JP5342976B2 - 粒状物及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は粒状物及びその製造方法に関し、更に詳細にはカーボンナノチューブから成る粒状物及びその製造方法に関する。

カーボンナノチューブ（以下、単にＣＮＴと称することがある）は、その剛性、電気伝導性及び伝熱性に優れている。このため、一般的に剛性、電気伝導性及び伝熱性に劣る樹脂等の材料に均一に分散配合できれば、樹脂等の材料の剛性、電気伝導性及び伝熱性を格段に改善できる。
しかし、ＣＮＴは凝集し易いため、単に樹脂等の材料に投入して混練したのみでは分散配合することは至難のことである。
一方、下記非特許文献１には、図９に示すＣＮＴと金属とから成り、ＣＮＴの端部がウニ状に突出した粒状物を、ＣＮＴを特殊な分散剤により分散した金属イオンを含有するめっき液に電流を流すことによって得ることができ、かかる粒状物を熱圧着して部品材料を形成することが提案されている。

平成１５年９月２日発行の信濃毎日新聞

図９に示す粒状物を熱圧着して形成した部品材料をモータ軸や軸受に用いることによって、耐摩擦性及び放熱性を著しく向上でき、部品寿命の延長が期待できる。
しかし、図９に示す粒状物は、ＣＮＴの端部が金属層に覆われることなく露出状態でウニ状に突出しているものであり、粒状物自体の分散性が劣る。更に、ウニ状に突出したＣＮＴが露出状態であるため、樹脂との濡れ性が劣るものと考えられる。
このため、図９に示す粒状物を樹脂に均一分散しようとすると、粒状物の分散性が劣るものと考えられる。
そこで、本発明の課題は、粒状物自体の分散性が改善されたカーボンナノチューブから成る粒状物及びその製造方法を提案することにある。

本発明者等は、前記課題を解決すべく、先ず、無電解めっきによってＣＮＴにめっき金属を形成せんと試みたところ、周面全面が薄層のめっき金属層で覆われた薄層ＣＮＴを得ることができた。
しかしながら、ＣＮＴの全周面を薄層のめっき金属層で覆うための時間は長時間かかり、形成された薄層のめっき金属層は均一層であって、その表面は平滑面であるため、樹脂に配合した薄層ＣＮＴは樹脂から剥離し易い。
次に、本発明者は、電解めっきによってＣＮＴにめっき金属を形成せんと試みたところ、ＣＮＴの端部が露出状態でウニ状に突出することなく粒状物を形成できること、電解めっき条件を変更することによって粒状物の形状を変更できることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、全表面が電解めっき金属層によって被覆された一本又は複数本のカーボンナノチューブによって形成されていることを特徴とする粒状物にある。
このように、カーボンナノチューブの全表面を電解めっき金属層によって被覆することによって、粒状物と樹脂との親和性を向上でき、樹脂に対する耐剥離性を向上できる。このカーボンナノチューブを覆う電解めっき金属層の表面を凹凸状に形成すること、或いはカーボンナノチューブを端部の少なくとも一方を被覆する電解めっき金属層を、他の部分を被覆する電解めっき金属層よりも厚く形成することが好ましい。
かかる電解めっき金属層を、磁性を有する金属とすることによって、粒状物を磁石によって容易に回収できる。
尚、複数本のカーボンナノチューブを、電解めっき金属層によって相互に固着することによって、粒状物の粒径を大きくできる。

また、本発明は、分散剤を添加した電解めっき液中に複数本のカーボンナノチューブを分散させた後、前記カーボンナノチューブに電解めっきを施し、全表面が電解めっき金属層によって被覆された一本又は複数本のカーボンナノチューブから成る粒状物を得ることを特徴とする粒状物の製造方法にある。
かかる本発明において、分散剤として、アルキンジオール分子中にオキシエチレン側鎖を有するアルキンジオール化合物又はカチオン活性剤を好適に用いることができる。
更に、電解めっきを電解めっき液中に浸漬した陽極と陰極とに電流を流して施し、その際に、前記陰極の表面にカーボンナノチューブを付着して、前記カーボンナノチューブの表面に電解めっき金属を析出させることによって、カーボンナノチューブの表面に電解めっきによる金属層の被覆を形成できる。
また、複数本のカーボンナノチューブ同士を、電解めっきによる金属層によって相互に固着して粒状物とすることによって、得られた粒状物の粒径を大きくできる。

