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WO2004007363A1 - 層間相互の結合力の弱い構造を持つ微細な炭素シート積層体及びその製造方法 - Google Patents

層間相互の結合力の弱い構造を持つ微細な炭素シート積層体及びその製造方法 Download PDF

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WO2004007363A1
WO2004007363A1 PCT/JP2003/008726 JP0308726W WO2004007363A1 WO 2004007363 A1 WO2004007363 A1 WO 2004007363A1 JP 0308726 W JP0308726 W JP 0308726W WO 2004007363 A1 WO2004007363 A1 WO 2004007363A1
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WO
WIPO (PCT)
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sheet laminate
fine carbon
carbon sheet
layers
fine
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2003/008726
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kunio Nishimura
Takayuki Tsukada
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui and Co Ltd
Original Assignee
Bussan Nanotech Research Institute Inc
Carbon Nanotech Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bussan Nanotech Research Institute Inc, Carbon Nanotech Research Institute filed Critical Bussan Nanotech Research Institute Inc
Priority to AU2003248258A priority Critical patent/AU2003248258A1/en
Publication of WO2004007363A1 publication Critical patent/WO2004007363A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/127—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by thermal decomposition of hydrocarbon gases or vapours or other carbon-containing compounds in the form of gas or vapour, e.g. carbon monoxide, alcohols

Definitions

  • Fine carbon sheet laminate having a structure in which interlayer bonding strength is weak, and method of manufacturing the same
  • the present invention relates to a fine carbon sheet laminate having a structure in which interlayer bonding is weak, and a method for producing the same.
  • the sheet includes a flat sheet, a curved sheet, and a sheet that is not completely closed continuously.
  • fine carbon materials that have attracted attention as basic materials for nanotechnology include fullerenes and fine carbon fibers.
  • fine carbon fibers There are several types of fine carbon fibers depending on the fiber diameter, and they are called vapor-grown carbon fibers, carbon nanofibers, and carbon nanotubes.
  • the crystal structure of these fine carbon materials takes a variety of forms, such as a sheet in which carbon atoms are bonded in a hexagonal mesh (Graph Ensheet), a single carbon nanotube (SWNT) in which one layer is cylindrical, and a Graph Ensheet.
  • Graph Ensheet a hexagonal mesh
  • SWNT single carbon nanotube
  • MWNT multi-walled carbon nanotubes
  • MWNT multi-walled carbon nanotubes
  • nanocone having a crystal structure intermediate between the two, that is, a cone-shaped crystal structure in which the crystal plane extends at a certain angle with respect to the central axis thereof.
  • Examples of the fine carbon material having a shape other than the tubular shape include a rifon-like fine carbon material having a structure in which a graph ensheet is laminated so as to be orthogonal to a fiber direction, and a coil-like fine material having an amorphous structure having no crystallinity. And carbon materials.
  • carbon nanotubes are the finest and have a fiber diameter of less than 100 nm, so the diameter and the geometrical shape (helical structure) of the winding of the sheet are determined by the chiral index, and the metal is determined by the chiral index.
  • properties of semiconductors Its unique physical properties Therefore, it is expected to be widely applied to nanoelectronic materials, composite materials, catalyst support for fuel cells, etc., and gas absorption.
  • carbon nanotubes used as filler materials for electronic materials and composite materials preferably have good crystallinity, are straight, have a small fiber diameter, and are uniform. If it is curled instead of straight, the fibers tend to get entangled and become flocked. When it becomes a floc, it is difficult to grind, it is difficult to arrange fibers when used, and even when it is added to a resin or the like as a filler material, it is difficult to uniformly disperse it, making it difficult to obtain a composite material with desired characteristics . Therefore, it is currently considered difficult to use fine carbon sheets with incomplete crystal structures and tubes.
  • These fine carbon materials are synthesized by an arc discharge method using a carbon electrode, a laser oven method, or a method of chemically pyrolyzing hydrocarbon gas using transition metal fine particles as a catalyst (CVD method, CCVD method). .
  • the carbon nanotubes described in Hyperion, US Pat. No. 4,632,230, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-174018, etc. are fibrils substantially consisting of a continuous multilayer of carbon atoms having a graphite structure, and are regularly arranged. Consisting of multiple layers of aligned carbon atoms, each layer and core are arranged substantially concentrically with the fibril cylinder axis, and each carbon atom layer has its C axis substantially perpendicular to the fibril cylinder axis. It is a fibril made of graphite.
  • a method such as a melt spinning method disclosed in JP-A-2002-29719 clearly shows a graphitic carbon.
  • a method for producing a carbon nanotube having a crystalline structure is disclosed.
