カーボンナノファイバーを用いた電極用多孔質体、電極、電池、キャパシタ、水処理装置、油田装置及び電極用多孔質体の製造方法
【課題】
カーボンナノファイバーを用いた電極用多孔質体、電極、電池、キャパシタ、水処理装置、油田装置及び電極用多孔質体の製造方法を提供する。
【解決手段】
電極用多孔質体４１ａは、複数のカーボンナノファイバー４０が接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成する。電極用多孔質体４１ａは、網状構造を形成するカーボンナノファイバー４０と接合物質によって接合した活性炭４２を有する。接合物質は、炭素系物質である。電極は、このような電極用多孔質体４１ａによって形成される。
カーボンナノファイバーを用いた電極用多孔質体、電極、電池、キャパシタ、水処理装置、油田装置及び電極用多孔質体の製造方法を提供する。
【解決手段】
電極用多孔質体４１ａは、複数のカーボンナノファイバー４０が接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成する。電極用多孔質体４１ａは、網状構造を形成するカーボンナノファイバー４０と接合物質によって接合した活性炭４２を有する。接合物質は、炭素系物質である。電極は、このような電極用多孔質体４１ａによって形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノファイバーを用いた電極用多孔質体、電極、電池、キャパシタ、水処理装置、油田装置及び電極用多孔質体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電池やキャパシタなどの効率化のために、電極に活性炭やカーボンナノチューブなどを用いた装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、飲料用水などの淡水の需要に対し、世界的に供給が不足している。そこで、海水を淡水化する技術や水の中の不純物を取り除く技術が注目されている。このような淡水化技術にキャパシタの技術を応用したフロースルーキャパシター（ＦＴＣ：Ｆｌｏｗ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
フロースルーキャパシター（以下、単にＦＴＣとする）は、電極間に例えば上流側から海水を流すと海水中のイオン化した物質が電極側に移動し、下流側からイオン化した物質が取り除かれた淡水を得ることができる。例えば、海水にはカチオン（陽イオン）としてナトリウムイオンＮａ＋とアニオン（陰イオン）として塩素イオンＣｌ−が含まれている。ＦＴＣに海水を流すと、ＦＴＣのアノード（正極）側に塩素イオンが移動し、カソード（負極）側にナトリウムイオンが移動するため、脱塩された淡水が得られる。ＦＴＣの電極としては、多くのイオンを吸着することができるように表面積の大きい活性炭、カーボンナノチューブ、フラーレンなどを用いることが提案されている。
【０００５】
図１６は、従来のＦＴＣの正極４’の表面４ａ’の構造を拡大して示す断面図である。なお、負極も基本的に正極４’と同様の構造であるので説明は省略する。このように、従来のＦＴＣの正極４’は、これら炭素化合物、例えば活性炭４２’を正極４’の表面４ａ’にバインダー４８’を用いて塗布するため、バインダー４８’によって活性炭４２’の有効表面積が減少することになり、イオン化した物質を取り除く効率が低く、短期間でファウリングが起きてしまう傾向がある。また、バインダー４８’としては樹脂などが用いられているため、電極の使用温度がバインダー４８’の耐熱温度に制限されてしまい、例えば油田用途のような高温の環境では使用することが難しかった。カーボンナノチューブやフラーレンなどを基板に直接生成させることも研究中であったが、そもそもそのような方法で製造された基板は量産性に劣り、高価で実用性に乏しい上に、カーボンナノチューブは活性炭ほど比表面積が大きくないため、イオン吸着効率も向上しないことが予想される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２９４０８号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３２８４号公報
【特許文献３】特開２００８−１３２４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、カーボンナノファイバーを用いた電極用多孔質体、電極、電池、キャパシタ、水処理装置、油田装置及び電極用多孔質体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる電極用多孔質体は、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーと接合物質によって接合した活性炭を有する。
【０００９】
本発明にかかる電極用多孔質体によれば、活性炭を三次元的な網状構造を形成するカーボンナノファイバーに接合することにより、比表面積の大きな活性炭の表面積を効率よく使用することができる。
【００１０】
本発明にかかる電極用多孔質体において、前記接合物質は、炭素系物質であることができる。
【００１１】
本発明にかかる電極は、前記電極用多孔質体によって形成される。
【００１２】
本発明にかかる電極は、前記電極用多孔質体が導電性部材に電気的に接触して形成される。
【００１３】
本発明にかかる電池は、正極及び負極の少なくとも一方が前記電極からなる。
【００１４】
本発明にかかるキャパシタは、正極及び負極の少なくとも一方が前記電極からなる。
【００１５】
本発明にかかる水処理装置は、前記キャパシタであって、
処理前の水を供給する供給口と、
処理後の水を取り出す取出口と、
前記供給口と前記取出口との間にある流路と、を含み、
前記正極及び前記負極は、前記流路を挟んで離間配置されることができる。
【００１６】
本発明にかかる油田装置は、前記電池を備える。
【００１７】
本発明にかかる油田装置は、前記キャパシタを備える。
【００１８】
本発明にかかる油田装置は、坑井内において検層を行う検層装置である。
【００１９】
本発明にかかる電極用多孔質体の製造方法は、
エラストマーに複数のカーボンナノファイバーと活性炭とを混合し、かつ剪断力によって分散させて複合エラストマーを得る工程（ａ）と、
熱処理炉内において、前記工程（ａ）で得られた前記複合エラストマーを熱処理し、複合エラストマー中のエラストマーを分解気化させ、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、かつ、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーが接合物質によって活性炭と接合した電極用多孔質体を得る工程（ｂ）と、
を含む。
【００２０】
本発明にかかる電極用多孔質体の製造方法によれば、活性炭を三次元的な網状構造を形成するカーボンナノファイバーに接合することにより、比表面積の大きな活性炭の表面積を効率よく使用する電極用多孔質体を製造することができる。
【００２１】
本発明にかかる電極用多孔質体の製造方法において、前記工程（ｂ）の熱処理の温度は２００以上５００℃以下であり、熱処理炉内は窒素雰囲気であることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【図２】一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【図３】一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【図４】一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【図５】工程（ａ）におけるオープンロール法による複合エラストマーの製造方法を模式的に示す図である。
【図６】工程（ａ）におけるオープンロール法による複合エラストマーの製造方法を模式的に示す図である。
【図７】工程（ａ）におけるオープンロール法による複合エラストマーの製造方法を模式的に示す図である。
【図８】導電性部材に複合エラストマーを圧着する工程を説明する概略構成図である。
【図９】工程（ｂ）を説明する概略構成図である。
【図１０】一実施の形態にかかる水処理装置の概念図である。
【図１１】一実施の形態にかかる水処理装置に用いる電極の構造を示す拡大断面図である。
【図１２】一実施の形態にかかる電池の概念図である。
【図１３】一実施の形態にかかるキャパシタの概念図である。
【図１４】一実施の形態にかかる地下用途の検層装置を模式的に示す断面図である。
【図１５】一実施の形態にかかる海底用途の検層装置を模式的に示す断面図である。
【図１６】従来の水処理用電極の構造を示す模式図である。
【図１７】実施例１の電極用多孔質体の電子顕微鏡写真である。
【図１８】実施例１の電極用多孔質体の電子顕微鏡写真である。
【図１９】実施例２の電極用多孔質体の電子顕微鏡写真である。
【図２０】実施例２の電極用多孔質体の電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
本発明の一実施の形態にかかる電極用多孔質体は、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーと接合物質によって接合した活性炭を有する。
【００２５】
本発明の一実施の形態にかかる電極は、前記電極用多孔質体によって形成される。
【００２６】
本発明の一実施の形態にかかる電極は、前記電極用多孔質体が導電性部材に電気的に接触して形成される。
【００２７】
本発明の一実施の形態にかかる電池は、正極及び負極の少なくとも一方が前記電極からなる。
【００２８】
本発明の一実施の形態にかかるキャパシタは、正極及び負極の少なくとも一方が前記電極からなる。
【００２９】
本発明の一実施の形態にかかる水処理装置は、前記キャパシタであって、処理前の水を供給する供給口と、処理後の水を取り出す取出口と、前記供給口と前記取出口との間にある流路と、を含み、前記正極及び前記負極は、前記流路を挟んで離間配置されることができる。
【００３０】
本発明の一実施の形態にかかる油田装置は、前記電池を備える。
【００３１】
本発明の一実施の形態にかかる前記キャパシタを備える。
【００３２】
本発明の一実施の形態にかかる電極用多孔質体の製造方法は、エラストマーに複数のカーボンナノファイバーと活性炭とを混合し、かつ剪断力によって分散させて複合エラストマーを得る工程（ａ）と、熱処理炉内において、前記工程（ａ）で得られた前記複合エラストマーを熱処理し、複合エラストマー中のエラストマーを分解気化させ、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、かつ、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーが接合物質によって活性炭と接合した電極用多孔質体を得る工程（ｂ）と、を含む。
【００３３】
図１は、一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。図２は、一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。図３は、一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。図４は、一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【００３４】
図１〜図４における電極用多孔質体４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、繊維状に描かれた複数のカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂが図示しない接合物質によって互いに接合して三次元的な網状構造を形成している。そして、この三次元的な網状構造を形成するカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂと図示しない接合物質によって接合した活性炭４２ａ、４２ｂが粒子状に描かれている。
【００３５】
図１に示す電極用多孔質体４１ａは、図３、４におけるカーボンナノファイバー４０ｂに比べて細い直径を有するカーボンナノファイバー４０ａと、図２，４における活性炭４２ｂに比べて大きな粒径を有する活性炭４２ａを用いている。
【００３６】
図２に示す電極用多孔質体４１ｂは、図３、４におけるカーボンナノファイバー４０ｂに比べて細い直径を有するカーボンナノファイバー４０ａと、図１、３における活性炭４２ａに比べて小さな粒径を有する活性炭４２ｂを用いている。
【００３７】
図３に示す電極用多孔質体４１ｃは、図１、２におけるカーボンナノファイバー４０ａに比べて太い直径を有するカーボンナノファイバー４０ｂと、図２，４における活性炭４２ｂに比べて大きな粒径を有する活性炭４２ａを用いている。
【００３８】
図４に示す電極用多孔質体４１ｄは、図１、２におけるカーボンナノファイバー４０ａに比べて太い直径を有するカーボンナノファイバー４０ｂと、図１、３における活性炭４２ａに比べて小さな粒径を有する活性炭４２ｂを用いている。
【００３９】
カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂ及び活性炭４２ａ、４２ｂは、隣り合うカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂまたは活性炭４２ａ、４２ｂに対し部分的に接合物質によって接合され、多孔質体としての形態を維持することができる。活性炭４２ａ、４２ｂの周囲にはカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂが三次元的な網状構造を形成するため、多数のナノサイズの空隙（気孔）４６が形成され、活性炭の表面を有効に利用することができる。
【００４０】
カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂは、平均直径が０．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができ、さらに平均直径が４ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることができ、特に平均直径が９ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることができる。図１、２に示したカーボンナノファイバー４０ａは、例えば、平均直径が４ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることができ、特に、平均直径が９ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることができる。また、図３，４に示したカーボンナノファイバー４０ｂは、例えば、平均直径が７０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることができ、特に、平均直径が７０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることができる。カーボンナノファイバーの配合量にも大きく依存するが、カーボンナノファイバーの平均直径を変更することで三次元的な網状構造における空隙の大きさを制御することができると考えられる。すなわち、カーボンナノファイバーの平均直径が太くなると空隙が大きくなり、カーボンナノファイバーの平均直径が細くなると空隙は小さくなる傾向がある。空隙が小さくなりすぎると、多孔質体中に保持できる活性炭の量が少なくなる傾向がある。また、カーボンナノファイバーは細いほど価格が高くなる傾向があり、加工性も低下する。したがって、カーボンナノファイバーの平均直径が０．５ｎｍ以上であると経済的で加工性も向上することができ、５００ｎｍ以下であると空隙に活性炭を保持し易く、水処理装置に用いた場合には比較的大きな物質やエマルジョンを除去しやすくなる。カーボンナノファイバーの平均直径は、繊維の外径である。カーボンナノファイバーは、ストレート繊維状、あるいは湾曲繊維状であることができる。カーボンナノファイバーの平均直径は、電子顕微鏡による例えば５，０００倍の撮像（カーボンナノファイバーのサイズによって適宜倍率は変更できる）から２００箇所以上の直径を計測し、その算術平均値として計算して得ることができる。
【００４１】
カーボンナノファイバーとしては、例えば、いわゆるカーボンナノチューブなどが例示できる。カーボンナノチューブは、炭素六角網面のグラファイトの１枚面を１層に巻いた単層カーボンナノチューブ（シングルウォールカーボンナノチューブ：ＳＷＮＴ）、２層に巻いた２層カーボンナノチューブ（ダブルウォールカーボンナノチューブ：ＤＷＮＴ）、３層以上に巻いた多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ：マルチウォールカーボンナノチューブ）などが適宜用いられる。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有する炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブや気相成長炭素繊維といった名称で称されることもある。
【００４２】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。なお、カーボンナノファイバーは、エラストマーと混練される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００４３】
活性炭４２ａ、４２ｂは、ヤシ殻やセルロース等の植物質、フェノール樹脂やポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）等の樹脂質、及び石油ピッチや石炭質等の石油質などの炭素質原料を炭化・賦活して得られた一般的な活性炭、ポリ塩化ビニリデン系樹脂（ＰＶＤＣ系樹脂）やポリ塩化ビニル系樹脂（ＰＶＣ系樹脂）等を炭化・賦活して得られた活性炭などから適宜選択して含むことができる。活性炭４２ａ、４２ｂの形態は、特に限定されないが、粉末や顆粒などであることが、炭化・賦活を円滑に行う上でもカーボンナノファイバーと円滑に混合する上でも望ましい。活性炭４２ａ、４２ｂのＢＥＴ法による窒素吸着比表面積は、例えば、５００ｍ２／ｇ以上５０００ｍ２／ｇ以下であることができ、さらに８００ｍ２／ｇ以上３０００ｍ２／ｇ以下であることができ、特に１０００ｍ２／ｇ以上２０００ｍ２／ｇ以下であることができ、る。粉末や顆粒の活性炭４２ａ、４２ｂは、顕微鏡観察して測定してその算術平均地として計算した平均粒径が０．５μｍ以上５ｍｍ以下であることができるが、後述するエラストマーとの混合工程において粉砕されることで粒径は小さくなり、例えば平均粒径が０．３μｍ以上３００μｍ以下になる傾向がある。図１、３に示した活性炭４２ａは、例えば、平均粒径が１．０μｍ以上３００μｍ以下であることができ、図２、４に示した活性炭４２ｂは、例えば、平均粒径が０．３μｍ以上３００μｍ以下であることができる。
【００４４】
接合物質は、後述するように、カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂを解繊して分散するために用いられた高分子物質、例えばエラストマーが炭化した炭素系物質であることができる。
【００４５】
空隙４６は、カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂを解繊して分散するために用いられた高分子物質、例えばエラストマーを分解気化することで形成され、繊維物質であるカーボンナノファイバーの間に多数形成されている。これらの空隙の中に活性炭４２ａ、４２ｂを配置することもできるし、あるいは空隙よりも大きな活性炭４２ａ、４２ｂを用いる場合にはカーボンナノファイバーと活性炭との間に空隙を形成することができる。空隙４６は、電子顕微鏡観察して測定した平均直径が１ｎｍ以上５μｍ以下であることができ、さらに５ｎｍ以上１μｍ以下であることができ、特に１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。空隙４６の平均直径は、カーボンナノファイバーの平均直径や配合量などによって変わるが、例えば平均直径が約１００ｎｍのカーボンナノファイバーを用いた場合には５０ｎｍ以上１μｍ以下であることができ、平均直径が約１０ｎｍのカーボンナノファイバーを用いた場合には５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。
【００４６】
電極用多孔質体４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂの他に、導電性物質を含んでいてもよく、これら導電性物質も隣接するカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂや活性炭４２ａ、４２ｂに対して接合物質によって部分的に接合することができる。導電性物質としては、金属、黒鉛、カーボンブラック、カーボンウィスカー、フラーレン及び炭素繊維などを挙げることができる。電極用多孔質体４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、そのまま電極として形成することができ、また、金属基板のような導電性部材に接合して電極を形成することができる。
【００４７】
本発明の一実施の形態にかかる電極用多孔質体の製造方法は、エラストマーに複数のカーボンナノファイバーと活性炭とを混合し、かつ剪断力によって分散させて複合エラストマーを得る工程（ａ）と、熱処理炉内において、前記工程（ａ）で得られた前記複合エラストマーを熱処理し、複合エラストマー中のエラストマーを分解気化させ、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、かつ、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーが接合物質によって活性炭と接合した電極用多孔質体を得る工程（ｂ）と、を含む。
【００４８】
図５〜図７は、工程（ａ）におけるオープンロール法による複合エラストマーの製造方法を模式的に示す図である。図８は、導電性部材に複合エラストマーを圧着する工程を説明する概略構成図である。図９は、工程（ｂ）を説明する概略構成図である。
【００４９】
工程（ａ）は、例えば、図５〜図７に示すようにオープンロールを用いて行うことができる。２本ロールのオープンロール２における第１のロール１０と第２のロール２０とは、所定の間隔ｄ、例えば０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの間隔で配置され、矢印で示す方向に回転速度Ｖ１，Ｖ２で正転あるいは逆転で回転する。
【００５０】
まず、図５に示すように、第１のロール１０に巻き付けられたエラストマー３０の素練りを行ない、エラストマー分子鎖を適度に切断してフリーラジカルを生成する。素練りによって生成されたエラストマーのフリーラジカルがカーボンナノファイバーと結びつきやすい状態となる。
【００５１】
次に、図６に示すように、第１のロール１０に巻き付けられたエラストマー３０のバンク３４に、複数のカーボンナノファイバー及び活性炭を含む配合剤８０を投入し、混練して混合物３６を得ることができる。工程（ａ）は、オープンロール法に限定されず、例えば密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。また、配合剤８０には、カーボンナノファイバー及び活性炭以外に、他の導電性物質などを含むことができる。
【００５２】
さらに、図７に示すように、第１のロール１０と第２のロール２０とのロール間隔ｄを、例えば０．５ｍｍ以下、より好ましくは０〜０．５ｍｍの間隔に設定し、図６で得られた混合物３６をオープンロール２に投入して薄通しを１回〜複数回行なう。薄通しの回数は、例えば１回〜１０回程度行なうことができる。第１のロール１０の表面速度をＶ１、第２のロール２０の表面速度をＶ２とすると、薄通しにおける両者の表面速度比（Ｖ１／Ｖ２）は、１．０５〜３．００であることができ、さらに１．０５〜１．２であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。このように狭いロール間から押し出された複合エラストマー５０は、さらにエラストマー３０の弾性による復元力で図７のように大きく変形し、その際にエラストマー３０と共にカーボンナノファイバーが大きく移動する。薄通しして得られた複合エラストマー５０は、ロールで圧延されて所定厚さ、例えば１００μｍ〜５００μｍのシート状に分出しされる。シートの厚さが１００μｍ〜２００μｍであれば、そのまま工程（ｂ）に用いることができる。また、シートの厚さが２００μｍを超えて５００μｍ以下であれば、プレス機によってシートの厚さが１００μｍ〜２００μｍになるように圧縮成形することができる。この薄通しの工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、ロール温度を例えば０〜５０℃に設定して行うことができ、さらに５〜３０℃の比較的低い温度に設定して行うことができる。エラストマー３０の実測温度も０〜５０℃に調整されることができ、さらに５〜３０℃調整されることができる。このような温度範囲に調整することによって、エラストマー３０の弾性を利用してカーボンナノファイバーを分散することができる。このようにして得られた剪断力により、エラストマー３０に高い剪断力が作用し、凝集していたカーボンナノファイバーがエラストマー分子に１本ずつ引き抜かれるように相互に分離し、エラストマー３０中に分散される。特に、エラストマー３０は、弾性と、粘性と、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用と、を有するため、カーボンナノファイバーを容易に分散することができる。そして、カーボンナノファイバーの分散性および分散安定性（カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと）に優れた複合エラストマー５０を得ることができる。
【００５３】
より具体的には、オープンロールでエラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、粘性を有するエラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、エラストマーの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合する。カーボンナノファイバーの表面が例えば酸化処理によって適度に活性が高いと、特にエラストマー分子と結合し易くできる。次に、エラストマーに強い剪断力が作用すると、エラストマー分子の移動に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性によるエラストマーの復元力によって、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、エラストマー中に分散されることになる。特に、オープンロール法は、ロール温度の管理だけでなく、混合物の実際の温度を測定し管理することができるため、好ましい。
【００５４】
このようにして得られた複合エラストマーは、エラストマーと、該エラストマー中に均一に分散したカーボンナノファイバー及び活性炭を含み、カーボンナノファイバーによって囲まれたエラストマーの微細なセルを多数形成した構造を全体に有する。複合エラストマーは、カーボンナノファイバー以外に、さらに上述した他の導電性物質を適量含むことができる。また、複合エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって１５０℃、観測核が１Ｈで測定した、無架橋体における、第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）は１００〜３０００μ秒であり、第２のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率（ｆｎｎ）は０〜０．２であることができる。複合エラストマーの１５０℃で測定したＴ２ｎ及びｆｎｎは、マトリックスであるエラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されていることを表すことができる。つまり、エラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されているということは、エラストマーがカーボンナノファイバーによって拘束されている状態であるともいえる。この状態では、カーボンナノファイバーによって拘束を受けたエラストマー分子の運動性は、カーボンナノファイバーの拘束を受けない場合に比べて小さくなる。そのため、複合エラストマーの第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）、第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）及びスピン−格子緩和時間（Ｔ１）は、カーボンナノファイバーを含まないエラストマー単体の場合より短くなり、特にカーボンナノファイバーが均一に分散することでより短くなる。また、エラストマー分子がカーボンナノファイバーによって拘束された状態では、以下の理由によって、非ネットワーク成分（非網目鎖成分）は減少すると考えられる。すなわち、カーボンナノファイバーによってエラストマーの分子運動性が全体的に低下すると、非ネットワーク成分は容易に運動できなくなる部分が増えて、ネットワーク成分と同等の挙動をしやすくなること、また、非ネットワーク成分（末端鎖）は動きやすいため、カーボンナノファイバーの活性点に吸着されやすくなること、などの理由によって、非ネットワーク成分は減少すると考えられる。そのため、第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）を有する成分の成分分率（ｆｎｎ）は、ｆｎ＋ｆｎｎ＝１であるので、カーボンナノファイバーを含まないエラストマー単体の場合より小さくなる。したがって、複合エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって得られる測定値が上記の範囲にあることによってカーボンナノファイバーが均一に分散されていることがわかる。