本発明にかかる粒状物によれば、全表面が電解めっき金属層によって被覆された一本又は複数本のカーボンナノチューブによって形成されているので、例えば、樹脂中に浸漬した場合、樹脂との濡れ性が、部分的に電解めっき金属が形成されている粒状物に比較して良好であり、樹脂への分散性を向上できるという効果を奏する。

本発明に係る粒状物の一例を説明するための電子顕微鏡写真である。 本発明に係る粒状物の他の例を説明するための電子顕微鏡写真である。 本発明に係る粒状物の他の例を説明するための電子顕微鏡写真である。 本発明に係る粒状物の他の例を説明するための電子顕微鏡写真である。 図４に示す粒状物の拡大断面図である。 電解めっき装置の一例を説明する概略図である。 ＣＮＴに電解めっきを施すことのできるメカニズムを説明するための概念図である。 陰極の陰極面に付着する他の態様を説明する概念図である 従来の粒状物を説明するための電子顕微鏡写真である。

本発明において用いるカーボンナノチューブは、公知のカーボンナノチューブを用いることができ、具体的にはシングルウォールカーボンナノチューブ又はマルチウォールカーボンナノチューブを用いることができる。
かかるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から成る本発明に係る粒状物の一例を図１に示す。図１は、複数本のＣＮＴから成る塊状の粒状物の電子顕微鏡写真である。図１において、線状物がＣＮＴであって、ＣＮＴの所々に形成された白い球状物がめっき金属層としてのニッケル層である。
図１から明らかな様に、図１に示す粒状物は、金属層で覆われていないＣＮＴの端部が粒状物の外方にウニ状に突出することなく形成されており、ＣＮＴの各表面に間欠的に形成された球状のニッケル層によってＣＮＴ同士が相互に固着されていると共に、ＣＮＴ間には隙間が形成されている。

これに対し、図２に示すＣＮＴから成る塊状の粒状物も、金属層で覆われていないＣＮＴの端部が粒状物の外方にウニ状に突出することなく形成されているが、粒状物の外周面は、めっき金属層としてのニッケル層によって覆われている。
更に、かかる図２に示す粒状物の外周面を観察すると、外周面近傍のＣＮＴは、その実質的全面が凹凸状表面のニッケル層によって覆われており、このＣＮＴの端部の少なくとも一方を覆うニッケル層がＣＮＴの側面を覆うニッケル層よりも厚く形成されている。
この様に、図１及び図２に示す粒状物は、ＣＮＴの端部が粒状物の外方に露出状態でウニ状に突出することなく形成されているため、粒状物自体の分散性は良好である。
また、かかる粒状物を樹脂に含浸させることによって、剛性に優れたＣＮＴを樹脂中に分散して配設できるため、樹脂の剛性や電気特性を改善できる。

ところで、図１に示す粒状物は、ＣＮＴ同士がニッケル層を介することなく直接接触する部分が存在する。このため、図１に示す粒状物は、電気伝導性及び伝熱性がニッケルよりも優れたにＣＮＴ同士が直接接触するため、ニッケル層を介してＣＮＴ同士が接触する図２に示す粒状物に比較して、その電気伝導性及び伝熱性が良好である。
更に、図１に示す粒状物は、ＣＮＴ間に隙間が形成されているため、樹脂に含浸する際に、かかる隙間に樹脂が入り込みアンカー効果を奏することも期待できる。
一方、図２に示す粒状物は、その全面がニッケル層によって覆われているため、樹脂との濡れ性が、部分的にニッケル層が形成されている図１に示す粒状物に比較して良好であり、樹脂への分散性を向上できる。
尚、図１及び図２に示す粒状物の大きさは、１０〜３０μｍである。

