カーボンファイバの製造方法、該製造方法により製造したカーボンファイバ、およびカーボンファイバ製造装置
【課題】装置として極めてシンプルでかつコンパクト等のカーボンファイバ製造装置を提供すること。
【解決手段】本カーボンファイバ製造装置１０は、反応ガスを、屈曲した少なくとも１つの反応経路(キャピラリ管１２の管路)を分子流領域の圧力で一方向に流しながら、当該反応経路内を流動する触媒粒子に作用させてカーボンファイバを製造する構成を備える。
【解決手段】本カーボンファイバ製造装置１０は、反応ガスを、屈曲した少なくとも１つの反応経路(キャピラリ管１２の管路)を分子流領域の圧力で一方向に流しながら、当該反応経路内を流動する触媒粒子に作用させてカーボンファイバを製造する構成を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガス中を流動する触媒粒子に該反応ガスを作用させて触媒粒子を成長核としてカーボンファイバを成長させて製造する、いわゆる流動触媒法によりカーボンファイバを製造する方法、この製造方法により製造したカーボンファイバ、およびそのカーボンファイバを製造する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンファイバ、例えばカーボンナノチューブは、ナノオーダーで細くかつ高アスペクト比であり、電子エミッタ材料、水素吸蔵体、高容量キャパシタ材料、二次電池または燃料電池の電極材料、電磁波吸収材料、等に汎用されつつある。このようなカーボンナノチューブナノチューブは、近年、毛玉状あるいはマリモ状等に集合させて用いる工業的な用途が拡大してきている。しかしながら、例えば特許文献１に開示されている製造方法においては、基板上に触媒粒子を分散配置しそれぞれの触媒粒子に反応ガスを作用させてカーボンナノチューブを製造したものであり、製造後にカーボンナノチューブを集合させる必要がある。しかしながら、カーボンナノチューブはその比重が小さくて軽くかつ極めて細いことも相俟って製造後に集合させることが極めて難しい。そこで、本出願人はカーボンファイバを製造の過程で集合させることができる製造方法について鋭意研究した。
【特許文献１】特開２００５−１４５７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明により解決すべき課題は、触媒粒子を反応ガス中に流動させながら該触媒粒子を反応ガス成分に反応させる流動触媒法を用いてカーボンナノチューブ等のカーボンファイバを製造する方法において、製造の過程で、毛玉状に絡み合ってブロック状になったカーボンファイバを製造可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係るカーボンファイバの製造方法は、流動触媒法によりカーボンファイバを製造する方法において、反応ガスを屈曲した少なくとも１つの反応経路を分子流領域で一方向に流しながら反応ガス成分を反応経路内を流動する触媒粒子に作用させてカーボンファイバを製造することを特徴とするものである。
【０００５】
上記屈曲の形状はなんら限定されないが、好ましくは螺旋状とすることができる。さらに好ましくは、上記分子流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤは反応経路内径、λは反応ガス成分の反応経路内での平均自由行程）が０．０１より大きい値でガスが流れる領域である。ただし、分子流領域は好ましくは１．０より大きい。
【０００６】
本発明では、反応経路が螺旋状等に屈曲しているので、反応ガスが分子流領域で反応経路内を流れることによって、反応経路内では層流や乱流といった流れにならないことにより、触媒粒子が反応経路内壁に接触する機会が増加してカーボンファイバの屈曲成長が促進されるので、カーボンファイバを毛玉状に絡み合った集合状態にして製造することができる。
【０００７】
特に反応経路を一方向長手に螺旋状に一様に屈曲させた場合、カーボンファイバを成長の過程で規則的に屈曲させ、良好な毛玉状の集合状態に製造することができる。
【０００８】
本発明のカーボンファイバ製造装置は、屈曲した少なくとも１つの管路と、反応ガスを上記管路内に分子流領域の圧力で一方向に流す反応ガス供給部と、当該管路内に触媒粒子を供給する触媒粒子供給部とを備える、ことを特徴とするものである。
【０００９】
カーボンファイバは、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ、グラファイトナノファイバを含むことができる。
【００１０】
触媒粒子の材料は、その構成要素に炭素を含有する化合物ガスに作用する材料であれば特に限定されず、例えば、鉄、コバルト、ニッケル等およびこれらの酸化物を例示することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、カーボンファイバを毛玉状に集合したブロック状に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るカーボンファイバ製造方法を説明する。
