly used in the relevant technical field can be applied. For example, this process may be carried out using a heater (e.g., a quartz heater) in an inert gas atmosphere (e.g., argon gas), or using an atmospheric furnace equipped with a tension application mechanism and capable of heating to ultra-high temperatures. In this embodiment, the distance between the electrodes of the heater is preferably in the range of 1 to 50 mm, and more preferably in the range of 1 to 10 mm.

本工程において、通電加熱の温度は、3200 K以下であることが好ましく、室温を超える温度且つ3200 K以下の範囲であることがより好ましく、1000~3200 Kの範囲であることがさらに好ましく、2000~3000 Kの範囲であることが特に好ましい。通電加熱の温度が前記下限値未満の場合、紡績糸前駆体βに含まれるCNTにおける非晶質カーボンのグラフェン化が十分に進行しない可能性がある。また、通電加熱の温度が前記上限値を超える場合、紡績糸前駆体βが破断してCNT紡績糸を得られない可能性がある。それ故、前記条件で本工程を実施することにより、紡績糸前駆体βに含まれるCNTにおける非晶質カーボンの少なくとも一部をグラフェン化して、高い強度のCNT紡績糸を得ることができる。 In this process, the temperature of the electrical heating is preferably 3200 K or less, more preferably a temperature above room temperature and below 3200 K, even more preferably in the range of 1000 to 3200 K, and particularly preferably in the range of 2000 to 3000 K. If the temperature of the electrical heating is below the lower limit, the graphene conversion of the amorphous carbon in the CNTs contained in the spun yarn precursor β may not proceed sufficiently. Furthermore, if the temperature of the electrical heating exceeds the upper limit, the spun yarn precursor β may break, making it impossible to obtain a CNT spun yarn. Therefore, by performing this process under the above conditions, at least a portion of the amorphous carbon in the CNTs contained in the spun yarn precursor β can be graphene converted, resulting in a high-strength CNT spun yarn.

本工程において、通電加熱の時間は、0.1超且つ10秒間未満の範囲であることが好ましく、0.5~10秒間の範囲であることがより好ましく、0.5~1秒間の範囲であることがさらに好ましい。通電加熱の時間が前記下限値未満の場合、紡績糸前駆体βに含まれるCNTにおける非晶質カーボンのグラフェン化が十分に進行しない可能性がある。また、通電加熱の時間が前記上限値を超える場合、紡績糸前駆体βが破断してCNT紡績糸を得られない可能性がある。それ故、前記条件で本工程を実施することにより、紡績糸前駆体βに含まれるCNTにおける非晶質カーボンの少なくとも一部をグラフェン化して、高い強度のCNT紡績糸を得ることができる。 In this process, the duration of the electrical heating is preferably greater than 0.1 and less than 10 seconds, more preferably between 0.5 and 10 seconds, and even more preferably between 0.5 and 1 second. If the duration of the electrical heating is less than the lower limit, the amorphous carbon in the CNTs contained in the spun yarn precursor β may not be converted into graphene sufficiently. Furthermore, if the duration of the electrical heating exceeds the upper limit, the spun yarn precursor β may break, making it impossible to obtain a CNT spun yarn. Therefore, by carrying out this process under the above conditions, at least a portion of the amorphous carbon in the CNTs contained in the spun yarn precursor β can be converted into graphene, resulting in a high-strength CNT spun yarn.

本工程において、紡績糸前駆体βを液体と接触させながら、該紡績糸前駆体βに張力を印加することが好ましい。本実施形態の場合、液体は、メタノール、エタノール、アセトン、水、パラフィン及びトルエン、並びにそれらの混合物からなる群より選択されることが好ましく、メタノール、エタノール、アセトン、水及びパラフィン、並びにそれらの混合物からなる群より選択されることがより好ましい。前記液体は、金属塩類(例えば、塩化鉄、又は塩化ニッケル)又は金属酸化物(例えば、酸化鉄)等の1種以上のさらなる成分を含んでもよい。特に好ましくは、前記液体は、メタノール、エタノール、アセトン、水、パラフィン又は塩化鉄エタノール溶液である。本実施形態において、紡績糸前駆体βを液体と接触させる手段としては、限定するものではないが、例えば、紡績糸前駆体βを液体に含浸させる、紡績糸前駆体βに液体を噴霧する、紡績糸前駆体βに液体を滴下する、及び紡績糸前駆体βに液体の蒸気を曝露する等を挙げることができる。紡績糸前駆体βを液体に含浸させることにより、紡績糸前駆体βを液体と接触させることが好ましい。本実施形態の場合、液体と接触させた紡績糸前駆体βを、室温又はそれ以上の温度で乾燥させることが好ましい。前記手段で紡績糸前駆体βを液体と接触させることにより、液体の気化による凝集力を利用して複数のCNTを凝集させて、結果として得られるCNT紡績糸の密度を向上させることができる。 In this process, tension is preferably applied to the spun yarn precursor β while it is being brought into contact with a liquid. In this embodiment, the liquid is preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, water, paraffin, toluene, and mixtures thereof, and more preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, water, paraffin, and mixtures thereof. The liquid may contain one or more additional components, such as metal salts (e.g., iron chloride or nickel chloride) or metal oxides (e.g., iron oxide). The liquid is particularly preferably methanol, ethanol, acetone, water, paraffin, or an ethanol solution of iron chloride. In this embodiment, means for bringing the spun yarn precursor β into contact with the liquid include, but are not limited to, impregnating the spun yarn precursor β with the liquid, spraying the liquid onto the spun yarn precursor β, dripping the liquid onto the spun yarn precursor β, and exposing the spun yarn precursor β to the vapor of the liquid. It is preferable to bring the spun yarn precursor β into contact with the liquid by impregnating the spun yarn precursor β with the liquid. In this embodiment, it is preferable to dry the spun yarn precursor β that has been brought into contact with the liquid at room temperature or a higher temperature. By bringing the spun yarn precursor β into contact with the liquid using this method, the coagulation force caused by the vaporization of the liquid can be utilized to aggregate multiple CNTs, improving the density of the resulting CNT spun yarn.

前記条件で本工程を実施することにより、紡績糸前駆体βを緻密化し、且つ/又は紡績糸前駆体βに含まれる非晶質カーボンの少なくとも一部をグラフェン化して、高い密度及び強度のCNT紡績糸を得ることができる。 By carrying out this process under the above conditions, the spun yarn precursor β can be densified and/or at least a portion of the amorphous carbon contained in the spun yarn precursor β can be converted into graphene, resulting in a CNT spun yarn with high density and strength.

[1-5. 架橋工程]
本態様の方法は、紡績糸作製工程で得られたカーボンナノチューブからなる紡績糸を、硫化物の塩を含む水溶液に含浸させる、架橋工程をさらに含んでもよい。
[1-5. Crosslinking process]
The method of this embodiment may further include a crosslinking step of impregnating the spun yarn made of carbon nanotubes obtained in the spun yarn preparation step with an aqueous solution containing a sulfide salt.

本発明の各態様において、架橋工程で使用する硫化物の塩を「硫化剤」と記載する場合がある。CNT紡績糸を硫化剤で処理するとCNT間がジスルフィド結合によって架橋され、この架橋されたCNT紡績糸に引張力を付与すると、ジスルフィド結合が再結合を繰り返して引張強度が向上することが、シミュレーションによって予測されている(Composite Science and Technology, 2018年, 第166巻, p. 3-9)。本態様の方法において、紡績糸作製工程で得られたCNT紡績糸を、硫化剤を含む水溶液で処理することにより、CNT紡績糸を構成するCNT間がジスルフィド結合、トリスルフィド結合又はテトラスルフィド結合によって架橋されて空隙が減少し、CNT紡績糸が高密度化することが判明した。それ故、架橋工程を実施することにより、結果として得られるCNT紡績糸の密度及び強度をさらに向上させることができる。 In each embodiment of the present invention, the sulfide salt used in the crosslinking step may be referred to as the "sulfurizing agent." Simulations predict that treating a CNT spun yarn with a sulfurizing agent crosslinks the CNTs via disulfide bonds, and that applying tensile force to this crosslinked CNT spun yarn improves tensile strength through repeated recombination of disulfide bonds (Composite Science and Technology, 2018, Vol. 166, pp. 3-9). In the method of this embodiment, treating the CNT spun yarn obtained in the spun yarn production step with an aqueous solution containing a sulfurizing agent crosslinks the CNTs constituting the CNT spun yarn via disulfide bonds, trisulfide bonds, or tetrasulfide bonds, reducing voids and increasing the density of the CNT spun yarn. Therefore, performing the crosslinking step can further improve the density and strength of the resulting CNT spun yarn.

