(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄およびニッケルを主成分とする活性種を、比表面積が０．１〜２０ｍ２／ｇの黒鉛粒子担体に担持した触媒を用いた、炭素含有ガスを炭素源とするカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
【請求項２】
炭素含有ガスが一酸化炭素である、請求項１に記載のカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
【請求項３】
活性種の黒鉛粒子担体への担持率が１〜５０質量％である、請求項１または２に記載のカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
【請求項４】
反応温度が５５０〜６５０℃であり、全圧が０．０５〜０．９８ＭＰａであり、一酸化炭素分圧が全圧に対し４０〜９５％であり、水素分圧が一酸化炭素分圧に対し１〜５０％の原料ガスを用い、かつ全原料ガス流速が１ＮＬ／ｇ−活性種・分以上の条件下で製造する、請求項２または３に記載のカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
【請求項５】
９．８ＭＰａの荷重下で測定した体積抵抗率が０．０５Ω・ｃｍ以下、ラマン分光分析で測定されるＤ／Ｇ値が２．４以下、トルエン溶媒中１μｍ以下の分散粒子が２０体積％以上である、カーボンナノファイバー−炭素材料複合体。
【請求項６】
鉄およびニッケルを主成分とする活性種中の鉄及びニッケルの質量比が６：４〜４：６である、請求項１〜４の何れか一項に記載のカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
【請求項７】
ラマン分光分析で測定されるＤ／Ｇ値が２．２以下である、または、ラマン分光分析で測定されるＤ／Ｇ値が２．２以下であり、さらに９．８ＭＰａの荷重下で測定した体積抵抗率が０．０３Ω・ｃｍ以下、トルエン溶媒中１μｍ以下の分散粒子が７０体積％以上、の何れか一つ以上の条件を満たすカーボンナノファイバー−炭素材料複合体。
【請求項８】
請求項５、７記載のカーボンナノファイバー−炭素材料複合体を、分級してなる、トルエン溶媒中１μｍ以下の分散粒子が９５体積％以上である、カーボンナノファイバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄およびニッケルを主成分とする活性種、または鉄を主成分とする活性種から選択される活性種を、比表面積が０．１〜２０ｍ２／ｇの黒鉛粒子担体に担持した触媒を用いた、炭素含有ガスを炭素源とするカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法、並びにこの製造方法により得られるカーボンナノファイバー−炭素材料複合体、さらにはこのカーボンナノファイバー−炭素材料複合体を分級処理して得られるカーボンナノファイバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂に導電性付与するためのフィラーとして、あるいは各種電池、特にリチウムイオン電池の電極の導電性付与材として、導電性炭素材であるアセチレンブラックやカーボンナノファイバー（以下ＣＮＦと記載する場合がある）、およびこれらの混合物が用いられる。特にＣＮＦを用いるあるいは添加する場合、比較的低い導電性炭素材含量で高い導電率が得られる特徴があり、期待が集まっている。ここでＣＮＦは一般的に５〜１００ｎｍの外径、ファイバー長の外径に対する比を示すアスペクト比は１０以上という繊維状の形状を有する。
【０００３】
従来、ＣＮＦの製造には、電極放電法、触媒気相成長法、レーザー法等が用いられている。このうち、触媒気相成長法では、工業的にＣＮＦを成長させる遷移金属粒子を触媒とし、炭素源である原料ガス、たとえばアセチレンやベンゼンと接触させることにより、一般的には９００℃以上の高温で触媒粒子よりＣＮＦを成長させる。なかでも、コバルト等の遷移金属成分を触媒とし、原料として一酸化炭素を主体とするガスからＣＮＦを製造する方法が、高純度、高品位のＣＮＦを、比較的低温で得る方法として着目されている（特許文献１〜５）。特許文献６〜８には、無機化合物、主に無機酸化物を担体とした触媒により、効率良くよくＣＮＦを生産することが開示されている。しかし、得られるＣＮＦには相当量の触媒由来の担体が含まれてしまうため、用途によってはこれを除去しなくてはならない問題点を有している。また得られるＣＮＦの分散性も改善が求められている。
【０００４】
特許文献９〜１３には炭素材料とＣＮＦの複合材料を提供しようとする思想が示されている。これらの場合、炭素材料としてはカーボンブラックが用いられている。
しかし、これらの方法により得られたＣＮＦを樹脂の導電材または導電助剤として使用する場合、導電性は十分ではなく、さらなる高導電性（低体積抵抗率）のＣＮＦが求められている。また、これらの方法により得られたＣＮＦを導電性付与剤として樹脂や無機物質に添加した場合、ＣＮＦの合成過程で生じたＣＮＦの絡まり合いによりこれらの中に十分に分散できず、導電性が十分発揮されないといった過大もあった。そのため、さらなる高分散性のＣＮＦが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２９９９８６号公報
【特許文献２】特開２００４−３００６３１号公報
【特許文献３】特開２００６−１５２４９０号公報
【特許文献４】再公表ＷＯ２００９／１１０５７０号公報
【特許文献５】特開昭６０−３８４７２号公報
【特許文献６】再公表ＷＯ２０１０／１０１２１５号公報