【００１３】
図１は実施の形態に係る製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。なお、図中では理解の都合によりカーボンファイバや触媒粒子は誇張して示されている。実施の形態のカーボンファイバ製造装置１０は、キャピラリ管１２と、加熱炉１４と、反応ガス供給部１６と、触媒粒子供給部１８とを備える。
【００１４】
キャピラリ管１２は、管路が一方向長手に螺旋状に屈曲して延びる反応経路を構成している。キャピラリ管１２とは、触媒粒子が反応ガスに反応するための経路である。キャピラリ管１２は、極細管であり、石英ガラス等のガラス製であってもよいし、反応ガスに非反応の金属製であってもよいし、エンジニアリングプラスチック等の樹脂製であってもよい。キャピラリ管１２の螺旋形状や螺旋径や螺旋回数等は、反応時間、反応温度、等により実験等で適宜に決定することができる。キャピラリ管１２は、管入口１２ａと管出口１２ｂとを備えた両端開口となっている。キャピラリ管１２は管入口１２ａ側で反応ガスや触媒粒子の供給に便利なように広く開口することができる。管出口１２ｂ側では製造したカーボンファイバを排出のため広く開口することができる。キャピラリ管１２は図外のチャンバ内部に配置することができるが、チャンバ内部に配置されなくてもよい。
【００１５】
加熱炉１４は、キャピラリ管１２の外径側の周囲を取り囲むようにして該キャピラリ管１２から所定距離隔てて配置されている。加熱炉１４はキャピラリ管１２を外部から加熱することにより、キャピラリ管１２の管路内の雰囲気温度を所要の反応温度に制御することができるようになっている。
【００１６】
反応ガス供給部１６は、供給管１７を介してキャピラリ管１２に分岐接続され、キャピラリ管１２の管路内に炭化水素ガスや水素ガス等の触媒粒子の作用等によりカーボンファイバ１３を成長させるのに必要な反応ガスを供給する。
【００１７】
触媒粒子供給部１８は、供給管１９を介してキャピラリ管１２に分岐接続され、キャピラリ管１２内部に触媒粒子１３ａを供給する。
【００１８】
本実施の形態では以上の構成を備えたカーボンファイバ製造装置を用いて流動触媒法によりカーボンファイバを製造するものであり、この製造装置における屈曲した反応管であるキャピラリ管１２の管路内を分子流領域の圧力に設定して、カーボンファイバを毛玉状に製造可能としたことを特徴としている。この場合、分子流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤはキャピラリ管１２の管内径、λは反応ガス成分のキャピラリ管１２の管路内での平均自由行程）が０．０１より大きい値、好ましくは、１より大きい値である。
【００１９】
以下、その流動触媒法を用いてカーボンファイバ１３を製造する方法を説明すると、まず、キャピラリ管１２の管路内に反応ガス供給部１６から原料ガスとキャリアガスとの混合ガスからなる反応ガスを管入口１２ａから供給する。この反応ガスにおいては原料ガス濃度調整ならびに触媒粒子の供給を目的としてＨｅガス等のキャリアガスを導入することができる。
【００２０】
この供給した反応ガスは管路内を管出口１２ｂに向けて分子流領域の圧力で一方向に流動していく。同時に、キャピラリ管１２の管路内に触媒粒子供給部１８から触媒粒子を供給する。これによってキャピラリ管１２の管路内で触媒粒子の触媒作用により触媒粒子１３ａを成長核としてカーボンファイバ１３が成長して製造される。この場合、カーボンファイバ１３は触媒粒子１３ａが管路内を管入口１２ａから管出口１２ｂに流動する過程で触媒粒子１３ａに付着して成長していく。
【００２１】
そして、本実施の形態では、反応ガスを螺旋状に屈曲したキャピラリ管１２の管路を上記定義した分子流領域の圧力で一方向に流しながらキャピラリ管１２の管路を流動する触媒粒子１３ａに作用させてカーボンファイバ１３を成長させ、かつ、この成長の過程でカーボンファイバ１３を極細管であるキャピラリ管１２の管路の内壁と多数点で衝突させるようにして、カーボンファイバ１３に多数の屈曲点を付けていき、製造後のカーボンファイバ１３を毛玉状に絡み合ったブロック状のものとする。
【００２２】
以上説明したカーボンファイバ製造装置１０を用いた製造方法では、カーボンファイバ１３を毛玉等のブロック状に成長させることができる。その結果、この装置で製造したカーボンファイバはそれ自体の比重が小さくて軽くても、製造後の工程でカーボンファイバを集合させてブロック状にすることが容易となる。
【００２３】
この毛玉状のカーボンファイバ１３は、近年におけるカーボンファイバ１３を集合させて用いる工業的用途、例えば、近年の機能性活性炭のフィルタ代替として燃料電池の電極や水素吸蔵体、さらには触媒担持体等にその用途を拡充することができる。