かかる図１及び図２に示す粒状物は、複数本のＣＮＴが塊状に固まって形成されているものであるが、図３及び図４に示す粒状物の様に、複数本のＣＮＴによって形成された線状体を含有する粒状物であってもよい。この粒状物を形成するＣＮＴの各表面には、めっき金属層としてのニッケル層が形成されている
かかる粒状物の一例を、図３（ａ）（ｂ）に示す、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す線状粒状物の拡大顕微鏡写真である。図３（ａ）に示す粒状物には、図３（ｂ）に示す複数本のＣＮＴが線状に繋がって形成された線状体を含有しており、ＣＮＴの長手方向に球状のめっき金属層としてのニッケル層が間欠的に形成されていると共に、電解めっき金属間にＣＮＴの表面が露出している。
図３（ａ）（ｂ）に示す粒状物は、ＣＮＴ同士がニッケル層を介することなく直接接触する部分が存在するため、電気伝導性及び伝熱性がニッケルよりも優れたにＣＮＴ同士が直接接触し、その電気伝導性及び伝熱性が良好である。

また、ＣＮＴを含有する粒状体の他の例を図４及び図５に示す。図５は、図４の粒状物の拡大断面図である。かかる図４に示す粒状物は、ＣＮＴ１０の全面がめっき金属層としてのニッケル層１２によって覆われている。このニッケル層１２のうち、ＣＮＴ１０の側面を覆う部分は、多数の凹凸が形成されて凹凸状表面に形成されている。
他方、ＣＮＴ１０の端部を覆う部分は、図５（ａ）に示す様に、単一のＣＮＴ１０の端部の一方が、ＣＮＴ１０の側面を覆うニッケル層１２よりも厚く形成されているものと、図５（ｂ）に示す様に、単一のＣＮＴ１０の両端部が、共にＣＮＴ１０の側面を覆うニッケル層１２よりも厚く形成されているものとが存在する。
この様に、ＣＮＴ１０の実質的全面がニッケル層１２によって覆われている図４及び図５（ａ）（ｂ）に示す粒状物は、樹脂との濡れ性が、部分的にニッケル層が形成されている図３（ａ）（ｂ）に示す粒状物に比較して良好であり、樹脂への分散性を向上できる。
更に、ＣＮＴ１０を覆うニッケル層１２は、その表面が凹凸状面に形成されているため、ニッケル層１２の凹凸状表面による樹脂とのアンカー効果も期待できる。
尚、ＣＮＴの表面にめっき金属層が形成された図１〜図５に示す粒状物を樹脂に配合することによって、樹脂に優れた電磁波の遮断性を付与できる。

図１〜図５に示す粒状物は、図６に示す電解装置によって得ることができる。図６に示す電解装置は、電解めっき槽１４に貯留されて攪拌機２４によって攪拌されている電解めっき液１６に、直流電源１８に接続された陽極２０と陰極２２とが浸漬されている。陽極２０は、ＣＮＴ１０の表面に析出させたい金属から成る金属部材を用いる。
かかる電解めっき液１６にＣＮＴ１０が分散されており、めっき金属が析出したＣＮＴ１０から成る粒状物は、陰極２２の表面に析出すると共に、電解めっき液１６中に浮遊し、電解めっき槽１４の底面にも沈殿する。

かかる電解めっき液１６には、ＣＮＴ１０を電解めっき液１６に充分に分散することが肝要である。このためには、分散剤として、アルキンジオール分子中にオキシエチレン側鎖を有するアルキンジオール化合物であって、このアルキンジオール化合物の分子量の少なくとも２０重量％をオキシエチレン側鎖が占める分散剤を用いることによって、ＣＮＴを電解めっき液１６に充分に分散できる。
或いは、分散として、カチオン活性剤から成る分散剤、特に炭化水素系のカチオン活性剤とフッ素化水素系のカチオン活性剤とから成る分散剤も用いることができる。
この様な分散剤を用いることのできる電解めっき液であれば、ＣＮＴの表面に所望の金属を析出し得る公知の電解めっき液を用いることができ、例えばニッケルをＣＮＴの表面に析出し得る電解めっき液としては、ワット浴を用いることができる。
尚、界面活性剤としても、公知の界面活性剤を用いることができる。