本工程において、硫化剤として使用される硫化物の塩は、四硫化物、三流化物又は二硫化物の塩であることが好ましく、四硫化物又は二硫化物の塩であることがより好ましく、四硫化物又は二硫化物と、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン又はマグネシウムイオンとの塩であることがさらに好ましく、四硫化ナトリウム又は二硫化ナトリウムであることが特に好ましい。硫化物の塩が四硫化物と前記で例示した対イオンとの塩、特に四硫化ナトリウムである場合、本工程を実施することにより、CNT紡績糸のひずみ耐性をより向上させることができる。また、硫化物の塩が二硫化物と前記で例示した対イオンとの塩、特に二硫化ナトリウムである場合、本工程を実施することにより、CNT紡績糸の破断応力をより向上させることができる。それ故、前記で例示した硫化物の塩を使用して本工程を実施することにより、結果として得られるCNT紡績糸の強度をさらに向上させることができる。 In this process, the sulfide salt used as the sulfiding agent is preferably a salt of tetrasulfide, trisulfide, or disulfide, more preferably a salt of tetrasulfide or disulfide, even more preferably a salt of tetrasulfide or disulfide with sodium ions, potassium ions, calcium ions, or magnesium ions, and particularly preferably sodium tetrasulfide or sodium disulfide. When the sulfide salt is a salt of tetrasulfide with one of the counterions exemplified above, particularly sodium tetrasulfide, performing this process can further improve the strain resistance of the CNT spun yarn. Furthermore, when the sulfide salt is a salt of disulfide with one of the counterions exemplified above, particularly sodium disulfide, performing this process can further improve the breaking stress of the CNT spun yarn. Therefore, performing this process using one of the sulfide salts exemplified above can further improve the strength of the resulting CNT spun yarn.

本工程において、硫化物の塩の水溶液における硫化物の塩の濃度は、1 mmol/L以上であることが好ましく、1~500 mmol/Lの範囲であることがより好ましく、1~200 mmol/Lの範囲であることがさらに好ましく、1~100 mmol/Lの範囲であることが特に好ましい。硫化物の塩の濃度が前記下限値未満の場合、CNT紡績糸を構成するCNT間へのジスルフィド結合等の導入が不十分となり、結果として得られるCNT紡績糸の密度及び/又は強度の向上が不十分となる可能性がある。それ故、前記条件で本工程を実施することにより、結果として得られるCNT紡績糸の密度及び強度をさらに向上させることができる。 In this process, the concentration of the sulfide salt in the aqueous sulfide salt solution is preferably 1 mmol/L or higher, more preferably in the range of 1 to 500 mmol/L, even more preferably in the range of 1 to 200 mmol/L, and particularly preferably in the range of 1 to 100 mmol/L. If the sulfide salt concentration is below the lower limit, disulfide bonds and the like will not be sufficiently introduced between the CNTs that make up the CNT spun yarn, which may result in insufficient improvement in the density and/or strength of the resulting CNT spun yarn. Therefore, by performing this process under the above conditions, the density and strength of the resulting CNT spun yarn can be further improved.

本工程において使用する硫化物の塩の水溶液は、所望により水混和性有機溶媒等の1種以上のさらなる成分を含んでもよい。水混和性有機溶媒としては、メタノール、エタノール及びアセトン等を挙げることができる。 The aqueous sulfide salt solution used in this step may optionally contain one or more additional components, such as a water-miscible organic solvent. Examples of water-miscible organic solvents include methanol, ethanol, and acetone.

本工程において、CNT紡績糸を、硫化物の塩を含む水溶液に含浸する含浸時間は、通常は1時間以上であり、2時間以上であることが好ましく、24時間以上であることがより好ましく、48時間以上であることがさらに好ましい。また、含浸時間の上限は特に限定されないが、通常は72時間以下であり、例えば60時間以下であり、特に48時間以下である。含浸時間が前記下限値未満の場合、CNT紡績糸を構成するCNT間へのジスルフィド結合等の導入が不十分となり、結果として得られるCNT紡績糸の密度及び/又は強度の向上が不十分となる可能性がある。それ故、前記条件で本工程を実施することにより、結果として得られるCNT紡績糸の密度及び強度をさらに向上させることができる。 In this process, the impregnation time for impregnating the CNT spun yarn in the aqueous solution containing a sulfide salt is typically 1 hour or longer, preferably 2 hours or longer, more preferably 24 hours or longer, and even more preferably 48 hours or longer. There are no particular limitations on the upper limit of the impregnation time, but it is typically 72 hours or shorter, for example, 60 hours or shorter, and particularly 48 hours or shorter. If the impregnation time is shorter than the lower limit, the introduction of disulfide bonds between the CNTs that make up the CNT spun yarn may be insufficient, resulting in insufficient improvement in the density and/or strength of the resulting CNT spun yarn. Therefore, by performing this process under the above conditions, the density and strength of the resulting CNT spun yarn can be further improved.

本工程において、CNT紡績糸を、硫化物の塩を含む水溶液に含浸する含浸温度は、通常は室温以上であり、10℃以上であることが好ましく、10~60℃の範囲であることがより好ましい。含浸温度が前記下限値未満の場合、CNT紡績糸を構成するCNT間へのジスルフィド結合等の導入が不十分となり、結果として得られるCNT紡績糸の密度及び/又は強度の向上が不十分となる可能性がある。それ故、前記条件で本工程を実施することにより、結果として得られるCNT紡績糸の密度及び強度をさらに向上させることができる。 In this process, the impregnation temperature at which the CNT spun yarn is impregnated with the aqueous solution containing a sulfide salt is typically room temperature or higher, preferably 10°C or higher, and more preferably in the range of 10 to 60°C. If the impregnation temperature is below the lower limit mentioned above, the introduction of disulfide bonds between the CNTs that make up the CNT spun yarn may be insufficient, resulting in insufficient improvement in the density and/or strength of the resulting CNT spun yarn. Therefore, by carrying out this process under the above conditions, the density and strength of the resulting CNT spun yarn can be further improved.

本工程において、硫化物の塩を含む水溶液に含浸させたCNT紡績糸を乾燥させることが好ましい。本実施形態の場合、乾燥温度は、通常は室温以上であり、20℃以上であることが好ましく、20~100℃の範囲であることがより好ましい。また、乾燥時間は、通常は数分間以上であり、5分間以上且つ数日間以下であることが好ましく、5分間~1日間の範囲であることがより好ましく、5分間~1時間の範囲であることがさらに好ましい。特定の実施形態において、硫化物の塩を含む水溶液に含浸させたCNT紡績糸を、室温で1日間自然乾燥させるか、又は80℃で1時間真空乾燥させることが好ましい。含浸温度及び/又は含浸時間が前記下限値未満の場合、CNT紡績糸の乾燥が不十分となる可能性がある。それ故、前記条件で本工程を実施することにより、所望の特性を有するCNT紡績糸を得ることができる。 In this process, it is preferable to dry the CNT spun yarn impregnated with the aqueous solution containing the sulfide salt. In this embodiment, the drying temperature is typically above room temperature, preferably above 20°C, and more preferably in the range of 20 to 100°C. The drying time is typically at least several minutes, preferably at least 5 minutes and not more than several days, more preferably in the range of 5 minutes to 1 day, and even more preferably in the range of 5 minutes to 1 hour. In certain embodiments, it is preferable to air-dry the CNT spun yarn impregnated with the aqueous solution containing the sulfide salt at room temperature for 1 day, or vacuum-dry it at 80°C for 1 hour. If the impregnation temperature and/or impregnation time are below the above-mentioned lower limit, the CNT spun yarn may not be sufficiently dried. Therefore, by performing this process under the above-mentioned conditions, it is possible to obtain a CNT spun yarn with the desired properties.

本態様の方法において、前記で説明した各工程は、逐次的に実施してもよく、連続的に実施してもよい。本態様の方法において、前記で説明した各工程を連続的に実施することが好ましい。本態様の方法の各工程を連続的に実施することにより、高い密度及び強度のCNT紡績糸を効率的に且つ低コストで製造することができる。 In the method of this embodiment, the steps described above may be performed sequentially or continuously. It is preferable to perform the steps described above continuously in the method of this embodiment. By performing the steps of the method of this embodiment continuously, CNT spun yarn with high density and strength can be produced efficiently and at low cost.

<2. カーボンナノチューブからなる紡績糸>
前記で説明したように、本発明の一態様の製造方法により、高い密度及び強度のCNT紡績糸を得ることができる。それ故、本発明の別の一態様は、本発明の一態様の製造方法により得られ得る、好ましくは該方法によって得られたカーボンナノチューブからなる紡績糸(CNT紡績糸)に関する。
2. Spun yarn made from carbon nanotubes
As explained above, a CNT spun yarn with high density and strength can be obtained by the manufacturing method of one embodiment of the present invention. Therefore, another embodiment of the present invention relates to a spun yarn (CNT spun yarn) that can be obtained by the manufacturing method of one embodiment of the present invention, and preferably made of carbon nanotubes obtained by said method.

本発明の各態様において、CNT紡績糸前駆体α、CNT紡績糸前駆体β及びCNT紡績糸の密度は、限定するものではないが、例えば、下記の手順により、嵩密度として測定することができる。マイクロ天秤を用いて、CNT紡績糸前駆体α、CNT紡績糸前駆体β又はCNT紡績糸の単位長さあたりの重量を測定する。走査型電子顕微鏡を用いて、CNT紡績糸前駆体α、CNT紡績糸前駆体β又はCNT紡績糸の断面積を測定する。次いで得られた単位長さあたりの重量及び断面積から、嵩密度を算出する。 In each embodiment of the present invention, the density of the CNT spun yarn precursor α, CNT spun yarn precursor β, and CNT spun yarn can be measured as bulk density, for example, by the following procedure, although this is not limited thereto. The weight per unit length of the CNT spun yarn precursor α, CNT spun yarn precursor β, or CNT spun yarn is measured using a microbalance. The cross-sectional area of the CNT spun yarn precursor α, CNT spun yarn precursor β, or CNT spun yarn is measured using a scanning electron microscope. The bulk density is then calculated from the weight per unit length and cross-sectional area obtained.