  • These fine carbon fibers are formed by laminating a graph ensheet, winding in a tubular shape, and encasing the tube in a multilayered form.
  • the graph encased has hexagonal meshes of carbon atoms formed without defects. .
  • the fine carbon sheet laminate of the present invention has a layer structure having a regularity and a strong bond like a graphite structure, because the graphene sheets having different chirality exist at random. Unlike the above, the degree of freedom between layers increases, Expected to be.
  • the present invention provides a fine carbon sheet laminate having a new structure different from a turbostratic structure and a method for producing the same.
  • a graph ensheet composed of carbon atoms is laminated.
  • the sheet includes a flat sheet, a curved sheet, and a multilayer sheet having a structure in which sheets that are not completely closed continuously as a tube are laminated.
  • the long side of each sheet is almost the same length, at least 100 nm or more, the short side is 3 nm or more, preferably 10 nm or more, and the short side length of each sheet may be different.
  • the carbon atoms that make up the layers exhibit crystallinity in the CO direction, unlike conventional graphite, because each layer has a chirality sheet with different chirality that is randomly combined. It is a fine carbon sheet laminate with a unique structure that does not have a 1: 1 ratio and has a unique structure in which the layers are bonded by a weak bonding force that is not bonded by van der Waals forces such as a graphite structure.
  • These fine carbon sheet laminates have the above-mentioned Graphitization factor g, which is a standard index indicating the physical state of graphite.
  • g (3.44-d 002 ) / (3.44-3.354) (1) may take a positive value of 0 or more, but it cannot be said that graphite is a graphite solely based on these physical properties.
  • the lattice spacing (002) which is a parameter of the lattice spacing (002) in Angstroms, which is a parameter of d M2 X-ray diffraction of the sheet laminate, is apparent from the analysis result of the electron microscope as though it has a graphite structure.
  • fine carbon fibers satisfying the above conditions do not have a graphite structure.
  • the fine carbon sheet laminate of the present invention does not have a graphite structure or a turbostratic structure.
  • the fine carbon sheet laminate having a structure that is not graphite according to the present invention has a laminate structure having a flat, curved, or almost tube-like shape, and the mutual relationship of graph sheets is random. It is characterized by having a structure.
  • a laminate of fine carbon sheets having such a structure exhibits surprisingly significant industrial-use properties compared to conventional carbon nanotubes having a graphitic structure.
  • each graph enclosure behaves as a single graph enclosure.
  • the graphene sheet itself is tightly coupled (Rigid) between C and C by SP 2 hybrid orbitals, and the Phonon phenomenon occurs. That is, the CC bond, which is harder than the bond between metal atoms, makes the conductivity of heat, that is, physical vibration, very high.
  • the thermal conductivity of the CC bond is 2000 WZm ° K, which is more than several times that of the metal bond.
  • the graphene that constitutes the graphene mainly has a negative graph initiation factor, so that the daraphen layer can vibrate without receiving mutual interference. It is possible to have higher thermal conductivity than metal.
  • the outermost layer of the graph ensheet is less susceptible to electronic interference from inside the tube, and the electrons on the graph ensheet easily react with substances outside the tube. Become.
  • the dalaphen layer is wide, other substances can be easily introduced between the layers.
  • the graph ensheet layer interval is wider than conventional carbon nanotubes, fullerenes, metal-encapsulated fullerenes, which have a high degree of freedom between layers and are relatively large,> It can be introduced between layers. This space can be secured if the distance between the layers is at least larger than 0.4 nm.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a reaction apparatus of Example 1.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a reaction apparatus of Example 2.
  • FIG. 3 is a transmission electron micrograph of the fine carbon sheet laminate obtained in Example 1.
  • FIG. 4 is a transmission electron micrograph of the fine carbon sheet laminate obtained in Example 2.
  • the chirality of such a fine carbon sheet laminate is determined by the molecular dynamics method.
  • a simulation was performed using the method (for the molecular dynamics calculation method, see Shigeo Maruyama, "Carbon Nanotubes (2002) Chapter 7: Generation and Mechanism of Single-Walled Carbon Nanotubes”).
  • Table 1 shows the chirality of the outer and inner layers of the fen sheet. It is clear that the chirality of the outer layer and the inner layer of such a fine carbon sheet laminate is stochastically determined, and in the case of a multilayer tube, it is probable that all layers have the same chirality. In this simulation, the chirality is calculated only at the extremes of metallic or semiconducting, but in reality, there is an intermediate chirality, so it is very unlikely that all layers will have the same chirality. With a low probability, it is clear that the fine carbon sheet laminate of the present invention has a random chirality.
  • the fine carbon sheet laminate of the present invention can be manufactured by the following method.