かかる電解めっき液１６を用いた電解めっきの際に、電解めっきの電流密度を、３Ａ／ｄｍ²以上とすることが好ましく、図２及び図４に示す様に、ＣＮＴの全面にめっき金属を形成する場合には、電流密度を１０Ａ／ｄｍ²以上とすることが好ましい。
この電解めっきによって生成した粒状物は、陰極２２の表面に析出すると共に、電解めっき液１６中に浮遊し、電解めっき槽１４の底面にも沈殿するため、電解めっき液１６を電解めっき槽１４の底面に沈殿した粒状物と共にスポイト等によって吸引し、粒状物を沈殿させることによって得ることができる。粒状物は、ＣＮＴの表面にめっき金属が形成されており、その比重は電解めっき液１６よりも大きく容易に沈殿するからである。
この様に、粒状物の比重が電解めっき液１６よりも大きいため、電解めっきを所定時間継続して終了した後、攪拌機２４による攪拌を停止することによって、電解めっき液１６に浮遊している粒状物は電解めっき槽１４の底面に容易に沈殿し、生成した粒状物を容易に回収できる。
また、陰極２２に析出する粒状物は、陰極２２の表面をフッ素樹脂製のヘラ等によって削ぎ落として回収できる。かかる削ぎ落としを、電解めっき中に定期的に行なうことによって、陰極表面に付着した粒状物が形成されることを防止できる。
尚、めっき金属として、ニッケル等の磁性を有する金属を用いた場合には、電解めっき槽１４の底面に沈殿した粒状物を磁石によって容易に回収できる。

この様に、電解めっきによってＣＮＴにめっき金属層を形成できるメカニズムは、図７に示すように考えることができる。
すなわち、陽極２０と陰極２２との間に存在するＣＮＴ１０が分極化され、分極化されたＣＮＴ１０の一端部が、図７（ａ）に示す様に、陰極２２の陰極面に引き寄せられて付着する。陰極２２に一端部が付着したＣＮＴ１０は、その他端部の電流密度が他の部分よりも高くなるため、めっき金属が集中的に析出し、図７（ｂ）に示す様に、ＣＮＴ１０の先端部に厚いめっき金属層１２が形成される。
形成されためっき金属層１２の先端部には、図７（ｃ）に示す様に、分極化されたＣＮＴ１０が付着する。この様に、新たなＣＮＴ１０が付着すると、新たに付着したＣＮＴ１０の先端部が最も電流密度が高くなるため、図７（ｄ）に示す様に、新たに付着したＣＮＴ１０にめっき金属が集中的に析出する。

ここで、陰極２２の陰極面にＣＮＴ１０が高密度に付着する場合には、めっき金属１２が付着する際に、隣接するＣＮＴ１０のめっき金属１２と接合され易くなり、塊状の粒状物が形成され易い。
他方、陰極２２の陰極面に付着するＣＮＴ１０の密度が比較的低い場合には、隣接するＣＮＴ１０のめっき金属１２と接合され難くなり、線状体を含む粒状物が形成され易い。
また、電流密度が高く、陰極面に付着したＣＮＴ１０にめっき金属１２が析出し易い場合には、陰極面に付着したＣＮＴ１０の全面がめっき金属層１２によって覆われた後、新たなＣＮＴ１０が付着するため、全面がめっき金属層１２で覆われたＣＮＴ１０から成る粒状物が形成され易くなる。
他方、電流密度が低い場合には、陰極面に付着したＣＮＴ１０の全面がめっき金属層１２によって覆われる前に、ＣＮＴ１０の先端部を覆うめっき金属層１２に新たなＣＮＴ１０が付着し、新たなＣＮＴ１０の先端部にめっき金属が析出する。このため、ＣＮＴ１０に間欠的にめっき金属層１２が形成された粒状物が形成され易くなる。