【特許文献７】再公表ＷＯ２００７／０７４６２９号公報
【特許文献８】特開平１１−２５６４３０号公報
【特許文献９】再公表ＷＯ２０１２／０５３３３４号公報
【特許文献１０】特表２００６−５０２９５３
【特許文献１１】再公表ＷＯ２００７／０１３６７８号公報
【特許文献１２】特開２０１３−４７１６３号公報
【特許文献１３】再公表ＷＯ２００８／０５９９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
分散剤を使用しなくとも、機械的な分散処理を行わなくても分散性に優れ、かつ結晶性、導電性に優れたＣＮＦ−炭素材料複合体を効率的に製造する方法、およびＣＮＦ−炭素材料複合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記問題と実情に鑑み、特定の黒鉛粒子担体に担持した触媒を用いた、炭素含有ガスを炭素源とするＣＮＦ−炭素材料複合体の製造方法、並びにこの製造方法により得られるＣＮＦ−炭素材料複合体を提供することを目的とする。
すなわち、上記課題を解決する本発明は、下記より構成される。
（１）鉄およびニッケルを主成分とする活性種、または鉄を主成分とする活性種から選択される活性種を、比表面積が０．１〜２０ｍ２／ｇの黒鉛粒子担体に担持した触媒を用いた、炭素含有ガスを炭素源とするカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
（２）炭素含有ガスが一酸化炭素である、（１）に記載のカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
（３）活性種の黒鉛粒子担体への担持率が１〜５０質量％である、（１）または（２）に記載のカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
（４）反応温度が５５０〜６５０℃であり、全圧が０．０５〜０．９８ＭＰａであり、一酸化炭素分圧が全圧に対し４０〜９５％であり、水素分圧が一酸化炭素分圧に対し１〜５０％の原料ガスを用い、かつ全原料ガス流速が１ＮＬ／ｇ−活性種・分以上の条件下で製造する、（２）または（３）に記載のカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
（５）（１）〜（４）のいずれか一項に記載の製造方法で得られる、９．８ＭＰａの荷重下で測定した体積抵抗率が０．０５Ω・ｃｍ以下、ラマン分光分析で測定されるＤ／Ｇ値が２．４以下、トルエン溶媒中１μｍ以下の分散粒子が２０体積％以上である、カーボンナノファイバー−炭素材料複合体。
（６）鉄およびニッケルを主成分とする活性種中の鉄及びニッケルの質量比が６：４〜４：６である、（１）〜（４）の何れか一つに記載のカーボンナノファイバー−炭素材料複合体の製造方法。
（７）（６）に記載の製造方法で得られる、９．８ＭＰａで測定した体積抵抗率が０．０３Ω・ｃｍ以下、ラマン分光分析で測定されるＤ／Ｇ値が２．２以下、トルエン溶媒中１μｍ以下の分散粒子が７０体積％以上、の何れか一つ以上の条件を満たすカーボンナノファイバー−炭素材料複合体。
（８）９．８ＭＰａで測定した体積抵抗率が０．０３Ω・ｃｍ以下、ラマン分光分析で測定されるＤ／Ｇ値が２．２以下、トルエン溶媒中１μｍ以下の分散粒子が７０体積％以上、の何れか一つ以上の条件を満たす、カーボンナノファイバー−炭素材料複合体。
（９）（６）に記載の製造方法で得られるカーボンナノファイバー−炭素材料複合体を、分級して得られる、トルエン溶媒中１μｍ以下の分散粒子が９５体積％以上であるカーボンナノファイバー。
【発明の効果】
【０００８】
炭素含有ガスを炭素源とし、鉄または鉄およびニッケルを主成分とする活性種を特定の黒鉛粒子に担持した触媒により、効率よく、結晶性および導電性が良好なＣＮＦ−炭素材料複合体が得られることを見いだした。得られるＣＮＦ−炭素材料複合体は高い分散性を有するという特徴があり、さらにこれを簡便な方法で分級することで極めて分散性が高いＣＮＦを得ることができる。本発明によるＣＮＦ−炭素材料複合体は、高い導電性と分散性により導電性ネットワーク形成が容易であり、導電フィラーとして各種複合体にした場合、導電性が良好となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１で得られたＣＮＦ−炭素材料複合体のＣＮＦ部分のＳＥＭ写真である。
【図２】実施例１で得られたＣＮＦ−炭素材料複合体のＣＮＦ部分のＴＥＭ写真である。
【図３】実施例９で得られたＣＮＦ−炭素材料複合体のＣＮＦ部分のＳＥＭ写真である。
【図４】実施例９で得られたＣＮＦ−炭素材料複合体のＣＮＦ部分のＴＥＭ写真である。
【図５】実施例３で得られたＣＮＦ−炭素材料複合体を用いて測定した、粒度分布曲線である。
【図６】比較例１０で得られたＣＮＦ−炭素材料複合体を用いて測定した、粒度分布曲線である。
【図７】比較例１１で得られたＣＮＦを用いて測定した、粒度分布曲線である。
【図８】実施例２で得られたＣＮＦ-炭素材料複合体を分級処理して得られたＣＮＦの粒度分布曲線である。図中、分級後は実線で、分級前は点線で示される。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書におけるカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）の定義は、平均外径５〜１００ｎｍ、ファイバー長の外径に対する比を示すアスペクト比(平均)が１０以上であり、かつ多層構造である。本ＣＮＦの比表面積は５０〜３００ｍ２／ｇの範囲であるのが好ましい。本ＣＮＦの定義には中空（管状）構造を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）も包含される。また、ナノホーン構造やヘリンボーン構造、プレートレット構造も包含される。しかし、高い導電性（低い体積抵抗率）や結晶性を与える点やファイバーとしての力学強度を勘案すると、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）構造であることが好ましい。