本発明の各態様において、CNT紡績糸前駆体α、CNT紡績糸前駆体β及びCNT紡績糸の強度は、例えば、ヤング率及び破断応力を指標として評価することができる。CNT紡績糸前駆体α、CNT紡績糸前駆体β及びCNT紡績糸のヤング率及び破断応力は、限定するものではないが、例えば、ISO11566:1996(JIS R 7606 :2000)に基づき、1 mm/分の試験速度及び25 mmのつかみ具間距離の条件で測定することができる。 In each embodiment of the present invention, the strength of the CNT spun yarn precursor α, CNT spun yarn precursor β, and CNT spun yarn can be evaluated using, for example, Young's modulus and breaking stress as indicators. The Young's modulus and breaking stress of the CNT spun yarn precursor α, CNT spun yarn precursor β, and CNT spun yarn can be measured, for example, in accordance with ISO11566:1996 (JIS R 7606:2000), at a test speed of 1 mm/min and a grip distance of 25 mm.

本態様のCNT紡績糸は、通常は1.6 g/cm3未満、例えば、1.0 g/cm3超且つ1.6 g/cm3未満の範囲、特に1.2~1.5 g/cm3の範囲の密度を有する。これに対し、紡績糸前駆体β作製工程における予備的な張力印加を実施しない従来技術の方法で得られるCNT紡績糸は、通常は1.0 g/cm3以下の密度を有する。それ故、本態様のCNT紡績糸は、従来技術の方法で得られるCNT紡績糸を超える緻密な構造を有することができる。 The CNT spun yarn of this embodiment typically has a density of less than 1.6 g/cm 3 , for example, in the range of more than 1.0 g/cm 3 and less than 1.6 g/cm 3 , particularly in the range of 1.2 to 1.5 g/cm 3. In contrast, CNT spun yarns obtained by conventional techniques that do not apply preliminary tension in the step of producing spun yarn precursor β typically have a density of 1.0 g/cm 3 or less. Therefore, the CNT spun yarn of this embodiment can have a denser structure than CNT spun yarns obtained by conventional techniques.

本態様のCNT紡績糸において、ラマン分光分析により得られるスペクトルのGバンドピークの強度(IG)とDバンドピークの強度(ID)との比(IG/ID)は、通常は、5以上であり、例えば、5~35の範囲であり、特に、5~25の範囲である。これに対し、紡績糸前駆体β作製工程における予備的な張力印加を実施しない従来技術の方法で得られるCNT紡績糸において、IG/IDは、通常は、2未満であり、例えば、1.2未満である。当該技術分野において、CNT及びCNTからなる紡績糸のラマン分光分析により得られるスペクトル(以下、「ラマンスペクトル」とも記載する)において、Gバンドピークは、結晶性のsp2構造に由来し、Dバンドピークは、欠陥又は非晶質を示すsp3構造に由来することが知られている。このため、CNT及びCNTからなる紡績糸のラマンスペクトルにおいて、IG/IDは、CNTの結晶性を示す指標となる。また、CNTにおける非晶質カーボンからグラフェンへの構造変化の推定は、例えば、CNTを透過型電子顕微鏡で観察して得られる画像における、グラフェンの存在を示すフレーク状の結晶構造の存在により、確認することができる。本態様のCNT紡績糸は、従来技術の方法で得られるCNT紡績糸と比較して、より高いIG/IDを有することから、本態様のCNT紡績糸は、従来技術の方法で得られるCNT紡績糸を上回る高いCNTの結晶性を有する。また、本態様のCNT紡績糸は、透過型電子顕微鏡画像において、フレーク状の結晶構造が確認されることから、本態様のCNT紡績糸は、CNTの少なくとも一部にグラフェンが存在し得る。それ故、本態様のCNT紡績糸は、従来技術の方法で得られるCNT紡績糸では観察されない、高い結晶性及びグラフェン構造を有する。 In the CNT spun yarn of this embodiment, the ratio of the G-band peak intensity (IG) to the D-band peak intensity (ID) in the spectrum obtained by Raman spectroscopy (IG/ID) is typically 5 or greater, for example, in the range of 5 to 35, and particularly in the range of 5 to 25. In contrast, in CNT spun yarns obtained by conventional methods that do not apply preliminary tension in the process of producing the spun yarn precursor β, IG/ID is typically less than 2, for example, less than 1.2. It is known in the art that in spectra obtained by Raman spectroscopy of CNTs and spun yarns made from CNTs (hereinafter also referred to as "Raman spectra"), the G-band peak is derived from a crystalline sp2 structure, and the D-band peak is derived from an sp3 structure indicating defects or amorphousness. Therefore, in the Raman spectra of CNTs and spun yarns made from CNTs, IG/ID serves as an indicator of the crystallinity of the CNTs. Furthermore, the structural change from amorphous carbon to graphene in the CNTs can be confirmed, for example, by the presence of a flake-like crystalline structure, indicating the presence of graphene, in an image obtained by observing the CNTs with a transmission electron microscope. The CNT spun yarn of this embodiment has a higher IG/ID than CNT spun yarns obtained by conventional methods, and therefore has higher CNT crystallinity than CNT spun yarns obtained by conventional methods. Furthermore, since the flake-like crystalline structure is confirmed in transmission electron microscope images of the CNT spun yarn of this embodiment, graphene may be present in at least a portion of the CNTs. Therefore, the CNT spun yarn of this embodiment has high crystallinity and a graphene structure that are not observed in CNT spun yarns obtained by conventional methods.

本態様のCNT紡績糸は、高い結晶性及びグラフェン構造に起因して、高い強度を有する。本態様のCNT紡績糸は、通常は100 GPa以上、例えば、100~300 GPaの範囲、好ましくは、120~260 GPaの範囲、特に、190~260 GPaの範囲のヤング率を有する。また、本態様のCNT紡績糸は、通常は1.4 GPa以上、例えば、1.4~3.6 GPaの範囲、好ましくは、1.6~3.4 GPaの範囲、特に、2.2~3.2 GPaの範囲の破断応力を有する。これに対し、紡績糸前駆体β作製工程における予備的な張力印加を実施しない従来技術の方法で得られるCNT紡績糸は、通常は、100 GPa未満のヤング率及び1.4 GPa未満の破断応力を有する。それ故、本態様のCNT紡績糸は、従来技術の方法で得られるCNT紡績糸を超える高い強度を有することができる。 The CNT spun yarn of this embodiment has high strength due to its high crystallinity and graphene structure. The CNT spun yarn of this embodiment typically has a Young's modulus of 100 GPa or more, for example, in the range of 100 to 300 GPa, preferably in the range of 120 to 260 GPa, and particularly in the range of 190 to 260 GPa. The CNT spun yarn of this embodiment also typically has a breaking stress of 1.4 GPa or more, for example, in the range of 1.4 to 3.6 GPa, preferably in the range of 1.6 to 3.4 GPa, and particularly in the range of 2.2 to 3.2 GPa. In contrast, CNT spun yarns obtained using conventional methods that do not apply preliminary tension in the process of preparing the spun yarn precursor β typically have a Young's modulus of less than 100 GPa and a breaking stress of less than 1.4 GPa. Therefore, the CNT spun yarn of this embodiment can have a strength greater than that of CNT spun yarns obtained using conventional methods.

特定の一実施形態において、本態様のCNT紡績糸は、CNT間が、ジスルフィド結合、トリスルフィド結合又はテトラスルフィド結合によって架橋されていてもよい。本実施形態のCNT紡績糸は、ジスルフィド結合、トリスルフィド結合及びテトラスルフィド結合からなる群より選択される1種以上の結合をCNT間に有する。本実施形態のCNT紡績糸は、前記で説明した架橋工程を含む本発明の一態様の本製造方法により得ることができる。本実施形態のCNT紡績糸は、より高い密度及び強度を有する。 In a specific embodiment, the CNTs in the CNT spun yarn of this embodiment may be cross-linked by disulfide bonds, trisulfide bonds, or tetrasulfide bonds. The CNT spun yarn of this embodiment has one or more bonds selected from the group consisting of disulfide bonds, trisulfide bonds, and tetrasulfide bonds between the CNTs. The CNT spun yarn of this embodiment can be obtained by the production method of one embodiment of the present invention, which includes the cross-linking step described above. The CNT spun yarn of this embodiment has higher density and strength.

本態様のCNT紡績糸は、熱伝導性及び導電性に加えて、高い強度を有することから、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)に代わる高強度炭素材料として使用することができる。本態様のCNT紡績糸は、例えば、自動車用の部品(例えば、高圧タンク又はボディ等)、風力発電機用の部品(例えば、ブレード)又は航空機の部品(例えば、ボディ)等の部品の材料として使用することができる。 The CNT spun yarn of this embodiment has high strength in addition to thermal conductivity and electrical conductivity, and can therefore be used as a high-strength carbon material to replace carbon fiber reinforced plastic (CFRP). The CNT spun yarn of this embodiment can be used, for example, as a material for automobile parts (e.g., high-pressure tanks or bodies), wind turbine parts (e.g., blades), or aircraft parts (e.g., bodies).

以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to these examples.

