(57)【要約】【課題】  従来の方法では、高い電気伝導性や熱伝導性を実現するために、三次元多孔質体にカーボンナノチューブ分散液を含浸させ又はコーティングした後に、さらにこれを炭化させる工程が必要であり、また、強酸などの酸化剤によって酸化処理をすることによってカーボンナノチューブを化学的に修飾する必要があった。そのため、カーボンナノチューブがダメージを受けることで電気伝導性や熱伝導性は大きく損なわれ、また、大量生産を実現することも困難であった。【解決手段】  多孔質体の母材とカーボンナノチューブ分散液とを混合した後に、相分離を生じさせて多孔質体を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブ含有多孔質体の製造方法であって、相分離を生じさせることにより多孔質体を形成する工程を含む方法。
【請求項２】
多孔質体の母材とカーボンナノチューブ分散液とを混合する工程において、多孔質体の母材とカーボンナノチューブ分散液との混合溶液中のＤＭＳＯと水との体積比が９０：１０〜８５：１５になるよう調製する工程をさらに含む、請求項１記載のカーボンナノチューブ含有多孔質体の製造方法。
【請求項３】
多孔質体の母材がポリアクリロニトリルである、請求項１又は２記載の、カーボンナノチューブ含有多孔質体の製造方法。
【請求項４】
カーボンナノチューブ含有多孔質体であって、カーボンナノチューブと多孔質体の母材とを含み、ＢＥＴ比表面積が１３０〜２５０ｍ２／ｇであり、電気伝導性が１．５〜３．５Ｓ／ｃｍであり、熱伝導性が０．０５〜０．５Ｗ／（ｍ．Ｋ）である、カーボンナノチューブ含有多孔質体。
【請求項５】
多孔質体の母材がポリアクリロニトリルである、請求項４記載の、カーボンナノチューブ含有多孔質体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含有する多孔質体及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、三次元多孔質体は、キャパシタータイプの蓄電デバイス、燃料電池、二次電池、フィルター、触媒、又はクロマトグラフィーの固定相などへの利用が研究されてきた。
【０００３】
特に、三次元多孔質体とカーボンナノチューブのような電気伝導性や熱伝導性を有する材料とを組み合わせた、電気伝導性や熱伝導性を有する三次元多孔質体の研究が行われ、例えば、カーボンナノチューブを含有する三次元多孔質体を実現する方法として、成形後の三次元多孔質体にカーボンナノチューブ分散液を含浸させ又はコーティングする方法が研究されてきた。
【０００４】
しかしながら、三次元多孔質体にカーボンナノチューブ分散液を含浸させ又はコーティングする方法の場合、多孔質体内にカーボンナノチューブを安定的に担持することができず、また、多孔質体へのカーボンナノチューブの積載効率も低いという問題があった（非特許文献１）。
【０００５】
また、従来の方法では、高い電気伝導性や熱伝導性を実現するために、三次元多孔質体にカーボンナノチューブ分散液を含浸させ又はコーティングした後に、さらにこれを炭化させる工程が必要であり、また、強酸などの酸化剤によって酸化処理をすることによってカーボンナノチューブを化学的に修飾する必要があった（非特許文献２）。そのため、カーボンナノチューブがダメージを受けることで電気伝導性や熱伝導性は大きく損なわれ、また、大量生産を実現することも困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M.T.Byrne et al., Recent Advances in reasearch on carbon nanotubepolymer composites, Adv.Mater 22 (2010) 1672
【非特許文献２】S. Nardecchia, et al., Three dimensional macroporous architectures and aerogels built of carbon nanotubes and/or graphene: synthesis and applications, Chem Soc. Rev. 42 (2013) 794-830
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、カーボンナノチューブを含有する多孔質体及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従来のカーボンナノチューブ含有多孔質体では、カーボンナノチューブの含浸後又はコーティング後にさらなる炭化を行っていたり、使用するカーボンナノチューブに対して酸化処理を行ったりする必要があったところ、本発明者は、多孔質体の母材とカーボンナノチューブ分散液とを混合した後に、相分離（phase separation）を生じさせて多孔質体を形成することで、カーボンナノチューブの分散液とカーボンナノチューブを安定的にかつ高い積載効率で含有させた新規な多孔質体（図１）を実現し、本発明を完成させた。
【０００９】
