石墨纳米碳纤维及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种尺寸、形状、结构、纯度的稳定性高的、高功能的石墨碳纳米纤维及其制造方法。所述石墨纳米碳纤维使用下述装置而得到的，该装置具备：能够将内部保持于还原气氛下的反应容器(1)，配置于该反应容器内的作为催化剂的金属衬底(2)，对该金属衬底进行加热的加热器(6)，向反应容器内供给碳氢化合物的碳氢化合物供给机构(5)，刮取在金属衬底上生成的碳纤维的刮取机构(4)，回收所刮取的碳纤维的回收容器(7)，以及排出反应容器内的气体的排气机构(8)。所述碳纤维是石墨烯在长度方向上多层重叠而形成的直径为80～470nm的线状的碳纤维。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施方式涉及ー种。
技术介绍
作为碳纳米结构材料，为人所知的是一般使用通过使含有碳的气体与选择的催化剂金属在500°C 1200°C左右的温度下接触一定时间而制造的纤维状纳米碳。 在碳纳米结构材料的生成法中，可以列举出电弧放电法、激光蒸镀法、化学气相沉积法(CVD法)等。在电弧放电法中，在正负的石墨电极之间引起电弧放电，由此石墨产生蒸发，在凝结于阴极前端的碳的沉积物中生成碳纳米管。激光蒸镀法是在加热至高温的不活泼气体中加入混合有金属催化剂的石墨试料，通过激光照射而生成碳纳米结构材料的方法。一般地说，利用所述电弧放电法和激光蒸镀法可以生成结晶性良好的碳纳米结构材料，但可以说生成的碳的量少，难以大量生成。CVD法包括在配置于反应炉中的衬底(substrate)上生成碳纳米结构材料的气相沉积衬底法和使催化剂金属与碳源一起在高温炉中流动而生成碳纳米结构材料的流动气相法这两种方法。但是，所述气相沉积衬底法由于是成批处理，难以大量生产。另外，流动气相法的温度均匀性较低，一般认为难以生成结晶性良好的碳纳米结构材料。再者，作为流动气相法的发展型，为人所知的还有在高温炉中利用兼作催化剂的流动材料形成流动层，且供给碳原料而生成纤维状的碳纳米结构材料的方法。但可以想见炉内的温度的均匀性低，难以生成结晶性良好的碳纳米结构材料。纳米结构材料特别是石墨纳米碳纤维在很多的エ业用途中其重要性迅速地増加，对其用途的研究正在进行。例如，有氢的嵌入或吸附和解吸，锂的嵌入或吸附和解吸、催化剂作用、氮氧化物的吸附嵌入等，但是目前的现状是在エ业上的实现还比较贫乏。其中的理由之一可以列举出不能批量生产结构均匀的石墨碳纳米纤维。因此，如果能够以低成本且高效率地批量生产尺寸、形状、结构、纯度等的稳定性高的石墨碳纳米纤维，就能够以低成本且大量地供给活用石墨碳纳米纤维的特性的纳米技术产品。
技术实现思路
本专利技术所要解决的课题是提供ー种尺寸、形状、结构、纯度等的稳定性高的高功能石墨碳纳米纤维及其制造方法。根据实施方式，提供ー种石墨纳米碳纤维，其是使用下述装置而得到的，该装置具备能够将内部保持于还原气氛下的反应容器，配置于该反应容器内的作为催化剂的金属衬底，对该金属衬底进行加热的加热器，向反应容器内供给碳氢化合物的碳氢化合物供给机构，刮取在金属衬底上生成的碳纤维的刮取机构，回收所刮取的碳纤维的回收容器，以及排出反应容器内的气体的排气机构，所述石墨纳米碳纤维的特征在干所述碳纤维是石墨烯在长度方向上多层重叠而形成的直径为80 470nm的线状的碳纤維。上述构成的石墨碳纳米纤维的尺寸、形状、结构、纯度的稳定性高。附图说明 图I是第I实施方式的石墨纳米碳纤维的制造装置的基本构成图。图2是第2实施方式的石墨纳米碳纤维的制造装置的概略图。图3是实施方式的微细碳纤维的电子显微镜照片。图4是实施方式的微细碳纤维的电子显微镜照片。图5是实施方式的微细碳纤维的电子显微镜照片。图6是实施方式的微细碳纤维的电子显微镜照片。图7是对实施方式的微细碳纤维的结构示意性地进行描绘的说明图。图8是表示实施方式的微细碳纤维的温度与温度差、温度差的时间变化以及重量变化之间的关系的特性图。图9是表示实施方式的微细碳纤维的拉曼位移和拉曼强度之间的关系的特性图。具体实施例方式下面，參照附图对实施方式的石墨纳米碳纤维的制造装置进行说明。(第I实施方式)对第I实施方式的石墨纳米碳纤维的制造装置，參照图I进行说明。在可将内部保持于还原气氛下的反应容器内1，配置有金属衬底(催化剂)2、以及刮取在该金属衬底2上生成的微细碳纤维3的刮取器具4。在所述反应容器I上连接有向反应容器I内供给碳氢化合物的碳氢化合物供给机构5。在所述反应容器I的外侧配置有对金属衬底2进行加热的加热器6、回收微细碳纤维3的回收容器7、以及排出反应容器I内的气体的排气机构8。在图I的制造装置中，使用醇作为碳氢化合物，但是也可以使用こ烯、丙烷、甲烷、一氧化碳、苯等。作为金属衬底2，使用与こ醇原料的相容性最好的铁衬底。