(57)【要約】  基板上に微細炭素繊維を化学気相成長させて微細炭素繊維の集合体を形成し、該基板上の集合体から微細炭素繊維を連続的に引き出してボビンに巻き取る際に、前記基板及びボビンの少なくとも一方を回転させることによって、前記ボビンに巻き取られる微細炭素繊維に撚りをかけ、微細炭素繊維撚糸を製造する。
2007119747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細炭素繊維の撚糸を連続的に製造する方法であって、
基板上に微細炭素繊維の集合体を化学気相成長させる成長工程と、
前記基板上の集合体から微細炭素繊維を連続的に引き出してボビンに巻き取る、巻取工程と、
前記基板及びボビンの少なくとも一方を回転させることによって、前記基板上の微細炭素繊維の集合体から連続的に引き出されて前記ボビンに巻き取られる微細炭素繊維に撚りをかけ、微細炭素繊維撚糸を形成する、撚り合わせ工程と、を有し、
前記撚り合わせ工程と巻取工程とを同時に行うことを特徴とする微細炭素繊維撚糸の製造方法。
【請求項２】
微細炭素繊維の撚糸を連続的に製造する方法であって、
基板上に微細炭素繊維の集合体を化学気相成長させる成長工程と、
前記基板上の微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維を連続的に引き出しつつ、ボビンを回転させることによって該微細炭素繊維に撚りをかけて微細炭素繊維撚糸を形成する、引き出し撚り合わせ工程と、
引き出されて撚りをかけられた微細炭素繊維撚糸をボビンに巻き取る巻取工程と、
を有し、
前記引き出し撚り合わせ工程では、前記微細炭素繊維が引き出される方向に巻取回転軸線が沿う第１の配置と、前記微細炭素繊維が引き出される方向と巻取回転軸線が交差する第２の配置とを配置転換可能なボビンを用い、前記第１の配置において該ボビンの一端に前記微細炭素繊維を接続した状態で該ボビンを巻取軸線回りに回転させつつ、前記基板及び前記ボビンの少なくとも一方を互いに離れる方向に移動させることにより、前記基板上の微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維を引き出しつつ撚りをかけ、
前記巻取工程では、前記ボビンの回転を停止させた状態で前記第２の配置に配置転換させた後、該ボビンを前記巻取回転軸線回りに回転させるとともに、該ボビンの回転と同期して前記基板と前記ボビンとの距離が縮まるように前記基板及び前記ボビンの少なくとも一方を移動させることにより、第２工程において引き出されて撚りをかけられた微細炭素繊維撚糸を前記ボビンに巻き取り、
前記引き出し撚り合わせ工程と前記巻取工程とが、交互に行われることを特徴とする微細炭素繊維撚糸の製造方法。
【請求項３】
前記撚り合わせ工程において微細炭素繊維に撚りをかける方法が、前記基板を回転させることによるものであり、
前記撚り合わせ工程は、前記微細炭素繊維の集合体を有する基板を複数用意し、各基板を通る回転軸線回りに各々の基板を回転させることによって前記集合体から引き出した微細炭素繊維を撚って微細炭素繊維撚糸を形成しつつ、前記複数の基板を共通の回転軸線回りに更に回転させることによって前記微細炭素繊維撚糸どうしをさらに撚合わせることを特徴とする請求項１に記載の微細炭素繊維撚糸の製造方法。
【請求項４】
微細炭素繊維撚糸の糸切れをリカバリーするリカバリー工程を更に有し、
該リカバリー工程は、前記微細炭素繊維の集合体の側面に極細軸状部を有する引出具の該極細軸状部を突き刺した後、該極細軸状部に前記微細炭素繊維を付着させ、基板から微細炭素繊維を無撚りのまま引き出し、または基板または引出具を回転させて微細炭素繊維の撚糸にして引き出し、引き出した撚糸の端部を、既にボビン上に巻き取った微細炭素繊維撚糸の一端に重ね合わせた後、その重ね合わせた部分に撚りを掛けて両撚糸を接続し、前記引出具の極細軸状部に繋がっている微細炭素繊維撚糸を該引出具から切り離すことにより、２本の撚糸を接続することを特徴とする、請求項１に記載の微細炭素繊維撚糸の製造方法。
【請求項５】
１対のボビンに巻き取られた各々の微細炭素繊維撚糸を繋げる接続工程を更に含み、
前記接続工程は、一端が第１のボビンに捲きつけられている第１の撚糸の他端を引き出し、一端が第２のボビンに捲きつけられている第２の撚糸の他端に前記第１の撚糸の他端を重ね合わせ、重ね合わせた部分に撚りを掛けて両撚糸を接続することにより、２本の微細炭素繊維の撚糸を接続することを特徴とする、請求項１に記載の微細炭素材繊維撚糸の製造方法。
