炭素ナノチューブ、及び、炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置
【課題】強酸、強塩基を使用することなく、容易にＣＮＴの溶媒に対する分散性を改善する。
【解決手段】ａ）炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤を５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入して前記炭素ナノチューブ溶液及び前記酸化剤の混合液を予熱する段階；ｂ）前記予熱された混合液中の炭素ナノチューブを、５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理する段階；ｃ）前記表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却及び１乃至１０ａｔｍに減圧する段階；及びｄ）前記減圧された生成物を回収する段階；シを含む連続的な方法で表面処理された、炭素ナノチューブ。
【解決手段】ａ）炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤を５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入して前記炭素ナノチューブ溶液及び前記酸化剤の混合液を予熱する段階；ｂ）前記予熱された混合液中の炭素ナノチューブを、５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理する段階；ｃ）前記表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却及び１乃至１０ａｔｍに減圧する段階；及びｄ）前記減圧された生成物を回収する段階；シを含む連続的な方法で表面処理された、炭素ナノチューブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素ナノチューブ、及び、炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置（より詳しくは、炭素ナノチューブを亜臨界水または超臨界水条件において連続的に表面処理する装置）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素ナノチューブ（Carbon nanotube；以下ＣＮＴ）は１９９１年その構造が初めて発見され、これに関する合成と物性、そして応用に関する研究が活発に行われている。また、ＣＮＴは電気放電時Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどのような転移金属を添加すれば生成されることが確認され、本格的な研究は１９９６年レーザー蒸発法によって相当量の試料を作り出してから始まった。このようなＣＮＴはグラファイト（Graphite）面がナノサイズの直径で丸く巻いた中が空いたチューブ形態であり、この際グラファイト面が巻かれる角度及び構造によって電気的特性が導体または半導体などになる。また、ＣＮＴは、グラファイト壁の数によって、単一壁の炭素ナノチューブ（Single-walled carbon nanotube；ＳＷＣＮＴ）、二重壁の炭素ナノチューブ（Double-walled carbon nanotube; ＤＷＣＮＴ）、薄壁の炭素ナノチューブ（Thin multi-walled carbon nanotube）、多重壁の炭素ナノチューブ（Multi-walled carbon nanotube; MWＣＮＴ）、束形の炭素ナノチューブ（Roped carbon nanotube）で区分する。
【０００３】
特に、ＣＮＴは機械的強度及び弾性度に優れ、化学的に安定であり、環境親和性を有しており、電気的に導体及び半導体性を有するのみならず、直径が１ｎｍから数十ｎｍであり、長さが数μｍから数十μｍで、縦横比が約１，０００であって既存の如何なる物質よりも大きい。また、比表面積が非常に大きくて将来の次世帯の情報電子素材、高効率エネルギー素材、高機能性の複合素材、親環境素材などの分野において２１世紀を担う尖端の新素材として脚光を浴びている。
【０００４】
しかし、ＣＮＴが有している多様な長所にもかかわらず、凝集現象が大きくて表面の疎水性（Hydrophobic）が大きいから他の媒質との混合特性がかなり劣悪のみならず、水及び有機溶剤類に対する溶解性もない。従って、ＣＮＴの長所を生かしながら多様な用途で活用の幅を広くするためには多様な媒質との相溶性を増大させて分散効率が良好にする方法が必要である。ＣＮＴの相溶性を増大させる技術としては表面に別途の特性を加えることができる官能基の置換技術であって、韓国特許発明第４５００２９号から真空及び不活性ガス雰囲気において水酸化カリウム或いは水酸化ナトリウムのような強塩基でＣＮＴの比表面積を増加させたり、または韓国特許公開第２００１−１０２５９８号、第２００５−９７１１号、または第２００７−１１４５５３号のように強酸または強塩基を使用して処理する方法などがある。
【０００５】
しかし、前記の技術の場合、硝酸、硫酸などの強酸や水酸化カリウム、水酸化ナトリウムのような強塩基を使用するから、環境的に有害であり、取り扱いが容易でなく、反応器の腐食が生じ得る。なお、使用した酸と塩基を洗浄しなければならない過程などの付加工程が伴い、または有害な多量の廃棄物が発生される。また、反応時間が長く、処理量が制限的であるため効率が低くて表面に酸素以外の官能基を付与するためには別途の工程を適用しなければならないから費用と時間がたくさん消耗される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国特許発明第４５００２９号
【特許文献２】韓国特許公開第２００１−１０２５９８号
【特許文献３】韓国特許公開第２００５−９７１１号
【特許文献４】韓国特許公開第２００７−１１４５５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のような問題点を解決するために、本発明の目的は、別途の表面処理工程無しで連続装置を使用して連続的に亜臨界水または超臨界水条件において炭素ナノチューブの表面を処理する装置、及び、炭素ナノチューブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために本発明は、ａ）炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤を５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入して前記炭素ナノチューブ溶液及び前記酸化剤の混合液を予熱する段階；ｂ）前記予熱された混合液中の炭素ナノチューブを、５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理（functionalizing）する段階；ｃ）前記表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却及び１乃至１０ａｔｍに減圧する段階；及びｄ）前記減圧された生成物を回収する段階；を含む連続的な方法で表面処理された、炭素ナノチューブを提供する。
【０００９】
また、本発明は、炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤の混合液が５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入される予熱槽；前記予熱槽を経た混合液が５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理される表面処理反応槽；前記表面処理反応槽を経て表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却して１乃至１０ａｔｍに減圧する冷却・減圧槽；及び前記冷却・減圧槽を経て生成物が回収される生成物貯蔵槽；から構成される、炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置を提供する。
【００１０】
以下、本発明に添付された図面を参照して本発明の望ましい一実施例を詳細に説明する。先ず、図面のうち、同一な構成要素または部品はできる限り同一な参照符号を示していることに留意しなければならない。本発明を説明することにおいて、関連された公知機能或いは構成に対する具体的な説明は本発明の要旨を曖昧にしないために省略する。
【００１１】