<I:CNTからなる紡績糸の製造(1)>
[I-1:紡績糸前駆体α作製工程]
金属製基板の表面に形成された18×18 mmのCNTフォレストの上面に、3個のブレードを有するコーミング用ブレードを配置した。ブレードの間から、500 rpmの基板回転速度、500 mm/分の引出速度の条件で複数のCNTからなるCNTウェブを引き出した。CNTウェブに1 mN(複数のCNTからなるCNTウェブに対して3 MPa)未満の荷重で張力を印加しながら紡績して、約4°の撚り角を有するCNTからなる紡績糸前駆体αを回転体の周面に巻き付けた。前記手順において、1 mN(複数のCNTからなるCNTウェブに対して3 MPa)未満の荷重は、CNTフォレストの幅1 cmあたり0.55 mNの張力に相当する。前記手順により、紡績糸前駆体αを作製した。基板回転速度は、200 rpm未満の範囲で、基板回転速度/引出速度の比は、0.25 rev/mm超且つ25 rev/mm未満の範囲で、荷重は、10 mN(CNTフォレストの幅1 cmあたり5.5 mN、複数のCNTからなるCNTウェブに対して30 MPa)未満の張力の範囲で、それぞれ変化させた。また、CNTフォレストから引き出されたCNTウェブに荷重を印加しながら、CNTウェブをメタノール、エタノール、アセトン又は水に含浸させた後、回転体の周面に巻き付ける手順でも本工程を実施した。
<I: Production of CNT spun yarn (1)>
[I-1: Spun yarn precursor α production process]
A combing blade with three blades was placed on top of an 18 x 18 mm CNT forest formed on the surface of a metal substrate. A CNT web consisting of multiple CNTs was drawn between the blades at a substrate rotation speed of 500 rpm and a drawing speed of 500 mm/min. The CNT web was spun while applying a tension of less than 1 mN (3 MPa for a CNT web consisting of multiple CNTs), resulting in a spun yarn precursor α consisting of CNTs with a twist angle of approximately 4°, wound around the circumferential surface of the rotating body. In this procedure, a load of less than 1 mN (3 MPa for a CNT web consisting of multiple CNTs) corresponds to a tension of 0.55 mN per cm of CNT forest width. This procedure produced spun yarn precursor α. The substrate rotation speed was varied within a range of less than 200 rpm, the ratio of substrate rotation speed to pulling speed was varied within a range of more than 0.25 rev/mm and less than 25 rev/mm, and the load was varied within a range of tension less than 10 mN (5.5 mN per cm width of the CNT forest, 30 MPa for a CNT web consisting of multiple CNTs). This process was also carried out by impregnating the CNT web pulled from the CNT forest with methanol, ethanol, acetone, or water while applying a load to the CNT web, and then winding it around the circumferential surface of a rotating body.

[I-2:紡績糸前駆体β作製工程]
回転体の周面から、2000 mm/分の引出速度の条件で紡績糸前駆体αを引き出した。紡績糸前駆体αに対して、紡績糸前駆体α作製工程よりも高い張力を印加しながら、エタノールに含浸させた後、回転体の周面に巻き付けた。前記手順を、1 mN、50 mN又は100 mN(紡績糸前駆体αに対して3 MPa、160 MPa又は300 MPa)の順に荷重を増加させて、3回に亘って繰り返し段階的に張力を印加した。前記手順により、紡績糸前駆体αを緻密化させて、紡績糸前駆体βを作製した。引出速度は、4000 mm/分未満の範囲で、荷重は、150 mN(紡績糸前駆体αに対して480 MPa)未満の範囲で、それぞれ変化させた。また、エタノールに代えて、メタノール、アセトン又は水に含浸させる手順でも本工程を実施した。
[I-2: Spun yarn precursor β production process]
Spun yarn precursor α was drawn from the circumferential surface of a rotor at a drawing speed of 2000 mm/min. After impregnating the spun yarn precursor α with ethanol while applying a higher tension than in the spun yarn precursor α production process, it was wound around the circumferential surface of a rotor. This procedure was repeated three times, applying a stepwise tension with increasing loads of 1 mN, 50 mN, or 100 mN (3 MPa, 160 MPa, or 300 MPa for spun yarn precursor α). This procedure densified the spun yarn precursor α to produce spun yarn precursor β. The drawing speed was varied within a range of less than 4000 mm/min, and the load was varied within a range of less than 150 mN (480 MPa for spun yarn precursor α). This process was also performed using a procedure in which the spun yarn precursor α was impregnated with methanol, acetone, or water instead of ethanol.

[I-3:紡績糸作製工程]
回転体の周面から、600 mm/分の引出速度の条件で紡績糸前駆体βを引き出した。紡績糸前駆体βに対して、1 mN、10 mN又は100 mN(紡績糸前駆体βに対して3 MPa、30 MPa又は300 MPa)の荷重で張力を印加しながら、1500~3000 Kの温度、1秒間の時間及び10 mmの電極間距離の条件で通電加熱を行った後、回転体の周面に巻き付けた。前記手順により、CNT紡績糸を作製した。引出速度は、60超且つ6000 mm/分の範囲で、荷重は、150 mN(紡績糸前駆体βに対して480 MPa)未満の範囲で、通電加熱の温度は、室温を超える温度且つ3200 K以下の範囲で、通電加熱の時間は、0.1超且つ10秒間未満の範囲で、それぞれ変化させた。また、紡績糸前駆体βをメタノール、エタノール、アセトン、水、パラフィン又は塩化鉄エタノール溶液に含浸させた後、通電加熱を行って回転体の周面に巻き付ける手順でも本工程を実施した。
[I-3: Spun yarn production process]
Spun yarn precursor β was drawn from the circumferential surface of the rotor at a drawing speed of 600 mm/min. The spun yarn precursor β was subjected to electrical heating at a temperature of 1500 to 3000 K for 1 second with an electrode distance of 10 mm while applying a tension of 1 mN, 10 mN, or 100 mN (3 MPa, 30 MPa, or 300 MPa for spun yarn precursor β), and then wound around the circumferential surface of the rotor. This procedure produced CNT spun yarn. The drawing speed was varied between 60 and 6000 mm/min, the load was varied between 150 mN and 6000 mm/min, the electrical heating temperature was varied between room temperature and 3200 K or less, and the electrical heating time was varied between 0.1 and 10 seconds. This process was also carried out by impregnating the spun yarn precursor β with methanol, ethanol, acetone, water, paraffin, or an ethanol solution of iron chloride, and then electrically heating the impregnated yarn precursor β and winding it around the circumferential surface of a rotating body.

[I-4:紡績糸前駆体β作製工程における荷重の効果]
紡績糸前駆体β作製工程において、1 mN、50 mN又は100 mN(紡績糸前駆体αに対して3 MPa、160 MPa又は300 MPa)の荷重で張力を印加しながら紡績して紡績糸前駆体βを作製した。次いで、紡績糸作製工程において、通電加熱を行わずにCNT紡績糸を作製した。対照として、紡績糸前駆体β作製工程において荷重を印加せず紡績して紡績糸前駆体βを作製した他は前記と同様の手順で、CNT紡績糸を作製した。得られた紡績糸のヤング率及び破断応力を、ISO11566:1996(JIS R 7606 :2000)に基づき、1 mm/分の試験速度及び25 mmのつかみ具間距離の条件で、それぞれ測定した。また、得られた紡績糸の密度を、以下の手順で測定した。マイクロ天秤を用いて、紡績糸の単位長さあたりの重量を測定した。走査型電子顕微鏡を用いて、紡績糸の断面積(6箇所)を測定した。次いで、得られた単位長さあたりの重量及び断面積から嵩密度を算出した。得られた紡績糸のヤング率、破断応力及び密度を図1、2及び3にそれぞれ示す。図中、横軸は、紡績糸前駆体β作製工程における荷重(mN)である。図1及び2において、図中の値は、3回の試験結果の平均値及び標準偏差を示す。また、図3において、図中の値は、6箇所の断面積測定値から得られた試験結果の平均値及び標準偏差を示す。
[I-4: Effect of load in the spun yarn precursor β production process]
In the spun yarn precursor β production step, spun yarn precursor β was produced by spinning while applying a tension of 1 mN, 50 mN, or 100 mN (3 MPa, 160 MPa, or 300 MPa for spun yarn precursor α). Next, in the spun yarn production step, a CNT spun yarn was produced without electrical heating. As a control, a CNT spun yarn was produced using the same procedure as above, except that spun yarn precursor β was produced by spinning without applying a load in the spun yarn precursor β production step. The Young's modulus and breaking stress of the resulting spun yarn were measured at a test speed of 1 mm/min and a grip distance of 25 mm according to ISO 11566:1996 (JIS R 7606:2000). The density of the resulting spun yarn was also measured using the following procedure. The weight per unit length of the spun yarn was measured using a microbalance. The cross-sectional area of the spun yarn (at six locations) was measured using a scanning electron microscope. The bulk density was then calculated from the weight per unit length and cross-sectional area. The Young's modulus, breaking stress, and density of the resulting spun yarn are shown in Figures 1, 2, and 3, respectively. The horizontal axis in each figure represents the load (mN) in the spun yarn precursor β production process. In Figures 1 and 2, the values represent the average and standard deviation of three test results. In Figure 3, the values represent the average and standard deviation of the test results obtained from the cross-sectional area measurements at six locations.

図1~3に示すように、紡績糸前駆体β作製工程において、1 mN、50 mN又は100 mN(紡績糸前駆体αに対して3 MPa、160 MPa又は300 MPa)の荷重を印加しながら紡績した場合、得られたCNT紡績糸のヤング率、破断応力及び密度のいずれも、対照の紡績糸の値と比較して顕著に高くなった。 As shown in Figures 1 to 3, when spinning was performed while applying a load of 1 mN, 50 mN, or 100 mN (3 MPa, 160 MPa, or 300 MPa for spun yarn precursor α) during the process of preparing spun yarn precursor β, the Young's modulus, breaking stress, and density of the resulting CNT spun yarn were all significantly higher than those of the control spun yarn.