  • hydrogen compound is introduced into the reactor together with a carrier gas consisting of methane or an inert gas, 2 X 1 0 5 P a pressure below the reaction furnace temperature 6 0 O: ⁇ 1 2 5 0 ° C in a chemical heat Decomposition (CVD method).
  • transition metal catalyst may be used by being supported on a carrier (CCVD method).
  • transition metal examples include iron, cobalt, nickel, yttrium, titanium, vanadium, manganese, chromium, copper, niobium, molybdenum, palladium, stainless steel, and platinum.
  • transition metal compound these oxides, nitrates, sulfates, acetates, chlorides and the like can be used.
  • Compounds containing sulfur include sulfur alone, and H 2 S, CS 2 , S ⁇ 2 , thiol, thioether, and thiophene.
  • the fine carbon sheet laminate of the present invention has significant features as described above as compared with conventional carbon nanotubes, and thus has a wide range of applications.
  • the method of use is broadly classified into a method of using as a sheet and a method of using as a powder.
  • a method of using as a sheet there are fields that use characteristics such as electron emission capability and conductivity in addition to FEDs, semiconductor devices, and the like.
  • a 0-dimensional composite material such as a slurry
  • a linearly processed 1-dimensional composite material It can be used for 3D composites such as 2D composites (cloth, film, paper) processed into a sheet shape, and 4) complex molded products and blocks.
  • a conductive resin and a conductive resin molded product by being mixed with a resin, for example, for packaging materials, gaskets, containers, resistors, conductive fibers, adhesives, inks, and paints.
  • Example 1 Many of these are used as fillers and can be used as substitutes for conventional carbon fibers and beads. For example, they are applied to battery pole materials, switches, and vibration-proof materials. Example Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples. Example 1
  • the reactor was manufactured by the CVD method using the reactor shown in Fig. 1.
  • the raw material liquid was converted into minute droplets using an ultrasonic atomizer, and the droplets were carried into the system from the upper part of the reactor with the use of the Helium gas.
  • Helium gas was flowed from the upper part to the lower part of the reactor as an atmospheric gas, and pyrolyzed under the following reaction conditions.
  • Reactor temperature 1200 ° C
  • Atmosphere gas helium (200 ml / min) + hydrogen (40 ml / min)
  • TEM transmission electron microscope
  • Catalyst preparation 1.68 g of cobalt nitrate hexahydrate was dissolved in about 1 Om 1 of water, and 4 lm l of 0.14 M aqueous solution of ammonium molybdate was added and mixed. 75 g was mixed well in an evaporating dish to form a slurry. After drying in a dryer at 120 ° C for 1 ⁇ , the mixture was ground in a mortar to prepare a catalyst.
  • Reactor Horizontal tubular furnace with quartz reaction tube, catalyst particles are placed on a quartz plate and reacted It was set near the center of the tube.
  • Catalyst activation and reaction Heated to 800 t: under argon flow, held for 30 minutes, then bubbling argon into ethanol heated to 50 ° C, and introducing ethanol vapor into the reactor. To react on the catalyst. After introducing steam for 30 minutes, cooling was performed while flowing only argon gas, and then the product was taken out.
  • FIG. 4 shows a TEM photograph of the obtained fine carbon sheet laminate.
  • the fine carbon sheet laminate of the present invention is suitable as a conductive resin mixed with a resin, an electromagnetic wave shielding paint, and molded into a conductive resin molded article, an electromagnetic wave shielding material and the like.