本明細書に使用される程度を表す用語の“約”、“実質的に”などは、言及された意味に固有な製造及び物質の許容誤差が提示される時、その寸法からまたはその寸法に近い意味で使用され、本発明をわかり易くするために正確であったりまたは絶対的な寸法が言及された開示内容を非良心的な侵害者が不当に利用することを防止するために使われる。
【００１２】
図１は本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの連続的な表面処理工程図である。図１を参照すれば、本発明の炭素ナノチューブはａ）予熱段階Ｓ１００；ｂ）表面処理段階Ｓ２００；ｃ）冷却・減圧段階Ｓ３００；及びｄ）生成物回収段階Ｓ４００；を含む炭素ナノチューブの連続的な表面処理方法を提供し、前記ｃ）段階の冷却の後、表面処理された生成物を濾過するｅ）濾過段階Ｓ３１０がさらに含まれ、ｄ）段階の生成物を分散させるｆ）分散段階Ｓ４１０がさらに含まれる。
【００１３】
図２は本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置工程図である。図２を参照すれば、本発明の連続的な表面処理装置工程は予熱槽１１０、表面処理反応槽１３０、冷却・減圧槽１５０、生成物貯蔵槽１７０が含まれる。
【００１４】
先ず、予熱段階Ｓ１００において、前記予熱槽１１０にはａ）炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）溶液及び酸化剤を５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入して混合液を予熱する段階が進まれる。
【００１５】
前記炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）溶液は前記混合液が製造される前に、ＣＮＴと溶媒が前処理槽１０に投入されて循環ポンプ１１によってＣＮＴ溶液を製造することができる。前記ＣＮＴ溶液に含まれる前記溶媒は水、脂肪族アルコール、二酸化炭素及びこれらの混合物からなる群から選ばれる。
【００１６】
また、前記ＣＮＴは前記ＣＮＴ溶液１００重量部を基準に０．０００１乃至１０重量部含まれてよく、０．００１乃至３重量部含まれることが最も望ましい。前記ＣＮＴが０．０００１重量部未満である場合、ＣＮＴの回収量が非常に少なくなり、１０重量部を超える場合は前記ＣＮＴ溶液の粘度上昇で高圧の注入が難しい。
【００１７】
前記製造されたＣＮＴ溶液がＣＮＴ溶液の高圧注入ポンプ１２を介して５０乃至４００ａｔｍの圧力で予熱槽１１０に投入される過程において、酸化剤の高圧注入ポンプ１３を介して５０乃至４００ａｔｍの圧力で投入される酸化剤と接触して熱交換器１４の前端で前記ＣＮＴ溶液と酸化剤とが混合されて予熱器１１０に投入され、これらの混合液が１００乃至３７０℃で予熱される。
【００１８】
前記高圧注入ポンプを介してＣＮＴ溶液及び酸化剤の注入時、圧力が５０ａｔｍ未満であれば、ＣＮＴ溶液を予熱槽１１０に注入しにくい又は酸化剤をＣＮＴ溶液に添加しにくく、４００ａｔｍを超えると、高すぎる圧力でエネルギーの損失がもたらされ、ＣＮＴを表面処理する点において表面処理程度がそれ以上向上しない。
【００１９】
前記予熱槽１１０は、前記混合液を後述する亜臨界水または超臨界水条件において処理される前に、混合液を予め予熱して反応槽１３０の温度を一定に保持する。
【００２０】
従って、前記予熱器１１０の前端に熱交換器１４を設けて前記ＣＮＴ溶液と酸化剤の混合液を予熱させる役割を果たし、この熱交換器１４は後述する亜臨界水または超臨界水条件で表面処理された生成物を最終的に冷却させる前にまず温度を下げて以後の冷却の時に消費されるエネルギー損失を防止する役割をする。前記温度が１００℃未満である場合、以後の臨界条件（閾値条件）において温度をさらに高く上げるようになってエネルギー損失の防止効果がなく、３７０℃を超えると、予熱の効果を達成する温度以上に温度を上げるのにかかるエネルギー損失がかえって増加して、熱交換器の設置の効果がなくなる。
【００２１】
前記ＣＮＴは単一壁(Single-walled)、二重壁(Double walled)、薄い多重壁(Thin multi-walled)、多重壁(Multi-walled)、束形(Roped)及びこれらの混合物からなる群から選ばれて使用されることが望ましい。
【００２２】
一方、前記酸化剤は酸素、空気、オゾン、硝酸、過酸化水素、及びこれらの混合物から選ばれ、前記混合液中のＣＮＴの炭素当量に比例して０．００１当量乃至１０当量が含まれる。前記酸化剤によってＣＮＴが酸化されながら表面処理されてＣＮＴの分散性が増加するようになる。従って、前記酸化剤がＣＮＴ炭素を基準に０．００１当量未満で注入されると、ＣＮＴが酸化剤と均一に酸化されずに表面処理の程度が低くなって分散性が改善されず、１０当量を超えると、超えられた量ほどに表面処理効果が大きくならずに原料の無駄遣いをもたらす。
【００２３】
前記予熱段階を経た混合液は表面処理段階Ｓ２００に進む。
【００２４】
ｂ）前記予熱槽１１０からａ）段階を経て予熱された混合液は連続的な表面処理反応槽１３０に移送されて５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において炭素ナノチューブの表面処理段階が行われる。また、前記亜臨界水または超臨界水条件時の混合液の温度が１００乃至６００℃であることが望ましい。
【００２５】
前記亜臨界水の条件の圧力は５０乃至２６０ａｔｍであることが望ましく、６０ａｔｍ乃至２６０ａｔｍであることがさらに望ましい。また、温度は１００乃至３８０℃であることが望ましく、２００乃至３５０℃であることがさらに望ましい。この際の処理時間は１分乃至３０分間であることが望ましく、５分乃至１５分間であることがさらに望ましい。
【００２６】
一方、前記超臨界水条件は１５０乃至４００ａｔｍであることが望ましく、２１０乃至３６０ａｔｍであることが最も望ましい。また、温度は３５０乃至６００℃であることが望ましく、３７０乃至５００℃であることが最も望ましい。この際の処理時間は１分乃至３０分間であることが望ましく、５分乃至１５分間であることがさらに望ましい。
【００２７】
このような亜臨界水または超臨界水条件によって前記酸化剤と前記ＣＮＴ溶液が完璧に混合されて短時間内に、前記酸化剤が固まっているＣＮＴ粒子間に均一に浸透してＣＮＴ表面を均一な濃度で酸化されるようにする。従って、前記亜臨界水または超臨界水の状態で前記酸化剤の浸透力が優れたものとなって、酸化反応がより均一となって速く進み、表面処理効果が増進されるようになる。
【００２８】
前記亜臨界水または超臨界水条件は表面処理の程度の調節のための選択条件で、水が前記に示した温度または圧力の条件を意味する。
【００２９】
特に、亜臨界水条件において表面処理されたＣＮＴの場合、水或いは有機溶剤における分散度が最も高い特性を示し、超臨界水条件の場合、亜臨界水の条件より少量の酸化剤を使用しても表面処理が亜臨界水程度の効果を示す。
【００３０】
前記予熱器１１０の前端に設けられて混合液の予熱に使われた熱交換器１４の熱源は前記表面処理反応槽１３０から排出されて表面処理された高温の生成物溶液であり、前記混合液は生成物溶液が１００乃至３７０℃になるように１次冷却するに使用されてエネルギー損失を防止することができる。
【００３１】
前記表面処理段階を経た表面処理された生成物を冷却・減圧段階Ｓ３００に進ませて、ｃ）前記表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却及び１乃至１０ａｔｍに減圧する段階に進む。
【００３２】
前記表面処理された生成物を前記熱交換器１４による１次冷却後、冷却装置１５を介して０乃至１００℃に冷却する段階に進ませる。前記冷却温度は２０乃至５０℃で調節することがさらに望ましい。
【００３３】
前記冷却された生成物を冷却・減圧槽１５０に移送して１乃至１０ａｔｍに冷却・減圧する段階に進ませるが、前記冷却・減圧は先ず前記の冷却された状態を保持したままで冷却・減圧槽１５０でキャピラリー減圧装置で１０乃至１００ａｔｍに先ず減圧し、圧力調節装置１６で１乃至１０ａｔｍに最終減圧する。
【００３４】
ｄ）前記冷却・減圧を経た生成物を最終的に生成物貯蔵槽１７０に回収する段階に進ませる。従って、本発明の表面処理された炭素ナノチューブ溶液が完成されて生成物回収段階Ｓ４００が進まれる。
【００３５】
ｅ）前記生成物は溶液状でそのまま利用できるが、粉末での使用のために回収も可能であるが、粉末形態のＣＮＴを得るために前記ｃ）段階において前記表面処理された生成物を冷却させた後、高圧濾過させる段階がさらに含まれる。
【００３６】
従って、前記表面処理されて冷却・減圧された生成物には濾過段階Ｓ３１０がさらに含まれてよい。
【００３７】