【００５５】
工程（ａ）に用いるエラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバーの末端のラジカルに対して親和性を有する不飽和結合または基を有するか、もしくは、このようなラジカルまたは基を生成しやすい性質を有することができる。かかる不飽和結合または基としては、二重結合、三重結合、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつであることができる。
【００５６】
カーボンナノファイバーは、先端が５員環が導入されて閉じた構造となっているため、ラジカルや官能基を生成しやすくなっている。エラストマーの主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバーのラジカルと親和性（反応性または極性）が高い不飽和結合や基を有することにより、エラストマーとカーボンナノファイバーとを結合することができる。このことにより、カーボンナノファイバーの凝集力にうち勝ってその分散を容易にすることができる。そして、エラストマーと、カーボンナノファイバーと、を混練する際に、エラストマーの分子鎖が切断されて生成したフリーラジカルは、カーボンナノファイバーの欠陥を攻撃し、カーボンナノファイバーの表面にラジカルを生成すると推測できる。
【００５７】
エラストマーとしては、天然ゴム（ＮＲ）、エポキシ化天然ゴム（ＥＮＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ，ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロブチルゴム（ＣＩＩＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、エポキシ化ブタジエンゴム（ＥＢＲ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＣＥＯ）、ウレタンゴム（Ｕ）、ポリスルフィドゴム（Ｔ）などのエラストマー類；オレフィン系（ＴＰＯ）、ポリ塩化ビニル系（ＴＰＶＣ）、ポリエステル系（ＴＰＥＥ）、ポリウレタン系（ＴＰＵ）、ポリアミド系（ＴＰＥＡ）、スチレン系（ＳＢＳ）、などの熱可塑性エラストマー；およびこれらの混合物を用いることができる。エラストマーは、ゴム系エラストマーあるいは熱可塑性エラストマーのいずれであってもよい。また、ゴム系エラストマーの場合、エラストマーは未架橋体が好ましい。エラストマーに代えて、カーボンナノファイバーが均一に分散できる他の高分子物質を用いることもできる。
【００５８】
図８に示すように、工程（ａ）で得られた複合エラストマー５０を例えば薄板状の導電性部材５４に圧着することができる。圧着する工程は、導電性部材５４の表面に複合エラストマー５０を載せて所定圧力で加圧する。工程（ｂ）において複合エラストマー５０を熱処理することで、導電性部材５４の表面にカーボンナノファイバーが接合物質によって接合した状態で得られるため、複合エラストマー５０と導電性部材５４とを接着剤で接着しなくてもよい。また、導電性部材５４としては、導電性を有する材質とすることができ、例えば、金属、炭素などを挙げることができる。導電性部材５４に用いる金属としては、優れた導電性を有し耐食性に優れた金属とすることができ、例えばステンレス、チタン及びこれらの合金の中から適宜選択することができる。また、このように導電性部材５４と一体化して用いない場合には、この工程を省略し、工程（ｂ）においては複合エラストマー５０を単体で熱処理することができる。
【００５９】
図９に示すように、工程（ｂ）は、熱処理炉６０内において、圧着工程で得られた複合エラストマー５０が圧着された導電性部材５４を熱処理し、複合エラストマー５０中のエラストマーを分解気化させ、導電性部材５４の表面に接合物質によって接合した電極用多孔質体が形成された電極を得る。工程（ａ）で得られた複合エラストマー５０中にはエラストマーがカーボンナノファイバーによって囲まれた微細なセル構造が形成されており、工程（ｂ）によってエラストマーを分解気化させることによって、そのセル構造からエラストマーが除かれた微細な空隙が形成される。接合物質は、残留したエラストマーの炭化物である。
【００６０】
熱処理炉６０は、不活性ガスとして例えば窒素ガスの供給源６２として窒素ガスボンベが開閉バルブ６４を介して接続され、内部に窒素ガスを供給することができる。また、熱処理炉６０は、開閉バルブ６６を介して真空ポンプ６８が接続され、内部のガスを排気することができるとともに、減圧雰囲気とすることができる。
【００６１】
工程（ｂ）について、さらに詳細に説明する。熱処理炉６０は、内部を真空ポンプ６８によって真空にした後、窒素ガスを供給源６２から供給して大気圧と同じかそれより低い圧力の窒素雰囲気とする。そして、熱処理炉６０は、内部をエラストマーの分解気化温度以上、例えばエラストマーが天然ゴム（ＮＲ）の場合、４００℃の熱処理温度で加熱する。この熱処理によって、エラストマーは分解気化する。分解気化したエラストマーは、例えば分子量２００以下であってＣ８の化学構造を有する炭素系物質となり、熱処理炉６０内の雰囲気の一部を構成する。この炭素系物質のガスは、熱処理炉６０内に供給される窒素ガスとともに熱処理炉６０内から一部は排出され、一部はそのまま熱処理炉６０内に残って雰囲気の一部を構成する。熱処理炉６０内を降温させることで熱処理炉内に残った炭素系物質がカーボンナノファイバー４０に付着して、カーボンナノファイバー４０を互いに接合する炭素樹脂のような接合物質となる。なお、分解気化温度は、エラストマーが分解気化する温度であり、エラストマーの種類、熱処理炉内の雰囲気、圧力などによって異なるが、熱処理の温度は２００〜５００℃とすることができ、熱処理時間は１０分〜３時間とすることができる。熱処理の温度が２００℃以上であれば接合物質はタール状になりにくく、熱処理の温度が５００℃以下であれば適度に接合物質が残るので多孔質の状態で形状を維持することができる。
【００６２】
こうして得られた電極用多孔質体が形成された導電性部材５４は、電極として利用することができる。また、導電性部材５４と一体化していない電極用多孔質体はそのままで電極として使用することができる。三次元的な網状構造は、エラストマーが除去された部分が空隙となり、カーボンナノファイバーは分散した状態を維持したまま少量の接合物質によって部分的に接合される。
【００６３】
カーボンナノファイバーを適度に接合させる程度に炭素系物質を熱処理炉６０内に残留させ、滞留させるためには、工程（ｂ）の間、熱処理炉６０内から外部への排気量及び熱処理炉６０内への給気量を制御することによって調整することができる。接合物質の量を多くしたい場合には排気量を少なくし、接合物質の量を少なくしたい場合には排気量を多くする。
【００６４】
このように、接合物質の量を制御する方法は、熱処理炉６０内の排気量・供給量の制御の他、上述のような熱処理温度や熱処理時間でも制御することができる。例えば、熱処理温度がエラストマーが分解気化する温度よりも十分に高ければ、エラストマーは短時間で分解気化し、接合物質の量が少なくなる。その反対に、熱処理温度がエラストマーの分解気化し始める温度に近ければ、接合物質の量が多くなる。熱処理時間は、熱処理温度にも依存する。短時間で熱処理を行なうということは、短時間でエラストマーを分解気化させることになり、結果的に熱処理温度が高くなるので、接合物質の量は少なくなる。反対に、長時間で熱処理を行なうということは、長時間かけてエラストマーを分解気化させればよいため、熱処理温度は低く設定されるので、接合物質の量は多くなる。
【００６５】
このように、電極用多孔質体の製造方法によれば、大きな表面積を有する活性炭とカーボンナノファイバーを利用しながら、三次元的な網状構造の空隙と活性炭の表面にイオン化した物質を吸着する電極用多孔質体を製造することができる。
【００６６】
水処理装置について説明する。図１０は、一実施の形態にかかる水処理装置の概念図である。図１１は、一実施の形態にかかる水処理装置に用いる電極の構造を示す拡大断面図である。
【００６７】
図１０に示す水処理装置１００は、供給口１、流路３、取出口２、正極４、負極５及び電源６を有している。水処理装置１００は、正極及び負極の少なくとも一方が電極用多孔質体によって形成された電極、もしくは正極及び負極の少なくとも一方が電極用多孔質体が導電性部材に電気的に接触して形成された電極からなるキャパシタであることができる。
【００６８】
供給口１から水処理装置１００へ供給された処理前の水７は、所定間隔を有して離間配置された正極４と負極５との間に形成された流路３を通り、取出口２から処理後の水８として取り出される。水処理装置１００は、ＦＴＣであることができ、処理前の水７に含まれるイオン化した物質を取り除くことができる。より具体的には、電源６によって正極４と負極５の間に電圧を印加すると、処理前の水７に含まれる陽イオンは負極５へ移動し、陰イオンは正極４へ移動する。正極４及び負極５の表面４ａ，５ａには処理前の水７に含まれていた陰イオン及び陽イオンが吸着し、したがって、イオン化した物質が取り除かれた処理後の水８が取出口２から取り出される。
【００６９】
例えば、処理前の水７が海水であれば、処理後の水８は淡水であることができる。処理前の海水７の中には陰イオンとして塩素イオン（Ｃｌ−）と陽イオンとしてナトリウムイオン（Ｎａ＋）とが含まれるが、それ以外にも例えばマグネシウムイオン（Ｍｇ＋）や硫酸イオン（ＳＯ４２−）なども存在している。処理後の水８は、難溶解性塩を除去する必要はあるが、これらのイオン化した物質が取り除かれた淡水となる。
【００７０】
水処理装置１００の性能は、正極４及び負極５における処理用の水に接する表面４ａ，５ａの表面積に大きく依存するので、正極４及び負極５の構造が非常に重要である。
【００７１】
図１１は、図１０の水処理装置１００の正極４における表面４ａの構造を拡大して示す断面図である。負極５の表面５ａも正極４と基本的に同様の構成とすることができるので、ここでは正極４についてのみ説明する。流路３側に面した正極４の表面４ａには、電極用多孔質体４１が形成されている。電極用多孔質体４１は、複数のカーボンナノファイバー４０が接合物質４８によって互いに接合した三次元的な網状構造が形成され、カーボンナノファイバー４０に接合する活性炭４２を有している。正極４は、図５〜図９を用いて説明した製造方法で製造することができる。その場合、正極４は図８及び図９における導電性材料５４であることができる。また、正極４の表面４ａに図１〜図４の電極用多孔質体４１ａ〜４１ｄを接合することで製造することもできる。このような電極４，５を用いることによって、三次元的な網状構造の空隙４６を通って、大きな比表面積を有する活性炭４２とカーボンナノファイバー４０にイオン化した物質を効率よく吸着することができる。また、三次元的な網状構造によって活性炭４２の表面を有効に利用することができるので、カルシウム、シリカ、鉄、マンガンなどの難溶解性塩や微生物などが電極に付着して電極が劣化するファウリングの発生までに時間がかかり、長期使用が可能になる。
【００７２】
電極用多孔質体４１は、少なくとも正極４の表面４ａ及び負極５の表面５ａのいずれか一方に１μｍ〜１０００μｍの厚さで形成されることができ、さらに５０μｍ〜５００μｍの厚さに形成されることができ、特に１００μｍ〜３００μｍの厚さに形成されることができる。電極用多孔質体４１の厚さが１μｍ以上であれば比較的製造しやすい傾向があり、１０００μｍ以下であれば水にたいする内部抵抗も大きくなり過ぎない傾向がある。また、カーボンナノファイバー４０は接合物質４８により正極４に強固に接着しており、流路３を水が流れても剥がれおちることはない。また、正極４の機械的強度も向上することができる。さらに、電極用多孔質体４１は、カーボンナノファイバー４０を熱処理によって得られた炭化物によって接合しているので、耐熱性に優れている。
【００７３】
本発明の一実施の形態にかかる電池について説明する。図１２は、一実施の形態にかかる電池の概念図である。電池１１０は、図１〜図４または図１１で説明した電極用多孔質体を用いて形成された正極４ｂと、負極５ｂと、筒体６ｂと、複極剤７ｂと、電解液８ｂと、を有する。このように、電池１１０の正極４ｂに電極用多孔質体を用いることによって、充放電速度の向上と電池の大容量化を達成することができる。また、電極の機械的強度も向上することができる。本実施の形態の電池１１０においては正極４ｂに電極用多孔質体を用いたが、これに限らず、公知の電池の構造における正極及び負極の少なくとも一方に電極用多孔質体を用いることができる。
【００７４】
本発明の一実施の形態にかかるキャパシタについて説明する。図１３は、一実施の形態にかかるキャパシタの概念図である。キャパシタ１２０は、図１〜図４または図１１で説明した電極用多孔質体を用いて形成された正極４ｃ及び負極５ｃと、電源６ｃと、電解液７ｃと、セパレータ８ｃと、を有する。このように、キャパシタ１２０の正極４ｃ及び負極５ｃに電極用多孔質体を用いることによって、充電容量を増やすことができ、さらに長寿命化を達成することができる。また、電極の機械的強度も向上することができる。本実施の形態のキャパシタ１２０においては正極４ｃ及び負極５ｃに電極用多孔質体を用いたが、これに限らず、公知のキャパシタの構造における正極及び負極の少なくとも一方に電極用多孔質体を用いることができる。
【００７５】