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Abstract

炭素原子から構成される少なくとも２枚のグラフェンシートで、長辺の長さが少なくとも１００ｎｍ以上、短辺の長さが３ｎｍ以上である該シートが多層に積層して、各層の長辺がほぼ同一、短辺の長さは異なり、隣りあった層を構成する炭素原子同士がＣ０方向に結晶性のない配位関係にあり、層間が黒鉛構造を構成するために必要なファンデルワールス力より弱い結合力で結合している層間相互の結合力の弱い構造を持つ微細な炭素シート積層体で隣接する２つの層の層間距離が０．３４４ｎｍより大きく、各層のカイラリティー（Chirality）が無作為に組み合わされている。周期律表第VI族元素含有化合物を遷移金属超微粒子触媒の存在下に熱分解して製造する。

Description

明 細 書
層間相互の結合力の弱い構造を持つ微細な炭素シート積層体及びその製造方法
技術分野
本発明は、 層間相互の結合力の弱い構造を持つ微細な炭素シート積層体及びそ の製造方法に関する。 シートは扁平なもの、 曲面状のもの及び筒状であって連続 的に完全に閉じてないものも含む。
背景技術
近年ナノテクノロジーの基盤材料として注目されている微細炭素材料には、 フ ラーレン、 微細炭素繊維などがある。 微細炭素繊維は、 繊維径によっていくつか の種類があり、 気相法炭素繊維、 カーボンナノファイバ一、 カーボンナノチュー ブなどと呼ばれている。
これらの微細炭素材料の結晶構造は多様な形態をとり、 炭素原子が六角網目状 に結合したシート （グラフエンシート） 一層が円筒状になったシングルカーボン ナノチューブ （S WN T) やグラフエンシー卜の円筒が何層も入れ子状に積層し た多層カーボンナノチューブ （MWN T) がある。 さらには、 この両者の中間的 な結晶構造、 すなわち、 結晶面がその中心軸に対して一定の角度をなして広がり を有するコ一ン状の結晶構造を有するナノコーンなどがある。
また、 チューブ状以外の形状の微細炭素材料としては、 グラフエンシートが繊 維方向に対して直交するように積層された構造のリポン状微細炭素材料や結晶性 を示さないアモルファス構造のコィル状微細炭素材料などが挙げられる。
なかでも、 カーボンナノチューブは最も微細な、 繊維径が 1 0 0 n m以下のも ので、 直径とシートの巻き方の幾何学形状 （らせん構造） がカイラル指数によつ て決定され、 カイラル指数によって金属や半導体の性質を示す。 その特異な物性 から、 ナノ電子材料、 複合材料、 燃料電池などの触媒担持、 ガス吸収などの広い 応用が期待されている。
電子材料や複合材料のフィラー材として用いる力一ボンナノチューブは、 良好 な結晶性を有し、 真直ぐであること、 繊維径が細く、 かつ均一であることが好ま しいとされている。 真直ぐでなく、 カールしている場合には、 繊維どうしが絡み やすく、 フロック状になりやすい。 フロック状になると、 粉碎しにくく、 使用時 に繊維を配列させ難くなるし、 フイラー材として樹脂等に添加する場合にも、 均 一に分散し難くなるので所望の特性の複合材料を得にくくなる。 従って、 結晶構 造及びチューブが完全でない微細炭素シ一トは利用しにくいとされているのが現 状である。
これらの微細炭素材料は、 炭素電極を用いたアーク放電法、 レーザーオーブン 法や、 遷移金属微粒子を触媒として用いて炭化水素ガス等を化学熱分解する方法 (CVD法、 CCVD法） で合成される。
ところで、 従来知られている力一ボンナノチューブとして、
1) ハイペリオン （Hyperion) 社特許 US 4663230、 特開平 3— 1740 18等に記載のカーボンナノチューブは、 実質的にグラフアイト構造を持つ炭素 原子の連続的な多重層からなるフイブリルであり、 規則的に配列した炭素原子の 層の多層からなり、 各層とコアがフィブリルの円柱軸に実質的に同心円状に配置 されていて、 炭素原子の各層は C軸がフィブリルの円柱軸に実質的に直交してい る黒鉛質からなるフィブリルである。
2) ハイペリオン社の特許を含め、 現在までに多くのカーボンナノチューブに関 する特許出願、 例えば特開平 05— 179514 (日機装） 、 06— 15701 6 (NEC) 、 06-2801 16 (NEC) 、 07- 150419 (昭和電工 ) 、 08- 100328 (キヤノン） 、 10— 273308 (三菱化学） 、 1 1 - 116218 (大阪瓦斯） 、 11一 180707 (NEC) , 1 1— 2636 10 (トヨタ） 、 2000— 95509 (昭和電工） 、 2000— 203819 (大阪瓦斯） 、 2000— 31 9783 (日進ナノテック） 、 2001— 809 13 (日機装） 、 2001— 1 1 5342 (ェ技院） 等が出願されているが、 こ れらは全て、 黒鉛又は黒鉛的構造を持つものと規定されている。 すなわち、 各層 間は黒鉛的にタイ卜に固定されている。 さらに炭素技術の標準的な物性値の表現 方法である （1) 式で示される Graphitization Factor (黒鉛化指数） gが正の 値をとるとされる。