図３は本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの濾過装置が含まれた連続的な表面処理装置の工程図である。図３を参照すれば、前記図１の装置から前記表面処理されて冷却された生成物を濾過させるために０．００１乃至１０μｍの空隙を有する高圧フィルタが並列で連結されてスイッチング方式で運転される濾過槽２１０、２３０がさらに含まれ、前記濾過槽２１０、２３０を介して濾過液２１１、２３１と表面処理されたＣＮＴ濾過生成物２１３、２３３に分離排出され、前記濾過液２１１、２３１は濾過圧力調節装置２１を通じて常圧状態に減圧されて濾過液貯蔵槽３００に移送されて処理される。前記濾過槽２１０、２３０は必要容量に応じて１つ以上並列に設置できる。
【００３８】
具体的に、前記並列に連結された濾過槽２１０、２３０で表面処理されたＣＮＴ濾過生成物と濾過液に分離されるとき、前記濾過槽２１０に圧力がかかるとバルブを締めて濾過槽２３０を開け、前記表面処理されて冷却された生成物を濾過させ、これと同時に濾過槽２１０内の表面処理されたＣＮＴ濾過生成物２１３を回収し、濾過液２１１は濾過液貯蔵槽３００に移送されて処理される。
【００３９】
前記と同一な方法で濾過槽２３０に圧力がかかるとバルブを締め、濾過槽２１０に取り替えてこれを開けて連続的に表面処理され冷却された生成物を濾過させ、濾過槽２３０内の表面処理されたＣＮＴ濾過生成物２３３が回収され、濾過液２３１は濾過液貯蔵槽３００に移送されて処理される過程を繰り返して交互にスイッチ方式に濾過させることによって連続的に表面処理を進ませる。
【００４０】
また、前記表面処理されて冷却・減圧された生成物または濾過段階を介して濾過されて表面処理されたＣＮＴ濾過生成物は分散段階Ｓ４１０がさらに含まれる。
【００４１】
具体的に、前記表面処理されて冷却・減圧された液状の生成物またはｅ）段階を経た濾過生性物で得られたｄ）段階の表面処理されたＣＮＴ、つまり生成物は前記ｄ）段階以後、ｆ）前記生成物を分散させる段階がさらに含まれる。
【００４２】
前記分散は、超音波、プルイダイザー、プルバーライザー、ビードミル、ペイントシェーカーからなる群から選ばれる。
【００４３】
ここで、前記ｄ）またはｅ）段階の生成物は溶媒である水または有機溶剤に分散されるが、溶媒１００重量部を基準にして０．００００１乃至１０重量部が含まれる。前記有機溶剤にはアルコール、ケトン、アミン、アルキルハロゲン、エーテル、フラン、硫黄含有溶剤、及びこれらの混合物からなる群から選ばれ、前記溶媒に分散された生成物の含量が０．００００１未満である場合、表面処理による分散性向上効果を予想することが難しく、１０重量部を超過すると、分散過程における粘度上昇で効果的な分散が難しい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの連続的な表面処理工程図である。
【図２】本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置の工程図である。
【図３】本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの濾過装置が含まれた連続的な表面処理装置の工程図である。
【図４】本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの赤外線分光スペクトルの結果である。
【図５】本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブのラマンスペクトルの結果である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の写真である。
【図７】本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの水系或いは有機溶剤系の分散状態である。
【図８】本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブのＸ線−光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）の結果である。
【図９】本発明の実施例１による表面された炭素ナノチューブの濃度に応じるUV/Vis分光スペクトルの結果である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
下記の実施例を通じてより詳しく説明する。
【００４６】
＜実施例１＞
多重壁ＣＮＴ１０ｇを蒸留水９９０ｇと循環ポンプ１１で混合して前処理槽１０でＣＮＴ溶液を作製した。前記ＣＮＴ溶液をＣＮＴ高圧注入ポンプ１２を介して３０ｇ／ｍｉｎの流速で予熱槽１１０に投入される前、これと共に２４５ａｔｍ乃至２５２ａｔｍで圧縮された気相状態の酸素が熱交換器１４の前端で０．８ｇ／ｍｉｎの流速でＣＮＴ溶液と混合されて、前記混合液は熱交換器１４を介して２００乃至２６０℃で予熱された予熱槽１１０に投入された。
【００４７】
前記予熱された混合液は３５０℃及び２３０ａｔｍ乃至２５０ａｔｍの亜臨界水状態の表面処理反応器１３０に注入されて表面処理され、前記表面処理された生成物は再び熱交換器１４に移送されて２００℃で１次冷却後、再び冷却装置１５を介して約２５℃の温度に冷却された後、連続的に表面処理された９．８ｇの生成物を得た。
【００４８】
＜実施例２＞
酸化剤である酸素を０．４ｇ／ｍｉｎの流速でＣＮＴ溶液と混合させ、前記ＣＮＴ溶液と酸化剤の混合液の予熱時に熱交換器１４の温度が３５０乃至３７０℃であり、超臨界水状態で温度を４００℃で反応させて表面処理を進ませたことを除いては、前記実施例１と同一に表面処理して９．２ｇの生成物を得た。
【００４９】
＜実施例３＞
多重壁ＣＮＴ２０ｇを蒸留水９８０ｇと循環ポンプ１１で混合して前処理槽１０でＣＮＴ溶液を作製したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して１８．６ｇの生成物を得た。
【００５０】
＜実施例４＞
酸化剤として酸素の代わりに空気を使用したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して９．６ｇの生成物を得た。
【００５１】
＜実施例５＞
酸化剤として酸素の代わりに空気を使用したことを除いては、実施例２と同一に表面処理して９．７ｇの生成物を得た。
【００５２】
＜実施例６＞
酸化剤として酸素の代わりにオゾンを使用したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して９．１ｇの生成物を得た。
【００５３】
＜実施例７＞
酸化剤として酸素の代わりにオゾンを使用したことを除いては、実施例２と同一に表面処理して９．２ｇの生成物を得た。
【００５４】
＜実施例８＞
酸化剤として酸素の代わりに５０％過酸化水素水溶液１０８．８ｇ（１．６M）を使用したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して８．７ｇの生成物を得た。
【００５５】
＜実施例９＞
酸化剤として酸素の代わりに５０％過酸化水素水溶液１０８．８ｇ（１．６M）を使用したことを除いては、実施例２と同一に表面処理して９．０ｇの生成物を得た。
【００５６】
＜実施例１０＞
酸化剤として酸素の代わりに硝酸を使用し、ＣＮＴ溶液の製造時に前処理槽１０で多重壁ＣＮＴ１０ｇを蒸留水９６４．８ｇに入れた後、撹拌させながら硝酸２５．２ｇ（０．４M）を添加してＣＮＴ及び硝酸溶液を製造して混合液を製造したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して８．３ｇの生成物を得た。
【００５７】
＜実施例１１＞
酸化剤として酸素の代わりに硝酸を使用し、ＣＮＴ溶液の製造時に前処理槽１０で多重壁ＣＮＴ１０ｇを蒸留水９６４．８ｇに入れた後、撹拌させながら硝酸２５．２ｇ（０．４M）を添加してＣＮＴ及び硝酸溶液を製造して混合液を製造したことを除いては、実施例２と同一に表面処理して８．１ｇの生成物を得た。
【００５８】
＜実施例１２＞
前記実施例１と同一に表面処理された生成物を冷却した後、０．００１乃至１０μｍ空隙を有する高圧フィルタが並列に連結された濾過槽２１０、２３０で表面処理されたＣＮＴ濾過生成物と濾過液に分離して表面処理されたＣＮＴ濾過生成物を回収し、これから連続的に表面処理された９．５ｇの生成物を得た。
【００５９】
＜実施例１３＞
前記実施例２と同一に表面処理された生成物を冷却した後、０．００１乃至１０μｍ空隙を有する高圧フィルタが並列に連結された濾過槽２１０、２３０で表面処理されたＣＮＴ濾過生成物と濾過液に分離して表面処理されたＣＮＴ濾過生成物を回収し、これから連続的に表面処理された８．８ｇの生成物を得た。