本発明の一実施の形態にかかる油田装置（Ｏｉｌｆｉｅｌｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）について説明する。前記電池もしくは前記キャパシタは、油田装置に用いることができる。油田装置としては、例えば、検層装置（ｌｏｇｇｉｎｇ ｔｏｏｌ）などに用いることができる。油田装置の代表的な実施形態について以下に説明する。
【００７６】
検層装置は、例えば掘削された坑井（ｂｏｒｅｈｏｌｅ）内及び坑井周辺の地層、油層などの物理的特性や坑井あるいはケーシングの幾何学的特性（孔径、方位、傾斜等）、油層の流れの挙動などを深度毎に記録するための装置であって、例えば油田（ｏｉｌｆｉｅｌｄ）において用いることができる。油田用途の検層装置としては、例えば、図１４に示す地下（ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ）用途と、図１５に示す海底（ｓｕｂｓｅａ）用途と、を挙げることができる。検層装置には、ワイヤーライン検層（Ｗｉｒｅｌｉｎｅ ｌｏｇ／ｌｏｇｇｉｎｇ）や泥水検層（Ｍｕｄ ｌｏｇｇｉｎｇ）などがあり、測定機器が掘削編成に装備されている掘削同時検層ＬＷＤ：Ｌｏｇｇｉｎｇ Ｗｈｉｌｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇや掘削同時測定（ＭＷＤ：Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｗｈｉｌｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ）などがある。これらの検層装置は、地中の深い位置で作業するため、周囲環境は電池及びキャパシタの電極にとって苛酷になり、高い耐熱性が要求されることがある。
【００７７】
図１４は、一実施の形態にかかる地下用途の検層装置を模式的に示す断面図である。図１５は、一実施の形態にかかる海底用途の検層装置を模式的に示す断面図である。
【００７８】
図１４に示すように、地表１５５における、掘削編成に装備された測定機器による地下資源の探査は、例えば坑井（ｂｏｒｅｈｏｌｅ）１５６の上方に配置されたプラットホーム及びデリック編成１５１と、デリック編成１５１から地下に設けられた縦穴や横穴などで構成される坑井１５６内に配置された検層装置として例えば坑底機器編成（ＢＨＡ：ｂｏｔｔｏｍ ｈｏｌｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）１６０と、を有する。デリック編成１５１は、例えば、フック１５１ａと、回転スイベル（ｒｏｔａｒｙ ｓｗｉｖｅｌ）１５１ｂと、ケリー（ｋｅｌｌｙ）１５１ｃと、回転テーブル１５１ｄと、を含むことができる。坑底機器編成１６０は、例えばデリック編成１５１から延びる長いドリル・ストリング（ｄｒｉｌｌ ｓｔｒｉｎｇ）１５３の先端に固定される。ドリル・ストリング１５３の内部には、図示していないポンプから回転スイベル１５１ｂを介して泥水が送り込まれ、坑底機器編成１６０の流体駆動モータを駆動させることができる。坑底機器編成１６０は、複数のモジュールを有し、例えば、先端から順に、ドリルビット１６２、回転操作システム（ＲＳＳ：ｒｏｔａｒｙ ｓｔｅｅｒａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ）１６４、マッドモータ（Ｍｕｄ ｍｏｔｅｒ）１６６、掘削同時測定モジュール１６８、及び掘削同時検層モジュール１７０を連結して有することができる。ドリルビット１６２は、坑井１５６の坑底部１５６ａにおいて回転によって掘削を進めることができる。坑底機器編成（ＢＨＡ：ｂｏｔｔｏｍ ｈｏｌｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）１６０を坑井１５６へ進入させ、地中の地質構造などを探査し、目標物質である例えば石油の有無を探査する。
【００７９】
掘削同時測定モジュール１６８は、ドリルカラー（ｄｒｉｌｌ ｃｏｌｌａｒ）と呼ばれる厚い壁を有するパイプの壁部に設けられたチャンバー内に図示しないを掘削同時測定器具が配置されている。掘削同時測定器具は、電池、コンデンサ及び各種センサを探査の目的に合わせて選択して含み、例えば、方位、傾斜、ビットの向き、荷重、トルク、温度、圧力等の坑底データを計測するとともに、これらの計測データをリアルタイムに地上へ伝送することができる。
【００８０】
掘削同時検層モジュール１７０は、ドリルカラー（ｄｒｉｌｌ ｃｏｌｌａｒ）と呼ばれる厚い壁を有するパイプの壁部に設けられたチャンバー内に図示しない掘削同時検層機器が配置されている。掘削同時検層機器は、電池、コンデンサ及び各種センサを探査の目的に合わせて選択して含み、例えば、比抵抗、孔隙率、音波速度及びガンマ線等を測定し、物理検層データを取得することができ、この物理検層データをリアルタイムに地上へ伝送することができる。
【００８１】
なお、坑底機器編成１６０は、一実施形態として、ドリルビット１６２と、回転操作システム１６４と、マッドモータ１６６と、掘削同時測定モジュール１６８と、掘削同時検層モジュール１７０と、を有する例について説明したが、これに限らず、検層用途に合わせて選択して組み合わせることができる。
【００８２】
図１５に示すように、海洋でのワイヤーライン検層を用いた地下資源の探査は、例えば海１５２に浮くプラットホーム１５０から海底１５４に設けられた縦穴や横穴などで構成される坑井１５６内に検層装置として例えばダウンホール装置（Ｄｏｗｎｈｏｌｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）１６０’を進入させ、地中の地質構造などを探査し、目標物質である例えば石油の有無を探査する。ダウンホール装置１６０’は、例えばプラットホームから延びる長いケーブルもしくはコミュニケーション・リンクの先端に固定され、図示しない複数の圧力容器などの筐体を内部に有する。筐体の内部には、例えば電気検層（ＳＰ検層、ノルマル検層、インダクション検層、ラテロ検層、マイクロ比抵抗検層など）、放射能検層（ガンマ線検層、中性子検層、密度検層、核磁気共鳴検層など）、音波検層（弾性波検層、アレー音波検層、セメント・ボンド検層など）、地質情報検層（ディップメーター、ＦＭＩなど）、坑内地震探査（チェックショット速度検層、ＶＳＰなど）、サンプリング検層（サイドウォール・コアリング検層、流体分析検層、ＲＦＴ,ＭＤＴなど）、補助検層（キャリパー（坑径）測定、坑井幾何学特性検層、温度検層など）、特殊目的検層（過酷条件下での検層（Ｌｏｇｓ ｉｎ ｈｏｓｔｉｌｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）、掘削管経由検層（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ）など）などの探査用電子機器、電池及びキャパシタが探査の目的に合わせて選択して封入されて配置され、地中の地質構造などを探査することが可能であるが、地下深く掘削された坑井１５６内部では高温にさらされるとともに、坑井１５６へ進入する際の振動や衝撃を受けるため、高い耐熱性が要求される筐体内の電池及びキャパシタの電極に採用することができる。
【００８３】
なお、上記のように本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。したがって、このような変形例はすべて、本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、本発明の実施の形態にかかる電極は、電池や水処理装置に使用されるだけでなく、酸化還元反応のような電気化学反応を用いた電気化学センサー、電気化学セル及び電気化学装置に適用可能である。電気化学センサーは、例えば、米国特許ＵＳ２００７／０２７２５５２号公報に開示されているように、流体分析検層に使用することができる。
【実施例】
【００８４】
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８５】
工程（ａ）：
６インチオープンロール（ロール温度１０〜２０℃、ロール間隔１．５ｍｍ）に、１００質量部（ｐｈｒ）の重量平均分子量が約３００万の天然ゴムを投入して、ロールに巻き付かせ、５分間素練りした後、５０質量部（ｐｈｒ）の活性炭と３０質量部（ｐｈｒ）の多層カーボンナノファイバーを投入し、混合物をオープンロールから取り出した。そして、ロール間隔を１．５ｍｍから０．３ｍｍへと狭くして、混合物を再びオープンロールに投入して薄通しを繰り返し５回行なった。このとき、２本のロールの表面速度比を１．１とした。さらに、ロール間隙を１．１ｍｍにセットして、薄通しして得られた複合エラストマーを投入し、分出しした。分出しされた複合エラストマーは９０℃、５分間プレス成形し、それぞれ厚さ１ｍｍのシート状の複合エラストマー（無架橋体）に成形した。複合エラストマーの配合を表１に示す。実施例１の多層カーボンナノファイバー（表１ではＭＷＣＮＴ−１で示した）の平均直径は７０ｎｍであり、実施例２の多層カーボンナノファイバー（表１ではＭＷＣＮＴ−２で示した）の平均直径は９ｎｍであった。また、実施例１、２で用いた活性炭の混練前におけるＢＥＴ法による窒素吸着比表面積は１２００ｍ２／ｇであった。
【００８６】
【表１】
【００８７】
この無架橋体の複合エラストマーについて、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法及びソリッドエコー法による測定を行った。この測定は、日本電子（株）製「ＪＭＮ−ＭＵ２５」を用いて行った。測定は、観測核が１Ｈ、共鳴周波数が２５ＭＨｚ、９０゜パルス幅が２μｓｅｃの条件で行い、ハーンエコー法のパルスシーケンス（９０゜ｘ−Ｐｉ−１８０゜ｘ）にて、Ｐｉをいろいろ変えて減衰曲線を測定した。また、サンプルは、磁場の適正範囲までサンプル管に挿入して測定した。測定温度は、１５０℃であった。なお、同様に測定した原料エラストマーの天然ゴムの第１のスピンースピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）は、７００μ秒であった。
【００８８】
工程（ｂ）：
シート状の無架橋体の複合エラストマーを熱処理炉内に配置し、熱処理炉内を真空にした後、窒素ガスを供給しつつ排気することで、約５０ｋＰａの窒素雰囲気に維持した炉内で２時間かけて４００℃に昇温した後、４００℃で２時間熱処理して、天然ゴムの一部を炭化物として残して分解気化させて、電極用多孔質体を得た。図１７は、実施例１の電極用多孔質体の１０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図１８は、実施例１の電極用多孔質体の５０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図１９は、実施例２の電極用多孔質体の１０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図２０は、実施例２の電極用多孔質体の５０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図１７〜図２０の電子顕微鏡写真における繊維状の物質がカーボンナノファイバーであり、粒子状の物質が活性炭であり、隣接するカーボンナノファイバー及び活性炭が接合物質で接合していることが観察された。また、カーボンナノファイバーが接合することで三次元的な多孔質体を形成していることが観察された。
【符号の説明】
【００８９】
１ 供給口、２ 取出口、３ 流路、４、４ｂ、４ｃ 正極、４ａ 表面、５、５ｂ、５ｃ 負極、５ａ 表面、６ 電源、６ｂ 筒体、６ｃ 電源、７ 処理前の水、７ｂ 複極剤、７ｃ 電解液、８ 処理後の水、８ｂ 電解液、８ｃ セパレータ、４０、４０ａ、４０ｂ カーボンナノファイバー、４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ 電極用多孔質体、４２、４２ａ、４２ｂ 活性炭、４６ 空隙、４８ 接合物質、５０ 複合エラストマー、５４ 導電性部材、６０ 熱処理炉、６２ 供給源、６４、６６ 開閉バルブ、６８ 真空ポンプ、１００ 水処理装置、１１０ 電池、１２０ キャパシタ、１５０ プラットホーム、１５２ 海、１５４ 海底、１５１ デリック編成、１５１ａ フック、１５１ｂ 回転スイベル、１５１ｃ ケリー、１５１ｄ 回転テーブル、１５３ ドリル・ストリング、１５５ 地表、１５６ 坑井、１５６ａ 坑底部、１６０ 坑底機器編成、１６０’ ダウンホール装置、１６２ ドリルビット、１６４ 回転操作システム、１６６ マッドモータ、１６８ 掘削同時測定モジュール、１７０ 掘削同時検層モジュール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノファイバーを用いた電極用多孔質体、電極、電池、キャパシタ、水処理装置、油田装置及び電極用多孔質体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電池やキャパシタなどの効率化のために、電極に活性炭やカーボンナノチューブなどを用いた装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、飲料用水などの淡水の需要に対し、世界的に供給が不足している。そこで、海水を淡水化する技術や水の中の不純物を取り除く技術が注目されている。このような淡水化技術にキャパシタの技術を応用したフロースルーキャパシター（ＦＴＣ：Ｆｌｏｗ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
フロースルーキャパシター（以下、単にＦＴＣとする）は、電極間に例えば上流側から海水を流すと海水中のイオン化した物質が電極側に移動し、下流側からイオン化した物質が取り除かれた淡水を得ることができる。例えば、海水にはカチオン（陽イオン）としてナトリウムイオンＮａ＋とアニオン（陰イオン）として塩素イオンＣｌ−が含まれている。ＦＴＣに海水を流すと、ＦＴＣのアノード（正極）側に塩素イオンが移動し、カソード（負極）側にナトリウムイオンが移動するため、脱塩された淡水が得られる。ＦＴＣの電極としては、多くのイオンを吸着することができるように表面積の大きい活性炭、カーボンナノチューブ、フラーレンなどを用いることが提案されている。
【０００５】