本明細書における合成活性とは、単位活性種質量あたり、単位時間あたり得られたＣＮＦの質量である。また本明細書における収量とは単位活性種質量あたり得られたＣＮＦの質量である。担体とは、該活性種を担持するための物質を意味する。
【００１１】
＜活性種＞
本発明ではＣＮＦ−炭素材料複合体を製造するための実質的な触媒の活性種として、鉄およびニッケルを主成分とする活性種、または鉄を主成分とする活性種から選択される活性種を含有する。ここで鉄またはニッケルとは、金属の形態のみならず、酸化物、水酸化物、含水酸化物、硝酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩および炭酸塩等の化合物の形態を含む。
【００１２】
触媒の活性種が、鉄およびニッケルを主成分とする活性種、または鉄を主成分とする活性種を含有するということは、担体を除いた成分中、少なくとも７０質量％以上、好ましくは９５質量％以上が鉄およびニッケルから構成される、または鉄から構成されるということを意味する。本条件を満たすことで、比較的高結晶性、高導電率、高分散性のＣＮＦ−炭素材料複合体を、高いＣＮＦ合成活性で得ることができる。
活性種が鉄およびニッケルから構成される触媒を用いた場合、得られるＣＮＦは実質的にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）である。一方、活性種が鉄の場合、得られるＣＮＦにはヘリンボーン構造が多く含まれる。高い導電性（低い体積抵抗率）や結晶性を与える点や特にファイバーとしての力学強度を勘案すると、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）構造であることが好ましく、鉄およびニッケルから構成される活性種が好ましい。
活性種が鉄およびニッケルを主成分とする場合、鉄とニッケルの質量比は任意であるが、鉄とニッケルの質量比は６：４〜４：６の範囲であることが好ましい。活性種が鉄およびニッケルを主成分である場合、得られるＣＮＦ−炭素材料複合体の結晶性や分散性が向上する。
【００１３】
鉄、ニッケル以外に他に少量含まれても良い成分としてはコバルト、マンガン、モリブデン、銅、タングステン、が例示でき、これ以外に第１〜３族、または１４族の成分が含まれることを排除しない。
【００１４】
＜担体＞
担体としては、比表面積が０．１〜２０ｍ２／ｇの黒鉛粒子を用いる。本発明の黒鉛粒子とは天然黒鉛または人造黒鉛を示す。本発明の黒鉛粒子の概念は、繊維状炭素、例えば炭素繊維、活性炭素繊維やカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）を含まない。このような黒鉛粒子を担体として用いることで、非常に高いＣＮＦ合成活性を得ることができるため、ＣＮＦ−炭素材料複合体を効率的に得ることができる。通常の金属酸化物系担体とは異なり、導電性である黒鉛粒子を担体に用いることで得られたＣＮＦから担体を除去しなくても、導電性に優れたＣＮＦ−炭素材料複合体が得られる特徴がある。また驚くべきことに、比表面積が０．１〜２０ｍ２／ｇの黒鉛粒子を、上記活性種の担体として用いることで分散性に優れるＣＮＦ−炭素材料複合体が得られる。これは、ＣＮＦ合成反応により直接得られるＣＮＦが本質的に高分散性であり、かつ黒鉛粒子担体との相互作用、例えば絡まり合いが少ないからであると考えられる。さらにこのような黒鉛粒子担体を用いた場合、金属活性種との結合力が低く、容易に金属活性種が担体から遊離するという利点がある。
【００１５】
反面、比表面積が０．１ｍ２／ｇ未満、または２０ｍ２／ｇを超える黒鉛粒子や、黒鉛以外の炭素である、例えばカーボンブラックを用いた場合、高い活性を得ることができない場合が有る。また表面積が高く粒子状以外の構造を有する炭素材料、例えば繊維状の炭素材料である炭素繊維、活性炭素繊維やＣＮＦそのものを用いた場合、得られたＣＮＦとこれら材料が絡まり合ってしまい分散性を大きく低下すると共に、分級の際にＣＮＦと担体の分離が不十分となる。
比表面積が０．１ｍ２／ｇ未満では、金属活性種の分散が不十分となり活性が低下してしまう。また、比表面積が２０ｍ２／ｇを超えるとＣＮＦの合成活性が低下し、得られるＣＮＦ同士や担体を含むＣＮＦ同士の絡み合いが激しくなり分散性が低下してしまう。また、比表面積が２０ｍ２／ｇを超えると分級時に得られたＣＮＦからの担体の分離が不十分となってしまう。
【００１６】
黒鉛としては、天然黒鉛や人造黒鉛が使用できる。
天然黒鉛の例としては塊状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛が挙げられるがこれら由来の上記黒鉛粒子であればいずれも使用可能である。精製し純度を向上させた天然黒鉛や薄片化した黒鉛も好ましく用いられる。天然黒鉛由来の粒子状黒鉛は例えば日本黒鉛工業から入手できる。
人造黒鉛としては、コークス、ピッチ、コールタール、樹脂から製造されるもので、上記の比表面積を満たすものが使用できる。この範疇にはメソフェーズカーボン、グラッシーカーボンも含まれる。人造黒鉛由来の粒子状黒鉛は、例えば東海カーボン、日立化成、昭和電工、日本黒鉛工業社から購入できる。これら黒鉛粒子は、リチウムイオン電池の負極用材料として用いられている物でも好適に使用できる。