【００６０】
＜比較例１＞
酸化剤を投入せず、実施例１と同一に反応を進ませた。
【００６１】
＜比較例２＞
酸化剤を投入せず、実施例２と同一に反応を進ませた。
【００６２】
＊試験方法
１．赤外線分光器（FT-IR spectroscopy）
Ｖａｒｉａｎ社の４１００モデルを使用し、分析用試料はカリウムブロマイド（ＫＢｒ）粉末と混合して陶器鉢でまんべんなく撹拌した後、ペレットを製造して測定した。
【００６３】
図４は、本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの赤外線分光スペクトルの結果である。図４を参照すれば、比較例１に比べて表面処理された機能基のピークが現われたことからみて表面処理がなされたことが確認できた。前記測定結果から得られた表面処理された構造はヒドロキシ基、アルコール基、カルボン酸基、ケトン基、エーテル基、ＣＨ−ｓｐ３基である。
【００６４】
２．ラマン分光器（Raman Spectroscopy）
Jobin-Yvon社のLabRam HRモデルで、800mm focal length monochromatorとアルゴンイオンレーザー５１４．５３２ｎｍ波長の光源を使用する装置を使った。試料は真空乾燥オーブンで水分を乾燥させた粉末を使用した。
【００６５】
図５は、本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブのラマンスペクトルの結果である。図５を参照すれば、比較例１に比べて１５８０ｃｍ−１付近（Ｇピーク）で実施例１のピーク変化を示すことによって表面が酸化されたことが確認できた。変化されたピークは１６２０ｃｍ−１ピーク（Ｄ′ピーク）で現れる。ラマンスペクトルで１５８０ｃｍ−１ピークと変化された１６２０ｃｍ−１ピークの割合［Ｒ＝Ｄ′ピーク面積（ＡＤ′）／Ｇピーク面積（ＡＧ）］を計算してＣＮＴの表面処理程度を予想した。
【００６６】
３．透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope; TEM）
JEOL社のJEM-2100F(HR)モデルであり、ホリックタイプのグリード上で測定した。
【００６７】
図６（ａ）は本発明の実施例１による表面処理された炭素ナノチューブの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の写真であり、図６（ｂ）は比較例１による炭素ナノチューブの透過顕微鏡（ＴＥＭ）の写真である。図６（ａ）の比較例１に比べて図６（ｂ）の結果のように表面処理された炭素ナノチューブの壁の境界線が薄められていて表面処理されたことがわかった。
【００６８】
４．分散状態
本発明の実施例１による表面処理された炭素ナノチューブ０．２ｇを水９９．８ｇに分散させた状態である。前記水系の他に有機溶剤を使用したときにも分散状態が良好であった。
【００６９】
図７は、本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの水系分散状態である。図７を参照すれば、比較例１から全く分散効果が現れていなくてＣＮＴが沈んで水と分離されているが、実施例１の場合、ＣＮＴが沈まずに水にまんべんなく分散されていることからみて表面処理によって分散状態が改善されたことが確認できた。
【００７０】
５．Ｘ−線光電子分光器（X-ray photoelectron spectroscopy; XPS）
VG Scientifics社のESCALAB 250モデルを使用して測定した。試料は真空乾燥オーブンで水分を乾燥させた粉末を使用した。
【００７１】
図８は、本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブのＸ−線光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）の結果である。図８を参照すれば、本発明の実施例１は、比較例１に比べて、結合エネルギー５６４ｅＶの近くで頻度が著しく現れたピークからみて、ＣＮＴの表面処理の酸化効果が確認できた。ＸＰＳで観察された炭素と酸素のピークの相対含量を用いてＣＮＴの表面処理程度を予想することができる。
【００７２】
６．紫外線／可視光線分光器（UV/vis spectroscopy）
Beckman社のDU650モデルを使用した。試料は水系或いは有機溶剤を使用して分散させた図６の分散液を希釈して測定した結果である。
【００７３】
図９は本発明の実施例１による表面処理された炭素ナノチューブの濃度に応じるＵＶ／Ｖｉｓ分光スペクトルの結果である。図９を参照すれば、表面処理された炭素ナノチューブが分散媒に０．５０（１）、１．２５（２）、２．５０（３）、５．００（４）ｐｐｍで分散された量に応じる変化であって、ＣＮＴ濃度が増加することに沿って透過度（％Ｔ）が減少してＣＮＴ分散含量が増加されることに沿って透過率が低くなることが確認できた。
【００７４】
【表１】
【００７５】
前記表１は図５及び図８の現れた結果を数値化したものであって、前記表面処理された炭素ナノチューブの表面処理程度がラマン分光器で０．０１≦ＡＤ′／ＡＧ≦０． ５０であり、ＸＰＳで０．１≦Ｏ１ｓ，ａｔｏｍ％≦３０ａｔｏｍ％で測定されたことが確認できた。
【００７６】
本発明は、前述した実施例及び添付された図面に限られるものではなく、本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であることは、本発明が属する技術分野において通常の知識を持っている者にとって明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
上述したように、本発明の炭素ナノチューブの連続的な表面処理方法は亜臨界水または超臨界水条件において有害でなく、取り扱い及び廃水処理が容易である酸化剤を使用し、連続的な装置を通じて炭素ナノチューブが表面処理されて製造工程の短縮効果がある。
【００７８】
なお、本発明の炭素ナノチューブは用途によって溶液状または粉末状で連続的な装置を通じて得られる効果がある。
【符号の説明】
【００７９】
１０：前処理槽 １１：循環ポンプ
１２：ＣＮＴ溶液の高圧注入ポンプ １３：酸化剤の高圧注入ポンプ
１４：熱交換器 １５：冷却装置
１６：圧力調節装置 ２１：濾過圧力調節装置
１１０：予熱槽 １３０：表面処理反応槽
１５０：冷却・減圧槽 １７０：生成物貯蔵槽
２１０、２３０：濾過槽 ２１１、２３１：濾過液
２１３、２３３：表面処理されたＣＮＴ濾過生成物
３００：濾過液貯蔵槽
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素ナノチューブ、及び、炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置（より詳しくは、炭素ナノチューブを亜臨界水または超臨界水条件において連続的に表面処理する装置）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素ナノチューブ（Carbon nanotube；以下ＣＮＴ）は１９９１年その構造が初めて発見され、これに関する合成と物性、そして応用に関する研究が活発に行われている。また、ＣＮＴは電気放電時Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどのような転移金属を添加すれば生成されることが確認され、本格的な研究は１９９６年レーザー蒸発法によって相当量の試料を作り出してから始まった。このようなＣＮＴはグラファイト（Graphite）面がナノサイズの直径で丸く巻いた中が空いたチューブ形態であり、この際グラファイト面が巻かれる角度及び構造によって電気的特性が導体または半導体などになる。また、ＣＮＴは、グラファイト壁の数によって、単一壁の炭素ナノチューブ（Single-walled carbon nanotube；ＳＷＣＮＴ）、二重壁の炭素ナノチューブ（Double-walled carbon nanotube; ＤＷＣＮＴ）、薄壁の炭素ナノチューブ（Thin multi-walled carbon nanotube）、多重壁の炭素ナノチューブ（Multi-walled carbon nanotube; MWＣＮＴ）、束形の炭素ナノチューブ（Roped carbon nanotube）で区分する。
【０００３】
特に、ＣＮＴは機械的強度及び弾性度に優れ、化学的に安定であり、環境親和性を有しており、電気的に導体及び半導体性を有するのみならず、直径が１ｎｍから数十ｎｍであり、長さが数μｍから数十μｍで、縦横比が約１，０００であって既存の如何なる物質よりも大きい。また、比表面積が非常に大きくて将来の次世帯の情報電子素材、高効率エネルギー素材、高機能性の複合素材、親環境素材などの分野において２１世紀を担う尖端の新素材として脚光を浴びている。