[I-5:紡績糸作製工程における通電加熱処理の効果]
紡績糸前駆体β作製工程において、荷重なし又は100 mN(紡績糸前駆体αに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら紡績して紡績糸前駆体βを作製した。次いで、紡績糸作製工程において、紡績糸前駆体βに対して、1 mN、10 mN又は100 mN(紡績糸前駆体βに対して3 MPa、30 MPa又は300 MPa)の荷重で張力を印加しながら、1500、2000、2500、3000又は3500 Kの温度、1秒間の時間及び10 mmの電極間距離の条件で通電加熱を行ってCNT紡績糸を作製した。荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合の、紡績糸作製工程における通電加熱の温度とCNT紡績糸との関係を表1に、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合の、紡績糸作製工程における通電加熱の温度とCNT紡績糸との関係を表2に、それぞれ示す。表中、×は、通電加熱処理において紡績糸前駆体βが破断したことを、○は、良好にCNT紡績糸を作製できたことを示す。
[I-5: Effect of electrical heating treatment in the spun yarn production process]
In the spun yarn precursor β production step, spun yarn precursor β was produced by spinning with no load or with a tension of 100 mN (300 MPa for spun yarn precursor α). Next, in the spun yarn production step, spun yarn precursor β was subjected to electrical heating at temperatures of 1500, 2000, 2500, 3000, or 3500 K for 1 second with an electrode distance of 10 mm while applying a tension of 1 mN, 10 mN, or 100 mN (3 MPa, 30 MPa, or 300 MPa for spun yarn precursor β), to produce a CNT spun yarn. Table 1 shows the relationship between the electrical heating temperature and the CNT spun yarn in the spun yarn precursor β production step when performed without a load, and Table 2 shows the relationship between the electrical heating temperature and the CNT spun yarn in the spun yarn precursor β production step when performed with a load. In the table, × indicates that the spun yarn precursor β was broken during the electrical heating treatment, and ◯ indicates that a CNT spun yarn was successfully produced.

表1に示すように、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合、3000 K以上の温度で通電加熱すると、通電加熱処理において紡績糸前駆体βが破断してCNT紡績糸を得ることができなかった。これに対し、荷重ありの条件で、紡績糸前駆体αに対して張力を印加しながら紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合、3000 Kで通電加熱しても紡績糸前駆体βが破断することなく、良好にCNT紡績糸を得ることができた。以下において説明するように、紡績糸作製工程における通電加熱の温度が高い程、結果として得られる紡績糸の強度は向上する。それ故、紡績糸前駆体αに対して張力を印加しながら紡績糸前駆体β作製工程を実施することにより、結果として得られる紡績糸の強度を向上させることができる。 As shown in Table 1, when the spun yarn precursor β production process was performed under unloaded conditions, the spun yarn precursor β broke during the electrical heating process when heated to a temperature of 3000 K or higher, making it impossible to obtain a CNT spun yarn. In contrast, when the spun yarn precursor β production process was performed under loaded conditions while applying tension to the spun yarn precursor α, the spun yarn precursor β did not break even when heated to 3000 K, and a satisfactory CNT spun yarn was obtained. As explained below, the higher the electrical heating temperature in the spun yarn production process, the stronger the resulting spun yarn. Therefore, by performing the spun yarn precursor β production process while applying tension to the spun yarn precursor α, the strength of the resulting spun yarn can be improved.

<II:CNTからなる紡績糸の性質分析>
[II-1:CNT紡績糸の密度]
紡績糸前駆体β作製工程において、荷重なし又は100 mN(紡績糸前駆体αに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら紡績して紡績糸前駆体βを作製した。次いで、紡績糸作製工程において、紡績糸前駆体βに対して、1 mN、10 mN又は100 mN(紡績糸前駆体βに対して3 MPa、30 MPa又は300 MPa)の荷重で張力を印加しながら、2500又は3000 Kの温度、1秒間の時間及び10 mmの電極間距離の条件で通電加熱を行ってCNT紡績糸を作製した。対照として、通電加熱非処理の条件でCNT紡績糸を作製した。種々の処理条件で得られたCNT紡績糸の密度を図4に示す。図中、横軸は、紡績糸作製工程における処理条件(張力及び通電加熱の温度)であり、縦軸は、密度(g/cm3)である。また、白抜きの棒は、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合の結果であり、黒塗りの棒は、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合の結果である。図中の値は、6箇所の断面積測定値から得られた試験結果の平均値及び標準偏差を示す。
<II: Analysis of properties of spun yarn made from CNTs>
[II-1: Density of CNT spun yarn]
In the spun yarn precursor β production process, spun yarn precursor β was produced by spinning while applying a tension of either no load or 100 mN (300 MPa for spun yarn precursor α). Next, in the spun yarn production process, spun yarn precursor β was subjected to electrical heating at a temperature of 2500 or 3000 K for 1 second with an electrode distance of 10 mm while applying a tension of 1 mN, 10 mN, or 100 mN (3 MPa, 30 MPa, or 300 MPa for spun yarn precursor β), to produce a CNT spun yarn. As a control, a CNT spun yarn was produced without electrical heating. The densities of the CNT spun yarns obtained under various treatment conditions are shown in Figure 4. In the figure, the horizontal axis represents the treatment conditions (tension and electrical heating temperature) in the spun yarn production process, and the vertical axis represents density (g/cm 3 ). The open bars represent the results when the spun yarn precursor β production process was carried out under no load, and the solid bars represent the results when the spun yarn precursor β production process was carried out under load. The values in the figure represent the average and standard deviation of the test results obtained from the cross-sectional area measurements at six locations.

図4に示すように、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合、2500 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の密度は、非処理対照のCNT紡績糸の密度と実質的に同程度であった。また、3000 K以上の温度で通電加熱すると、通電加熱処理において紡績糸前駆体βが破断してCNT紡績糸を得ることができなかった。これに対し、荷重ありの条件で、紡績糸前駆体αに対して張力を印加しながら紡績糸前駆体β作製工程を実施した場合、100 mN(紡績糸前駆体βに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら2500 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の密度は、非処理対照の紡CNT績糸の密度より有意に高かった。また、3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の密度は、1 mN、10 mN又は100 mN(紡績糸前駆体βに対して3 MPa、30 MPa又は300 MPa)のいずれの荷重で張力を印加した場合であっても、非処理対照のCNT紡績糸の密度より有意に高かった。 As shown in Figure 4, when the spun yarn precursor β production process was performed under unloaded conditions, the density of the CNT spun yarn obtained by electrical heating at 2500 K was substantially the same as that of the untreated CNT spun yarn. Furthermore, when electrical heating was performed at temperatures above 3000 K, the spun yarn precursor β broke during the electrical heating treatment, making it impossible to obtain a CNT spun yarn. In contrast, when the spun yarn precursor β production process was performed under loaded conditions while applying tension to the spun yarn precursor α, the density of the CNT spun yarn obtained by electrical heating at 2500 K while applying a tension of 100 mN (300 MPa for the spun yarn precursor β) was significantly higher than that of the untreated spun CNT yarn. Furthermore, the density of the CNT spun yarn obtained by electrical heating at a temperature of 3000 K was significantly higher than that of the untreated control CNT spun yarn, regardless of whether a tension load of 1 mN, 10 mN, or 100 mN (3 MPa, 30 MPa, or 300 MPa for spun yarn precursor β) was applied.

[II-2:CNT紡績糸のラマンスペクトルで観測されたピーク分析]
II-1で得られたCNTからなる紡績糸をラマン分光分析に供した。荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸の1000~2000 cm-1の範囲のラマンスペクトルを図5に、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸の2200~3400 cm-1の範囲のラマンスペクトルを図6に、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸の2200~3400 cm-1の範囲のラマンスペクトルを図7に、それぞれ示す。図中、横軸は、ラマンシフト(cm-1)であり、縦軸は、ラマン散乱光の強度(a.u.)である。また、図7において、Aは、非処理対照のCNT紡績糸及び2500 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸のラマンスペクトルであり、Bは、非処理対照のCNT紡績糸及び3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸のラマンスペクトルである。
[II-2: Analysis of peaks observed in the Raman spectrum of CNT spun yarn]
The CNT spun yarn obtained in II-1 was subjected to Raman spectroscopic analysis. Figure 5 shows the Raman spectrum in the range of 1000 to 2000 cm −1 of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under load. Figure 6 shows the Raman spectrum in the range of 2200 to 3400 cm −1 of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under load. Figure 7 shows the Raman spectrum in the range of 2200 to 3400 cm −1 of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under load. In the figures, the horizontal axis represents the Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis represents the intensity of Raman scattered light (au). In addition, in Figure 7, A is the Raman spectrum of the untreated CNT spun yarn and the CNT spun yarn obtained by electrical heating at a temperature of 2500 K, and B is the Raman spectrum of the untreated CNT spun yarn and the CNT spun yarn obtained by electrical heating at a temperature of 3000 K.