【請求項６】
接続すべき２本の撚糸の重ね合わせ部分に、微細炭素材繊維の集合体を化学気相成長させた基板から引き出した幅広のシート状の微細炭素繊維で覆った後、該重ね合わせ部分に撚りを掛けて接続することを特徴とする請求項４又は５に記載の微細炭素繊維撚糸の製造方法。
【請求項７】
前記重ね合わせた部分に炭素数１〜５のアルコール、アセトン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、酢酸エチル、アセトニトリル、又は、水の中から選ばれた液体を付与した後、該重ね合わせ部分に撚りを掛けることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の微細炭素繊維撚糸の製造方法。
【請求項８】
前記成長工程において、微細炭素繊維を平均長さ（Ｌ）が０．０２ｍｍ以上となるように成長させ、
前記撚り合わせ工程は、直径（Ｄ）がＤ＜（Ｌ／π）に設定された極細軸状部を有する引出具を回転させながら、または該引出具を回転させずに、基板上に成長させられた微細炭素繊維の集合体の側面に前記極細軸状部を突き刺して所定距離進入させ、前記引出具を所定回転数で回転させながら微細炭素繊維を引き出す工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細炭素繊維撚糸の製造方法。
【請求項９】
基板上に化学気相成長させた微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維の撚糸を連続的に製造する装置であって、
前記基板を保持する基板保持部と、
前記微細炭素繊維撚糸を巻取駆動するボビンと、
前記基板保持部によって保持された基板上の前記集合体から引き出されてボビンに巻き取られる微細炭素繊維に撚りをかけるように、ボビンの巻取駆動と連動し、前記基板保持部及び前記ボビンの少なくとも一方を回転駆動させる、撚り合わせ機構と、を備えることを特徴とする前記装置。
【請求項１０】
基板上に化学気相成長させた微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維の撚糸を連続的に製造する装置であって、
前記基板を保持する基板保持部と、
前記微細炭素繊維撚糸を巻取駆動するボビンと、を有し、
前記ボビンは、前記微細炭素繊維を接続するための先細端部が巻取回転軸線方向一端に形成されるとともに、該先細端部が前記基板保持部の側を向き前記微細炭素繊維が引き出される方向に巻取回転軸線が沿う第１の配置と、前記微細炭素繊維が引き出される方向と巻取回転軸線が交差する第２の配置とを配置転換可能とされ、
前記ボビン及び基板保持部の少なくとも一方が、互いに接近又は離反するように往復動自在に設けられていることを特徴とする前記装置。
【請求項１１】
前記基板保持部は、前記基板上の前記集合体から引き出される微細炭素繊維と該基板との干渉を避けるように、該保持部の回転軸線が前記ボビンの周縁部に向けられ、且つ、前記基板を前記保持部の回転軸線と非平行に保持するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
複数の前記基板保持部を支持する支持体と、各基板保持部に保持された基板上の前記集合体の各々から引き出される微細炭素繊維に撚りをかけるために前記複数の基板保持部の各々を回転駆動する複数の第１駆動部と、前記微細炭素繊維撚糸どうしをさらに撚合わせるために前記支持体を回転駆動する第２駆動部と、を有することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記基板上からの微細炭素繊維の引出位置付近に風防を備えることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
基板上の微細炭素繊維切れ又は、基板からの微細炭素繊維の引き出し状態を監視する監視装置を更に備え、該監視装置は、
微細炭素繊維を化学気相成長させた基板とボビンとの間に存在する撚りを掛けながら基板から引き出された微細炭素繊維撚糸を撮影する撮像装置と、該撮像装置によって得られた画像データを画面上に拡大して映し出すディスプレイと、該ディスプレイに映し出された映像の画像データを走査し撚糸を構成する画素数が減少した時に糸切れと判定する判定手段と、を有することを特徴とする請求項９に記載の微細炭素繊維撚糸の製造装置。