【０００４】
しかし、ＣＮＴが有している多様な長所にもかかわらず、凝集現象が大きくて表面の疎水性（Hydrophobic）が大きいから他の媒質との混合特性がかなり劣悪のみならず、水及び有機溶剤類に対する溶解性もない。従って、ＣＮＴの長所を生かしながら多様な用途で活用の幅を広くするためには多様な媒質との相溶性を増大させて分散効率が良好にする方法が必要である。ＣＮＴの相溶性を増大させる技術としては表面に別途の特性を加えることができる官能基の置換技術であって、韓国特許発明第４５００２９号から真空及び不活性ガス雰囲気において水酸化カリウム或いは水酸化ナトリウムのような強塩基でＣＮＴの比表面積を増加させたり、または韓国特許公開第２００１−１０２５９８号、第２００５−９７１１号、または第２００７−１１４５５３号のように強酸または強塩基を使用して処理する方法などがある。
【０００５】
しかし、前記の技術の場合、硝酸、硫酸などの強酸や水酸化カリウム、水酸化ナトリウムのような強塩基を使用するから、環境的に有害であり、取り扱いが容易でなく、反応器の腐食が生じ得る。なお、使用した酸と塩基を洗浄しなければならない過程などの付加工程が伴い、または有害な多量の廃棄物が発生される。また、反応時間が長く、処理量が制限的であるため効率が低くて表面に酸素以外の官能基を付与するためには別途の工程を適用しなければならないから費用と時間がたくさん消耗される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国特許発明第４５００２９号
【特許文献２】韓国特許公開第２００１−１０２５９８号
【特許文献３】韓国特許公開第２００５−９７１１号
【特許文献４】韓国特許公開第２００７−１１４５５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のような問題点を解決するために、本発明の目的は、別途の表面処理工程無しで連続装置を使用して連続的に亜臨界水または超臨界水条件において炭素ナノチューブの表面を処理する装置、及び、炭素ナノチューブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために本発明は、ａ）炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤を５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入して前記炭素ナノチューブ溶液及び前記酸化剤の混合液を予熱する段階；ｂ）前記予熱された混合液中の炭素ナノチューブを、５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理（functionalizing）する段階；ｃ）前記表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却及び１乃至１０ａｔｍに減圧する段階；及びｄ）前記減圧された生成物を回収する段階；を含む連続的な方法で表面処理された、炭素ナノチューブを提供する。
【０００９】
また、本発明は、炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤の混合液が５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入される予熱槽；前記予熱槽を経た混合液が５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理される表面処理反応槽；前記表面処理反応槽を経て表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却して１乃至１０ａｔｍに減圧する冷却・減圧槽；及び前記冷却・減圧槽を経て生成物が回収される生成物貯蔵槽；から構成される、炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置を提供する。
【００１０】
以下、本発明に添付された図面を参照して本発明の望ましい一実施例を詳細に説明する。先ず、図面のうち、同一な構成要素または部品はできる限り同一な参照符号を示していることに留意しなければならない。本発明を説明することにおいて、関連された公知機能或いは構成に対する具体的な説明は本発明の要旨を曖昧にしないために省略する。
【００１１】
本明細書に使用される程度を表す用語の“約”、“実質的に”などは、言及された意味に固有な製造及び物質の許容誤差が提示される時、その寸法からまたはその寸法に近い意味で使用され、本発明をわかり易くするために正確であったりまたは絶対的な寸法が言及された開示内容を非良心的な侵害者が不当に利用することを防止するために使われる。
【００１２】
図１は本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの連続的な表面処理工程図である。図１を参照すれば、本発明の炭素ナノチューブはａ）予熱段階Ｓ１００；ｂ）表面処理段階Ｓ２００；ｃ）冷却・減圧段階Ｓ３００；及びｄ）生成物回収段階Ｓ４００；を含む炭素ナノチューブの連続的な表面処理方法を提供し、前記ｃ）段階の冷却の後、表面処理された生成物を濾過するｅ）濾過段階Ｓ３１０がさらに含まれ、ｄ）段階の生成物を分散させるｆ）分散段階Ｓ４１０がさらに含まれる。
【００１３】
図２は本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置工程図である。図２を参照すれば、本発明の連続的な表面処理装置工程は予熱槽１１０、表面処理反応槽１３０、冷却・減圧槽１５０、生成物貯蔵槽１７０が含まれる。
【００１４】
先ず、予熱段階Ｓ１００において、前記予熱槽１１０にはａ）炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）溶液及び酸化剤を５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入して混合液を予熱する段階が進まれる。
【００１５】
前記炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）溶液は前記混合液が製造される前に、ＣＮＴと溶媒が前処理槽１０に投入されて循環ポンプ１１によってＣＮＴ溶液を製造することができる。前記ＣＮＴ溶液に含まれる前記溶媒は水、脂肪族アルコール、二酸化炭素及びこれらの混合物からなる群から選ばれる。
【００１６】
また、前記ＣＮＴは前記ＣＮＴ溶液１００重量部を基準に０．０００１乃至１０重量部含まれてよく、０．００１乃至３重量部含まれることが最も望ましい。前記ＣＮＴが０．０００１重量部未満である場合、ＣＮＴの回収量が非常に少なくなり、１０重量部を超える場合は前記ＣＮＴ溶液の粘度上昇で高圧の注入が難しい。
【００１７】
前記製造されたＣＮＴ溶液がＣＮＴ溶液の高圧注入ポンプ１２を介して５０乃至４００ａｔｍの圧力で予熱槽１１０に投入される過程において、酸化剤の高圧注入ポンプ１３を介して５０乃至４００ａｔｍの圧力で投入される酸化剤と接触して熱交換器１４の前端で前記ＣＮＴ溶液と酸化剤とが混合されて予熱器１１０に投入され、これらの混合液が１００乃至３７０℃で予熱される。
【００１８】
前記高圧注入ポンプを介してＣＮＴ溶液及び酸化剤の注入時、圧力が５０ａｔｍ未満であれば、ＣＮＴ溶液を予熱槽１１０に注入しにくい又は酸化剤をＣＮＴ溶液に添加しにくく、４００ａｔｍを超えると、高すぎる圧力でエネルギーの損失がもたらされ、ＣＮＴを表面処理する点において表面処理程度がそれ以上向上しない。
【００１９】
前記予熱槽１１０は、前記混合液を後述する亜臨界水または超臨界水条件において処理される前に、混合液を予め予熱して反応槽１３０の温度を一定に保持する。
【００２０】
従って、前記予熱器１１０の前端に熱交換器１４を設けて前記ＣＮＴ溶液と酸化剤の混合液を予熱させる役割を果たし、この熱交換器１４は後述する亜臨界水または超臨界水条件で表面処理された生成物を最終的に冷却させる前にまず温度を下げて以後の冷却の時に消費されるエネルギー損失を防止する役割をする。前記温度が１００℃未満である場合、以後の臨界条件（閾値条件）において温度をさらに高く上げるようになってエネルギー損失の防止効果がなく、３７０℃を超えると、予熱の効果を達成する温度以上に温度を上げるのにかかるエネルギー損失がかえって増加して、熱交換器の設置の効果がなくなる。
【００２１】
前記ＣＮＴは単一壁(Single-walled)、二重壁(Double walled)、薄い多重壁(Thin multi-walled)、多重壁(Multi-walled)、束形(Roped)及びこれらの混合物からなる群から選ばれて使用されることが望ましい。