【００１７】
活性種を黒鉛粒子担体に担持する場合、担持方法は特に限定されず公知の方法を用いることができる。例えば、金属塩を溶解させた非水溶液中（例えばエタノール溶液）又は水溶液中に、黒鉛粒子担体を含浸し、充分に分散混合した後、水分を除去乾燥することで活性種を黒鉛粒子担体へ担持させることができる。あるいは金属塩を溶解させた非水中又は水溶液中に、黒鉛粒子担体を含浸し、充分に分散混合した後、アルカリにて中和した後に水分を除去し、乾燥させてもよい。他の方法は、例えば触媒学会ＮＴＳ発行、監修岩本正和「触媒調製ハンドブック」２０１１年４月２５日に記載されている。
なお、本明細書において担持率は以下の式に基づいて計算した。
担持率＝活性種（金属分として）の質量／担体の質量×１００（％）
【００１８】
活性種の黒鉛粒子担体への担持率は、担体の細孔容量や外表面積、担持方法によって異なるが、好ましくは１〜５０質量％であり、１質量％未満であると、合成活性が低くなる傾向がある。また、５０質量％を超えると、生成するＣＮＦが太くなったり、合成活性が低下する場合がある。合成活性の点では、担持率としては１〜１０質量％が最も好ましい。
【００１９】
＜ＣＮＦ−炭素材料複合体製造条件＞
本発明では、炭素含有ガスをＣＮＦの炭素源とする。炭素含有ガスとしては、一酸化炭素が挙げられるが、二酸化炭素や水素との混合ガスとして使用してもよく、窒素ガス等の不活性ガスを含んでいてもよい。一酸化炭素の分圧は全圧に対し４０〜９５％であることが好ましい。一酸化炭素分圧が４０％未満であると、活性が低下してしまうし、また得られるＣＮＦの結晶性や導電性が低下する場合がある。また一酸化炭素分圧が９５％より高いと、触媒の失活が激しくなり合成活性、収量が低下する場合がある。
【００２０】
水素分圧は一酸化炭素分圧に対し１〜５０％であることが好ましく、５〜４５％がより好ましい。水素分圧が５０％を超えると、触媒活性が低下したり、得られるＣＮＦの結晶性や導電性が低下する場合がある。水素分圧が１％未満の場合、早期に触媒の失活が起こり活性や収量が低下する場合がある。
【００２１】
全圧は、絶対圧で０．０５〜０．９８ＭＰａが好ましく、０．１（大気圧）〜０．５ＭＰａがより好ましい。全圧が０．９８ＭＰａを超えると、製造に当たり高圧対応設備費用やユーティリティコストが嵩んでしまう可能性があり、０．０５ＭＰａ未満では合成活性が低下する場合がある。また０．１ＭＰａ（大気圧）と比較し大きく減圧である場合には、高温の反応器に対し大気（酸素）の混入を防ぐためのシールが難しく、好ましくない場合がある。反応温度は、特に５５０〜６５０℃が好ましい。
【００２２】
本発明においては上記の条件を満たした上で、全ガス流速が１ＮＬ／ｇ−活性種・分以上であることが好ましく、１０〜２００ＮＬ／ｇ−活性種・分以上の条件を満たすことがより好ましい。全ガス流速をこの範囲に設定することで、ＣＮＦを高い合成活性で製造することができる。ここでいう高い合成活性とは、具体的には５０ｇ−ＣＮＦ／ｇ−活性種・ｈ（時間）以上であることを意味する。全ガス流速の上限は特にないが、２００ＮＬ／ｇ−活性種・分を超えると、ガスの流量が多すぎて、余熱のためのユーティティコストが嵩み、好ましくない。
尚、「ＮＬ」とは標準状態（０℃、１気圧）に換算したガス量Ｌ（リットル）を示し、「ＮＬ／ｇ−活性種・分」とは、単位触媒存在下（触媒１ｇあたり）での１分間のガス流量を示す。
合成活性が５０ｇ−ＣＮＦ／ｇ−活性種・ｈ（時間）以上であることは、経済的にＣＮＦを合成する上で重要で有り、また得られるＣＮＦ−炭素材料複合体中に存在する触媒活性種の残量が少なく、種々の用途に用いる上で触媒の除去が容易で有り有利である。
【００２３】
本発明の実施に当たり、本発明の製造条件を満たす限り、公知の製造方法や公知の製造装置を用いることが出来る。例えば固定床反応装置や流動床反応装置、バッチ式あるいは回分式反応装置や連続式反応装置を用いることが出来る。
＜ＣＮＦ−炭素材料複合体＞
【００２４】
反応条件を上記範囲に設定することで、工業的に有利な高い合成活性で、９．８ＭＰａの荷重下で測定した体積抵抗率が０．０５Ω・ｃｍ以下である導電性に優れたＣＮＦ−炭素材料複合体を製造することが出来る。また本製造条件を満たすことで、ラマン分光分析で測定されるＤ／Ｇ値が２．４以下である結晶性に優れたＣＮＦ−炭素材料複合体を高活性で製造することが出来る。本発明の製造方法で得られるＣＮＦ−炭素材料複合体は、機械的分散や機械的粉砕処理を行わなくても、さらに分散剤や界面活性剤を使用しなくても高い分散性を示すことができる。具体的には、本明細書の実施例記載の測定方法により、トルエン中で測定した１μｍ以下の分散粒子の割合が全体の２０体積％以上であるＣＮＦ−炭素材料複合体である。
ここでＤ／Ｇ値とは、ＣＮＦ粉体のラマン分光分析を行った際の、Ｄバンドピークに由来する面積の総和と、Ｇバンドピークに由来する面積の総和の比より求めることができる。Ｄ／Ｇ値が低いほどＣＮＦの結晶性が高いことを示し、ＣＮＦの導電性が高くなることを意味する。
さらに、鉄およびニッケルを主成分とし、活性種中の鉄およびニッケルの質量比が６：４〜４：６の場合には、９．８ＭＰａの荷重下で測定した体積抵抗率が０．０３Ω・ｃｍ以下、Ｄ／Ｇ値が２．２以下、かつトルエン中で測定した１μｍ以下の分散粒子の割合が全体の７０体積％以上である高分散性のＣＮＦ−炭素材料複合体を得ることができる。
粒度分布測定において１μｍ以上のＣＮＦ粒子分画は主に多数のＣＮＦ繊維の絡み合いにより形成されると考えられ、このような分画成分が多いほど導電材、導電助剤として例えば樹脂や電極材、電池活物質に混ぜる用途では分散性が乏しく導電性向上効果は少ないと考えられる。１μｍ以下の分散粒子が２０体積％以上であるという高分散性は、導電材、導電助剤としての用途に有利である。