図１６は、従来のＦＴＣの正極４’の表面４ａ’の構造を拡大して示す断面図である。なお、負極も基本的に正極４’と同様の構造であるので説明は省略する。このように、従来のＦＴＣの正極４’は、これら炭素化合物、例えば活性炭４２’を正極４’の表面４ａ’にバインダー４８’を用いて塗布するため、バインダー４８’によって活性炭４２’の有効表面積が減少することになり、イオン化した物質を取り除く効率が低く、短期間でファウリングが起きてしまう傾向がある。また、バインダー４８’としては樹脂などが用いられているため、電極の使用温度がバインダー４８’の耐熱温度に制限されてしまい、例えば油田用途のような高温の環境では使用することが難しかった。カーボンナノチューブやフラーレンなどを基板に直接生成させることも研究中であったが、そもそもそのような方法で製造された基板は量産性に劣り、高価で実用性に乏しい上に、カーボンナノチューブは活性炭ほど比表面積が大きくないため、イオン吸着効率も向上しないことが予想される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２９４０８号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３２８４号公報
【特許文献３】特開２００８−１３２４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、カーボンナノファイバーを用いた電極用多孔質体、電極、電池、キャパシタ、水処理装置、油田装置及び電極用多孔質体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる電極用多孔質体は、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーと接合物質によって接合した活性炭を有する。
【０００９】
本発明にかかる電極用多孔質体によれば、活性炭を三次元的な網状構造を形成するカーボンナノファイバーに接合することにより、比表面積の大きな活性炭の表面積を効率よく使用することができる。
【００１０】
本発明にかかる電極用多孔質体において、前記接合物質は、炭素系物質であることができる。
【００１１】
本発明にかかる電極は、前記電極用多孔質体によって形成される。
【００１２】
本発明にかかる電極は、前記電極用多孔質体が導電性部材に電気的に接触して形成される。
【００１３】
本発明にかかる電池は、正極及び負極の少なくとも一方が前記電極からなる。
【００１４】
本発明にかかるキャパシタは、正極及び負極の少なくとも一方が前記電極からなる。
【００１５】
本発明にかかる水処理装置は、前記キャパシタであって、
処理前の水を供給する供給口と、
処理後の水を取り出す取出口と、
前記供給口と前記取出口との間にある流路と、を含み、
前記正極及び前記負極は、前記流路を挟んで離間配置されることができる。
【００１６】
本発明にかかる油田装置は、前記電池を備える。
【００１７】
本発明にかかる油田装置は、前記キャパシタを備える。
【００１８】
本発明にかかる油田装置は、坑井内において検層を行う検層装置である。
【００１９】
本発明にかかる電極用多孔質体の製造方法は、
エラストマーに複数のカーボンナノファイバーと活性炭とを混合し、かつ剪断力によって分散させて複合エラストマーを得る工程（ａ）と、
熱処理炉内において、前記工程（ａ）で得られた前記複合エラストマーを熱処理し、複合エラストマー中のエラストマーを分解気化させ、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、かつ、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーが接合物質によって活性炭と接合した電極用多孔質体を得る工程（ｂ）と、
を含む。
【００２０】
本発明にかかる電極用多孔質体の製造方法によれば、活性炭を三次元的な網状構造を形成するカーボンナノファイバーに接合することにより、比表面積の大きな活性炭の表面積を効率よく使用する電極用多孔質体を製造することができる。
【００２１】
本発明にかかる電極用多孔質体の製造方法において、前記工程（ｂ）の熱処理の温度は２００以上５００℃以下であり、熱処理炉内は窒素雰囲気であることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【図２】一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【図３】一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【図４】一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【図５】工程（ａ）におけるオープンロール法による複合エラストマーの製造方法を模式的に示す図である。
【図６】工程（ａ）におけるオープンロール法による複合エラストマーの製造方法を模式的に示す図である。
【図７】工程（ａ）におけるオープンロール法による複合エラストマーの製造方法を模式的に示す図である。
【図８】導電性部材に複合エラストマーを圧着する工程を説明する概略構成図である。
【図９】工程（ｂ）を説明する概略構成図である。
【図１０】一実施の形態にかかる水処理装置の概念図である。
【図１１】一実施の形態にかかる水処理装置に用いる電極の構造を示す拡大断面図である。
【図１２】一実施の形態にかかる電池の概念図である。
【図１３】一実施の形態にかかるキャパシタの概念図である。
【図１４】一実施の形態にかかる地下用途の検層装置を模式的に示す断面図である。
【図１５】一実施の形態にかかる海底用途の検層装置を模式的に示す断面図である。
【図１６】従来の水処理用電極の構造を示す模式図である。
【図１７】実施例１の電極用多孔質体の電子顕微鏡写真である。
【図１８】実施例１の電極用多孔質体の電子顕微鏡写真である。
【図１９】実施例２の電極用多孔質体の電子顕微鏡写真である。
【図２０】実施例２の電極用多孔質体の電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
本発明の一実施の形態にかかる電極用多孔質体は、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーと接合物質によって接合した活性炭を有する。
【００２５】
本発明の一実施の形態にかかる電極は、前記電極用多孔質体によって形成される。
【００２６】
本発明の一実施の形態にかかる電極は、前記電極用多孔質体が導電性部材に電気的に接触して形成される。
【００２７】
本発明の一実施の形態にかかる電池は、正極及び負極の少なくとも一方が前記電極からなる。
【００２８】
本発明の一実施の形態にかかるキャパシタは、正極及び負極の少なくとも一方が前記電極からなる。
【００２９】
本発明の一実施の形態にかかる水処理装置は、前記キャパシタであって、処理前の水を供給する供給口と、処理後の水を取り出す取出口と、前記供給口と前記取出口との間にある流路と、を含み、前記正極及び前記負極は、前記流路を挟んで離間配置されることができる。
【００３０】
本発明の一実施の形態にかかる油田装置は、前記電池を備える。
【００３１】
本発明の一実施の形態にかかる前記キャパシタを備える。
【００３２】
本発明の一実施の形態にかかる電極用多孔質体の製造方法は、エラストマーに複数のカーボンナノファイバーと活性炭とを混合し、かつ剪断力によって分散させて複合エラストマーを得る工程（ａ）と、熱処理炉内において、前記工程（ａ）で得られた前記複合エラストマーを熱処理し、複合エラストマー中のエラストマーを分解気化させ、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、かつ、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーが接合物質によって活性炭と接合した電極用多孔質体を得る工程（ｂ）と、を含む。
【００３３】
図１は、一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。図２は、一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。図３は、一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。図４は、一実施の形態にかかる電極用多孔質体の構造を示す拡大斜視図である。
【００３４】
図１〜図４における電極用多孔質体４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、繊維状に描かれた複数のカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂが図示しない接合物質によって互いに接合して三次元的な網状構造を形成している。そして、この三次元的な網状構造を形成するカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂと図示しない接合物質によって接合した活性炭４２ａ、４２ｂが粒子状に描かれている。
【００３５】
図１に示す電極用多孔質体４１ａは、図３、４におけるカーボンナノファイバー４０ｂに比べて細い直径を有するカーボンナノファイバー４０ａと、図２，４における活性炭４２ｂに比べて大きな粒径を有する活性炭４２ａを用いている。
【００３６】
図２に示す電極用多孔質体４１ｂは、図３、４におけるカーボンナノファイバー４０ｂに比べて細い直径を有するカーボンナノファイバー４０ａと、図１、３における活性炭４２ａに比べて小さな粒径を有する活性炭４２ｂを用いている。
【００３７】
図３に示す電極用多孔質体４１ｃは、図１、２におけるカーボンナノファイバー４０ａに比べて太い直径を有するカーボンナノファイバー４０ｂと、図２，４における活性炭４２ｂに比べて大きな粒径を有する活性炭４２ａを用いている。
【００３８】
図４に示す電極用多孔質体４１ｄは、図１、２におけるカーボンナノファイバー４０ａに比べて太い直径を有するカーボンナノファイバー４０ｂと、図１、３における活性炭４２ａに比べて小さな粒径を有する活性炭４２ｂを用いている。
【００３９】
カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂ及び活性炭４２ａ、４２ｂは、隣り合うカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂまたは活性炭４２ａ、４２ｂに対し部分的に接合物質によって接合され、多孔質体としての形態を維持することができる。活性炭４２ａ、４２ｂの周囲にはカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂが三次元的な網状構造を形成するため、多数のナノサイズの空隙（気孔）４６が形成され、活性炭の表面を有効に利用することができる。
【００４０】
カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂは、平均直径が０．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができ、さらに平均直径が４ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることができ、特に平均直径が９ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることができる。図１、２に示したカーボンナノファイバー４０ａは、例えば、平均直径が４ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることができ、特に、平均直径が９ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることができる。また、図３，４に示したカーボンナノファイバー４０ｂは、例えば、平均直径が７０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることができ、特に、平均直径が７０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることができる。カーボンナノファイバーの配合量にも大きく依存するが、カーボンナノファイバーの平均直径を変更することで三次元的な網状構造における空隙の大きさを制御することができると考えられる。すなわち、カーボンナノファイバーの平均直径が太くなると空隙が大きくなり、カーボンナノファイバーの平均直径が細くなると空隙は小さくなる傾向がある。空隙が小さくなりすぎると、多孔質体中に保持できる活性炭の量が少なくなる傾向がある。また、カーボンナノファイバーは細いほど価格が高くなる傾向があり、加工性も低下する。したがって、カーボンナノファイバーの平均直径が０．５ｎｍ以上であると経済的で加工性も向上することができ、５００ｎｍ以下であると空隙に活性炭を保持し易く、水処理装置に用いた場合には比較的大きな物質やエマルジョンを除去しやすくなる。カーボンナノファイバーの平均直径は、繊維の外径である。カーボンナノファイバーは、ストレート繊維状、あるいは湾曲繊維状であることができる。カーボンナノファイバーの平均直径は、電子顕微鏡による例えば５，０００倍の撮像（カーボンナノファイバーのサイズによって適宜倍率は変更できる）から２００箇所以上の直径を計測し、その算術平均値として計算して得ることができる。
【００４１】
カーボンナノファイバーとしては、例えば、いわゆるカーボンナノチューブなどが例示できる。カーボンナノチューブは、炭素六角網面のグラファイトの１枚面を１層に巻いた単層カーボンナノチューブ（シングルウォールカーボンナノチューブ：ＳＷＮＴ）、２層に巻いた２層カーボンナノチューブ（ダブルウォールカーボンナノチューブ：ＤＷＮＴ）、３層以上に巻いた多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ：マルチウォールカーボンナノチューブ）などが適宜用いられる。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有する炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブや気相成長炭素繊維といった名称で称されることもある。
【００４２】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。なお、カーボンナノファイバーは、エラストマーと混練される前に、あらかじめ表面処理、例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、エラストマーとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００４３】