本発明では、カーボンナノチューブの含浸後又はコーティング後のカーボンナノチューブ含有多孔質体に対してさらなる炭化を行ったり、カーボンナノチューブに対して酸化処理を行ったりする工程を経る必要がないため、カーボンナノチューブにダメージを与えることなく、その高い電気伝導性や熱伝導性を維持したまま利用することができ、かかるカーボンナノチューブを含有する多孔質体の電気伝導性と熱伝導性を高くすることができる。
また、従来の方法と異なり、多孔質体を炭化させることはないため、多孔質体の表面積が大きいままに維持できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、カーボンナノチューブにより実現される高い電気伝導性と熱伝導性を有する多孔質体を実現することができる。また、多孔質体の表面積を大きいままに維持することができる。また、本発明によれば、鋳型を用いずに多孔質体を形成することができるため、様々な形状のカーボンナノチューブ含有多孔質体を形成することができる（図２参照）。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、カーボンナノチューブ含有多孔質体であるポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの断面のＳＥＭ画像である。
【図２】図２は、２３．７ｗｔ％カーボンナノチューブ含有多孔質体であるポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの写真である。
【図３】図３は、カーボンナノチューブが管状レベルで分散した、多層カーボンナノチューブ濃度が２ｗｔ％であるＤＭＳＯのＳＥＭ画像である。
【図４】図４は、ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ混合溶液を、動的光散乱サイズ分布解析（DLS size distribution analysis）によって分析した結果である。ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ混合溶液においてカーボンナノチューブの分散状態が維持されていることが示されている。
【図５】図５は、（a）乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリス及び（ｂ）乾燥したポリアクリロニトリルモノリスの、それぞれのＸ線回折（ＸＲＤ）パターンの測定結果である。
【図６】図６は、乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスをフーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ法）で分析した結果である。
【図７】図７は、乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの窒素吸着／脱着等温線である。
【図８】図８は、乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの熱安定性（thermal stability）を測定した結果である。
【図９】図９は、乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの電気伝導性を測定した結果である。
【図１０】図１０は、乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの熱伝導性を測定した結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を説明する。ただし、以下の実施形態は、発明内容の理解を助けるためのものであり、本発明を限定するものではない。
【００１３】
＜カーボンナノチューブ含有多孔質体＞
本発明におけるカーボンナノチューブ含有多孔質体は、カーボンナノチューブと多孔質体の母材とを含む。
【００１４】
本発明に使用できるカーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、又はこれらの混合物が挙げられる。カーボンナノチューブの平均の直径は、０．４ｎｍ〜１μｍ程度であればよく、好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍである。また平均の長さは、長い方が好ましいが、５０ｎｍ以上であればよく、好ましくは、１μｍ以上である。カーボンナノチューブは酸化処理等の化学的修飾がされていても良いが、カーボンナノチューブの高い電気伝導性や熱伝導性を維持するという観点からは、酸化処理のような、カーボンナノチューブの性質を損なう化学的修飾については、行われないことが望ましい。
【００１５】
本発明における多孔質体の母材は、多孔質体を構成できる材料であれば特に限定されないが、ナイロンなどのポリアミド、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などのアクリル、ゴム、プラスチック、熱可塑性プラスチック、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリウレタン、ポリエーテルウレタン、ポリ塩化ビニル、ビニルニトリル、シリコン、ラテックス、それらの誘導体及びそれらの組み合わせの材料から形成することができる。
【００１６】