【００２４】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は実施の形態の製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０ カーボンファイバ製造装置
１２ キャピラリ管（反応管）
１２ａ 管入口
１２ｂ 管出口
１３ カーボンファイバ
１３ａ 触媒粒子
１４ 加熱炉
１６ 反応ガス供給部
１８ 触媒粒子供給部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガス中を流動する触媒粒子に該反応ガスを作用させて触媒粒子を成長核としてカーボンファイバを成長させて製造する、いわゆる流動触媒法によりカーボンファイバを製造する方法、この製造方法により製造したカーボンファイバ、およびそのカーボンファイバを製造する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンファイバ、例えばカーボンナノチューブは、ナノオーダーで細くかつ高アスペクト比であり、電子エミッタ材料、水素吸蔵体、高容量キャパシタ材料、二次電池または燃料電池の電極材料、電磁波吸収材料、等に汎用されつつある。このようなカーボンナノチューブナノチューブは、近年、毛玉状あるいはマリモ状等に集合させて用いる工業的な用途が拡大してきている。しかしながら、例えば特許文献１に開示されている製造方法においては、基板上に触媒粒子を分散配置しそれぞれの触媒粒子に反応ガスを作用させてカーボンナノチューブを製造したものであり、製造後にカーボンナノチューブを集合させる必要がある。しかしながら、カーボンナノチューブはその比重が小さくて軽くかつ極めて細いことも相俟って製造後に集合させることが極めて難しい。そこで、本出願人はカーボンファイバを製造の過程で集合させることができる製造方法について鋭意研究した。
【特許文献１】特開２００５−１４５７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明により解決すべき課題は、触媒粒子を反応ガス中に流動させながら該触媒粒子を反応ガス成分に反応させる流動触媒法を用いてカーボンナノチューブ等のカーボンファイバを製造する方法において、製造の過程で、毛玉状に絡み合ってブロック状になったカーボンファイバを製造可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係るカーボンファイバの製造方法は、流動触媒法によりカーボンファイバを製造する方法において、反応ガスを屈曲した少なくとも１つの反応経路を分子流領域で一方向に流しながら反応ガス成分を反応経路内を流動する触媒粒子に作用させてカーボンファイバを製造することを特徴とするものである。
【０００５】
上記屈曲の形状はなんら限定されないが、好ましくは螺旋状とすることができる。さらに好ましくは、上記分子流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤは反応経路内径、λは反応ガス成分の反応経路内での平均自由行程）が０．０１より大きい値でガスが流れる領域である。ただし、分子流領域は好ましくは１．０より大きい。
【０００６】
本発明では、反応経路が螺旋状等に屈曲しているので、反応ガスが分子流領域で反応経路内を流れることによって、反応経路内では層流や乱流といった流れにならないことにより、触媒粒子が反応経路内壁に接触する機会が増加してカーボンファイバの屈曲成長が促進されるので、カーボンファイバを毛玉状に絡み合った集合状態にして製造することができる。
【０００７】
特に反応経路を一方向長手に螺旋状に一様に屈曲させた場合、カーボンファイバを成長の過程で規則的に屈曲させ、良好な毛玉状の集合状態に製造することができる。
【０００８】
本発明のカーボンファイバ製造装置は、屈曲した少なくとも１つの管路と、反応ガスを上記管路内に分子流領域の圧力で一方向に流す反応ガス供給部と、当該管路内に触媒粒子を供給する触媒粒子供給部とを備える、ことを特徴とするものである。
【０００９】
カーボンファイバは、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ、グラファイトナノファイバを含むことができる。
【００１０】
触媒粒子の材料は、その構成要素に炭素を含有する化合物ガスに作用する材料であれば特に限定されず、例えば、鉄、コバルト、ニッケル等およびこれらの酸化物を例示することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、カーボンファイバを毛玉状に集合したブロック状に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るカーボンファイバ製造方法を説明する。
【００１３】