活性炭４２ａ、４２ｂは、ヤシ殻やセルロース等の植物質、フェノール樹脂やポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）等の樹脂質、及び石油ピッチや石炭質等の石油質などの炭素質原料を炭化・賦活して得られた一般的な活性炭、ポリ塩化ビニリデン系樹脂（ＰＶＤＣ系樹脂）やポリ塩化ビニル系樹脂（ＰＶＣ系樹脂）等を炭化・賦活して得られた活性炭などから適宜選択して含むことができる。活性炭４２ａ、４２ｂの形態は、特に限定されないが、粉末や顆粒などであることが、炭化・賦活を円滑に行う上でもカーボンナノファイバーと円滑に混合する上でも望ましい。活性炭４２ａ、４２ｂのＢＥＴ法による窒素吸着比表面積は、例えば、５００ｍ２／ｇ以上５０００ｍ２／ｇ以下であることができ、さらに８００ｍ２／ｇ以上３０００ｍ２／ｇ以下であることができ、特に１０００ｍ２／ｇ以上２０００ｍ２／ｇ以下であることができ、る。粉末や顆粒の活性炭４２ａ、４２ｂは、顕微鏡観察して測定してその算術平均地として計算した平均粒径が０．５μｍ以上５ｍｍ以下であることができるが、後述するエラストマーとの混合工程において粉砕されることで粒径は小さくなり、例えば平均粒径が０．３μｍ以上３００μｍ以下になる傾向がある。図１、３に示した活性炭４２ａは、例えば、平均粒径が１．０μｍ以上３００μｍ以下であることができ、図２、４に示した活性炭４２ｂは、例えば、平均粒径が０．３μｍ以上３００μｍ以下であることができる。
【００４４】
接合物質は、後述するように、カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂを解繊して分散するために用いられた高分子物質、例えばエラストマーが炭化した炭素系物質であることができる。
【００４５】
空隙４６は、カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂを解繊して分散するために用いられた高分子物質、例えばエラストマーを分解気化することで形成され、繊維物質であるカーボンナノファイバーの間に多数形成されている。これらの空隙の中に活性炭４２ａ、４２ｂを配置することもできるし、あるいは空隙よりも大きな活性炭４２ａ、４２ｂを用いる場合にはカーボンナノファイバーと活性炭との間に空隙を形成することができる。空隙４６は、電子顕微鏡観察して測定した平均直径が１ｎｍ以上５μｍ以下であることができ、さらに５ｎｍ以上１μｍ以下であることができ、特に１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。空隙４６の平均直径は、カーボンナノファイバーの平均直径や配合量などによって変わるが、例えば平均直径が約１００ｎｍのカーボンナノファイバーを用いた場合には５０ｎｍ以上１μｍ以下であることができ、平均直径が約１０ｎｍのカーボンナノファイバーを用いた場合には５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。
【００４６】
電極用多孔質体４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、カーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂの他に、導電性物質を含んでいてもよく、これら導電性物質も隣接するカーボンナノファイバー４０ａ、４０ｂや活性炭４２ａ、４２ｂに対して接合物質によって部分的に接合することができる。導電性物質としては、金属、黒鉛、カーボンブラック、カーボンウィスカー、フラーレン及び炭素繊維などを挙げることができる。電極用多孔質体４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、そのまま電極として形成することができ、また、金属基板のような導電性部材に接合して電極を形成することができる。
【００４７】
本発明の一実施の形態にかかる電極用多孔質体の製造方法は、エラストマーに複数のカーボンナノファイバーと活性炭とを混合し、かつ剪断力によって分散させて複合エラストマーを得る工程（ａ）と、熱処理炉内において、前記工程（ａ）で得られた前記複合エラストマーを熱処理し、複合エラストマー中のエラストマーを分解気化させ、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、かつ、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーが接合物質によって活性炭と接合した電極用多孔質体を得る工程（ｂ）と、を含む。
【００４８】
図５〜図７は、工程（ａ）におけるオープンロール法による複合エラストマーの製造方法を模式的に示す図である。図８は、導電性部材に複合エラストマーを圧着する工程を説明する概略構成図である。図９は、工程（ｂ）を説明する概略構成図である。
【００４９】
工程（ａ）は、例えば、図５〜図７に示すようにオープンロールを用いて行うことができる。２本ロールのオープンロール２における第１のロール１０と第２のロール２０とは、所定の間隔ｄ、例えば０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの間隔で配置され、矢印で示す方向に回転速度Ｖ１，Ｖ２で正転あるいは逆転で回転する。
【００５０】
まず、図５に示すように、第１のロール１０に巻き付けられたエラストマー３０の素練りを行ない、エラストマー分子鎖を適度に切断してフリーラジカルを生成する。素練りによって生成されたエラストマーのフリーラジカルがカーボンナノファイバーと結びつきやすい状態となる。
【００５１】
次に、図６に示すように、第１のロール１０に巻き付けられたエラストマー３０のバンク３４に、複数のカーボンナノファイバー及び活性炭を含む配合剤８０を投入し、混練して混合物３６を得ることができる。工程（ａ）は、オープンロール法に限定されず、例えば密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。また、配合剤８０には、カーボンナノファイバー及び活性炭以外に、他の導電性物質などを含むことができる。
【００５２】
さらに、図７に示すように、第１のロール１０と第２のロール２０とのロール間隔ｄを、例えば０．５ｍｍ以下、より好ましくは０〜０．５ｍｍの間隔に設定し、図６で得られた混合物３６をオープンロール２に投入して薄通しを１回〜複数回行なう。薄通しの回数は、例えば１回〜１０回程度行なうことができる。第１のロール１０の表面速度をＶ１、第２のロール２０の表面速度をＶ２とすると、薄通しにおける両者の表面速度比（Ｖ１／Ｖ２）は、１．０５〜３．００であることができ、さらに１．０５〜１．２であることが好ましい。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。このように狭いロール間から押し出された複合エラストマー５０は、さらにエラストマー３０の弾性による復元力で図７のように大きく変形し、その際にエラストマー３０と共にカーボンナノファイバーが大きく移動する。薄通しして得られた複合エラストマー５０は、ロールで圧延されて所定厚さ、例えば１００μｍ〜５００μｍのシート状に分出しされる。シートの厚さが１００μｍ〜２００μｍであれば、そのまま工程（ｂ）に用いることができる。また、シートの厚さが２００μｍを超えて５００μｍ以下であれば、プレス機によってシートの厚さが１００μｍ〜２００μｍになるように圧縮成形することができる。この薄通しの工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、ロール温度を例えば０〜５０℃に設定して行うことができ、さらに５〜３０℃の比較的低い温度に設定して行うことができる。エラストマー３０の実測温度も０〜５０℃に調整されることができ、さらに５〜３０℃調整されることができる。このような温度範囲に調整することによって、エラストマー３０の弾性を利用してカーボンナノファイバーを分散することができる。このようにして得られた剪断力により、エラストマー３０に高い剪断力が作用し、凝集していたカーボンナノファイバーがエラストマー分子に１本ずつ引き抜かれるように相互に分離し、エラストマー３０中に分散される。特に、エラストマー３０は、弾性と、粘性と、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用と、を有するため、カーボンナノファイバーを容易に分散することができる。そして、カーボンナノファイバーの分散性および分散安定性（カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと）に優れた複合エラストマー５０を得ることができる。
【００５３】
より具体的には、オープンロールでエラストマーとカーボンナノファイバーとを混合すると、粘性を有するエラストマーがカーボンナノファイバーの相互に侵入し、かつ、エラストマーの特定の部分が化学的相互作用によってカーボンナノファイバーの活性の高い部分と結合する。カーボンナノファイバーの表面が例えば酸化処理によって適度に活性が高いと、特にエラストマー分子と結合し易くできる。次に、エラストマーに強い剪断力が作用すると、エラストマー分子の移動に伴ってカーボンナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性によるエラストマーの復元力によって、凝集していたカーボンナノファイバーが分離されて、エラストマー中に分散されることになる。特に、オープンロール法は、ロール温度の管理だけでなく、混合物の実際の温度を測定し管理することができるため、好ましい。
【００５４】
このようにして得られた複合エラストマーは、エラストマーと、該エラストマー中に均一に分散したカーボンナノファイバー及び活性炭を含み、カーボンナノファイバーによって囲まれたエラストマーの微細なセルを多数形成した構造を全体に有する。複合エラストマーは、カーボンナノファイバー以外に、さらに上述した他の導電性物質を適量含むことができる。また、複合エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって１５０℃、観測核が１Ｈで測定した、無架橋体における、第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）は１００〜３０００μ秒であり、第２のスピン−スピン緩和時間を有する成分の成分分率（ｆｎｎ）は０〜０．２であることができる。複合エラストマーの１５０℃で測定したＴ２ｎ及びｆｎｎは、マトリックスであるエラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されていることを表すことができる。つまり、エラストマーにカーボンナノファイバーが均一に分散されているということは、エラストマーがカーボンナノファイバーによって拘束されている状態であるともいえる。この状態では、カーボンナノファイバーによって拘束を受けたエラストマー分子の運動性は、カーボンナノファイバーの拘束を受けない場合に比べて小さくなる。そのため、複合エラストマーの第１のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎ）、第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）及びスピン−格子緩和時間（Ｔ１）は、カーボンナノファイバーを含まないエラストマー単体の場合より短くなり、特にカーボンナノファイバーが均一に分散することでより短くなる。また、エラストマー分子がカーボンナノファイバーによって拘束された状態では、以下の理由によって、非ネットワーク成分（非網目鎖成分）は減少すると考えられる。すなわち、カーボンナノファイバーによってエラストマーの分子運動性が全体的に低下すると、非ネットワーク成分は容易に運動できなくなる部分が増えて、ネットワーク成分と同等の挙動をしやすくなること、また、非ネットワーク成分（末端鎖）は動きやすいため、カーボンナノファイバーの活性点に吸着されやすくなること、などの理由によって、非ネットワーク成分は減少すると考えられる。そのため、第２のスピン−スピン緩和時間（Ｔ２ｎｎ）を有する成分の成分分率（ｆｎｎ）は、ｆｎ＋ｆｎｎ＝１であるので、カーボンナノファイバーを含まないエラストマー単体の場合より小さくなる。したがって、複合エラストマーは、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法によって得られる測定値が上記の範囲にあることによってカーボンナノファイバーが均一に分散されていることがわかる。
【００５５】
工程（ａ）に用いるエラストマーは、主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバーの末端のラジカルに対して親和性を有する不飽和結合または基を有するか、もしくは、このようなラジカルまたは基を生成しやすい性質を有することができる。かかる不飽和結合または基としては、二重結合、三重結合、カルボニル基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、ニトリル基、ケトン基、アミド基、エポキシ基、エステル基、ビニル基、ハロゲン基、ウレタン基、ビューレット基、アロファネート基および尿素基などの官能基から選択される少なくともひとつであることができる。
【００５６】
カーボンナノファイバーは、先端が５員環が導入されて閉じた構造となっているため、ラジカルや官能基を生成しやすくなっている。エラストマーの主鎖、側鎖および末端鎖の少なくともひとつに、カーボンナノファイバーのラジカルと親和性（反応性または極性）が高い不飽和結合や基を有することにより、エラストマーとカーボンナノファイバーとを結合することができる。このことにより、カーボンナノファイバーの凝集力にうち勝ってその分散を容易にすることができる。そして、エラストマーと、カーボンナノファイバーと、を混練する際に、エラストマーの分子鎖が切断されて生成したフリーラジカルは、カーボンナノファイバーの欠陥を攻撃し、カーボンナノファイバーの表面にラジカルを生成すると推測できる。
【００５７】
エラストマーとしては、天然ゴム（ＮＲ）、エポキシ化天然ゴム（ＥＮＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ，ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロブチルゴム（ＣＩＩＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（Ｑ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、エポキシ化ブタジエンゴム（ＥＢＲ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＣＥＯ）、ウレタンゴム（Ｕ）、ポリスルフィドゴム（Ｔ）などのエラストマー類；オレフィン系（ＴＰＯ）、ポリ塩化ビニル系（ＴＰＶＣ）、ポリエステル系（ＴＰＥＥ）、ポリウレタン系（ＴＰＵ）、ポリアミド系（ＴＰＥＡ）、スチレン系（ＳＢＳ）、などの熱可塑性エラストマー；およびこれらの混合物を用いることができる。エラストマーは、ゴム系エラストマーあるいは熱可塑性エラストマーのいずれであってもよい。また、ゴム系エラストマーの場合、エラストマーは未架橋体が好ましい。エラストマーに代えて、カーボンナノファイバーが均一に分散できる他の高分子物質を用いることもできる。