本発明のカーボンナノチューブ含有多孔質体におけるカーボンナノチューブ濃度は、０．１〜９８質量％であればよく、多孔質体内でのカーボンナノチューブネットワーク形成の観点から、好ましくは、２５質量％以上である。
＜カーボンナノチューブを含有する多孔質体の製造方法＞
【００１７】
本発明におけるカーボンナノチューブを含有する多孔質体は、多孔質体の母材とカーボンナノチューブ分散液を混合した後に、相分離を生じさせることにより多孔質体を形成することで製造することができる。
【００１８】
本発明におけるカーボンナノチューブ分散液とは、カーボンナノチューブをジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等の溶媒に分散させた溶液を意味する。ここでのカーボンナノチューブの分散は、管状レベルまで行われていることが望ましい（図３参照）。
また、カーボンナノチューブを分散させる際には、公知の分散剤（例えば、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）等や胆汁酸等の界面活性剤）を用いても良く、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）やポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）等の安定剤を用いても良い。
【００１９】
本発明における多孔質体の母材とカーボンナノチューブ分散液とを混合する工程においては、カーボンナノチューブ分散液に少量の水、エタノール、アセトニトリル等の溶媒を添加した上で、多孔質体の母材を添加した後、加熱して混合液を作製することもできるし、多孔質体の母材にカーボンナノチューブ分散液を混合させた後に、少量の水、エタノール、アセトニトリル等の溶媒を添加した後、加熱して混合液を作製することもできる。
【００２０】
本発明における多孔質体の母材とカーボンナノチューブ分散液とを混合する工程では、相分離に伴う多孔質体の生成における好適条件の観点から、多孔質体の母材とカーボンナノチューブ分散液との混合溶液中のＤＭＳＯと水との体積比は、９０：１０〜８５：１５となるように調製すればよく、より好ましくは、８８：１２〜８７：１３である。
【００２１】
本発明において形成されるカーボンナノチューブ含有多孔質体における孔のサイズ（孔径）は、平均約５ｎｍ〜５００ｎｍであることが望ましい。
【００２２】
本発明において形成されるカーボンナノチューブ含有多孔質体のＢＥＴ（Brunauer, Emmett and Teller）比表面積は、１３０〜２５０ｍ２／ｇであることが望ましく、より好ましくは、２１０〜２４０ｍ２／ｇである。
【００２３】
本発明において形成されるカーボンナノチューブ含有多孔質体の気孔率は、約８５〜９５％であることが望ましく、より好ましくは、約９０〜９５％である。
【００２４】
本発明において形成されるカーボンナノチューブ含有多孔質体の平均かさ密度（bulk density）は、０．７５〜０．８５ｇ／ｃｍ３であることが望ましく、より好ましくは、０．８ｇ／ｃｍ３である。
【００２５】
本発明において形成されるカーボンナノチューブ含有多孔質体の機械強度は、約０．５〜１．５ＭＰａであることが望ましく、より好ましくは、１．１〜１．５ＭＰａである。
【００２６】
本発明において形成されるカーボンナノチューブ含有多孔質体の電気伝導性は、１．５〜３．５Ｓ／ｃｍであることが望ましく、好ましくは、２．７〜３．５Ｓ／ｃｍである。
【００２７】
本発明において形成されるカーボンナノチューブ含有多孔質体の熱伝導性は、０．０５〜０．５Ｗ／（ｍ．Ｋ）であることが望ましく、好ましくは、０．１４８〜０．５Ｗ／（ｍ．Ｋ）である。
【００２８】
本発明において形成されるカーボンナノチューブ含有多孔質体は、モノリス形状や薄膜形状など、様々な形状のものにすることができる（図２参照）。
【００２９】
本発明において形成されるカーボンナノチューブ含有多孔質体は、成形後に炭化させて用いることもできる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施例及び比較例を説明する。ただし、以下の実施例及び比較例は、発明の内容の理解を助けるためのものであり、本発明を限定するものではない。
【００３１】
（実施例１）
単分散カーボンナノチューブ分散液の調製工程
多層カーボンナノチューブ（ＮＣ７０００、Ｎａｎｏｃｙｌ社製）２０ｇ、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）１０００ｍｌ、ポリビニルピロリドン５ｇ、カルボキシメチルセルロース３ｇ、及びＦＳ−３０（デュポン社製）５ｍｌを、ボールミルにて混合し、次いで、ビーズミルを用いて十分に混合してカーボンナノチューブを管状レベルまで分散（単分散）させ、カーボンナノチューブ濃度が２ｗｔ％である単分散カーボンナノチューブ分散液を調整した。
【００３２】
ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ混合溶液の調製工程