ところで、図７では、陰極２２の陰極面に付着するＣＮＴ１０の一端部が付着した場合について説明したが、この場合、全面がめっき金属層１２によって覆われたＣＮＴ１０は、図５（ａ）に示す様に、その端部の一方が側面を覆うニッケル層１２よりも厚く形成され易くなる。
他方、図８に示す様に、陰極２２の陰極面に湾曲したＣＮＴ１０の側面が付着した場合、全面がめっき金属層１２によって覆われたＣＮＴ１０は、図５（ｂ）に示す様に、その両端部が側面を覆うニッケル層１２よりも厚く形成され易くなる。

攪拌機が設けられ、下記表１の組成の電解めっき液が貯留されている電解めっき槽に、陽極としてのニッケル板と陰極としての銅板とを挿入し、この電解めっき液にＣＮＴとしてマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）１ｇ／リットルを添加した。
次いで、電解めっき液を攪拌機で攪拌しつつ、電解めっきを施した。この際の電流密度は５Ａ／ｄｍ²であった。
電解めっきを終了した後、攪拌機による攪拌を停止して、電解めっき槽の底面に沈殿した粒状物を回収した。
回収した粒状物を電子顕微鏡で観察したところ、図１に示す様に、塊状の粒状物であって、ニッケル層で覆われていないＭＷＣＮＴの端部が粒状物の外方にウニ状に突出することなく形成されており、ＭＷＣＮＴの各表面に間欠的に形成された球状のニッケル層によってＣＮＴ同士が相互に固着されていると共に、ＭＷＣＮＴ間には隙間が形成されているものであった。

実施例１において、分散剤として、分子量の８０wt％をオキシエチレン側鎖が占めるアルキンジオール化合物を用い、その添加量を２ｇ／リットルに変更し、且つ電流密度が１０Ａ／ｄｍ²の電解めっきを１５分間実施した他は、実施例１と同様にしてＭＷＣＮＴに電解めっきを施し、電解めっき槽の底面に沈殿した粒状物を回収した。
回収した粒状物を電子顕微鏡で観察したところ、図２に示す様に、塊状の粒状物であって、ニッケル層で覆われていないＭＷＣＮＴの端部が粒状物の外方にウニ状に突出することなく形成されおり、塊状の粒状物の外周面は、ニッケル層によって覆われている。
更に、外周面近傍のＭＷＣＮＴは、その全面が凹凸状表面のニッケル層によって覆われており、このＣＮＴの端部を覆うニッケル層がＭＷＣＮＴの他の部分を覆うニッケル層よりも厚く形成されている。

実施例１において、電流密度を３Ａ／ｄｍ²の電解めっきを３０分間実施した他は、実施例１と同様にしてＭＷＣＮＴに電解めっきを施し、電解めっき槽の底面に沈殿した粒状物を回収した。
回収した粒状物を電子顕微鏡で観察したところ、図３（ａ）に示す粒状物には、図３（ｂ）に示す複数本のＭＷＣＮＴが線状に繋がって形成された線状体が含まれており、ＭＷＣＮＴの長手方向に球状のニッケル層が間欠的に形成されていた。

実施例１において、電解めっき液を下記表２に示す組成の電解めっき液に、ＭＷＣＮＴを０．１ｇ／リットル添加した後、電流密度を１０Ａ／ｄｍ²の電解めっきを５分間実施した他は、実施例１と同様にしてＭＷＣＮＴに電解めっきを施し、電解めっき槽の底面に沈殿した粒状物を回収した。
回収した粒状物を電子顕微鏡で観察したところ、図４及び図５に示す様に、ＭＷＣＮＴ１０の各々の全面がニッケル層１２によって覆われているものであった。かかるＭＷＣＮＴ１０の各側面を覆うニッケル層１２の部分は、多数の凹凸が形成されて凹凸状表面に形成されていた。
また、ＭＷＣＮＴ１０の端部の一方を覆うニッケル層１２の部分が、ＭＷＣＮＴ１０の側面を覆うニッケル層１２よりも厚く形成されているものと、ＭＷＣＮＴ１０の両端部を覆うニッケル層１２の部分が、ＭＷＣＮＴ１０の側面を覆うニッケル層１２よりも厚く形成されているものとが混在されていた。