【００２５】
本発明の製造方法により直接得られるのは、生成したＣＮＦと触媒の担体として用いた黒鉛粒子を含むＣＮＦ−炭素材料複合体である。本ＣＮＦ−炭素材料複合体は、上記のごとく高分散かつ高い導電性を示す特徴がある。本ＣＮＦ−炭素材料複合体は用途によっては触媒および／または担体を除去せずにそのまま導電性材料として使用できる。このような用途としては、樹脂や塗膜への導電性付与材が挙げられる。
しかし特定の用途、例えば電池の電極に用いられる場合、鉄やニッケル等の活性種の除去が必要になる場合もある。これは公知の方法で可能であるが、具体的には特開２００６−６９８５０号公報等に記載された、ＣＮＦを塩酸、硝酸、硫酸等の酸に分散させた後、ろ過や遠心分離等の手段によってＣＮＦを回収する方法に活性種金属の除去を行うことができる。本発明の本ＣＮＦ−炭素材料複合体に対して、さらに公知の機械的分散処理、例えば機械式ホモジナイザーやビーズミル、乳化分散機を用いた処理を行っても良い。この場合でも従来のＣＮＦと比較し分散性が良好であるので投入する分散エネルギーや分散コストが低減するメリットがある。
さらに本ＣＮＦ−炭素材料複合体から高分散、高導電性等の特徴を有するＣＮＦのみを分離して得ることも容易に可能である。本ＣＮＦ−炭素材料複合体に含まれる担体成分は上記のごとく、ＣＮＦあるいは活性金属種との結合力が比較的低いため離れやすい特徴がある。また含まれる担体は比較的小さな比表面積を有する、すなわち比較的大きな粒子径を有するため、高分散性ＣＮＦとの分離は下記のような簡単な分級方法により分離することが可能である。
【００２６】
＜分級方法＞
本発明で得られるＣＮＦ−炭素材料複合体の担体とＣＮＦへの分離は公知の分級方法が利用可能である。このような分級方法としては重力（粒子の落下速度や落下位置の違い）、慣性力（流体中の慣性力を利用）、遠心力（流体の旋回を利用する）などを利用した方法が挙げられ、湿式、乾式いずれも利用できる。重力を利用する方法として乾式は各種篩、湿式では自然沈降分級、ハイドロセパレータが例示でき、慣性力を利用する方法として乾式ではエアセパレータが例示でき、遠心力を利用する方法としては乾式ではサイクロン、ＤＳセパレータ、ターボクラシフィア、ミクロンセパレータ、湿式では遠心沈降機、液体サイクロンが例示できる。水力分級も使用可能で有り、例えばサイザー、ハイドロッシレーターが例示できる。
【００２７】
本発明で得られるＣＮＦ−炭素材料複合体からの分級により得られたＣＮＦ−炭素材料複合体は、９．８ＭＰａで測定した体積抵抗率が０．０５Ω・ｃｍ以下、Ｄ／Ｇ値は、２．４以下である。
【００２８】
本発明で得られるＣＮＦ−炭素材料複合体からの分級により得られたＣＮＦ−炭素材料複合体は分散処理を行わなくても、分散剤や界面活性剤を使用しなくても高い分散性を示すことができる。特に、鉄およびニッケルの質量比が６：４〜４：６の活性種を用いてえら得られたＣＮＦ−炭素材料複合体より分級して得られたＣＮＦ−炭素材料複合体は、トルエン中の１μｍ以下の分散粒子が９５体積％以上、好ましくは９９体積％以上である特徴を有する。
ここで、分散処理とは、機械的な分散、粉砕処理、例えば機械式ホモジナイザーやビーズミル、乳化分散機での処理を意味する。また超音波ホモジナイザー、超音波分散機のような強力な超音波照射もこの範疇に入る。超音波出力が１００Ｗ以下の市販のバス式の超音波洗浄機を使用した１０分間以下程度の測定液の懸濁化、均一化処理はこの範疇には入らない。また、分散性に関する測定、つまり本明細書における１μｍ以下の分散粒子の割合およびメジアン径を測定する際に、測定装置に付属の装置を用い、例えば、７３Ｗ、２分間超音波処理程度であって、測定に必要な均一化、分散前処理（以下測定前処理）はここで言う分散処理に含まれない。本実施形態のＣＮＦは、同じ測定前処理を施しても従来のＣＮＦと比較し高い分散性を示し、かつ本明細書の分散性に関する基準を満たすことができる。
本発明のＣＮＦ−炭素材料複合体は、コスト的に不利な分散処理を行わなくても高分散性を示す点で工業的価値が高いと考えられる。例えば、導電材、導電助剤としての用途に有利であり、より少量の添加で高い導電性を達成することが可能となる。トルエン中での１μｍ以下の分散粒子においては、ＣＮＦは１本ないしは数本程度の絡み合いで分散していると考えられ、極めて分散性が高いと考えられる。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例により、本発明を説明するが、これらの実施例は本発明を限定するものではない。
【００３０】
＜比表面積測定＞
黒鉛粒子担体の比表面積、およびＣＮＦ−炭素材料複合体の比表面積は、Ｍｏｕｎｔｅｃｈ社製Ｍａｃｓｏｒｂ  ＨＭ  ｍｏｄｅｌ−１２０１を用い、ＪＩＳ  Ｋ６２１７−２に従いＢＥＴ一点法で求めた。
尚、ＣＮＦの比表面積は以下の式により、含まれる黒鉛粒子担体の寄与を除き算出した。
ＣＮＦの比表面積：Ｓｃ（ｍ２／ｇ）
ＣＮＦ−炭素材料複合体の比表面積：Ｓｏ（ｍ２／ｇ）
担体の比表面積：Ｓｓ（ｍ２／ｇ）
ＣＮＦ合成活性（単位活性種あたり単位時間あたり）：Ａｃｔ（ｇ−ＣＮＦ／ｇ−活性種／時間）
含まれる黒鉛粒子担体の質量割合＝Ｃ  
Ｃ＝１００／（Ａｃｔ×５＋１００）
Ｓｃ＝（Ｓｏ−Ｓｓ×Ｃ）／（１−Ｃ）
【００３１】
＜体積抵抗率測定＞
ＣＮＦ−炭素材料複合体およびＣＮＦの体積抵抗率は、三菱化学アナリティック社製ロレスタＧＰを用い、２３±１℃、相対湿度５０％の雰囲気にて、荷重９．８ＭＰａの条件下、四探針法にて求めた。
【００３２】
＜ラマン分光分析＞