図5に示すように、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸のラマンスペクトルにおいて、結晶性のsp2構造に由来するGバンドピーク、及び欠陥又は非晶質を示すsp3構造に由来するDバンドピークが観測された。CNTの結晶性を示す指標であるGバンドピークの強度(IG)とDバンドピークの強度(ID)との比(IG/ID)は、非処理対照のCNT紡績糸の場合、1.2であり、100 mN(紡績糸前駆体βに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら2500 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の場合、2.0であったのに対し、100 mN(紡績糸前駆体βに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の場合、13であった。同様の条件で複数回実験を行ったところ、IG/IDは、非処理対照のCNT紡績糸の場合、0.8超且つ1.2未満の範囲であったのに対し、張力を印加しながら通電加熱して得られたCNT紡績糸の場合、1.2超且つ35未満、特に25未満の範囲であった。 As shown in Figure 5, the Raman spectrum of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β preparation process under load showed a G-band peak due to the crystalline sp2 structure and a D-band peak due to the sp3 structure, indicating defects or amorphousness. The ratio of the G-band peak intensity (IG) to the D-band peak intensity (ID), which is an indicator of CNT crystallinity, (IG/ID) was 1.2 for the untreated CNT spun yarn, 2.0 for the CNT spun yarn obtained by electrical heating at 2500 K while applying a tension of 100 mN (300 MPa for spun yarn precursor β), and 13 for the CNT spun yarn obtained by electrical heating at 3000 K while applying a tension of 100 mN (300 MPa for spun yarn precursor β). When experiments were performed multiple times under similar conditions, the IG/ID ratio was in the range of greater than 0.8 and less than 1.2 for the untreated CNT spun yarn, whereas it was in the range of greater than 1.2 and less than 35, particularly less than 25, for the CNT spun yarn obtained by applying tension and electrical heating.

ラマンスペクトルにおいて、G*バンドピークは、グラフェンに由来することが知られている(N. Ferralis, J. Mater. Sci. 45, 5135-5149 (2010)、及びM. S. Dresselhaus, et al., Nano Lett. 10 (3), 751-758 (2010))。図6及び7に示すように、いずれの条件で得られたCNT紡績糸のラマンスペクトルにおいても、二次的なDバンドピークである2Dバンドピーク及びグラフェンに由来するG*バンドピークが観測された。特に、3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸のG*バンドピークは、非処理対照のCNT紡績糸のG*バンドピークと比較して、2倍以上の強度を示した。 The G * band peak in Raman spectra is known to originate from graphene (N. Ferralis, J. Mater. Sci. 45, 5135-5149 (2010), and M.S. Dresselhaus, et al., Nano Lett. 10 (3), 751-758 (2010)). As shown in Figures 6 and 7, the Raman spectra of the CNT-spun yarns obtained under all conditions showed a secondary D-band peak, a 2D-band peak, and a G * band peak originating from graphene. In particular, the G * band peak of the CNT-spun yarn obtained by electrical heating at 3000 K was more than twice as intense as that of the untreated CNT-spun yarn.

[II-3:CNT紡績糸の結晶構造分析]
II-1で得られたCNT紡績糸を透過型電子顕微鏡で観察した画像を図8に示す。図中、Aは、非処理対照のCNT紡績糸の透過型電子顕微鏡画像であり、Bは、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで100 mN(紡績糸前駆体βに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら2500 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の透過型電子顕微鏡画像であり、Cは、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで100 mN(紡績糸前駆体βに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら2500 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の透過型電子顕微鏡画像であり、Dは、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで100 mN(紡績糸前駆体βに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の透過型電子顕微鏡画像である。図中、スケールバーは、10 nmである。
[II-3: Crystal structure analysis of CNT spun yarn]
Figure 8 shows an image of the CNT spun yarn obtained in II-1 observed with a transmission electron microscope. In the figure, (A) is a transmission electron microscope image of an untreated CNT spun yarn; (B) is a transmission electron microscope image of a CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under unloaded conditions, followed by electrical heating at 2500 K while applying a tension of 100 mN (300 MPa for the spun yarn precursor β); (C) is a transmission electron microscope image of a CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under loaded conditions, followed by electrical heating at 2500 K while applying a tension of 100 mN (300 MPa for the spun yarn precursor β); and (D) is a transmission electron microscope image of a CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under loaded conditions, followed by electrical heating at 3000 K while applying a tension of 100 mN (300 MPa for the spun yarn precursor β). The scale bar in the figure is 10 nm.

図8Aに示すように、非処理対照のCNT紡績糸には、非晶質カーボン(図8Aの矢印a-C)が確認された。これに対し、荷重なし又はありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで張力を印加しながら通電加熱して得られたCNT紡績糸には、非晶質カーボンは確認されなかった(図8B~D)。また、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸の場合、グラフェンの存在を示すフレーク状の結晶構造が確認された(図8C及び8Dの矢印)。この結果から、CNTの少なくとも一部にグラフェンが存在し得ることが示唆される。フレーク状の結晶構造は、3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸でより多く確認されたことから、3000 Kの温度で通電加熱することにより効果的に非晶質カーボンからグラフェンへの構造変化が進行したと推測される。 As shown in Figure 8A, amorphous carbon (arrows a-C in Figure 8A) was observed in the untreated control CNT spun yarn. In contrast, no amorphous carbon was observed in the CNT spun yarns obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under either load or load conditions, followed by electrical heating under tension (Figures 8B-D). Furthermore, in the case of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under load, flake-like crystalline structures indicating the presence of graphene were observed (arrows in Figures 8C and 8D). These results suggest that graphene may be present in at least some of the CNTs. Because flake-like crystalline structures were more prevalent in the CNT spun yarns obtained by electrical heating at 3000 K, it is inferred that electrical heating at 3000 K effectively promoted the structural transformation from amorphous carbon to graphene.

[II-4:CNT紡績糸の強度分析]
II-1で得られたCNTからなる紡績糸において、紡績糸作製工程における通電加熱の温度と結果として得られるCNT紡績糸のヤング率との関係を図9に、紡績糸作製工程における通電加熱の温度と結果として得られるCNT紡績糸の破断応力との関係を図10に、それぞれ示す。図中、横軸は、紡績糸作製工程における通電加熱の温度(K)であり、縦軸は、CNT紡績糸のヤング率(GPa)又は破断応力(GPa)である。また、図中の点線は、荷重なし又はありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施した非処理対照のCNT紡績糸のヤング率又は破断応力を示す。図中の値は、3回の試験結果の平均値及び標準偏差を示す。
[II-4: Strength analysis of CNT spun yarn]
Figure 9 shows the relationship between the electrical heating temperature in the spun yarn production process and the Young's modulus of the resulting CNT spun yarn for the CNT spun yarn obtained in II-1, and Figure 10 shows the relationship between the electrical heating temperature in the spun yarn production process and the breaking stress of the resulting CNT spun yarn. In the figure, the horizontal axis represents the electrical heating temperature (K) in the spun yarn production process, and the vertical axis represents the Young's modulus (GPa) or breaking stress (GPa) of the CNT spun yarn. The dotted line in the figure also represents the Young's modulus or breaking stress of the untreated control CNT spun yarn, which was subjected to the spun yarn precursor β production process with or without load. The values in the figure represent the average and standard deviation of three test results.

図9に示すように、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸のヤング率は、非処理対照のCNT紡績糸のヤング率と実質的にほぼ同程度の値であった。また、紡績糸作製工程における通電加熱の温度が高くなっても、結果として得られるCNT紡績糸のヤング率に顕著な変化は確認されなかった。これに対し、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸のヤング率は、紡績糸作製工程における通電加熱の温度が高くなるにしたがって顕著に向上した。特に、3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸のヤング率は、190~220 GPaの範囲に達した。 As shown in Figure 9, the Young's modulus of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under unloaded conditions was substantially similar to that of the untreated CNT spun yarn. Furthermore, even when the electrical heating temperature in the spun yarn production process increased, no significant change was observed in the Young's modulus of the resulting CNT spun yarn. In contrast, the Young's modulus of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under loaded conditions significantly improved as the electrical heating temperature in the spun yarn production process increased. In particular, the Young's modulus of the CNT spun yarn obtained by electrical heating at a temperature of 3000 K reached a range of 190 to 220 GPa.

図10に示すように、荷重なしの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸の破断応力は、非処理対照のCNT紡績糸の破断応力と実質的にほぼ同程度の値であった。また、紡績糸作製工程における通電加熱の温度が高くなっても、結果として得られるCNT紡績糸の破断応力に顕著な変化は確認されなかった。これに対し、荷重ありの条件で紡績糸前駆体β作製工程を実施して得られたCNT紡績糸の破断応力は、紡績糸作製工程における通電加熱の温度が高くなるにしたがって顕著に向上した。特に、3000 Kの温度で通電加熱して得られたCNT紡績糸の破断応力は、2.0~2.8 GPaの範囲に達した。 As shown in Figure 10, the breaking stress of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under unloaded conditions was substantially similar to the breaking stress of the untreated CNT spun yarn. Furthermore, even when the electrical heating temperature in the spun yarn production process increased, no significant change in the breaking stress of the resulting CNT spun yarn was observed. In contrast, the breaking stress of the CNT spun yarn obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process under loaded conditions significantly improved as the electrical heating temperature in the spun yarn production process increased. In particular, the breaking stress of the CNT spun yarn obtained by electrical heating at a temperature of 3000 K reached a range of 2.0 to 2.8 GPa.