【請求項１５】
前記基板上に成長させられた微細炭素繊維の集合体の側面に突き刺して微細炭素繊維を引き出すための極細軸状部を有する引出具と、
該引出具を軸線回りに回転させる回転駆動装置と、を備え、
該引出具の極細軸状部の直径（Ｄ）は、前記基板上に成長させられた微細炭素繊維の平均長さ（Ｌ）に対し、Ｄ＜（Ｌ／π）に設定されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
前記引出具は、前記極細軸状部の外周面に周溝、螺旋溝、及び突起の少なくとも何れかを有することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
請求項１〜７の何れかの方法によって製造され、直径１〜１００ｎｍの微細炭素繊維から成る微細炭素繊維撚糸であって、表面撚り角度が１０〜５０°であり、引張強度が２００ＭＰａ以上を有する微細炭素繊維撚糸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学気相成長によって得られる微細炭素繊維から連続的に撚糸を製造する方法、装置、及び該方法によって製造された微細炭素繊維撚糸に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細炭素繊維は、電気特性、力学特性等に優れており、電解放出型ディスプレイ、導電性フィラー等をはじめ、様々な産業への利用および応用が期待されている。【０００３】
近年、カーボンナノチューブからなる微細炭素繊維およびそれを使ったカーボンナノチューブシートが提案されている（特許文献１及び非特許文献１、２、）。【０００４】
非特許文献１においては、化学気相成長法で基板上に高密度・高配向に成長させた微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維撚糸を形成する方法が開示されている。【０００５】
特許文献１，非特許文献２においては、化学気相成長法で基板上に高密度・高配向に成長させた微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維シートや微細炭素繊維ロープを形成し得ることが開示されている。【０００６】
前記の微細炭素繊維撚糸およびシートは、その既存にない形態から、新たな用途への使用が予想され、種々の産業への応用が期待されている。【０００７】
産業への応用に際しては、上記のような微細炭素繊維撚糸やシートを連続的に、かつ均質に作製して巻き取れることが必須である。微細炭素材料繊維を基板から引き出す時の張力は、通常０．０５〜０．５ｍＮと極めて小さい。何らかの原因でこの値を超えると容易に糸切れが起こってしまう。この繊細さが微細炭素材料撚糸を製造する上での最大の克服すべき課題である。【０００８】
非特許文献１では、モーターの回転軸の先に爪楊枝製のスピンドルを装着し、該スピンドルの先端に複数本の微細炭素繊維を接続した状態で、該スピンドルを回転させながら該スピンドルの先端が微細炭素繊維の集合体基板から離れることで、微細炭素繊維撚糸を製造している。しかしこの方式では、作製可能な微細炭素繊維撚糸の長さはモーターの移動可能距離と等しいため、一度に作製できる微細炭素繊維撚糸の長さは根本的に制限されてしまう。そのため、撚りをかけるスピンドルと、微細炭素繊維の基板との間の距離が大きくなると、引き出した微細炭素繊維撚糸の不安定な揺動が工程の不安定さを誘発して糸切れが多発したり、撚りの伝達具合が変化することによる斑が撚糸に発生してしまう、といった懸念点がある。【０００９】
一方で通常の天然繊維の紡績に用いられる方法として、リング紡績方式、フライヤ精紡方式等が挙げられる。これらの方法は連続的に撚糸を生産可能であるが、本発明で扱う微細炭素繊維は非常に微細なため摩擦に弱く、工程で摩擦を受ける従来の手法を用いることは困難であった。従ってこのような方法を用いる限り、産業への応用は難しい状況であった。（非特許文献３参照）
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５／１０２９２４号パンフレット