【００５８】
図８に示すように、工程（ａ）で得られた複合エラストマー５０を例えば薄板状の導電性部材５４に圧着することができる。圧着する工程は、導電性部材５４の表面に複合エラストマー５０を載せて所定圧力で加圧する。工程（ｂ）において複合エラストマー５０を熱処理することで、導電性部材５４の表面にカーボンナノファイバーが接合物質によって接合した状態で得られるため、複合エラストマー５０と導電性部材５４とを接着剤で接着しなくてもよい。また、導電性部材５４としては、導電性を有する材質とすることができ、例えば、金属、炭素などを挙げることができる。導電性部材５４に用いる金属としては、優れた導電性を有し耐食性に優れた金属とすることができ、例えばステンレス、チタン及びこれらの合金の中から適宜選択することができる。また、このように導電性部材５４と一体化して用いない場合には、この工程を省略し、工程（ｂ）においては複合エラストマー５０を単体で熱処理することができる。
【００５９】
図９に示すように、工程（ｂ）は、熱処理炉６０内において、圧着工程で得られた複合エラストマー５０が圧着された導電性部材５４を熱処理し、複合エラストマー５０中のエラストマーを分解気化させ、導電性部材５４の表面に接合物質によって接合した電極用多孔質体が形成された電極を得る。工程（ａ）で得られた複合エラストマー５０中にはエラストマーがカーボンナノファイバーによって囲まれた微細なセル構造が形成されており、工程（ｂ）によってエラストマーを分解気化させることによって、そのセル構造からエラストマーが除かれた微細な空隙が形成される。接合物質は、残留したエラストマーの炭化物である。
【００６０】
熱処理炉６０は、不活性ガスとして例えば窒素ガスの供給源６２として窒素ガスボンベが開閉バルブ６４を介して接続され、内部に窒素ガスを供給することができる。また、熱処理炉６０は、開閉バルブ６６を介して真空ポンプ６８が接続され、内部のガスを排気することができるとともに、減圧雰囲気とすることができる。
【００６１】
工程（ｂ）について、さらに詳細に説明する。熱処理炉６０は、内部を真空ポンプ６８によって真空にした後、窒素ガスを供給源６２から供給して大気圧と同じかそれより低い圧力の窒素雰囲気とする。そして、熱処理炉６０は、内部をエラストマーの分解気化温度以上、例えばエラストマーが天然ゴム（ＮＲ）の場合、４００℃の熱処理温度で加熱する。この熱処理によって、エラストマーは分解気化する。分解気化したエラストマーは、例えば分子量２００以下であってＣ８の化学構造を有する炭素系物質となり、熱処理炉６０内の雰囲気の一部を構成する。この炭素系物質のガスは、熱処理炉６０内に供給される窒素ガスとともに熱処理炉６０内から一部は排出され、一部はそのまま熱処理炉６０内に残って雰囲気の一部を構成する。熱処理炉６０内を降温させることで熱処理炉内に残った炭素系物質がカーボンナノファイバー４０に付着して、カーボンナノファイバー４０を互いに接合する炭素樹脂のような接合物質となる。なお、分解気化温度は、エラストマーが分解気化する温度であり、エラストマーの種類、熱処理炉内の雰囲気、圧力などによって異なるが、熱処理の温度は２００〜５００℃とすることができ、熱処理時間は１０分〜３時間とすることができる。熱処理の温度が２００℃以上であれば接合物質はタール状になりにくく、熱処理の温度が５００℃以下であれば適度に接合物質が残るので多孔質の状態で形状を維持することができる。
【００６２】
こうして得られた電極用多孔質体が形成された導電性部材５４は、電極として利用することができる。また、導電性部材５４と一体化していない電極用多孔質体はそのままで電極として使用することができる。三次元的な網状構造は、エラストマーが除去された部分が空隙となり、カーボンナノファイバーは分散した状態を維持したまま少量の接合物質によって部分的に接合される。
【００６３】
カーボンナノファイバーを適度に接合させる程度に炭素系物質を熱処理炉６０内に残留させ、滞留させるためには、工程（ｂ）の間、熱処理炉６０内から外部への排気量及び熱処理炉６０内への給気量を制御することによって調整することができる。接合物質の量を多くしたい場合には排気量を少なくし、接合物質の量を少なくしたい場合には排気量を多くする。
【００６４】
このように、接合物質の量を制御する方法は、熱処理炉６０内の排気量・供給量の制御の他、上述のような熱処理温度や熱処理時間でも制御することができる。例えば、熱処理温度がエラストマーが分解気化する温度よりも十分に高ければ、エラストマーは短時間で分解気化し、接合物質の量が少なくなる。その反対に、熱処理温度がエラストマーの分解気化し始める温度に近ければ、接合物質の量が多くなる。熱処理時間は、熱処理温度にも依存する。短時間で熱処理を行なうということは、短時間でエラストマーを分解気化させることになり、結果的に熱処理温度が高くなるので、接合物質の量は少なくなる。反対に、長時間で熱処理を行なうということは、長時間かけてエラストマーを分解気化させればよいため、熱処理温度は低く設定されるので、接合物質の量は多くなる。
【００６５】
このように、電極用多孔質体の製造方法によれば、大きな表面積を有する活性炭とカーボンナノファイバーを利用しながら、三次元的な網状構造の空隙と活性炭の表面にイオン化した物質を吸着する電極用多孔質体を製造することができる。
【００６６】
水処理装置について説明する。図１０は、一実施の形態にかかる水処理装置の概念図である。図１１は、一実施の形態にかかる水処理装置に用いる電極の構造を示す拡大断面図である。
【００６７】
図１０に示す水処理装置１００は、供給口１、流路３、取出口２、正極４、負極５及び電源６を有している。水処理装置１００は、正極及び負極の少なくとも一方が電極用多孔質体によって形成された電極、もしくは正極及び負極の少なくとも一方が電極用多孔質体が導電性部材に電気的に接触して形成された電極からなるキャパシタであることができる。
【００６８】
供給口１から水処理装置１００へ供給された処理前の水７は、所定間隔を有して離間配置された正極４と負極５との間に形成された流路３を通り、取出口２から処理後の水８として取り出される。水処理装置１００は、ＦＴＣであることができ、処理前の水７に含まれるイオン化した物質を取り除くことができる。より具体的には、電源６によって正極４と負極５の間に電圧を印加すると、処理前の水７に含まれる陽イオンは負極５へ移動し、陰イオンは正極４へ移動する。正極４及び負極５の表面４ａ，５ａには処理前の水７に含まれていた陰イオン及び陽イオンが吸着し、したがって、イオン化した物質が取り除かれた処理後の水８が取出口２から取り出される。
【００６９】
例えば、処理前の水７が海水であれば、処理後の水８は淡水であることができる。処理前の海水７の中には陰イオンとして塩素イオン（Ｃｌ−）と陽イオンとしてナトリウムイオン（Ｎａ＋）とが含まれるが、それ以外にも例えばマグネシウムイオン（Ｍｇ＋）や硫酸イオン（ＳＯ４２−）なども存在している。処理後の水８は、難溶解性塩を除去する必要はあるが、これらのイオン化した物質が取り除かれた淡水となる。
【００７０】
水処理装置１００の性能は、正極４及び負極５における処理用の水に接する表面４ａ，５ａの表面積に大きく依存するので、正極４及び負極５の構造が非常に重要である。
【００７１】
図１１は、図１０の水処理装置１００の正極４における表面４ａの構造を拡大して示す断面図である。負極５の表面５ａも正極４と基本的に同様の構成とすることができるので、ここでは正極４についてのみ説明する。流路３側に面した正極４の表面４ａには、電極用多孔質体４１が形成されている。電極用多孔質体４１は、複数のカーボンナノファイバー４０が接合物質４８によって互いに接合した三次元的な網状構造が形成され、カーボンナノファイバー４０に接合する活性炭４２を有している。正極４は、図５〜図９を用いて説明した製造方法で製造することができる。その場合、正極４は図８及び図９における導電性材料５４であることができる。また、正極４の表面４ａに図１〜図４の電極用多孔質体４１ａ〜４１ｄを接合することで製造することもできる。このような電極４，５を用いることによって、三次元的な網状構造の空隙４６を通って、大きな比表面積を有する活性炭４２とカーボンナノファイバー４０にイオン化した物質を効率よく吸着することができる。また、三次元的な網状構造によって活性炭４２の表面を有効に利用することができるので、カルシウム、シリカ、鉄、マンガンなどの難溶解性塩や微生物などが電極に付着して電極が劣化するファウリングの発生までに時間がかかり、長期使用が可能になる。
【００７２】
電極用多孔質体４１は、少なくとも正極４の表面４ａ及び負極５の表面５ａのいずれか一方に１μｍ〜１０００μｍの厚さで形成されることができ、さらに５０μｍ〜５００μｍの厚さに形成されることができ、特に１００μｍ〜３００μｍの厚さに形成されることができる。電極用多孔質体４１の厚さが１μｍ以上であれば比較的製造しやすい傾向があり、１０００μｍ以下であれば水にたいする内部抵抗も大きくなり過ぎない傾向がある。また、カーボンナノファイバー４０は接合物質４８により正極４に強固に接着しており、流路３を水が流れても剥がれおちることはない。また、正極４の機械的強度も向上することができる。さらに、電極用多孔質体４１は、カーボンナノファイバー４０を熱処理によって得られた炭化物によって接合しているので、耐熱性に優れている。
【００７３】
本発明の一実施の形態にかかる電池について説明する。図１２は、一実施の形態にかかる電池の概念図である。電池１１０は、図１〜図４または図１１で説明した電極用多孔質体を用いて形成された正極４ｂと、負極５ｂと、筒体６ｂと、複極剤７ｂと、電解液８ｂと、を有する。このように、電池１１０の正極４ｂに電極用多孔質体を用いることによって、充放電速度の向上と電池の大容量化を達成することができる。また、電極の機械的強度も向上することができる。本実施の形態の電池１１０においては正極４ｂに電極用多孔質体を用いたが、これに限らず、公知の電池の構造における正極及び負極の少なくとも一方に電極用多孔質体を用いることができる。
【００７４】
本発明の一実施の形態にかかるキャパシタについて説明する。図１３は、一実施の形態にかかるキャパシタの概念図である。キャパシタ１２０は、図１〜図４または図１１で説明した電極用多孔質体を用いて形成された正極４ｃ及び負極５ｃと、電源６ｃと、電解液７ｃと、セパレータ８ｃと、を有する。このように、キャパシタ１２０の正極４ｃ及び負極５ｃに電極用多孔質体を用いることによって、充電容量を増やすことができ、さらに長寿命化を達成することができる。また、電極の機械的強度も向上することができる。本実施の形態のキャパシタ１２０においては正極４ｃ及び負極５ｃに電極用多孔質体を用いたが、これに限らず、公知のキャパシタの構造における正極及び負極の少なくとも一方に電極用多孔質体を用いることができる。
【００７５】
本発明の一実施の形態にかかる油田装置（Ｏｉｌｆｉｅｌｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）について説明する。前記電池もしくは前記キャパシタは、油田装置に用いることができる。油田装置としては、例えば、検層装置（ｌｏｇｇｉｎｇ ｔｏｏｌ）などに用いることができる。油田装置の代表的な実施形態について以下に説明する。
【００７６】
検層装置は、例えば掘削された坑井（ｂｏｒｅｈｏｌｅ）内及び坑井周辺の地層、油層などの物理的特性や坑井あるいはケーシングの幾何学的特性（孔径、方位、傾斜等）、油層の流れの挙動などを深度毎に記録するための装置であって、例えば油田（ｏｉｌｆｉｅｌｄ）において用いることができる。油田用途の検層装置としては、例えば、図１４に示す地下（ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ）用途と、図１５に示す海底（ｓｕｂｓｅａ）用途と、を挙げることができる。検層装置には、ワイヤーライン検層（Ｗｉｒｅｌｉｎｅ ｌｏｇ／ｌｏｇｇｉｎｇ）や泥水検層（Ｍｕｄ ｌｏｇｇｉｎｇ）などがあり、測定機器が掘削編成に装備されている掘削同時検層ＬＷＤ：Ｌｏｇｇｉｎｇ Ｗｈｉｌｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇや掘削同時測定（ＭＷＤ：Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｗｈｉｌｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ）などがある。これらの検層装置は、地中の深い位置で作業するため、周囲環境は電池及びキャパシタの電極にとって苛酷になり、高い耐熱性が要求されることがある。
【００７７】
図１４は、一実施の形態にかかる地下用途の検層装置を模式的に示す断面図である。図１５は、一実施の形態にかかる海底用途の検層装置を模式的に示す断面図である。
【００７８】
図１４に示すように、地表１５５における、掘削編成に装備された測定機器による地下資源の探査は、例えば坑井（ｂｏｒｅｈｏｌｅ）１５６の上方に配置されたプラットホーム及びデリック編成１５１と、デリック編成１５１から地下に設けられた縦穴や横穴などで構成される坑井１５６内に配置された検層装置として例えば坑底機器編成（ＢＨＡ：ｂｏｔｔｏｍ ｈｏｌｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）１６０と、を有する。デリック編成１５１は、例えば、フック１５１ａと、回転スイベル（ｒｏｔａｒｙ ｓｗｉｖｅｌ）１５１ｂと、ケリー（ｋｅｌｌｙ）１５１ｃと、回転テーブル１５１ｄと、を含むことができる。坑底機器編成１６０は、例えばデリック編成１５１から延びる長いドリル・ストリング（ｄｒｉｌｌ ｓｔｒｉｎｇ）１５３の先端に固定される。ドリル・ストリング１５３の内部には、図示していないポンプから回転スイベル１５１ｂを介して泥水が送り込まれ、坑底機器編成１６０の流体駆動モータを駆動させることができる。坑底機器編成１６０は、複数のモジュールを有し、例えば、先端から順に、ドリルビット１６２、回転操作システム（ＲＳＳ：ｒｏｔａｒｙ ｓｔｅｅｒａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ）１６４、マッドモータ（Ｍｕｄ ｍｏｔｅｒ）１６６、掘削同時測定モジュール１６８、及び掘削同時検層モジュール１７０を連結して有することができる。ドリルビット１６２は、坑井１５６の坑底部１５６ａにおいて回転によって掘削を進めることができる。坑底機器編成（ＢＨＡ：ｂｏｔｔｏｍ ｈｏｌｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）１６０を坑井１５６へ進入させ、地中の地質構造などを探査し、目標物質である例えば石油の有無を探査する。