本実施例の結果より、荷重ありの条件で紡績糸前駆体αに対して高い張力を印加しながら紡績糸前駆体β作製工程を実施し、次いで張力を印加しながら通電加熱を行うことにより、高い強度を有するCNT紡績糸を得られることが明らかとなった。また、得られたCNT紡績糸は、ラマンスペクトルのIG/IDが5以上であり、且つCNTの少なくとも一部にグラフェンが存在することが明らかとなった。 The results of this example demonstrate that a high-strength CNT spun yarn can be obtained by carrying out the spun yarn precursor β production process while applying high tension to spun yarn precursor α under load, and then performing electrical heating while applying tension. Furthermore, it was revealed that the obtained CNT spun yarn had an IG/ID ratio of 5 or greater in the Raman spectrum, and that graphene was present in at least some of the CNTs.

<III:CNTからなる紡績糸の製造(2)>
[III-1:架橋工程]
紡績糸前駆体α作製工程において、CNTフォレストの幅1 cmあたり1 mN mNの張力を印加しながら複数のCNTを紡績して、紡績糸前駆体αを作製した。次いで、紡績糸前駆体β作製工程において、100 mN(紡績糸前駆体αに対して300 MPa)の荷重で張力を印加しながら紡績して紡績糸前駆体βを作製した。さらに、紡績糸作製工程において、紡績糸前駆体βに対して、1 mN(紡績糸前駆体βに対して3 MPa)の荷重で張力を印加しながら、3000 Kの温度、1秒間の時間及び10 mmの電極間距離の条件で通電加熱を行って残留酸素、残留触媒金属及び非晶質カーボンを除去して、CNT紡績糸を作製した。
<III: Production of CNT spun yarn (2)>
[III-1: Crosslinking step]
In the spun yarn precursor α production process, multiple CNTs were spun while applying a tension of 1 mN per 1 cm of CNT forest width to produce spun yarn precursor α. Next, in the spun yarn precursor β production process, spun yarn precursor β was produced by spinning while applying a tension of 100 mN (300 MPa for spun yarn precursor α). Furthermore, in the spun yarn production process, spun yarn precursor β was subjected to electrical heating at a temperature of 3000 K for 1 second with an electrode distance of 10 mm while applying a tension of 1 mN (3 MPa for spun yarn precursor β) to remove residual oxygen, residual catalyst metal, and amorphous carbon, producing a CNT spun yarn.

純水を30分間窒素バブリング処理することで、純水内の酸素を取り除いて、超純水を作製した。Na2S4粉末(硫化剤)を超純水に溶解させて、100 mmol/L(17.4 mg/mL) Na2S4を含む水溶液を調製した。前記手順で作製したCNT紡績糸を、20℃の条件下、Na2S4を含む水溶液に所定の時間含浸させ、次いで20℃で1日間の条件下、自然乾燥させて、CNT間がジスルフィド結合によって架橋されたCNT紡績糸を得た。非処理対照として、紡績糸作製工程における通電加熱処理のみを実施し架橋工程を実施せずに得られたCNT紡績糸を使用した。 Ultrapure water was produced by removing oxygen from the pure water through nitrogen bubbling for 30 minutes. Na2S4 powder (sulfiding agent) was dissolved in ultrapure water to prepare an aqueous solution containing 100 mmol/L (17.4 mg/mL) Na2S4 . The CNT spun yarn produced using the above procedure was immersed in the aqueous solution containing Na2S4 for a specified time at 20°C, and then air-dried at 20°C for one day to obtain a CNT spun yarn in which the CNTs were crosslinked by disulfide bonds. An untreated control was used: a CNT spun yarn obtained by only the electrical heating treatment in the spun yarn production process, without the crosslinking step.

[III-2:架橋されたCNT紡績糸の表面観察及び密度測定]
前記手順で得られたCNT紡績糸の表面を、走査型電子顕微鏡で観察した。得られた画像を図11に示す。図中、Aは、架橋工程において2時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像であり、Bは、架橋工程において24時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像であり、Cは、架橋工程において48時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像である。図中、スケールバーは、10 μmである。また、CNT紡績糸の直径及び重量を測定して、密度(嵩密度)を算出した。種々の処理条件で得られたCNT紡績糸の直径及び密度を図12に示す。図中、Aは、CNT紡績糸の直径を示すグラフであり、Bは、CNT紡績糸の密度を示すグラフである。横軸は、架橋工程における含浸時間であり、縦軸は、CNT紡績糸の直径(μm)又は密度(g/cm3)である。
[III-2: Surface observation and density measurement of cross-linked CNT spun yarn]
The surface of the CNT spun yarn obtained by the above procedure was observed using a scanning electron microscope. The obtained images are shown in Figure 11. In the figure, A is a scanning electron microscope image of a CNT spun yarn obtained after 2 hours of impregnation treatment in the crosslinking process, B is a scanning electron microscope image of a CNT spun yarn obtained after 24 hours of impregnation treatment in the crosslinking process, and C is a scanning electron microscope image of a CNT spun yarn obtained after 48 hours of impregnation treatment in the crosslinking process. The scale bar in the figure is 10 μm. The diameter and weight of the CNT spun yarn were also measured to calculate the density (bulk density). The diameter and density of the CNT spun yarn obtained under various processing conditions are shown in Figure 12. In the figure, A is a graph showing the diameter of the CNT spun yarn, and B is a graph showing the density of the CNT spun yarn. The horizontal axis is the impregnation time in the crosslinking process, and the vertical axis is the diameter (μm) or density (g/ cm3 ) of the CNT spun yarn.

図11及び図12に示すように、架橋工程における含浸時間が長くなるにしたがって、CNT紡績糸の直径が顕著に減少し、それに伴ってCNT紡績糸の密度が顕著に増加した。例えば、非処理対照のCNT紡績糸の直径は18.4 μmであったのに対し、48時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の直径は16.8 μmであった。 As shown in Figures 11 and 12, as the impregnation time in the crosslinking process increased, the diameter of the CNT spun yarn decreased significantly, and the density of the CNT spun yarn increased accordingly. For example, the diameter of the untreated CNT spun yarn was 18.4 μm, while the diameter of the CNT spun yarn obtained after 48 hours of impregnation treatment was 16.8 μm.

[III-3:架橋されたCNT紡績糸の断面観察及び構成原子分析]
前記手順で得られたCNT紡績糸を、集束イオンビーム(FIB)で切断した。エネルギー分散型X線分析装置(EDS)を用いて、得られたCNT紡績糸の断面に存在する硫黄原子を定量した。切断したCNT紡績糸の断面の走査型電子顕微鏡画像を図13に示す。図中、Aは、架橋工程において2時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像であり、Bは、架橋工程において24時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像であり、Cは、架橋工程において48時間の含浸処理で得られたCNT紡績糸の走査型電子顕微鏡画像である。画像中の点は、EDSを用いてマッピングされた、CNT紡績糸の断面に存在する硫黄原子を示す。また、EDSを用いて定量した、切断したCNT紡績糸の断面に存在する硫黄原子の定量結果を図14に示す。図中、Aは、CNT紡績糸の断面に存在する原子の総数に対する硫黄原子数の百分率を示すグラフであり、Bは、CNT紡績糸の断面に存在する原子の総質量に対する硫黄原子質量の百分率を示すグラフである。横軸は、架橋工程における含浸時間であり、縦軸は、硫黄原子数の百分率(%)又は硫黄原子質量の百分率(%)である。
[III-3: Cross-sectional observation and constituent atomic analysis of cross-linked CNT yarn]
The CNT spun yarn obtained by the above procedure was cut using a focused ion beam (FIB). The sulfur atoms present in the cross section of the resulting CNT spun yarn were quantified using an energy dispersive X-ray analyzer (EDS). Scanning electron microscope (SEM) images of the cross section of the cut CNT spun yarn are shown in Figure 13. In the figure, A is a SEM image of a CNT spun yarn obtained after 2 hours of impregnation treatment in the cross-linking process, B is a SEM image of a CNT spun yarn obtained after 24 hours of impregnation treatment in the cross-linking process, and C is a SEM image of a CNT spun yarn obtained after 48 hours of impregnation treatment in the cross-linking process. The dots in the images represent sulfur atoms present in the cross section of the CNT spun yarn, as mapped using EDS. The quantitative results of the sulfur atoms present in the cross section of the cut CNT spun yarn, as quantified using EDS, are shown in Figure 14. In the figure, graph A shows the percentage of the number of sulfur atoms relative to the total number of atoms present in the cross section of the CNT spun yarn, and graph B shows the percentage of the mass of sulfur atoms relative to the total mass of atoms present in the cross section of the CNT spun yarn. The horizontal axis represents the impregnation time in the cross-linking step, and the vertical axis represents the percentage (%) of the number of sulfur atoms or the percentage (%) of the mass of sulfur atoms.

図13及び図14に示すように、架橋工程を含む方法によって得られたCNT紡績糸の内部には、硫黄原子が導入されたことが確認された。また、架橋工程における含浸時間が長くなるにしたがって、CNT紡績糸の内部に導入された硫黄原子の数及び質量が顕著に増加した。 As shown in Figures 13 and 14, it was confirmed that sulfur atoms were introduced into the CNT spun yarn obtained using a method that included a crosslinking process. Furthermore, as the impregnation time in the crosslinking process increased, the number and mass of sulfur atoms introduced into the CNT spun yarn significantly increased.