図１は実施の形態に係る製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。なお、図中では理解の都合によりカーボンファイバや触媒粒子は誇張して示されている。実施の形態のカーボンファイバ製造装置１０は、キャピラリ管１２と、加熱炉１４と、反応ガス供給部１６と、触媒粒子供給部１８とを備える。
【００１４】
キャピラリ管１２は、管路が一方向長手に螺旋状に屈曲して延びる反応経路を構成している。キャピラリ管１２とは、触媒粒子が反応ガスに反応するための経路である。キャピラリ管１２は、極細管であり、石英ガラス等のガラス製であってもよいし、反応ガスに非反応の金属製であってもよいし、エンジニアリングプラスチック等の樹脂製であってもよい。キャピラリ管１２の螺旋形状や螺旋径や螺旋回数等は、反応時間、反応温度、等により実験等で適宜に決定することができる。キャピラリ管１２は、管入口１２ａと管出口１２ｂとを備えた両端開口となっている。キャピラリ管１２は管入口１２ａ側で反応ガスや触媒粒子の供給に便利なように広く開口することができる。管出口１２ｂ側では製造したカーボンファイバを排出のため広く開口することができる。キャピラリ管１２は図外のチャンバ内部に配置することができるが、チャンバ内部に配置されなくてもよい。
【００１５】
加熱炉１４は、キャピラリ管１２の外径側の周囲を取り囲むようにして該キャピラリ管１２から所定距離隔てて配置されている。加熱炉１４はキャピラリ管１２を外部から加熱することにより、キャピラリ管１２の管路内の雰囲気温度を所要の反応温度に制御することができるようになっている。
【００１６】
反応ガス供給部１６は、供給管１７を介してキャピラリ管１２に分岐接続され、キャピラリ管１２の管路内に炭化水素ガスや水素ガス等の触媒粒子の作用等によりカーボンファイバ１３を成長させるのに必要な反応ガスを供給する。
【００１７】
触媒粒子供給部１８は、供給管１９を介してキャピラリ管１２に分岐接続され、キャピラリ管１２内部に触媒粒子１３ａを供給する。
【００１８】
本実施の形態では以上の構成を備えたカーボンファイバ製造装置を用いて流動触媒法によりカーボンファイバを製造するものであり、この製造装置における屈曲した反応管であるキャピラリ管１２の管路内を分子流領域の圧力に設定して、カーボンファイバを毛玉状に製造可能としたことを特徴としている。この場合、分子流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤはキャピラリ管１２の管内径、λは反応ガス成分のキャピラリ管１２の管路内での平均自由行程）が０．０１より大きい値、好ましくは、１より大きい値である。
【００１９】
以下、その流動触媒法を用いてカーボンファイバ１３を製造する方法を説明すると、まず、キャピラリ管１２の管路内に反応ガス供給部１６から原料ガスとキャリアガスとの混合ガスからなる反応ガスを管入口１２ａから供給する。この反応ガスにおいては原料ガス濃度調整ならびに触媒粒子の供給を目的としてＨｅガス等のキャリアガスを導入することができる。
【００２０】
この供給した反応ガスは管路内を管出口１２ｂに向けて分子流領域の圧力で一方向に流動していく。同時に、キャピラリ管１２の管路内に触媒粒子供給部１８から触媒粒子を供給する。これによってキャピラリ管１２の管路内で触媒粒子の触媒作用により触媒粒子１３ａを成長核としてカーボンファイバ１３が成長して製造される。この場合、カーボンファイバ１３は触媒粒子１３ａが管路内を管入口１２ａから管出口１２ｂに流動する過程で触媒粒子１３ａに付着して成長していく。
【００２１】
そして、本実施の形態では、反応ガスを螺旋状に屈曲したキャピラリ管１２の管路を上記定義した分子流領域の圧力で一方向に流しながらキャピラリ管１２の管路を流動する触媒粒子１３ａに作用させてカーボンファイバ１３を成長させ、かつ、この成長の過程でカーボンファイバ１３を極細管であるキャピラリ管１２の管路の内壁と多数点で衝突させるようにして、カーボンファイバ１３に多数の屈曲点を付けていき、製造後のカーボンファイバ１３を毛玉状に絡み合ったブロック状のものとする。
【００２２】
以上説明したカーボンファイバ製造装置１０を用いた製造方法では、カーボンファイバ１３を毛玉等のブロック状に成長させることができる。その結果、この装置で製造したカーボンファイバはそれ自体の比重が小さくて軽くても、製造後の工程でカーボンファイバを集合させてブロック状にすることが容易となる。
【００２３】
この毛玉状のカーボンファイバ１３は、近年におけるカーボンファイバ１３を集合させて用いる工業的用途、例えば、近年の機能性活性炭のフィルタ代替として燃料電池の電極や水素吸蔵体、さらには触媒担持体等にその用途を拡充することができる。
【００２４】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は実施の形態の製造方法の実施に用いるカーボンファイバ製造装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０ カーボンファイバ製造装置