【００７９】
掘削同時測定モジュール１６８は、ドリルカラー（ｄｒｉｌｌ ｃｏｌｌａｒ）と呼ばれる厚い壁を有するパイプの壁部に設けられたチャンバー内に図示しないを掘削同時測定器具が配置されている。掘削同時測定器具は、電池、コンデンサ及び各種センサを探査の目的に合わせて選択して含み、例えば、方位、傾斜、ビットの向き、荷重、トルク、温度、圧力等の坑底データを計測するとともに、これらの計測データをリアルタイムに地上へ伝送することができる。
【００８０】
掘削同時検層モジュール１７０は、ドリルカラー（ｄｒｉｌｌ ｃｏｌｌａｒ）と呼ばれる厚い壁を有するパイプの壁部に設けられたチャンバー内に図示しない掘削同時検層機器が配置されている。掘削同時検層機器は、電池、コンデンサ及び各種センサを探査の目的に合わせて選択して含み、例えば、比抵抗、孔隙率、音波速度及びガンマ線等を測定し、物理検層データを取得することができ、この物理検層データをリアルタイムに地上へ伝送することができる。
【００８１】
なお、坑底機器編成１６０は、一実施形態として、ドリルビット１６２と、回転操作システム１６４と、マッドモータ１６６と、掘削同時測定モジュール１６８と、掘削同時検層モジュール１７０と、を有する例について説明したが、これに限らず、検層用途に合わせて選択して組み合わせることができる。
【００８２】
図１５に示すように、海洋でのワイヤーライン検層を用いた地下資源の探査は、例えば海１５２に浮くプラットホーム１５０から海底１５４に設けられた縦穴や横穴などで構成される坑井１５６内に検層装置として例えばダウンホール装置（Ｄｏｗｎｈｏｌｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）１６０’を進入させ、地中の地質構造などを探査し、目標物質である例えば石油の有無を探査する。ダウンホール装置１６０’は、例えばプラットホームから延びる長いケーブルもしくはコミュニケーション・リンクの先端に固定され、図示しない複数の圧力容器などの筐体を内部に有する。筐体の内部には、例えば電気検層（ＳＰ検層、ノルマル検層、インダクション検層、ラテロ検層、マイクロ比抵抗検層など）、放射能検層（ガンマ線検層、中性子検層、密度検層、核磁気共鳴検層など）、音波検層（弾性波検層、アレー音波検層、セメント・ボンド検層など）、地質情報検層（ディップメーター、ＦＭＩなど）、坑内地震探査（チェックショット速度検層、ＶＳＰなど）、サンプリング検層（サイドウォール・コアリング検層、流体分析検層、ＲＦＴ,ＭＤＴなど）、補助検層（キャリパー（坑径）測定、坑井幾何学特性検層、温度検層など）、特殊目的検層（過酷条件下での検層（Ｌｏｇｓ ｉｎ ｈｏｓｔｉｌｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）、掘削管経由検層（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ）など）などの探査用電子機器、電池及びキャパシタが探査の目的に合わせて選択して封入されて配置され、地中の地質構造などを探査することが可能であるが、地下深く掘削された坑井１５６内部では高温にさらされるとともに、坑井１５６へ進入する際の振動や衝撃を受けるため、高い耐熱性が要求される筐体内の電池及びキャパシタの電極に採用することができる。
【００８３】
なお、上記のように本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。したがって、このような変形例はすべて、本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、本発明の実施の形態にかかる電極は、電池や水処理装置に使用されるだけでなく、酸化還元反応のような電気化学反応を用いた電気化学センサー、電気化学セル及び電気化学装置に適用可能である。電気化学センサーは、例えば、米国特許ＵＳ２００７／０２７２５５２号公報に開示されているように、流体分析検層に使用することができる。
【実施例】
【００８４】
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８５】
工程（ａ）：
６インチオープンロール（ロール温度１０〜２０℃、ロール間隔１．５ｍｍ）に、１００質量部（ｐｈｒ）の重量平均分子量が約３００万の天然ゴムを投入して、ロールに巻き付かせ、５分間素練りした後、５０質量部（ｐｈｒ）の活性炭と３０質量部（ｐｈｒ）の多層カーボンナノファイバーを投入し、混合物をオープンロールから取り出した。そして、ロール間隔を１．５ｍｍから０．３ｍｍへと狭くして、混合物を再びオープンロールに投入して薄通しを繰り返し５回行なった。このとき、２本のロールの表面速度比を１．１とした。さらに、ロール間隙を１．１ｍｍにセットして、薄通しして得られた複合エラストマーを投入し、分出しした。分出しされた複合エラストマーは９０℃、５分間プレス成形し、それぞれ厚さ１ｍｍのシート状の複合エラストマー（無架橋体）に成形した。複合エラストマーの配合を表１に示す。実施例１の多層カーボンナノファイバー（表１ではＭＷＣＮＴ−１で示した）の平均直径は７０ｎｍであり、実施例２の多層カーボンナノファイバー（表１ではＭＷＣＮＴ−２で示した）の平均直径は９ｎｍであった。また、実施例１、２で用いた活性炭の混練前におけるＢＥＴ法による窒素吸着比表面積は１２００ｍ２／ｇであった。
【００８６】
【表１】
【００８７】
この無架橋体の複合エラストマーについて、パルス法ＮＭＲを用いてハーンエコー法及びソリッドエコー法による測定を行った。この測定は、日本電子（株）製「ＪＭＮ−ＭＵ２５」を用いて行った。測定は、観測核が１Ｈ、共鳴周波数が２５ＭＨｚ、９０゜パルス幅が２μｓｅｃの条件で行い、ハーンエコー法のパルスシーケンス（９０゜ｘ−Ｐｉ−１８０゜ｘ）にて、Ｐｉをいろいろ変えて減衰曲線を測定した。また、サンプルは、磁場の適正範囲までサンプル管に挿入して測定した。測定温度は、１５０℃であった。なお、同様に測定した原料エラストマーの天然ゴムの第１のスピンースピン緩和時間（Ｔ２ｎ／３０℃）は、７００μ秒であった。
【００８８】
工程（ｂ）：
シート状の無架橋体の複合エラストマーを熱処理炉内に配置し、熱処理炉内を真空にした後、窒素ガスを供給しつつ排気することで、約５０ｋＰａの窒素雰囲気に維持した炉内で２時間かけて４００℃に昇温した後、４００℃で２時間熱処理して、天然ゴムの一部を炭化物として残して分解気化させて、電極用多孔質体を得た。図１７は、実施例１の電極用多孔質体の１０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図１８は、実施例１の電極用多孔質体の５０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図１９は、実施例２の電極用多孔質体の１０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図２０は、実施例２の電極用多孔質体の５０，０００倍の電子顕微鏡写真である。図１７〜図２０の電子顕微鏡写真における繊維状の物質がカーボンナノファイバーであり、粒子状の物質が活性炭であり、隣接するカーボンナノファイバー及び活性炭が接合物質で接合していることが観察された。また、カーボンナノファイバーが接合することで三次元的な多孔質体を形成していることが観察された。
【符号の説明】
【００８９】
１ 供給口、２ 取出口、３ 流路、４、４ｂ、４ｃ 正極、４ａ 表面、５、５ｂ、５ｃ 負極、５ａ 表面、６ 電源、６ｂ 筒体、６ｃ 電源、７ 処理前の水、７ｂ 複極剤、７ｃ 電解液、８ 処理後の水、８ｂ 電解液、８ｃ セパレータ、４０、４０ａ、４０ｂ カーボンナノファイバー、４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ 電極用多孔質体、４２、４２ａ、４２ｂ 活性炭、４６ 空隙、４８ 接合物質、５０ 複合エラストマー、５４ 導電性部材、６０ 熱処理炉、６２ 供給源、６４、６６ 開閉バルブ、６８ 真空ポンプ、１００ 水処理装置、１１０ 電池、１２０ キャパシタ、１５０ プラットホーム、１５２ 海、１５４ 海底、１５１ デリック編成、１５１ａ フック、１５１ｂ 回転スイベル、１５１ｃ ケリー、１５１ｄ 回転テーブル、１５３ ドリル・ストリング、１５５ 地表、１５６ 坑井、１５６ａ 坑底部、１６０ 坑底機器編成、１６０’ ダウンホール装置、１６２ ドリルビット、１６４ 回転操作システム、１６６ マッドモータ、１６８ 掘削同時測定モジュール、１７０ 掘削同時検層モジュール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーと接合物質によって接合した活性炭を有する、電極用多孔質体。
【請求項２】
請求項１において、
前記接合物質は、炭素系物質である、電極用多孔質体。
【請求項３】
請求項１または２の電極用多孔質体によって形成された、電極。
【請求項４】
請求項１または２の電極用多孔質体が導電性部材に電気的に接触して形成された、電極。
【請求項５】
正極及び負極の少なくとも一方が請求項３または４の電極からなる電池。
【請求項６】
正極及び負極の少なくとも一方が請求項３または４の電極からなるキャパシタ。
【請求項７】
請求項６のキャパシタであって、
処理前の水を供給する供給口と、
処理後の水を取り出す取出口と、
前記供給口と前記取出口との間にある流路と、を含み、
前記正極及び前記負極は、前記流路を挟んで離間配置された、水処理装置。
【請求項８】
請求項５の電池を備えた、油田装置。
【請求項９】
請求項６のキャパシタを備えた、油田装置。
【請求項１０】
請求項８または９の油田装置は、坑井内において検層を行う検層装置である、油田装置。
【請求項１１】
エラストマーに複数のカーボンナノファイバーと活性炭とを混合し、かつ剪断力によって分散させて複合エラストマーを得る工程（ａ）と、
熱処理炉内において、前記工程（ａ）で得られた前記複合エラストマーを熱処理し、複合エラストマー中のエラストマーを分解気化させ、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、かつ、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーが接合物質によって活性炭と接合した電極用多孔質体を得る工程（ｂ）と、を含む、電極用多孔質体の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記工程（ｂ）の熱処理の温度は２００以上５００℃以下であり、熱処理炉内は窒素雰囲気である、電極用多孔質体の製造方法。
【請求項１】
複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーと接合物質によって接合した活性炭を有する、電極用多孔質体。
【請求項２】
請求項１において、
前記接合物質は、炭素系物質である、電極用多孔質体。
【請求項３】
請求項１または２の電極用多孔質体によって形成された、電極。
【請求項４】
請求項１または２の電極用多孔質体が導電性部材に電気的に接触して形成された、電極。
【請求項５】
正極及び負極の少なくとも一方が請求項３または４の電極からなる電池。
【請求項６】
正極及び負極の少なくとも一方が請求項３または４の電極からなるキャパシタ。
【請求項７】
請求項６のキャパシタであって、
処理前の水を供給する供給口と、
処理後の水を取り出す取出口と、
前記供給口と前記取出口との間にある流路と、を含み、
前記正極及び前記負極は、前記流路を挟んで離間配置された、水処理装置。
【請求項８】
請求項５の電池を備えた、油田装置。
【請求項９】
請求項６のキャパシタを備えた、油田装置。
【請求項１０】
請求項８または９の油田装置は、坑井内において検層を行う検層装置である、油田装置。
【請求項１１】
エラストマーに複数のカーボンナノファイバーと活性炭とを混合し、かつ剪断力によって分散させて複合エラストマーを得る工程（ａ）と、
熱処理炉内において、前記工程（ａ）で得られた前記複合エラストマーを熱処理し、複合エラストマー中のエラストマーを分解気化させ、複数のカーボンナノファイバーが接合物質によって互いに接合した三次元的な網状構造を形成し、かつ、該網状構造を形成するカーボンナノファイバーが接合物質によって活性炭と接合した電極用多孔質体を得る工程（ｂ）と、を含む、電極用多孔質体の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記工程（ｂ）の熱処理の温度は２００以上５００℃以下であり、熱処理炉内は窒素雰囲気である、電極用多孔質体の製造方法。
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−２０９１９３（Ｐ２０１２−２０９１９３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７５３３５（Ｐ２０１１−７５３３５）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、文部科学省、地域卓越研究者戦略的結集プログラム（エキゾチック・ナノカーボンの創生と応用）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２２６６７７）日信工業株式会社 (840)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【出願人】（３９０００２３８１）株式会社キッツ (223)
【出願人】（５０００１７８６３）シュルンベルジェ ホールディングス リミテッド (13)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、文部科学省、地域卓越研究者戦略的結集プログラム（エキゾチック・ナノカーボンの創生と応用）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２２６６７７）日信工業株式会社 (840)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【出願人】（３９０００２３８１）株式会社キッツ (223)
【出願人】（５０００１７８６３）シュルンベルジェ ホールディングス リミテッド (13)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
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