[发明专利]取向单层碳纳米管集合体、块状取向单层碳纳米管集合体、粉体状取向单层碳纳米管集合体、及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及包含块状及粉体状的取向单层碳纳米管集合体，涉及实现了形状加工性优异、以前所没有的高纯度化、高比表面积化、大尺寸化的取向单层碳纳米管集合体、块状取向单层碳纳米管集合体、粉体状取向单层碳纳米管集合体、及其制造方法。

背景技术

近年来，正在期待碳纳米管(以下也称为CNT)向电子器件材料、光学元件材料、导电性材料、及生物体关联材料等功能性新原材料的发展，正在精力充沛地开展对其用途、品质、及批量生产性等的研究。

在CNT中尤其是单层CNT，电特性(极高的电流密度)、热特性(与金刚石相匹敌的热传导度)、光学特性(光通信带波长范围的发光)、氢贮藏能力以及金属催化剂负载能力等各种特性优异，还具备半导体和金属的双方特性，因此，作为电子器件、蓄电器件的电极、MEMS部件、及功能性复合材料的填充物等材料备受注目。

在这些用途中使用单层CNT的场合，通常用多根单层CNT聚集而成的单层CNT结构体。另外，为了有效利用单层CNT，必须对结构体的形状、以及结构、还有构成结构体的单层CNT的配置、密度等结构进行控制。

但是，刚合成之后，由多个CNT组成的CNT集合体不具有所希望的形态、形状，因此需要对合成的CNT集合体进行成形加工，制造具有所希望的形状、结构、特性的单层CNT结构体。

在实现组装为上述的各种器件及部件的单层CNT集合体方面，能够容易成形加工为各种各样的形态、形状的、即具有成型加工性的单层CNT集合体实现了很大的效果。

另一方面，CNT因很强的范德瓦耳斯力而非常容易紧挨在一起，许多CNT紧挨着容易形成大的无秩序、无取向的束。而且一旦拆开成为无秩序、无取向的束再构筑成所希望的形状极其困难。

因此，为了使单层CNT集合体具有成型加工性，优选构成集合体的各单层CNT彼此不因束化而过强地结合，而是非常松驰地结合。

这种单层CNT集合体由于一面保持一体性一面实施高密度化处理而成形为所希望的形状，且容易均匀地分散到溶液等中，因此具有优异的成型加工性。

进一步，为了有效利用单层CNT，当构成CNT集合体的一根一根的CNT取向于规则的方向时，能够使各CNT的功能的方向性一致，作为结果，能够得到高功能的CNT集合体。例如，在非专利文献NanoLetters杂志、第3卷(2003年)、第647页中记载有将单层CNT纺成丝状得到由取向后的单层CNT形成的纤维的方法。用这种方法制成的纤维状单层CNT集合体显示良好的取向性，但因束化而得不到较高的比表面积，另外，拆开束中的单层CNT再构筑成所希望的形状极其困难。

另外，单层CNT由于包含将石墨层卷起的结构，因此存在具有较高的比表面积这种特征。因此，正在期待适合于催化剂的载体或能量·物质贮藏材料、或超级电容器的电极材料或促动器、及复合材料的填充物等。

现有的单层CNT集合体由于含有比表面积低的金属杂质、及碳杂质，及/或由于单层CNT束化且氮原子不能在束内的CNT彼此间的间隙扩散，因此比表面积小。例如，代表性的Carbon Nanotechnologies社的HiPco单层CNT由于根据Nano Letters杂志、第二卷(2002年)、第385～388页的记载含有金属杂质，因此比表面积在成长后的状态下为524m²/g，当实施精制、开口处理时，会促进束化，因此停留在861m²/g，大幅度地低于理论计算的2600m²/g左右的比表面积的极限。另外，本事例的CNT无取向、无秩序，将CNT再构筑成具有取向的形状极其困难。

这样，在现有技术中，刚合成后的单层CNT含有金属杂质，及/或无取向，当通过成形加工而具有取向性，或通过精制处理除去杂质时，会促进束化，得不到高的比表面积，另外，也不具有成型加工性。

虽然预测如果创新研制出具有向各种形态、形状的形状加工性、比表面积大且具备取向性的单层CNT集合体，则CNT的应用领域会飞跃地扩大，但因上述的理由，利用现有技术制造比表面积大、具备取向性且具备向各种形态、形状的成型加工性的取向CNT集合体极其困难。

在CNT的一个制造方法中，得知有化学气相成长法(以下也称为CVD法)(希望参照专利文献1等)。该方法以在约500℃～1000℃的高温气氛下使碳化合物与催化剂的金属微粒接触为特征，可以在使催化剂的种类及配置、或碳化合物的种类及反应条件等方式发生各种变化的条件下进行CNT的制造。但是，在现有的化学气相成长法中，催化剂容易失活，CNT不能效率良好地成长。