【００２２】
一方、前記酸化剤は酸素、空気、オゾン、硝酸、過酸化水素、及びこれらの混合物から選ばれ、前記混合液中のＣＮＴの炭素当量に比例して０．００１当量乃至１０当量が含まれる。前記酸化剤によってＣＮＴが酸化されながら表面処理されてＣＮＴの分散性が増加するようになる。従って、前記酸化剤がＣＮＴ炭素を基準に０．００１当量未満で注入されると、ＣＮＴが酸化剤と均一に酸化されずに表面処理の程度が低くなって分散性が改善されず、１０当量を超えると、超えられた量ほどに表面処理効果が大きくならずに原料の無駄遣いをもたらす。
【００２３】
前記予熱段階を経た混合液は表面処理段階Ｓ２００に進む。
【００２４】
ｂ）前記予熱槽１１０からａ）段階を経て予熱された混合液は連続的な表面処理反応槽１３０に移送されて５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において炭素ナノチューブの表面処理段階が行われる。また、前記亜臨界水または超臨界水条件時の混合液の温度が１００乃至６００℃であることが望ましい。
【００２５】
前記亜臨界水の条件の圧力は５０乃至２６０ａｔｍであることが望ましく、６０ａｔｍ乃至２６０ａｔｍであることがさらに望ましい。また、温度は１００乃至３８０℃であることが望ましく、２００乃至３５０℃であることがさらに望ましい。この際の処理時間は１分乃至３０分間であることが望ましく、５分乃至１５分間であることがさらに望ましい。
【００２６】
一方、前記超臨界水条件は１５０乃至４００ａｔｍであることが望ましく、２１０乃至３６０ａｔｍであることが最も望ましい。また、温度は３５０乃至６００℃であることが望ましく、３７０乃至５００℃であることが最も望ましい。この際の処理時間は１分乃至３０分間であることが望ましく、５分乃至１５分間であることがさらに望ましい。
【００２７】
このような亜臨界水または超臨界水条件によって前記酸化剤と前記ＣＮＴ溶液が完璧に混合されて短時間内に、前記酸化剤が固まっているＣＮＴ粒子間に均一に浸透してＣＮＴ表面を均一な濃度で酸化されるようにする。従って、前記亜臨界水または超臨界水の状態で前記酸化剤の浸透力が優れたものとなって、酸化反応がより均一となって速く進み、表面処理効果が増進されるようになる。
【００２８】
前記亜臨界水または超臨界水条件は表面処理の程度の調節のための選択条件で、水が前記に示した温度または圧力の条件を意味する。
【００２９】
特に、亜臨界水条件において表面処理されたＣＮＴの場合、水或いは有機溶剤における分散度が最も高い特性を示し、超臨界水条件の場合、亜臨界水の条件より少量の酸化剤を使用しても表面処理が亜臨界水程度の効果を示す。
【００３０】
前記予熱器１１０の前端に設けられて混合液の予熱に使われた熱交換器１４の熱源は前記表面処理反応槽１３０から排出されて表面処理された高温の生成物溶液であり、前記混合液は生成物溶液が１００乃至３７０℃になるように１次冷却するに使用されてエネルギー損失を防止することができる。
【００３１】
前記表面処理段階を経た表面処理された生成物を冷却・減圧段階Ｓ３００に進ませて、ｃ）前記表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却及び１乃至１０ａｔｍに減圧する段階に進む。
【００３２】
前記表面処理された生成物を前記熱交換器１４による１次冷却後、冷却装置１５を介して０乃至１００℃に冷却する段階に進ませる。前記冷却温度は２０乃至５０℃で調節することがさらに望ましい。
【００３３】
前記冷却された生成物を冷却・減圧槽１５０に移送して１乃至１０ａｔｍに冷却・減圧する段階に進ませるが、前記冷却・減圧は先ず前記の冷却された状態を保持したままで冷却・減圧槽１５０でキャピラリー減圧装置で１０乃至１００ａｔｍに先ず減圧し、圧力調節装置１６で１乃至１０ａｔｍに最終減圧する。
【００３４】
ｄ）前記冷却・減圧を経た生成物を最終的に生成物貯蔵槽１７０に回収する段階に進ませる。従って、本発明の表面処理された炭素ナノチューブ溶液が完成されて生成物回収段階Ｓ４００が進まれる。
【００３５】
ｅ）前記生成物は溶液状でそのまま利用できるが、粉末での使用のために回収も可能であるが、粉末形態のＣＮＴを得るために前記ｃ）段階において前記表面処理された生成物を冷却させた後、高圧濾過させる段階がさらに含まれる。
【００３６】
従って、前記表面処理されて冷却・減圧された生成物には濾過段階Ｓ３１０がさらに含まれてよい。
【００３７】
図３は本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの濾過装置が含まれた連続的な表面処理装置の工程図である。図３を参照すれば、前記図１の装置から前記表面処理されて冷却された生成物を濾過させるために０．００１乃至１０μｍの空隙を有する高圧フィルタが並列で連結されてスイッチング方式で運転される濾過槽２１０、２３０がさらに含まれ、前記濾過槽２１０、２３０を介して濾過液２１１、２３１と表面処理されたＣＮＴ濾過生成物２１３、２３３に分離排出され、前記濾過液２１１、２３１は濾過圧力調節装置２１を通じて常圧状態に減圧されて濾過液貯蔵槽３００に移送されて処理される。前記濾過槽２１０、２３０は必要容量に応じて１つ以上並列に設置できる。
【００３８】
具体的に、前記並列に連結された濾過槽２１０、２３０で表面処理されたＣＮＴ濾過生成物と濾過液に分離されるとき、前記濾過槽２１０に圧力がかかるとバルブを締めて濾過槽２３０を開け、前記表面処理されて冷却された生成物を濾過させ、これと同時に濾過槽２１０内の表面処理されたＣＮＴ濾過生成物２１３を回収し、濾過液２１１は濾過液貯蔵槽３００に移送されて処理される。
【００３９】
前記と同一な方法で濾過槽２３０に圧力がかかるとバルブを締め、濾過槽２１０に取り替えてこれを開けて連続的に表面処理され冷却された生成物を濾過させ、濾過槽２３０内の表面処理されたＣＮＴ濾過生成物２３３が回収され、濾過液２３１は濾過液貯蔵槽３００に移送されて処理される過程を繰り返して交互にスイッチ方式に濾過させることによって連続的に表面処理を進ませる。
【００４０】
また、前記表面処理されて冷却・減圧された生成物または濾過段階を介して濾過されて表面処理されたＣＮＴ濾過生成物は分散段階Ｓ４１０がさらに含まれる。
【００４１】
具体的に、前記表面処理されて冷却・減圧された液状の生成物またはｅ）段階を経た濾過生性物で得られたｄ）段階の表面処理されたＣＮＴ、つまり生成物は前記ｄ）段階以後、ｆ）前記生成物を分散させる段階がさらに含まれる。
【００４２】
前記分散は、超音波、プルイダイザー、プルバーライザー、ビードミル、ペイントシェーカーからなる群から選ばれる。
【００４３】
ここで、前記ｄ）またはｅ）段階の生成物は溶媒である水または有機溶剤に分散されるが、溶媒１００重量部を基準にして０．００００１乃至１０重量部が含まれる。前記有機溶剤にはアルコール、ケトン、アミン、アルキルハロゲン、エーテル、フラン、硫黄含有溶剤、及びこれらの混合物からなる群から選ばれ、前記溶媒に分散された生成物の含量が０．００００１未満である場合、表面処理による分散性向上効果を予想することが難しく、１０重量部を超過すると、分散過程における粘度上昇で効果的な分散が難しい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの連続的な表面処理工程図である。
【図２】本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置の工程図である。
【図３】本発明の望ましい一実施例による炭素ナノチューブの濾過装置が含まれた連続的な表面処理装置の工程図である。
【図４】本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの赤外線分光スペクトルの結果である。
【図５】本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブのラマンスペクトルの結果である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の写真である。
【図７】本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの水系或いは有機溶剤系の分散状態である。
【図８】本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブのＸ線−光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）の結果である。