g= (3.44-d002) / (3.44- 3.354) (1)
3) 曽根田 （ 「カーボンナノファイバ一による水素吸蔵」 、 NIRE ニュース （資 源環境技術総合研究所） 、 1998年 12月） は、 一酸化炭素から金属表面に析出す るカーボンナノチューブを電子顕微鏡 （SEM、 TEM) 等で観察している。 そ れによると、 1つのカーボンナノチューブは 「炭素質の積層構造が繊維軸に対し て一定の角度を持って発達し、円錐型構造 （conical structure) を形成している 」 もので、 乱層構造を持つことを観察している。 また、 別のグラフエンシー卜が C軸方向に特異的に成長している繊維状炭素、 すなわち、 ハイペリオン社等が開 示しているカーボンナノチューブは、 結晶性の高い黒鉛構造を持っていると、 報 告している。
4) 特開 200 1— 3420 14の微小な針状物質の周囲に炭素結晶構造物を析 出させる方法ゃ特開 2002 - 297 19の溶融紡糸法のような方法は、 明らか に黒鉛的な炭素結晶構造のカーボンナノチューブを生成する方法を開示するもの である。
これらの微細炭素繊維は、 グラフエンシートが積層し、 筒状に巻かれ、 筒が入 れ子状に多層となっていて、 グラフエンシー卜は炭素原子の六角網目が欠陥なく 形成されている。
これに対して、 本発明の微細な炭素シート積層体は、 カイラリティーが異なるグ ラフエンシートが無作為に存在するので、 黒鉛構造のような規則性があつて強固 に結合されている層構造とは異なり、 層間の自由度が増し、 特異な性質を示すも のと期待される。
本発明は、 乱層構造とも異なる新しい構造の微細な炭素シート積層体及びその 製造方法を提供するものである。
本発明の微細炭素シート積層体は、 炭素原子から構成されるグラフエンシート が積層状になる。 シートは扁平なもの、 曲面状になっているもの、 チューブとし て連続的に完全には閉じていないシートが積層した構造を持つ多層のシートも含 む。 各シートの長辺はほぼ同一の長さで、 少なくとも 100 nm以上、 短辺は 3 nm以上、 好ましくは 10 nm以上で、 各シートの短辺の長さは、 異なっていて よい微細炭素シート積層体、 特に隣接する 2つの層の層間距離が 0. 344nm より大きい、 好ましくは 0. 4 nm以上の微細な炭素シートの積層体である。 各 層のカイラリティー （Chirality) の異なるクラフェンシートが無作為に組み合 わされて構成されているために、 従来の黒鉛と異なり、 層を構成する炭素原子同 士が CO方向に結晶性を持たず、 1 ： 1に対応していない、 また層間も黒鉛構造 のようにファンデルワールス力で結合していない弱い結合力で結合している特異 な構造の微細な炭素シート積層体である。
これらの微細な炭素シ一ト積層体は、 黒鉛の物理的状態を示す標準的な指数で ある上記 Graphitization factor g (黒鈴化指数）
g= (3.44-d 002) / (3.44-3.354) (1) が 0以上の正の値をとる場合もあるが、 この物性値のみによつて黒鉛であるとは 言いがたい。 シート積層体の dM2X線回折によるパラメーターである格子面間隔 (002) をオングストロームで表した面間距離は、 電子顕微鏡の解析結果から 見かけ上、 黒鉛構造を取っているように見られるが、
1) シート各層の短辺の幅が異なる。 また、 長辺方向も各層の末端がずれている ことがある。 従って、 平板にすると平面的に縦横に余りが生じる。
2 ) カイラリティ一が一定でないので、 平板にした場合、 炭素の位置が各層ごと に異なる。 従って、 チューブを構成する各グラフエンシー卜の炭素原子同士は 1 ： 1に対応できない。
3 ) 本微細炭素シート積層体を構成するグラフエンシートは、 完璧な構造のもの ばかりでなく、 欠陥を含んでいるものも多い。 従って、 隣り合った層を構成する グラフエンシー卜の炭素原子は 1 ： 1に対応できない。
よって、 上記の条件を満たす微細炭素繊維は黒鉛構造にはならない。
一方、 乱層構造の定義により、 長さ方向に長く、 完璧に構成されている微細な 炭素シート積層体は乱層構造であるともいえない。 従って、 本発明の微細な炭素 シート積層体は黒鉛構造でも、 乱層構造でもない。