ねじ込み型ボトル中に、調整した単分散カーボンナノチューブ分散液８．７ｍｌ及び脱イオン水１．３ｍｌを加え、そこに０．６ｇのポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）粉末を加えた。その後、１時間かけて、オイルバス中で１１０℃まで加熱しながら、スターラーで撹拌し、ポリアクリロニトリルを完全に溶解させ、ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ混合溶液を調製した。
【００３３】
ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの形成工程
調整したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ混合溶液を型容器に注ぎ、４５分間、室温にて冷却しながら、相分離を生じさせ、ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの形成させた。
【００３４】
ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの洗浄工程
形成されたポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスを型容器から取り出し、ビーカー内にメタノール２００ｍｌと共に入れ、ボルテックス社製攪拌機を用いて１５０ｒｐｍで８時間撹拌して洗浄した。同様の洗浄工程を繰り返し、合計４度のメタノール洗浄を行った。
次いで、ビーカー内に水２００ｍｌと共に入れ、ボルテックス社製攪拌機を用いて１５０ｒｐｍで６時間撹拌して洗浄した。同様の洗浄工程を繰り返し、合計６度の水洗浄を行った。
【００３５】
ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの乾燥工程
洗浄後のポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスを、２０Ｐａの減圧下で、４８時間乾燥させ、乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスを得た。なお、乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスにおけるカーボンナノチューブ濃度は、３２．８ｗｔ％である。
【００３６】
（実施例２ないし４）
実施例１の単分散カーボンナノチューブ分散液の調製工程における単分散カーボンナノチューブ分散液中のカーボンナノチューブ濃度を、乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスにおけるカーボンナノチューブ濃度が７．６ｗｔ％、１５．７ｗｔ％、及び２３．７ｗｔ％になるよう調製し、実施例１と同様の方法で単分散カーボンナノチューブ分散液をそれぞれ調製した。その後、他の工程については、実施例１と同様の工程を経ることで、乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスにおけるカーボンナノチューブ濃度が７．６ｗｔ％、１５．７ｗｔ％、及び２３．７ｗｔ％である、実施例２ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスをそれぞれ得た。
【００３７】
カーボンナノチューブ含有ポリアクリロニトリル溶液におけるカーボンナノチューブの分散状態の確認
実施例１ないし実施例４における、ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ混合溶液の調製工程を経て得た、ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ混合溶液を、動的光散乱サイズ分布解析（DLS size distribution analysis）によって分析したところ、いずれのポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ混合溶液においても、カーボンナノチューブは凝集することなく、その分散状態が維持されていることが確認された（図４参照）。
【００３８】
（比較例１）
ポリアクリロニトリル溶液の調製工程
ねじ込み型ボトル中に、脱イオン水１．３ｍＬを加え、そこに０．６ｇのポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）粉末を加えた。その後、１時間かけて、オイルバス中で１１０℃まで加熱しながら、スターラーで撹拌し、ポリアクリロニトリルを完全に溶解させ、ポリアクリロニトリル溶液を調製した。
【００３９】
ポリアクリロニトリルモノリスの形成工程
調整したポリアクリロニトリル溶液を型容器に注ぎ、４５分間、室温にて冷却しながら、相分離を生じさせ、ポリアクリロニトリルモノリスの形成させた。
【００４０】
ポリアクリロニトリルモノリスの洗浄工程
形成されたポリアクリロニトリルモノリスを型容器から取り出し、ビーカー内にメタノール２００ｍｌと共に入れ、ボルテックス社製攪拌機を用いて１５０ｒｐｍで８時間撹拌して洗浄した。同様の洗浄工程を繰り返し、合計４度のメタノール洗浄を行った。
次いで、ビーカー内に水２００ｍｌと共に入れ、ボルテックス社製攪拌機を用いて１５０ｒｐｍで６時間撹拌して洗浄した。同様の洗浄工程を繰り返し、合計６度の水洗浄を行った。