ＣＮＦ−炭素材料複合体およびＣＮＦのラマン分光分析は、顕微レーザーラマン分光分析装置(Ｎｉｏｌｅｔ  Ａｌｍｅｇａ−ＸＲ型、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製、レーザー５３２ｎｍ)を用い行った。Ｄバンド（Ｄ１：ピーク位置１３３０ｃｍ−１、Ｄ３：１５００ｃｍ−１、Ｄ４：１１５０ｃｍ−１）とＧバンド（Ｇ＋：１６００ｃｍ−１、Ｇ−：１５７０ｃｍ−１）の波形分離を行った後、Ｄバンドピークに由来する面積の総和とＧバンドピークに由来する面積の総和の比（Ｄ／Ｇ値）を求めた。本Ｄ／Ｇ値が低いほどＣＮＦの結晶性が高いことを示している。
（参考）
Ｄ１：グラファイト結晶構造内の点欠陥、結晶端由来の欠陥に由来
Ｄ３：アモルファスカーボンに由来
Ｄ４：ポリエンやイオン性不純物に由来
Ｇ＋：グラファイトの結晶性ピーク：縦光学モード
Ｇ−：グラファイトの結晶性ピーク：横光学モード
【００３３】
＜粒度分布測定＞
ＣＮＦ−炭素材料複合体またはＣＮＦの０．１質量％のトルエン分散液を調製し、市販のバス式超音波洗浄機（ＵＳ  ＣＬＥＡＮＥＲ  ＵＳ−２Ａアズワン社製、超音波出力８０Ｗ）を用い５分間超音波処理を行い、分散液を均一化させた。
分散粒子の割合及びメジアン径の測定は、粒度分布計(ＬＳ  １３  ３２０  ユニバーサルリキッドモジュール  ＢＥＣＫＭＡＮ  ＣＯＵＬＴＥＲ社製)を用い、レーザ回折・散乱法（ＩＳＯ  １３３２０：２００９）に準拠して実施した。光学モデルをトルエンの屈折率に設定し、トルエンを充填し、ポンプスピード５０％の条件でオフセット測定、光軸調整、バックグラウンド測定を行った後、粒度分布計に調製したトルエン溶液を、粒子によってビームの外側に散乱する光のパーセントを示す相対濃度は８〜１２％、もしくはＰＩＤＳが４０％〜５５％になるように加え、粒度分布計付属装置により７３Ｗ、２分間超音波照射を行い（測定前処理）、３０秒循環し気泡を除いた後に粒度分布測定を行った。粒度（粒子径）に対する体積％のグラフを得て、１μｍ以下の分散粒子の存在割合及びメジアン径Ｄ５０値を求めた。
測定は、ＣＮＦ−炭素材料複合体１試料につき、採取場所を変え３回測定用サンプルを採取し、１サンプル毎に３回上記粒度分布測定を行い、１μｍ以下の分散粒子の存在割合及びメジアン径Ｄ５０値のそれぞれ計９個のデータのうち、最大値と最小値を除いた７個の平均値を求めた。
【００３４】
＜用いた黒鉛粒子担体および試薬＞
Ｊ−ＳＰ：高純度黒鉛粉末、日本黒鉛工業社製（比表面積１０．３ｍ２／ｇ、中心粒径７μｍ）粉砕品
ＭＡＧ−Ｄ：人造黒鉛粉末、日立化成工業社製（比表面積３．３ｍ２／ｇ、中心粒径２４μｍ）
ＧＣ−２０ＳＳ：グラッシーカーボン、東海カーボン社製（比表面積０．８ｍ２／ｇ、中心粒径８μｍ）
ＥＣ３００Ｊ：ケッチェンブラック、ライオン社製（比表面積８７０ｍ２／ｇ、中心粒径０．０３５μｍ）
ＦＥ４００：活性炭素繊維、東邦レーヨン社製（比表面積１１８０ｍ２／ｇ）
Ｆｌｏｔｕｂｅ９０００：ＣＮＦ、Ｃｎａｎｏ社製（比表面積２４１ｍ２／ｇ）
ＨＡ−０５：αアルミナ、電気化学工業社製（比表面積２ｍ２／ｇ、中心粒径５μｍ）
ＤＡＷ７０：αアルミナ、電気化学工業社製（比表面積０．２ｍ２／ｇ、中心粒径７０μｍ）
硝酸鉄（III）九水和物（関東化学社製高純度試薬純度９９．９５％）
酢酸鉄(II)（和光純薬社製、特級試薬）
硝酸ニッケル（II）六水和物（関東化学社製、高純度試薬純度９９．９５％）
酢酸ニッケル（II）四水和物（和光純薬社製、純度９８％）
硝酸コバルト（II）六水和物（関東化学社製、高純度試薬）
エチルアルコ−ル（純正化学社製、１級試薬純度９９．５％）
【００３５】
＜担持触媒の調製＞
（触媒合成例１）
Ｊ−ＳＰ（高純度黒鉛粉末）１ｇあたり鉄（以下、断りのない限り金属分を表す）とニッケル（以下、断りのない限り金属分を表す）の合計の担持率が５質量％、鉄とニッケルの質量比が５：５になるように酢酸鉄（II）と酢酸ニッケル（II）四水和物を秤量し、黒鉛粉末１gあたり蒸留水６ｇおよびエチルアルコ−ル６ｇ（蒸留水:エチルアルコ−ル＝１：１質量比）を加え、十分に溶解，分散させた。なす型フラスコをロータリーエバポレーターに取り付け、５０℃の水浴内で１時間回転攪拌した。その後ロータリーエバポレーターの減圧を開始し、溶媒を除去した。溶媒除去後エバポレ−タから外し、真空乾燥器にて６０℃１５時間以上乾燥させた。ヘラを用いて触媒をフラスコから掻きだしメノウ製乳鉢に移し、凝集した触媒を粉砕することで、担持率が５質量％で、鉄とニッケルの質量比が５：５の鉄−ニッケル／黒鉛粒子担持触媒を得た。触媒は乾燥状態で保存した。
【００３６】
（触媒合成例２）
鉄とニッケルの担持率の合計が５質量％、鉄とニッケルの質量比が５：５になるよう、原料として硝酸鉄（III）九水和物と硝酸ニッケル（II）六水和物を用いた以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００３７】
（触媒合成例３）
担体をＪ−ＳＰからＭＡＧ−Ｄ（人造黒鉛粉末）に変更した以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００３８】
（触媒合成例４）
担体をＪ−ＳＰからＧＣ−２０ＳＳ（グラッシーカーボン）に変更した以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００３９】
（触媒合成例５）
鉄とニッケルの質量比が７：３になるように秤量し用いた以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００４０】
（触媒合成例６）
鉄とニッケルの質量比が７：３になるように秤量し用いた以外は、触媒合成例２と同様にして触媒を合成した。
【００４１】
（触媒合成例７）