すなわち、 本発明の上記黒鉛でない構造を持つ微細な炭素シート積層体は、 扁 平、 曲面状又はほぼチューブに近い形状の積層構造を持ち、 かつグラフエンシー トの相互関係は無作為である相互構造を持つことを特徴としている。
こうような構造を持つ微細炭素シート積層体は、 従来の黒鉛的構造のカーボン ナノチューブと比較して、 驚くべきほどの工業利用上の有意な特性を発現する。 第一に、 各グラフエンシートが相互にゆるい結合力によって固定されているの で、 各グラフエンシー卜が各々単独のグラフエンシート的に挙動する。 グラフェ ンシートそのものは S P 2混成軌道により、 C - C間が堅く （Rigi d) 結合されて いて、 Phonon 現象が起こる。 すなわち、 金属原子間の結合よりも堅い C-C結合 により、 熱、 すなわち物理的振動の伝導度が非常に高くなる。 C - C結合の熱伝 導度は、 2 0 0 0 WZm° Kで、 金属結合の数倍以上である。 本発明の微細な炭 素シート積層体は構成するグラフェンが、 主に負の Graph i t i zat i on Fac torを持 つので、 ダラフェン層が相互の干渉を受けることなく、 振動することが可能であ り、 金属に比べて高い熱伝導度を持つことが可能である。
第二に、 上記の同じ理由により、 ダラフェン層間の干渉が無いので、 電子の移 動が容易であり、 すなわち電気伝導度が高くなる。
第三に、 黒鉛と異なる相互構造であることにより、 磁場をかけると抵抗が増え る。 この効果は具体的には電磁波遮蔽性として発現し、 吸収した電磁波を熱に変 換することにより高いステルス性を示す。
第四に、 黒鉛と異なる相互構造であることにより、 最外層のグラフエンシート はチューブ内部からの電子的干渉を受けにくく、 グラフエンシート上の電子は容 易にチューブ外側の物質と反応しやすくなる。
また、 本発明の微細炭素シート積層体は、 ダラフェン層間が広いことにより、 層間に他の物質を導入しやすい。 すなわち、 従来の力一ボンナノチューブに比べ てグラフエンシート層間隔が広いので、 層間の自由度が高く比較的大きな物質で あるフラーレン、 金属内包フラーレン >原子番号の大きな金属原子及びそのィォ ンを、 層間に導入可能である。 層間を少なくとも 0 . 4 n mより大きくすれば、 この空間を確保することができることになる。 図面の簡単な説明
図 1は、 実施例 1の反応装置を模式的に示す図である。
図 2は、 実施例 2の反応装置を模式的に示す図である。
図 3は、 実施例 1で得られた微細な炭素シート積層体の透過電子顕微鏡写真で ある。
図 4は、 実施例 2で得られた微細な炭素シート積層体の透過電子顕微鏡写真で ある。 発明を実施するための最良の形態
本発明の層間距離が 0 . 3 4 4 n mよりも大きいが、 このような微細炭素シ一 ト積層体のカイラリティー （Ch i ra l i ty) の Charac ter i zat i onを分子動力学法を 用いてシミュレーションを行った （分子動力学計算方法については、 丸山茂夫 「カーボンナノチューブ （2 0 0 2 ) 第 7章：単層カーボンナノチューブの 生成とメカニズム」 を参照） 。
その結果、 このように層間距離の大きい微細炭素シート積層体を構成するダラ フェンシートの外層と内層のカイラリティーの関係は、 表 1に示される。 このよ うな微細炭素シート積層体の外層及び内層のカイラリティ一は確率的に定まり、 多層のチューブの場合、 全層が同一のカイラリティ一であることは確率的に低い ことが明らかである。 このシミュレーションはカイラリティ一が金属的か半導体 的かの両極端のみで計算しているが、 実際には、 この中間のカイラリティーが存 在するので、 全層が同一のカイラリティ一になることは非常に低い確率になり、 本発明の微細炭素シート積層体はカイラリティ一が無作為であることが明らかで ある。
外層と内層の力イラリティ一の関係
層間距離 [nm] 層のカイラリティー 存在する確率 [%] 外層 内層
0. 376 メタリック メタリック 22. 4 メタリック 半導体 16. 8 半導体 メタリック 15. 0 半導体 半導体 45. 8
0. 400 メタリック メタリック 12. 2 メタリック 半導体 15. 7 半導体 メタリック 26. 1 半導体 半導体 46. 1
0. 431 メタリック メタリック 18. 7 メタリック 半導体 15. 4 半導体 メタリック 21. 1 半導体 半導体 44. 7 本発明の微細な炭素シート積層体は、 次のような方法によって製造することがで きる。
