[发明专利]碳纳米管定向集合体的制造装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管定向集合体的制造装置，涉及连续制造时不会伴随品质恶化而能够显着提高制造效率的碳纳米管定向集合体的制造装置及其制造方法。

背景技术

碳纳米管(以下也称之为CNT)是一种碳结构体，其具有以平面六角形状配置之碳原子所构成的碳薄片被封闭成圆筒状的结构。这一CNT既有多壁的也有单壁的，但无论哪一种，在其力学强度、光学特性、电子特性、热学特性、分子吸附功能等方面，有望作为电子设备材料、光学元件材料、导电性材料等功能性材料来发展。

在CNT中单壁CNT不仅在电子特性(极高的电流密度)、热学特性(匹敌于钻石的热传导性)，光学特性(在光通信带波长区域的发光)、氢储藏能力以及金属催化剂载体能力等各种特性上比较出色，并且还具备半导体与金属的两种特性，故在作为纳米电子设备、纳米光学元件以及能量储藏体等材料方面备受关注。

将CNT有效地利用在这些用途上时，多根CNT定向于特定方向并形成集中的束状、膜状，或者块状的集合体，而这一CNT集合体最好发挥电气、电子性以及光学等功能特性。而且，CNT集合体其长度(高度)以更长为好。估计若研制出这种定向的CNT集合体，CNT的应用领域将会实现飞跃性的扩大。

作为这一CNT的制造方法之一，化学气相生长法(以下也称之为CVD法)已广为人知(参照专利文献1等)。这一方法的特征在于，在约500℃～1000℃的高温环境下，将含有碳的气体(以下称之为原料气体)接触于作为催化剂的金属微粒，并在诸般改变催化剂的种类、配置等，或者碳化合物的种类、反应条件等的状态下也能够制造CNT，故作为适合大量制造CNT的方法备受关注。而且，这一CVD法的优点在于，不仅都可以制造单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)，而且还利用担载催化剂的基板，从而可以制造多个垂直地定向于基板面的CNT。

CVD方法中的CNT合成工序分为形成工序和生长工序这两个工序进行。其中，在形成工序中载在基板上的金属催化剂，通过暴露于高温氢气(以下称之为还原气体)以实现还原。在其后的生长工序中，通过使含有催化剂活化物质的原料气体接触于催化剂使得CNT生长。

在实行这种形成工序和生长工序时，为了使被还原的催化剂在形成工序和生长工序之间不暴露于外部空气之中，而在同一炉内进行形成工序和生长工序。实行这种形成工序和生长工序时，为了使被还原的催化剂在形成工序和生长工序之间不会暴露在外部空气中，形成工序和生长工序是在同一炉内进行。

通常的CVD方法中，CNT的合成过程中产生的碳类杂质被覆催化剂颗粒，导致催化剂容易失去活性，CNT则无法高效生长。因此，通常在把CVD时的原料气体的体积分率控制在0.1～1％左右的低碳浓度环境中进行合成。由于原料气体的供给量与CNT制造量成比例，尽可能地在高碳浓度环境中进行合成，这直接关系到制造效率的提高。

近年来，在CVD方法中，提出了与原料气体一起将水等催化剂活化物质接触于催化剂，以显着增大催化剂的活性及寿命的技术(以下称之为超速生长法(Super Growth法)。参照非专利文献1)。一般认为，催化剂活化物质具有去除覆盖了催化剂微粒的碳类杂质，并清洁催化剂基底的效果，从而能够显着提高催化剂的活性，同时还能延长催化剂的寿命。因此，成功地实现了即使在通常使催化剂失去活性的高碳浓度环境(CVD时的原料气体的体积分率为2～20％左右)之下，也不会失去催化剂活性，并能显着提高CNT的制造效率。在担载催化剂的基板上适用超速生长法而合成的CNT，其特征在于，比表面积高，一个个CNT形成定向于规则方向集合的集合体，并且体积密度低(以下称之为CNT定向集合体)。

以往，CNT集合体是纵横比高的一维细长的柔软性物质，并且由于强烈的范德华力，容易构成无秩序、无定向、且比表面积小的集合体。而且，一旦形成无秩序、无定向的集合体，若要重新构筑其定向是极其困难的，故制造具有成形加工特性和比表面积定向性高的CNT集合体很困难。但是，一般认为利用超速生长法能够制造出比表面积高、具有定向性、且具有各种形态、形状的成形加工特性的CNT定向集合体，因此作为物质、能量储藏材料，能够应用于超级电容器的电极或具有指向性的传热、放热材料等各种用途上。

以往，作为利用CVD方法来实现CNT连续制造的制造装置，有很多提案。例如，利用输送带或转盘等传送装置，连续向合成炉内传送基材的方法(参照专利文献2～4)。但是，在利用超速生长法连续制造CNT定向集合体时，已发现了产生以往的合成法里所没有的，来源于高碳环境下以及/或者催化剂活化物质特有的技术问题。

[背景技术文献]