鉄とニッケルの質量比が７：３になるように秤量し、担体をＪ−ＳＰからＭＡＧ−Ｄ（人造黒鉛粉末）に変更した以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００４２】
（触媒合成例８）
鉄とニッケルの質量比が７：３になるように秤量し、担体をＪ−ＳＰからＧＣ−２０ＳＳ（グラッシーカーボン）に変更した以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００４３】
（触媒合成例９）
酢酸鉄（II）を用い、活性種として鉄の担持率を５質量％とした以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００４４】
（触媒合成例１０）
担体をＪ−ＳＰからＭＡＧ−Ｄ（人造黒鉛粉末）に変更した以外は、触媒合成例９と同様にして触媒を合成した。
【００４５】
（触媒合成例１１）
担体をＪ−ＳＰからＧＣ−２０ＳＳ（グラッシーカーボン）に変更した以外は、触媒合成例９と同様にして触媒を合成した。
【００４６】
（触媒合成例１２）
鉄の原料として硝酸鉄（III）九水和物を用いた以外は、触媒合成例１１と同様にして触媒を合成した。
【００４７】
（比較触媒合成例１）
担体をＪ−ＳＰからＥＣ３００Ｊ（ケッチェンブラック）に変更した以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００４８】
（比較触媒合成例２）
担体をＪ−ＳＰからＦＥ４００（活性炭素繊維）に変更した以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００４９】
（比較触媒合成例３）
硝酸鉄（III）九水和物の代わりに、コバルトの担持率が５質量％となるように硝酸コバルト六水和物(II)を用いた以外は、触媒合成例１１と同様にして触媒を合成した。
【００５０】
（比較触媒合成例４）
硝酸鉄（III）九水和物の代わりに、ニッケルの担持率が５質量％となるように硝酸ニッケル（II）六水和物を用いた以外は、触媒合成例１１と同様にして触媒を合成した。
【００５１】
（比較触媒合成例５）
硝酸鉄（III）九水和物の代わりに、ニッケルの担持率が５質量％となるように硝酸ニッケル（II）六水和物を用いた以外は、触媒合成例１と同様にして触媒を合成した。
【００５２】
（比較触媒合成例６）
担体をＪ−ＳＰからＣＮａｎｏ社Ｆｌｏｔｕｂｅ９０００（市販ＣＮＦ）に変更した以外は、触媒合成例９と同様にして触媒を合成した。
【００５３】
（比較触媒合成例７）
鉄とニッケルの合計が５質量％、鉄とニッケルの質量比が７：３になるように硝酸鉄（III）九水和物と硝酸ニッケル（II）六水和物を秤量し用いた以外は、比較触媒合成例６と同様にして触媒を合成した。
【００５４】
（比較触媒合成例８）
担体をＪ−ＳＰから電気化学工業社アルミナＨＡ−０５に変更した以外は、触媒合成例９と同様にして触媒を合成した。
【００５５】
（比較触媒合成例９）
鉄とニッケルの合計が５質量％、鉄とニッケルの質量比が７：３になるように硝酸鉄（III）九水和物と硝酸ニッケル（II）六水和物を秤量し、担体を電気化学工業社アルミナＤＡＷ７０に変更した以外は、比較触媒合成例８と同様にして触媒を合成した。
【００５６】
（比較触媒合成例１０）
特許第５００３９２３を参考に、担持触媒以外の触媒として、共沈法触媒を合成した。イオン交換水２５ｍＬに硝酸コバルト〔Ｃｏ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ：分子量２９１．０３〕５．７５ｇ（０．０２モル）、硝酸マグネシウム〔Ｍｇ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ：分子量２５６．４１〕５．１０ｇ（０．０２モル）を溶解させ、原料溶液（１）を調製した。また、重炭酸アンモニウム〔（ＮＨ４）ＨＣＯ３：分子量７９．０６〕粉末１１ｇ（０．１３９モル）をイオン交換水５５ｍＬに溶解させ、原料溶液（２）を調製した。次に、反応温度４０℃で原料溶液（１）と（２）を混合し、その後４時間攪拌した。生成した沈殿物のろ過、洗浄を行い、乾燥した。これを６００℃で４時間焼成した後、乳鉢で粉砕し、触媒を取得した（以下、共沈法触媒と略す）。
【００５７】
＜ＣＮＦ−炭素材料複合体の合成＞
（実施例１）
原料の一酸化炭素は、(株)鈴木商館から購入した，Ｇ１グレード（純度９９．９５％）を使用した。
石英製の反応管内に、触媒合成例１で得られた担持触媒１００ｍｇを仕込んだ触媒ホルダーを設置し、窒素を十分流して窒素置換した。さらに、窒素８０％、水素２０％の還元ガスを大気圧（０．１ＭＰａ）下流しながら昇温し、反応温度である６１０℃に達してから３０分間保持して触媒の還元を行った。引き続き原料ガスを、６１０℃、大気圧下、原料ガス比ＣＯ／Ｈ２／Ｎ２＝５０／２０／３０、全原料ガス流速６６ＮＬ／ｇ−活性種・分で触媒層を通過させ、ＣＮＦ−炭素材料複合体の製造を１時間行った。所定の時間反応を行った後に、原料ガスを窒素ガスに切り替え、直ちに冷却した。
（実施例２〜１２）
実施例１と同じ条件下、表１に示す触媒を用い反応を実施した。触媒にニッケルを含む場合には、反応終了後、水素を流しながら冷却を行った。得られたＣＮＦ質量と用いた触媒質量（活性種質量）、反応時間から、単位触媒活性種、単位時間あたりのＣＮＦ合成活性を計算し、さらに得られたＣＮＦ−炭素材料複合体の体積抵抗率、Ｄ／Ｇ値、比表面積および粒度分布（分散性）を測定した。結果を表１に示す。またＳＥＭ観察またはＴＥＭ観察により得られたＣＮＦ−炭素材料複合体の形状を観察したが、その中に含まれるＣＮＦはいずれも本発明のＣＮＦの定義である、平均外径５〜１００ｎｍ、ファイバー長の外径に対する比を示すアスペクト比(平均)が１０以上であり、かつ多層構造であるＣＮＦであることが確認された。