実施例１において、陰極２２の陰極面を５分ごとにフッ素樹脂製のヘラで擦り、陰極面に形成された粒状物を削ぎ落とした他は、実施例１と同様にしてＭＷＣＮＴに電解めっきを施し、電解めっき槽の底面に沈殿した粒状物を回収した。回収した粒状物は、図１に示す塊状の粒状物であった。

実施例１において、電解めっき終了後に、電解めっき槽１４の底面に沈殿する粒状物を、磁石によって回収した他は、実施例１と同様にしてＭＷＣＮＴに電解めっきを施した。回収した粒状物は、図１に示す塊状の粒状物であった。

比較例１

実施例２において、電流密度を３Ａ／ｄｍ²の電解めっきを４５分間実施した他は、実施例２と同様にしてＭＷＣＮＴに電解めっきを施した。
しかし、電解めっきを終了しても、粒状物は形成されず、陰極２２の陰極面にＭＷＣＮＴとニッケル層との複合めっき皮膜層が形成されていた。

本発明に係る粒状物は、そのＣＮＴの表面にめっき金属層が形成されているため、ＣＮＴの樹脂との濡れ性を改善できる。このため、本発明に係る粒状物を樹脂に添加して攪拌や混練によって、容易に樹脂中に分散することができる。
したがって、剛性、電磁波の遮断性及び伝熱性に劣る樹脂に対し、優れた剛性、電磁波の遮断性及び伝熱性を付与でき、従来の樹脂では用いることができなかった用途、例えば電子機器用の筐体に適用できる。

１０ カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
１２ ニッケル層（めっき金属層）
１４ 電解めっき槽
１６ 電解めっき液
１８ 直流電源
２０ 陽極
２２ 陰極
２４ 攪拌機

Claims (10)

1. 全表面が電解めっき金属層によって被覆された一本又は複数本のカーボンナノチューブによって形成されていることを特徴とする粒状物。
2. カーボンナノチューブを覆う電解めっき金属層の表面が凹凸状に形成されている請求項１記載の粒状物。
3. カーボンナノチューブの端部の少なくとも一方を被覆する電解めっき金属層が、他の部分を被覆する電解めっき金属層よりも厚く形成されている請求項１又は２記載の粒状物。
4. 電解めっき金属層が、磁性を有する金属である請求項１〜３のいずれか一項記載の粒状物。
5. 複数本のカーボンナノチューブが、電解めっき金属層によって相互に固着されている請求項１記載の粒状物。
6. 分散剤を添加した電解めっき液中に複数本のカーボンナノチューブを分散させた後、前記カーボンナノチューブに電解めっきを施し、全表面が電解めっき金属層によって被覆された一本又は複数本のカーボンナノチューブから成る粒状物を得ることを特徴とする粒状物の製造方法。
7. 分散剤として、アルキンジオール分子中にオキシエチレン側鎖を有するアルキンジオール化合物を用いる請求項６記載の粒状物の製造方法。
8. 分散剤として、カチオン活性剤を用いる請求項６記載の粒状物の製造方法。
9. 電解めっきを電解めっき液中に浸漬した陽極と陰極とに電流を流して施し、その際に、前記陰極の表面にカーボンナノチューブを付着して、前記カーボンナノチューブの表面に電解めっき金属を析出させる請求項６〜８のいずれか一項記載の粒状物の製造方法。
10. 複数本のカーボンナノチューブ同士を、電解めっき金属層によって相互に固着した粒状物を得る請求項６〜９のいずれか一項記載の粒状物の製造方法。