少なくとも 1種以上の遷移金属またはその化合物の超微粒子を触媒として、 周 期律表の第 VI 族元素を含有する化合物と炭素源となる有機化合物または周期律 表の第 VI 族元素を含有する有機化合物を水素、 メタン又は不活性ガスからなる キャリアガスとともに反応炉に導入し、 2 X 1 0 5 P a以下の圧力、 反応炉の温 度 6 0 O ：〜 1 2 5 0 °Cで化学熱分解 （C V D法） する方法。
また、 遷移金属触媒は担体に担持させて用いてもよい （C C VD法） 。
遷移金属としては、 例えば鉄、 コバルト、 ニッケル、 イットリウム、 チタン、 バナジウム、 マンガン、 クロム、 銅、 ニオブ、 モリブデン、 パラジウム、 夕ング ステン、 白金等が挙げられる。 遷移金属化合物としては、 これらの酸化物、 硝酸 塩、 硫酸塩、 酢酸塩、 塩化物等が使用できる。
周期律表の第 VI 族元素を含有する化合物としては、 酸素を含むものとして C 0、 C〇2、 有機化合物としてメタノール、 エタノール等のアルコール類、 ァセ トン、 メチルェチルケトン等のケトン類、 フエノール、 クレゾ一ル等のフエノー ル類、 ジェチルエーテル等のエーテル類、 ホルムアルデヒド、 ァセトアルデヒド 等のアルデヒド類、 酢酸、 プロピオン酸、 コハク酸、 アジピン酸等の有機酸およ び酢酸メチル， 酢酸ェチル等のエステル類が使用できる。 また、 硫黄を含む化合 物としては、 単体の硫黄、 及び H 2 S、 C S 2、 S〇2、 チオール、 チォエーテル 、 チォフェン類が挙げられる。 次に、 本発明の微細な炭素シート積層体の利用分野について説明する。
本発明の微細な炭素シート積層体は従来のカーボンナノチューブに比べ >上記 説明の有意な特徴を有するので、 その応用範囲は広い。
利用方法としては、 シートとして利用する方法と、 粉体として利用する方法に 大別される。 シートとして利用する場合は、 F E D、 半導体素子、 他に電子放出能、 導電性 等の特性を利用する分野がある。
粉体として利用する方法には、 その利用形態によって、 1 ) 粉体を分散し、 ス ラリー状のような 0次元の複合材、 2 ) 線状に加工した 1次元の複合材、 3 ) シ ート状に加工した 2次元の複合材 （布、 フィルム、 紙） 、 4 ) 複雑な成形体、 ブ ロック等の 3次元複合材に利用できる。
これらの形態と目的とする機能を組み合わせることによって、 極めて広い適用 が可能になる。 これを機能別に具体例を示すと、 次のようなものが例示される。
1 ) 導電性を利用するもの
樹脂に混合することによる導電性樹脂及び導電性樹脂成型体として， 例えば包 装材、 ガスケット、容器、 抵抗体、 導電性繊維、 接着剤、 インク >塗料等に好適に 用いられる。
2 ) 熱伝導性を利用するもの
上記導電性の利用の場合と同様な使い方ができる。
3 ) 電磁波遮蔽性を利用するもの
樹脂に混合することにより、 電磁波遮蔽性塗料や成形して電磁波遮蔽材等とし て好適である。
4 ) 物理的特性を利用するもの
摺動性を高めるために樹脂、 金属に混合してロール、 ブレーキ部品、 タイヤ、 ベアリング、歯車 >パンタグラフ等に利用する。
また、 軽量で強靭な特性を活かして電線、 家電 ·車輛，飛行機等のボディ、 機 械のハゥジングに利用できる。
これらの多くはフイラ一としての利用であり、 従来の炭素繊維、 ビーズの代替 としても使用でき、 例えば電池の極材、スィツチ、防振材に応用する。 実施例 以下、 実施例により本発明を更に詳しく説明するが、 本発明は下記の実施例に 何ら限定されるものではない。 実施例 1
縦型反応炉を使用し、 図 1に示す反応装置により CVD法で製造した。
超音波噴霧器で原料液を微小な液滴とし、 これをヘリゥムガスで反応炉上部よ り系内へキャリーした。 また、 雰囲気ガスとしてヘリウムガスを反応炉上部より 下部へ流し、 下記の反応条件により熱分解した。
生成物は自重により落下し反応炉下部の回収箱およびフィル夕一で回収した。 原料液：酢酸鉄 0. 1 5 gを溶解したエタノール 1 0 0m 1
反応装置：内径 7 6 φの S i Cチューブ
反応炉温度： 1 2 0 0 °C
雰囲気ガス ：ヘリウム （200m l /m i n) +水素 （40m l /m i n) 得られた微細な炭素シート積層体の透過電子顕微鏡 （TEM) 写真を図 3とし て示す。
この図から、 約 1 nmに 3層のグラフエンシー卜が積層された微細な炭素シー 卜の積層体が確認できる。 また、 シートの網目構造が完璧ではなく、 欠陥の多い グラフエンシートであることが示される。 実施例 2
横型反応炉を用い、 図 2に示す反応装置により C C VD法で製造した。