【００５８】
（比較例１〜１０）
比較触媒合成例１〜１０で得られた触媒を用い、実施例１と同様に反応を行い、ＣＮＦの分析を行った。
【００５９】
（比較例１１）
市販のＣＮＦ（ＣＮａｎｏ社、Ｆｌｏｔｕｂｅ９０００）の体積抵抗率、Ｄ／Ｇ値、比表面積および粒度分布（分散性）を測定した。
【００６０】
【表１】
0006600180.tif 000002
【００６１】
本発明の鉄あるいは鉄およびニッケルを主成分とする活性種を、比表面積が０．１〜２０ｍ２／ｇの黒鉛粒子に担持した触媒を用いた場合、ＣＮＦ合成活性が高く、効率的にＣＮＦ−炭素材料複合体を得ることができる。得られるＣＮＦ−炭素材料複合体は高い電気伝導性（低い体積抵抗率）を示し、さらに分散性も良好である。
【００６２】
これに対し比較例に示されるように、同じ担体を用い活性種をコバルトまたはニッケル単独に変更した場合、比較的低いＣＮＦ合成活性を示す。また、鉄、鉄及びニッケルを活性種とし、比表面積が高いカーボンブラック（ケッチェンブラック）を担体に用いた場合も合成活性は低かった。繊維状炭素である活性炭素繊維やＣＮＦに担持した場合も同様に低活性であった。鉄を活性種としてカーボンブラックを担体として用いた場合も比較低活性であった。
担体としてアルミナを用い、これに鉄または鉄及びニッケルを担持した場合、活性は高いものの得られたＣＮＦ−担体複合体の体積抵抗率は本発明の範囲より高く、導電性が低かった。導電性が低い原因の一つとして、担体自体が絶縁性のアルミナであることが挙げられる。しかし、活性は高く得られたＣＮＦの質量は担体のアルミナ質量の約４倍で有り、絶縁性担体の効果よりも得られたＣＮＦ自体の導電性が低かったと考えられる。ラマン分光分析で得られた本ＣＮＦのＤ／Ｇ値も本発明の範囲より高く結晶性が悪いことも本考察を裏付ける。
【００６３】
分散性に着目すると、本発明の鉄あるいは鉄およびニッケルを主成分とする活性種を、比表面積が０．１〜２０ｍ２／ｇの黒鉛粒子担体に担持した触媒を用いた場合、得られたＣＮＦ−炭素材料複合体のトルエン溶媒中１μｍ以下の分散粒子は全体の２０体積％以上であり、高い分散性を示すといえる。また、体積抵抗率は０．０５０Ω・ｃｍ以下であり高い導電性と、Ｄ／Ｇ値として２．４以下の高い結晶性を示す。
しかし、ニッケル単独の場合分散性が低下してしまう。活性種が鉄およびニッケルから構成される触媒を用いた場合、得られるＣＮＦは実質的にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）である（図１、２）。一方、活性種が鉄の場合、ヘリンボーン構造が多く含まれる（図３、４）。
活性種が鉄およびニッケルから構成される触媒を用いた場合、得られるＣＮＦ−炭素材料複合体のトルエン溶媒中１μｍ以下の分散粒子は全体の５０体積％以上、Ｄ／Ｇ値として２．２以下の高い結晶性を示す。一例として、実施例３で得られたＣＮＦ−炭素材料複合体の粒度分布曲線を図５に示す。
活性種の鉄とニッケルの質量比が６：４〜４：６の範囲である場合には、ラマン分光分析で測定されるＤ／Ｇ値が２．２以下の高い結晶性、および体積抵抗率０．０３０Ω・ｃｍ以下の高導電性を有し、かつトルエン中で測定した１μｍ以下の分散粒子の割合が全体の７０体積％以上である高分散性のＣＮＦ−炭素材料複合体が得られる。
【００６４】
通常の共沈法でえられたコバルト／マグネシウム系の複合酸化物触媒で得られたＣＮＦはＣＮＦ同士の絡まり合いが高く、分散性は著しく低い（図６）。参考までに市販のＣＮＦ粉末も同様に分散性は低く、本発明の条件を満たさなかった（図７）。
市販のＣＮＦ粉の場合、体積抵抗率は低く導電性は高いが、粒度分布から見た分散性は良くないと考えられる。
なお、表中には体積基準粒子径分布における累積５０％粒子径ｄ５０の値も示した。本発明の製造方法により得られるＣＮＦ−炭素材料複合体のｄ５０値は１５μｍ以下、活性種が鉄およびニッケルから構成される触媒を用いた場合は、ｄ５０値は１μｍ以下、最も好ましい活性種の鉄とニッケルの質量比が６：４〜４：６の範囲である場合にはｄ５０値は０．５μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下である。
【００６５】
＜ＣＮＦ−炭素材料複合体の分級と得られたＣＮＦの物性＞
（実施例１３）
実施例２で得られたＣＮＦ−炭素材料複合体１００ｍｇをトルエン溶媒１００ｍｌ中に加え、超音波洗浄機（ＵＳ  ２Ａ  アズワン社製、ｈｉｇｈモード）で５分間超音波分散し均一に分散させた。その後１０分間静置し上澄み液８０ｍｌを注意深く分離した。ＣＮＦの回収率は約１０質量％であった。上澄み液を用いて分散性を測定した。その結果、１μｍ以下の分散粒子の体積割合は全体の９９％以上であった。本実施例の担体自体の分散性測定結果と比較すると、実質的にＣＮＦのみが上澄み液に含まれていることがわかった。本ＣＮＦのＤ／Ｇ値は２．２であった。このように最も簡単な自然沈降分級でも簡単に、極めて分散性良好なＣＮＦを単離することができる。本粒度分布曲線を図８に示す。図中点線は分級前、実線は分級後を示す。
【図１】
0006600180.tif 000003
【図２】
0006600180.tif 000004
【図３】
0006600180.tif 000005
【図４】
0006600180.tif 000006
【図５】
0006600180.tif 000007
【図６】
0006600180.tif 000008
【図７】
0006600180.tif 000009
【図８】
0006600180.tif 000010