【図９】本発明の実施例１による表面された炭素ナノチューブの濃度に応じるUV/Vis分光スペクトルの結果である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
下記の実施例を通じてより詳しく説明する。
【００４６】
＜実施例１＞
多重壁ＣＮＴ１０ｇを蒸留水９９０ｇと循環ポンプ１１で混合して前処理槽１０でＣＮＴ溶液を作製した。前記ＣＮＴ溶液をＣＮＴ高圧注入ポンプ１２を介して３０ｇ／ｍｉｎの流速で予熱槽１１０に投入される前、これと共に２４５ａｔｍ乃至２５２ａｔｍで圧縮された気相状態の酸素が熱交換器１４の前端で０．８ｇ／ｍｉｎの流速でＣＮＴ溶液と混合されて、前記混合液は熱交換器１４を介して２００乃至２６０℃で予熱された予熱槽１１０に投入された。
【００４７】
前記予熱された混合液は３５０℃及び２３０ａｔｍ乃至２５０ａｔｍの亜臨界水状態の表面処理反応器１３０に注入されて表面処理され、前記表面処理された生成物は再び熱交換器１４に移送されて２００℃で１次冷却後、再び冷却装置１５を介して約２５℃の温度に冷却された後、連続的に表面処理された９．８ｇの生成物を得た。
【００４８】
＜実施例２＞
酸化剤である酸素を０．４ｇ／ｍｉｎの流速でＣＮＴ溶液と混合させ、前記ＣＮＴ溶液と酸化剤の混合液の予熱時に熱交換器１４の温度が３５０乃至３７０℃であり、超臨界水状態で温度を４００℃で反応させて表面処理を進ませたことを除いては、前記実施例１と同一に表面処理して９．２ｇの生成物を得た。
【００４９】
＜実施例３＞
多重壁ＣＮＴ２０ｇを蒸留水９８０ｇと循環ポンプ１１で混合して前処理槽１０でＣＮＴ溶液を作製したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して１８．６ｇの生成物を得た。
【００５０】
＜実施例４＞
酸化剤として酸素の代わりに空気を使用したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して９．６ｇの生成物を得た。
【００５１】
＜実施例５＞
酸化剤として酸素の代わりに空気を使用したことを除いては、実施例２と同一に表面処理して９．７ｇの生成物を得た。
【００５２】
＜実施例６＞
酸化剤として酸素の代わりにオゾンを使用したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して９．１ｇの生成物を得た。
【００５３】
＜実施例７＞
酸化剤として酸素の代わりにオゾンを使用したことを除いては、実施例２と同一に表面処理して９．２ｇの生成物を得た。
【００５４】
＜実施例８＞
酸化剤として酸素の代わりに５０％過酸化水素水溶液１０８．８ｇ（１．６M）を使用したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して８．７ｇの生成物を得た。
【００５５】
＜実施例９＞
酸化剤として酸素の代わりに５０％過酸化水素水溶液１０８．８ｇ（１．６M）を使用したことを除いては、実施例２と同一に表面処理して９．０ｇの生成物を得た。
【００５６】
＜実施例１０＞
酸化剤として酸素の代わりに硝酸を使用し、ＣＮＴ溶液の製造時に前処理槽１０で多重壁ＣＮＴ１０ｇを蒸留水９６４．８ｇに入れた後、撹拌させながら硝酸２５．２ｇ（０．４M）を添加してＣＮＴ及び硝酸溶液を製造して混合液を製造したことを除いては、実施例１と同一に表面処理して８．３ｇの生成物を得た。
【００５７】
＜実施例１１＞
酸化剤として酸素の代わりに硝酸を使用し、ＣＮＴ溶液の製造時に前処理槽１０で多重壁ＣＮＴ１０ｇを蒸留水９６４．８ｇに入れた後、撹拌させながら硝酸２５．２ｇ（０．４M）を添加してＣＮＴ及び硝酸溶液を製造して混合液を製造したことを除いては、実施例２と同一に表面処理して８．１ｇの生成物を得た。
【００５８】
＜実施例１２＞
前記実施例１と同一に表面処理された生成物を冷却した後、０．００１乃至１０μｍ空隙を有する高圧フィルタが並列に連結された濾過槽２１０、２３０で表面処理されたＣＮＴ濾過生成物と濾過液に分離して表面処理されたＣＮＴ濾過生成物を回収し、これから連続的に表面処理された９．５ｇの生成物を得た。
【００５９】
＜実施例１３＞
前記実施例２と同一に表面処理された生成物を冷却した後、０．００１乃至１０μｍ空隙を有する高圧フィルタが並列に連結された濾過槽２１０、２３０で表面処理されたＣＮＴ濾過生成物と濾過液に分離して表面処理されたＣＮＴ濾過生成物を回収し、これから連続的に表面処理された８．８ｇの生成物を得た。
【００６０】
＜比較例１＞
酸化剤を投入せず、実施例１と同一に反応を進ませた。
【００６１】
＜比較例２＞
酸化剤を投入せず、実施例２と同一に反応を進ませた。
【００６２】
＊試験方法
１．赤外線分光器（FT-IR spectroscopy）
Ｖａｒｉａｎ社の４１００モデルを使用し、分析用試料はカリウムブロマイド（ＫＢｒ）粉末と混合して陶器鉢でまんべんなく撹拌した後、ペレットを製造して測定した。
【００６３】
図４は、本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの赤外線分光スペクトルの結果である。図４を参照すれば、比較例１に比べて表面処理された機能基のピークが現われたことからみて表面処理がなされたことが確認できた。前記測定結果から得られた表面処理された構造はヒドロキシ基、アルコール基、カルボン酸基、ケトン基、エーテル基、ＣＨ−ｓｐ３基である。
【００６４】
２．ラマン分光器（Raman Spectroscopy）
Jobin-Yvon社のLabRam HRモデルで、800mm focal length monochromatorとアルゴンイオンレーザー５１４．５３２ｎｍ波長の光源を使用する装置を使った。試料は真空乾燥オーブンで水分を乾燥させた粉末を使用した。
【００６５】
図５は、本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブのラマンスペクトルの結果である。図５を参照すれば、比較例１に比べて１５８０ｃｍ−１付近（Ｇピーク）で実施例１のピーク変化を示すことによって表面が酸化されたことが確認できた。変化されたピークは１６２０ｃｍ−１ピーク（Ｄ′ピーク）で現れる。ラマンスペクトルで１５８０ｃｍ−１ピークと変化された１６２０ｃｍ−１ピークの割合［Ｒ＝Ｄ′ピーク面積（ＡＤ′）／Ｇピーク面積（ＡＧ）］を計算してＣＮＴの表面処理程度を予想した。
【００６６】
３．透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope; TEM）
JEOL社のJEM-2100F(HR)モデルであり、ホリックタイプのグリード上で測定した。
【００６７】
図６（ａ）は本発明の実施例１による表面処理された炭素ナノチューブの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の写真であり、図６（ｂ）は比較例１による炭素ナノチューブの透過顕微鏡（ＴＥＭ）の写真である。図６（ａ）の比較例１に比べて図６（ｂ）の結果のように表面処理された炭素ナノチューブの壁の境界線が薄められていて表面処理されたことがわかった。
【００６８】
４．分散状態
本発明の実施例１による表面処理された炭素ナノチューブ０．２ｇを水９９．８ｇに分散させた状態である。前記水系の他に有機溶剤を使用したときにも分散状態が良好であった。
【００６９】
図７は、本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブの水系分散状態である。図７を参照すれば、比較例１から全く分散効果が現れていなくてＣＮＴが沈んで水と分離されているが、実施例１の場合、ＣＮＴが沈まずに水にまんべんなく分散されていることからみて表面処理によって分散状態が改善されたことが確認できた。
【００７０】
５．Ｘ−線光電子分光器（X-ray photoelectron spectroscopy; XPS）
VG Scientifics社のESCALAB 250モデルを使用して測定した。試料は真空乾燥オーブンで水分を乾燥させた粉末を使用した。
【００７１】
図８は、本発明の実施例１及び比較例１による表面処理された炭素ナノチューブのＸ−線光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）の結果である。図８を参照すれば、本発明の実施例１は、比較例１に比べて、結合エネルギー５６４ｅＶの近くで頻度が著しく現れたピークからみて、ＣＮＴの表面処理の酸化効果が確認できた。ＸＰＳで観察された炭素と酸素のピークの相対含量を用いてＣＮＴの表面処理程度を予想することができる。
【００７２】
６．紫外線／可視光線分光器（UV/vis spectroscopy）