【００４１】
ポリアクリロニトリルモノリスの乾燥工程
洗浄後のポリアクリロニトリルモノリスを、２０Paの減圧下で、４８時間乾燥させ、乾燥したポリアクリロニトリル複合体モノリスを得た。
【００４２】
ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの特性評価
実施例１ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの断面を電子顕微鏡で確認したところ、いずれのも三次元構造となっており、相互に架橋し合う重合化が生じていることを確認した（図１参照）。また、ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスにおける孔の大きさは、約０．６〜１μｍであった。
【００４３】
実施例１ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスのＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを測定したところ、いずれも、１６．７１°の２θ値に強いピークが現れた（図５参照）。これは、ポリアクリロニトリル分子の整ったラメラ相（（０１０）面）を示すものである。また、２５．５８°及び２９．３６°にブロードなピークが現れた。これは、（２１０）面や（３００）面にそれぞれ対応するポリアクリロニトリル分子内の鎖状配列における無秩序相（disordered phase）を示すものである。２５．９２°におけるピークは、ポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスにおけるラメラカーボン構造の００２反射を示すものである。
【００４４】
実施例１ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスをフーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ法）で分析したところ、図６のとおり、ポリアクリロニトリルの存在が確認された。
【００４５】
実施例１ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの窒素吸着／脱着等温線は、いずれも第４型の等温線を示した（図７）。
【００４６】
実施例１ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスのＢＥＴ比表面積は、約２１０〜２４０ｍ２／ｇであり、平均孔径は５〜６ｎｍであった。これは、ＢＥＴ比表面積が約１６０〜１８０ｍ２／ｇである純粋なポリアクリルニトリルのモノリスと比べ、いずれも優れた比表面積を有することを意味する。
【００４７】
実施例１ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスは、いずれも約９０〜９５％の気孔率を有しており、水よりも比重が小さく、水に浮かぶものであった。
【００４８】
実施例１ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの平均かさ密度は、約０．８ｇ／ｃｍ３であり、自重の１３倍の重さの水を吸収することができた。また、水を吸収させた後に、再度乾燥させれば、元の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体に戻すことができた。
【００４９】
実施例１ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体の機械強度を測定したところ、約１．１〜１．５ＭＰａであった。この数値は、自重の約２万倍の重さを支えることを意味する高い数値である。すなわち、高い気孔率と非常に低い比重を示しながらも、高い機械強度を有していることを意味する。
【００５０】
実施例１ないし４の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの熱安定性（thermal stability）を測定したところ、図８のとおりであった。得られた各実施例のポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスは、不活性雰囲気中では、極めて高い温度であっても高い安定性を有していた。また、酸素存在下では、６４５℃以下であれば、安定的であることが分かった。
【００５１】
実施例１ないし４及び比較例１の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの電気伝導性を測定したところ、結果は、図９のとおりであった。実施例１では、約２．７Ｓ／ｃｍであった。
【００５２】
実施例１ないし４及び比較例１の乾燥したポリアクリロニトリル／カーボンナノチューブ複合体モノリスの熱伝導性を測定したところ、結果は、図１０のとおりであった。実施例１では、約０．１４８Ｗ／（ｍ．Ｋ）であった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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