触媒調製：硝酸コバルト六水和物 1. 6 8 gを約 1 Om 1の水に溶解後、 0. 14 Mのモリブデン酸アンモニゥム水溶液を 4 lm l添加混合し、 この液と Mg 〇粉末 8. 7 5 gを蒸発皿でよく混合してスラリー状とした。 1 2 0°Cの乾燥機 で 1晚乾燥後乳鉢にて粉砕して触媒を調製した。
反応装置：石英反応管の横型管状炉、 触媒粒子は石英製の板の上に乗せ、 反応 管中央付近にセットした。
触媒の賦活および反応：アルゴン流通下、 8 0 0 t:まで加熱し、 3 0分保持後 、 5 0 °Cに加温したエタノールにアルゴンをバブリングして、 エタノール蒸気を 反応炉内へ導入して触媒上で反応させた。 3 0分蒸気を導入後、 アルゴンガスの みを流通しつつ冷却してから、 生成物を取り出した。
得られた微細な炭素シート積層体の T E Mによる写真を図 4に示す。
この図から、 グラフエンシートが 2層積層されており、 また実施例 1と同じく 欠陥の多いグラフエンシートであることが示される。 産業上の利用可能性
本発明の微細炭素シート積層体は、 樹脂に混合することによる導電性樹脂、 電 磁波遮蔽性塗料及び成形して導電性樹脂成型体、 電磁波遮蔽材料等として好適で ある。
また、 摺動性を高めるために榭脂、 金属に混合してロール、 ブレーキ部品、 夕 ィャ、 ベアリング、 歯車、 パン夕グラフ等に、 さらに軽量で強靭な特性を活かし て電線、 家電 ·車両 ·飛行機のボディ、 機械のハウジングに利用できる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 炭素原子から構成される少なくとも 2枚のグラフエンシートで、 長辺の長さ が少なくとも 1 0 0 n m以上である該シー卜が多層に積層して、 各層の長辺がほ ぼ同一で、 隣りあった層を構成する炭素原子同士が C 0方向に結晶性のない配位 関係にあり、 層間が黒鉛構造を構成するために必要なファンデルワールス力より 弱い結合力で結合していることを特徴とする層間相互の結合力の弱い構造を持つ 微細な炭素シート積層体。
2 . 積層したグラフエンシー卜の短辺の長さが、 それぞれ異なる請求の範囲 1記 載の微細な炭素シート積層体。
3 . 積層したグラフエンシートの短辺の長さが、 3 n m以上である請求の範囲 1 または 2記載の微細な炭素シート積層体。
4 . 積層したダラフェンシートの長辺の長さがそれぞれ異なる請求の範囲 1ない し 3記載の微細な炭素シ一ト積層体。
5 . 積層したグラフエンシートの隣り合った層を構成するシートのカイラリティ 一が無作為に組み合わされていることを特徴とする請求の範囲 1ないし 4記載の 微細な炭素シート積層体。
6 . 積層したグラフエンシー卜の網目構造が完璧ではないシートから構成される 請求の範囲 1ないし 5記載の微細な炭素シート積層体。
7 . 積層構造における隣りあった層の網目構造を構成する炭素原子が 1 ： 1に規 則的に対応していない請求の範囲 1ないし 6記載の微細な炭素シート積層体。
8 . 請求の範囲 1ないし 7記載の微細な炭素シート積層体を短辺方向に巻くが、 連続的に完全には閉じていないチューブ状のシート積層体。
9 . 請求の範囲 8記載の微細な炭素シート積層体の長さと不完全チューブの比で あるァスぺクト比が 1 0 0以上である微細な炭素シート積層体。
1 0 . 前記ァスぺクト比が 1 0 0 0 0以上である請求の範囲 9に記載の微細な炭 素シート積層体。
1 1 . グラフエンシートからなる微細炭素シート積層体の層間に形成される中空 部分にフラーレン、 金属内包フラーレン、 金属原子及び/又は金属原子イオンを 充填した構造を持つ請求の範囲 1ないし 1 0のいずれかに記載の微細な炭素シー ト積層体。
1 2 . グラフエンシー卜からなる微細な炭素シート積層体を製造する方法におい て、 少なくとも 1種類以上の遷移金属又はその化合物の超微粒子を触媒として、 周期律表の VI族元素を含有する化合物と有機化合物または周期律表の VI族元素 を含有する有機化合物を 2 X 1 0 5 P a以下の圧力下で化学熱分解 （C V D) す る請求の範囲 1ないし 1 1のいずれかに記載の微細な炭素シート積層体の製造方 法。
1 3 . グラフエンシー卜からなる微細な炭素シート積層体を製造する方法におい て、 少なくとも 1種類以上の遷移金属またはその化合物の超微粒子触媒を担体に 担持させて、 周期律表の VI 族元素を含有する化合物と有機化合物または周期律 表の VI 族元素を含有する有機化合物を 2 X 1 0 5 P a以下の圧力下で熱分解す る触媒化学気相合成法 （C C V D法） による請求の範囲 1ないし 1 1のいずれか に記載の微細な炭素シート積層体の製造方法。
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