Beckman社のDU650モデルを使用した。試料は水系或いは有機溶剤を使用して分散させた図６の分散液を希釈して測定した結果である。
【００７３】
図９は本発明の実施例１による表面処理された炭素ナノチューブの濃度に応じるＵＶ／Ｖｉｓ分光スペクトルの結果である。図９を参照すれば、表面処理された炭素ナノチューブが分散媒に０．５０（１）、１．２５（２）、２．５０（３）、５．００（４）ｐｐｍで分散された量に応じる変化であって、ＣＮＴ濃度が増加することに沿って透過度（％Ｔ）が減少してＣＮＴ分散含量が増加されることに沿って透過率が低くなることが確認できた。
【００７４】
【表１】
【００７５】
前記表１は図５及び図８の現れた結果を数値化したものであって、前記表面処理された炭素ナノチューブの表面処理程度がラマン分光器で０．０１≦ＡＤ′／ＡＧ≦０． ５０であり、ＸＰＳで０．１≦Ｏ１ｓ，ａｔｏｍ％≦３０ａｔｏｍ％で測定されたことが確認できた。
【００７６】
本発明は、前述した実施例及び添付された図面に限られるものではなく、本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であることは、本発明が属する技術分野において通常の知識を持っている者にとって明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
上述したように、本発明の炭素ナノチューブの連続的な表面処理方法は亜臨界水または超臨界水条件において有害でなく、取り扱い及び廃水処理が容易である酸化剤を使用し、連続的な装置を通じて炭素ナノチューブが表面処理されて製造工程の短縮効果がある。
【００７８】
なお、本発明の炭素ナノチューブは用途によって溶液状または粉末状で連続的な装置を通じて得られる効果がある。
【符号の説明】
【００７９】
１０：前処理槽 １１：循環ポンプ
１２：ＣＮＴ溶液の高圧注入ポンプ １３：酸化剤の高圧注入ポンプ
１４：熱交換器 １５：冷却装置
１６：圧力調節装置 ２１：濾過圧力調節装置
１１０：予熱槽 １３０：表面処理反応槽
１５０：冷却・減圧槽 １７０：生成物貯蔵槽
２１０、２３０：濾過槽 ２１１、２３１：濾過液
２１３、２３３：表面処理されたＣＮＴ濾過生成物
３００：濾過液貯蔵槽
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤を５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入して前記炭素ナノチューブ溶液及び前記酸化剤の混合液を予熱する段階；
ｂ）前記予熱された混合液中の炭素ナノチューブを、５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理する段階；
ｃ）前記表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却及び１乃至１０ａｔｍに減圧する段階；及び
ｄ）前記減圧された生成物を回収する段階；
を含む連続的な方法で表面処理された、炭素ナノチューブ。
【請求項２】
前記表面処理された炭素ナノチューブの表面処理程度がラマン分光器で０．０１≦ＡＤ′／ＡＧ≦０． ５０であり、ＸＰＳで０．１≦Ｏ１ｓ，ａｔｏｍ％≦３０ａｔｏｍ％である、請求項１に記載の炭素ナノチューブ。
【請求項３】
炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤の混合液が５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入される予熱槽；
前記予熱槽を経た混合液が５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理される表面処理反応槽；
前記表面処理反応槽を経て表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却して１乃至１０ａｔｍに減圧する冷却・減圧槽；及び
前記冷却・減圧槽を経て生成物が回収される生成物貯蔵槽；
から構成される、炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置。
【請求項４】
前記予熱槽の前端に熱交換器が備えられ、前記熱交換器では前記混合液と前記表面処理された生成物とが熱交換される、請求項３に記載の炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置。
【請求項５】
前記冷却・減圧槽において減圧装置としてはキャピラリー減圧装置が使用される、請求項３に記載の炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置。
【請求項６】
０．００１乃至１０μｍの空隙を有する高圧フィルタが並列で連結されてスイッチング方式で運転される濾過槽がさらに含まれる、請求項３に記載の炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置。
【請求項１】
ａ）炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤を５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入して前記炭素ナノチューブ溶液及び前記酸化剤の混合液を予熱する段階；
ｂ）前記予熱された混合液中の炭素ナノチューブを、５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理する段階；
ｃ）前記表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却及び１乃至１０ａｔｍに減圧する段階；及び
ｄ）前記減圧された生成物を回収する段階；
を含む連続的な方法で表面処理された、炭素ナノチューブ。
【請求項２】
前記表面処理された炭素ナノチューブの表面処理程度がラマン分光器で０．０１≦ＡＤ′／ＡＧ≦０． ５０であり、ＸＰＳで０．１≦Ｏ１ｓ，ａｔｏｍ％≦３０ａｔｏｍ％である、請求項１に記載の炭素ナノチューブ。
【請求項３】
炭素ナノチューブ溶液及び酸化剤の混合液が５０乃至４００ａｔｍの圧力で注入される予熱槽；
前記予熱槽を経た混合液が５０乃至４００ａｔｍの亜臨界水または超臨界水条件において表面処理される表面処理反応槽；
前記表面処理反応槽を経て表面処理された生成物を０乃至１００℃に冷却して１乃至１０ａｔｍに減圧する冷却・減圧槽；及び
前記冷却・減圧槽を経て生成物が回収される生成物貯蔵槽；
から構成される、炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置。
【請求項４】
前記予熱槽の前端に熱交換器が備えられ、前記熱交換器では前記混合液と前記表面処理された生成物とが熱交換される、請求項３に記載の炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置。
【請求項５】
前記冷却・減圧槽において減圧装置としてはキャピラリー減圧装置が使用される、請求項３に記載の炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置。
【請求項６】
０．００１乃至１０μｍの空隙を有する高圧フィルタが並列で連結されてスイッチング方式で運転される濾過槽がさらに含まれる、請求項３に記載の炭素ナノチューブの連続的な表面処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１９３１１０（Ｐ２０１２−１９３１１０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５８０６２（Ｐ２０１２−１５８０６２）
【出願日】平成２４年７月１３日（２０１２．７．１３）
【分割の表示】特願２００９−７９５５４（Ｐ２００９−７９５５４）の分割
【原出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（５９５１３７３１０）ハンファ ケミカル コーポレーション (31)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１３日（２０１２．７．１３）
【分割の表示】特願２００９−７９５５４（Ｐ２００９−７９５５４）の分割
【原出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（５９５１３７３１０）ハンファ ケミカル コーポレーション (31)
【Ｆターム（参考）】
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