１２ キャピラリ管（反応管）
１２ａ 管入口
１２ｂ 管出口
１３ カーボンファイバ
１３ａ 触媒粒子
１４ 加熱炉
１６ 反応ガス供給部
１８ 触媒粒子供給部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動触媒法によりカーボンファイバを製造する方法において、反応ガスを、屈曲した少なくとも１つの反応経路内に分子流領域で一方向に流しながら、反応ガス成分を、反応経路内を流動する触媒粒子に作用させてカーボンファイバを製造する、ことを特徴とするカーボンファイバの製造方法。
【請求項２】
上記屈曲の形状を螺旋状とする、ことを特徴とする請求項１に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項３】
上記分子流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤは反応経路内径、λは反応ガス成分の反応経路内での平均自由行程）が０．０１より大きい値でガスが流れる領域である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法により製造したカーボンファイバであって、毛玉状に絡み合ってブロック状となっている、ことを特徴とするカーボンファイバ。
【請求項５】
流動触媒法によりカーボンファイバを製造する装置において、屈曲した少なくとも１つの管路と、反応ガスを上記管路内に分子流領域で一方向に流す反応ガス供給部と、当該管路内に触媒粒子を供給する触媒粒子供給部とを備える、ことを特徴とするカーボンファイバ製造装置。
【請求項６】
上記反応経路が一方向長手の螺旋状に延びる管路である、ことを特徴とする請求項５に記載のカーボンファイバ製造装置。
【請求項７】
上記分子流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤは反応経路内径、λは反応ガス成分の反応経路内での平均自由行程）が０．０１より大きい値でガスが流れる領域である、ことを特徴とする請求項５または６に記載のカーボンファイバ製造装置。
【請求項１】
流動触媒法によりカーボンファイバを製造する方法において、反応ガスを、屈曲した少なくとも１つの反応経路内に分子流領域で一方向に流しながら、反応ガス成分を、反応経路内を流動する触媒粒子に作用させてカーボンファイバを製造する、ことを特徴とするカーボンファイバの製造方法。
【請求項２】
上記屈曲の形状を螺旋状とする、ことを特徴とする請求項１に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項３】
上記分子流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤは反応経路内径、λは反応ガス成分の反応経路内での平均自由行程）が０．０１より大きい値でガスが流れる領域である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のカーボンファイバの製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法により製造したカーボンファイバであって、毛玉状に絡み合ってブロック状となっている、ことを特徴とするカーボンファイバ。
【請求項５】
流動触媒法によりカーボンファイバを製造する装置において、屈曲した少なくとも１つの管路と、反応ガスを上記管路内に分子流領域で一方向に流す反応ガス供給部と、当該管路内に触媒粒子を供給する触媒粒子供給部とを備える、ことを特徴とするカーボンファイバ製造装置。
【請求項６】
上記反応経路が一方向長手の螺旋状に延びる管路である、ことを特徴とする請求項５に記載のカーボンファイバ製造装置。
【請求項７】
上記分子流領域は、クヌードセン数Ｋ（＝λ／Ｄ、ただしＤは反応経路内径、λは反応ガス成分の反応経路内での平均自由行程）が０．０１より大きい値でガスが流れる領域である、ことを特徴とする請求項５または６に記載のカーボンファイバ製造装置。
【図１】
【公開番号】特開２００７−１２６３１２（Ｐ２００７−１２６３１２Ａ）
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１８７９６（Ｐ２００５−３１８７９６）
【出願日】平成１７年１１月１日（２００５．１１．１）
【出願人】（５０５０４４４５１）ソナック株式会社 (107)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１日（２００５．１１．１）
【出願人】（５０５０４４４５１）ソナック株式会社 (107)
【Ｆターム（参考）】
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