[III-4:架橋されたCNT紡績糸の強度分析]
前記手順で得られたCNT紡績糸の破断応力を、ISO11566:1996(JIS R 7606 :2000)に基づき、1 mm/分の試験速度及び10 mmのつかみ具間距離の条件で測定した。種々の処理条件で得られたCNT紡績糸の応力ひずみ曲線を図15に示す。図中、横軸は、ひずみ率(%)であり、縦軸は、CNT紡績糸の破断応力(GPa)である。
[III-4: Strength analysis of cross-linked CNT spun yarn]
The breaking stress of the CNT spun yarn obtained by the above procedure was measured at a test speed of 1 mm/min and a grip distance of 10 mm according to ISO11566:1996 (JIS R 7606:2000). The stress-strain curves of the CNT spun yarn obtained under various processing conditions are shown in Figure 15. In the figure, the horizontal axis represents the strain rate (%), and the vertical axis represents the breaking stress (GPa) of the CNT spun yarn.

図15に示すように、架橋工程を含む方法によって得られたCNT紡績糸は、対照のCNT紡績糸と比較してひずみ耐性及び破断応力が向上した。特に、架橋工程における含浸時間が48時間の場合、ひずみ耐性及び破断応力のいずれも顕著に向上した。 As shown in Figure 15, the CNT spun yarn obtained by the method including the crosslinking step had improved strain resistance and breaking stress compared to the control CNT spun yarn. In particular, when the impregnation time in the crosslinking step was 48 hours, both strain resistance and breaking stress were significantly improved.

[III-5:異なる硫化剤で架橋されたCNT紡績糸の強度分析]
架橋工程で使用する硫化剤をNa2S4、Na2S3又はNa2S2に、含浸時間を48時間又は24時間に、それぞれ変更した他は前記と同様の手順で、架橋されたCNT紡績糸を得た。得られたCNT紡績糸の破断応力を、ISO11566:1996(JIS R 7606 :2000)に基づき、1 mm/分の試験速度及び10 mmのつかみ具間距離の条件で測定した。種々の処理条件で得られたCNT紡績糸の応力ひずみ曲線を図16及び17に示す。図中、横軸は、ひずみ率(%)であり、縦軸は、CNT紡績糸の破断応力(GPa)である。
[III-5: Strength analysis of CNT yarns cross-linked with different sulfurizing agents]
Crosslinked CNT spun yarns were obtained using the same procedure as above, except that the sulfiding agent used in the crosslinking process was changed to Na2S4 , Na2S3 , or Na2S2 , and the impregnation time was changed to 48 or 24 hours. The breaking stress of the resulting CNT spun yarns was measured according to ISO11566:1996 (JIS R 7606:2000) at a test speed of 1 mm/min and a grip distance of 10 mm. Figures 16 and 17 show the stress-strain curves of the CNT spun yarns obtained under various processing conditions. In the figures, the horizontal axis represents strain (%), and the vertical axis represents the breaking stress (GPa) of the CNT spun yarns.

図16及び17に示すように、いずれの硫化剤を使用して得られたCNT紡績糸も、非処理対照のCNT紡績糸と比較してひずみ耐性及び破断応力が顕著に向上した。Na2S4を使用する架橋工程を実施することによって得られたCNT紡績糸は、Na2S2を使用する架橋工程を実施することによって得られたCNT紡績糸と比較してより高いひずみ耐性を示した(図16)。また、Na2S2を使用する架橋工程を実施することによって得られたCNT紡績糸は、Na2S4を使用する架橋工程を実施することによって得られたCNT紡績糸と比較してより高い破断応力を示した(図16)。さらに、Na2S3を使用する架橋工程を実施することによって得られたCNT紡績糸は、24時間の含浸処理によって高い破断応力及びひずみ耐性を示した(図17)。Na2S3を使用する架橋工程を実施することによって得られたCNT紡績糸は、Na2S4を使用する架橋工程を実施することによって得られたCNT紡績糸と比較してより高いひずみ耐性を示した(図16及び17)。 As shown in Figures 16 and 17, the strain tolerance and break stress of the CNT yarns obtained using either sulfiding agent were significantly improved compared to the untreated control CNT yarn. The CNT yarn obtained by the crosslinking process using Na2S4 exhibited higher strain tolerance than the CNT yarn obtained by the crosslinking process using Na2S2 (Figure 16 ) . The CNT yarn obtained by the crosslinking process using Na2S2 also exhibited higher break stress than the CNT yarn obtained by the crosslinking process using Na2S4 (Figure 16 ). Furthermore, the CNT yarn obtained by the crosslinking process using Na2S3 exhibited higher break stress and strain tolerance after 24 hours of impregnation treatment (Figure 17 ). The CNT yarn obtained by the crosslinking process using Na2S3 also exhibited higher strain tolerance than the CNT yarn obtained by the crosslinking process using Na2S4 (Figures 16 and 17 ).

CNT紡績糸を硫化剤で処理するとCNT間がジスルフィド結合等によって架橋され、この架橋されたCNT紡績糸に引張力を付与すると、ジスルフィド結合が再結合を繰り返して引張強度が向上することが、シミュレーションによって予測されている(Composite Science and Technology, 2018年, 第166巻, p. 3-9)。本実施例の結果より、架橋工程を実施することにより、CNT紡績糸を構成するCNT間がジスルフィド結合、トリスルフィド結合又はテトラスルフィド結合によって架橋されて空隙が減少し、CNT紡績糸が高密度化することが明らかとなった。また、得られたCNT紡績糸は、架橋工程を実施しない場合と比較してひずみ耐性及び破断応力が顕著に向上して、高い強度を有することが明らかとなった。 Simulations predict that when CNT spun yarn is treated with a sulfurizing agent, the CNTs are cross-linked via disulfide bonds and other mechanisms, and that when tensile force is applied to this cross-linked CNT spun yarn, the disulfide bonds repeatedly recombine, improving tensile strength (Composite Science and Technology, 2018, Vol. 166, pp. 3-9). The results of this example demonstrate that by performing the cross-linking process, the CNTs that make up the CNT spun yarn are cross-linked via disulfide bonds, trisulfide bonds, or tetrasulfide bonds, reducing voids and increasing the density of the CNT spun yarn. Furthermore, the resulting CNT spun yarn exhibited significantly improved strain resistance and breaking stress, demonstrating high strength, compared to yarns that did not undergo the cross-linking process.

なお、本発明は、前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除及び/又は置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and the present invention is not necessarily limited to those that include all of the described configurations. Furthermore, it is possible to add, delete, and/or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.

Claims (7)

カーボンナノチューブからなる紡績糸の製造方法であって、以下の工程:
カーボンナノチューブフォレストから複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブにカーボンナノチューブフォレストの幅1 cmあたり6 mN以下の張力を印加しながら該複数のカーボンナノチューブを紡績し、カーボンナノチューブからなる紡績糸前駆体αを作製する、紡績糸前駆体α作製工程;
紡績糸前駆体αに対して、紡績糸前駆体α作製工程よりも高い張力を印加して、紡績糸前駆体αを緻密化させた紡績糸前駆体βを作製する、紡績糸前駆体β作製工程;
紡績糸前駆体βに対して、張力を印加しながら通電加熱を行って、カーボンナノチューブからなる紡績糸を作製する、紡績糸作製工程;
を含む、前記方法。
A method for producing a spun yarn made of carbon nanotubes, comprising the following steps:
a step of producing a spun yarn precursor α, in which a plurality of carbon nanotubes are drawn out from the carbon nanotube forest, and the plurality of carbon nanotubes are spun while applying a tension of 6 mN or less per 1 cm width of the carbon nanotube forest to the plurality of carbon nanotubes, thereby producing a spun yarn precursor α made of carbon nanotubes;
a spun yarn precursor β production step in which a higher tension than that in the spun yarn precursor α production step is applied to the spun yarn precursor α to produce a spun yarn precursor β by densifying the spun yarn precursor α;
a spun yarn production step in which the spun yarn precursor β is electrically heated while applying tension to produce a spun yarn made of carbon nanotubes;
The method comprising:
紡績糸前駆体β作製工程において、紡績糸前駆体αを、メタノール、エタノール、アセトン、水、パラフィン及びトルエン、並びにそれらの混合物からなる群より選択される液体と接触させながら、該紡績糸前駆体αに張力を印加する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein in the step of preparing the spun yarn precursor β, tension is applied to the spun yarn precursor α while the spun yarn precursor α is brought into contact with a liquid selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, water, paraffin, toluene, and mixtures thereof. 紡績糸前駆体β作製工程において、紡績糸前駆体αに対して複数回に亘って段階的に張力を印加する、請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein tension is applied to the spun yarn precursor α in stages over multiple times during the spun yarn precursor β production process. 紡績糸作製工程において、3200 K以下の温度で通電加熱を行う、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein electrical heating is performed at a temperature of 3200 K or less in the spun yarn production process. 紡績糸作製工程において、紡績糸前駆体βに対して480 MPa未満の張力を印加しながら通電加熱を行う、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein in the spun yarn production step, the spun yarn precursor β is electrically heated while being subjected to a tension of less than 480 MPa. 紡績糸作製工程で得られたカーボンナノチューブからなる紡績糸を、硫化物の塩を含む水溶液に含浸させる、架橋工程をさらに含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, further comprising a crosslinking step in which the spun yarn made of carbon nanotubes obtained in the spun yarn production step is impregnated with an aqueous solution containing a sulfide salt. 硫化物の塩が、四硫化ナトリウム又は二硫化ナトリウムである、請求項6に記載の方法。 The method of claim 6, wherein the sulfide salt is sodium tetrasulfide or sodium disulfide.
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