但是，也可以使用以铁为成分的结构用碳素钢板、不锈钢304钢板。由于在作为催化剂的金属衬底的表面通常形成有氧化膜，所以去除该膜而使表面活化。作为使其活化的方法，实施表面的研磨和酸处理。其次，就图I的制造装置的作用进行说明。首先，将反应容器I的温度调整为600°C 750°C，优选调整为670°C，在350°C下对こ醇预热后注入反应容器I内。作为原料的こ醇在反应容器I内进行热分解而变为气体，碳原子进入金属衬底2内。其次，如果金属衬底2中的碳达到饱和状态，则可以认为碳会从金属衬底2中析出而生长为结晶状。生长为结晶状的物质即为微细碳纤维3。其次，用刮取器具4刮落在金属衬底2上花数十分钟生成的微细碳纤维3，回收到反应容器外的回收容器7中。按照在金属衬底2上微细纤维3以0 5_左右的厚度剩余的方式刮取，再使微细纤维3生长并刮取，如此反复进行。即使在金属衬底2上有刮剩下的微细碳纤维，由于向金属衬底2供给的碳是充分的，所以微细碳纤维的生成量能够长期保持恒定。(第二的实施方式)对第2实施方式的石墨纳米碳纤维的制造装置，參照图2进行说明。其中，与图I相同的部件标注同一符号，在此省略说明。在可与大气隔绝且能够将内部保持于还原气氛下的圆筒状的立式反应容器11的内侧，配置有与该反应容器11同轴的圆筒状的金属衬底(催化剂)12。在所述反应容器11上配置有刮取在金属衬底12的表面生成的微细碳纤维3的刮取器具。在此，刮取器具由驱动装置13、轴支承于该驱动装置13上的可沿箭头A方向旋转的主轴14、安装于该主轴14上的螺旋状的刮取叶片15构成。在所述反应容器11上连接有向该反应容器内供给不活泼气体的不活泼气体供给机构16。此外，在反应容器11的上部，在主轴14的周围配置有密封部件17。此外，图2的制造装置中的碳氢化合物、金属衬底的材料等与图I的情况相同。但是，其结构为，由于作为催化剂的金属衬底12在碳纤维生成过程中壁厚減少，所以一段时间以后，能够用新的衬底来代替。其次，对图2的制造装置的作用进行说明。首先，将反应容器11的温度调整为600°C 750°C，优选为670°C，在350°C下对こ醇进行预热后注入反应容器11内。作为原料的こ醇，在炉内进行热分解而变为气体，碳原子进入金属衬底12内。其次，如果金属衬底12中的碳达到饱和状态，则可以认为碳会从金属衬底12中析出而生长为结晶状。生长为结晶状的物质即为微细碳纤维3。其次，用刮取叶片15刮落在金属衬底12上花费几十分钟生长的微细碳纤维3，从而回收到反应容器外的回收容器7。按照在金属衬底12上微细碳纤维3以0 5mm左右的厚度残留的方式，调整金属衬底12与旋转叶片15的前端之间的距离并进行刮取。在此，螺旋状的刮取叶片15通过驱动装置13以0. 01 0. 05rmp的速度沿箭头A方向旋转并连续地刮取，或者每间隔20 60分钟进行间歇式刮取。其结果是，微细碳纤维3被刮取下来，其后再生长的微细碳纤维3再被刮取，从而能够接连不断地连续生成。另外，即使有刮剩下的微细碳纤维，由于可向金属衬底充分地供给碳，所以微细碳纤维的生成量能够长期保持恒定。以上，对微细碳纤维的制造装置及制造方法进行了说明，然后对生成的微细碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2011.02.18 JP 033723/20111.ー种石墨纳米碳纤维，其是使用下述装置而得到的，该装置具备能够将内部保持于还原气氛下的反应容器，配置于该反应容器内的作为催化剂的金属衬底，对该金属衬底进行加热的加热器，向反应容器内供给碳氢化合物的碳氢化合物供给机构，刮取在金属衬底上生成的碳纤维的刮取器具，回收所刮取的碳纤维的回收容器，以及排出反应容器内的气体的排气机构；其中， 所述碳纤维是石墨烯在长度方向上多层重叠而形成的直径为80 470nm的线状的碳纤维。2.—种石墨纳米碳纤维，其是使用下述装置而得到的，该装置具备能够将内部保持于还原气氛下的反应容器，与该反应容器同轴状地配置在该反应容器内的作为催化剂的筒状金属衬底，对该金属衬底进行加热的加热器，向反应容器内供给碳氢化合物的碳氢化合 物供给机构，具有刮取在金属衬底的内壁上生成的碳纤维的螺旋状的刮取叶片的刮取器具，回收所刮取的碳纤维的回收容器，以及排出反应容器内的气体的排气机构；其中， 所述碳纤维是石墨烯在长度方向上多层重叠而形成的直径为80 470nm的线状的碳纤维。3.如权利要求I所述的石墨纳米碳纤维，其中，由气体吸附BET法测得的比表面积为70 130m2/g。4.如权利要求I所述的石墨纳米碳纤维，其中，体积密度为0.I 0. 35g/cm3。...

【专利技术属性】
技术研发人员：井手胜记，野间毅，小城和高，峰哲哉，今雅夫，吉川润，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：