【非特許文献１】チャン等、「古代技術を小型化することによる多機能カーボンナノチューブ繊維」、サイエンス誌、米国、米国科学振興協会発行、２００４年１１月１９日、第３０６巻、１３５８〜１３６１頁（Zhang et al., ,Science, AAAS, “Multifunctional Carbon Nanotube Yarns by Downsizing an Ancient Technology”,VOL 306,1358-1361, 19 November 2004）
【非特許文献２】チャン等、「強靱で透明な多機能カーボンナノチューブシート」、サイエンス誌、米国、米国科学振興協会発行、２００５年８月１９日、第３０９巻、１２１５〜１２１９頁（Zhang et al.,Science, AAAS, “Strong, Trasnsparent, Multifunctional, Carbon Nanotube sheets”, 309,1215-1219, 19 August 2005）
【非特許文献３】著者名：熨斗秀夫他、基礎繊維工学［II］、日本繊維機械学会、昭和４１年１２月２０日発行、２４９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、微細炭素繊維の撚糸を連続的に製造するのに適した方法、装置、及び微細炭素繊維撚糸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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造方法は、基板上に微細炭素繊維の集合体を化学気相成長させる成長工程と、前記基板上の集合体から微細炭素繊維を連続的に引き出してボビンに巻き取る、巻取工程と、前記基板及びボビンの少なくとも一方を回転させることによって、前記基板上の微細炭素繊維の集合体から連続的に引き出されて前記ボビンに巻き取られる微細炭素繊維に撚りをかけ、微細炭素繊維撚糸を形成する、撚り合わせ工程と、を有し、前記撚り合わせ工程と巻取工程とを同時に行うことを特徴とする。【００１２】
前記撚り合わせ工程において微細炭素繊維に撚りをかける方法が、前記基板を回転させることによるものであり、前記撚り合わせ工程は、前記微細炭素繊維の集合体を有する基板を複数用意し、各基板を通る回転軸線回りに各々の基板を回転させることによって前記集合体から引き出した微細炭素繊維を撚って微細炭素繊維撚糸を形成しつつ、前記複数の基板を共通の回転軸線回りに更に回転させることによって前記微細炭素繊維撚糸どうしをさらに撚合わせても良い。【００１３】
また、微細炭素繊維撚糸の糸切れをリカバリーするリカバリー工程を更に有し、該リカバリー工程は、前記微細炭素繊維の集合体の側面に極細軸状部を有する引出具の該極細軸状部を突き刺した後、該極細軸状部に前記微細炭素繊維を付着させ、基板から微細炭素繊維を無撚りのまま引き出し、または基板または引出具を回転させて微細炭素繊維の撚糸にして引き出し、引き出した撚糸の端部を、既にボビン上に巻き取った微細炭素繊維撚糸の一端に重ね合わせた後、その重ね合わせた部分に撚りを掛けて両撚糸を接続し、前記引出具の極細軸状部に繋がっている微細炭素繊維撚糸を該引出具から切り離すことにより、２本の撚糸を接続するようにしても良い。【００１４】
１対のボビンに巻き取られた各々の微細炭素繊維撚糸を繋げる接続工程を更に含み、前記接続工程は、一端が第１のボビンに捲きつけられている第１の撚糸の他端を引き出し、一端が第２のボビンに捲きつけられている第２の撚糸の他端に前記第１の撚糸の他端を重ね合わせ、重ね合わせた部分に撚りを掛けて両撚糸を接続することにより、２本の微細炭素繊維の撚糸を接続するようにしても良い。【００１５】
接続すべき２本の撚糸の重ね合わせ部分に、微細炭素材繊維の集合体を化学気相成長させた基板から引き出した幅広のシート状の微細炭素繊維で覆った後、該重ね合わせ部分に撚りを掛けて接続しても良い。【００１６】
前記重ね合わせた部分に炭素数１〜５のアルコール、アセトン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、酢酸エチル、アセトニトリル、又は、水の中から選ばれた液体を付与した後、該重ね合わせ部分に撚りを掛けることが好ましい。【００１７】
また、前記成長工程において、微細炭素繊維を平均長さ（Ｌ）が０．０２ｍｍ以上となるように成長させ、前記撚り合わせ工程は、直径（Ｄ）がＤ＜（Ｌ／π）に設定された極細軸状部を有する引出具を回転させながら、または該引出具を回転させずに、基板上に成長させられた微細炭素繊維の集合体の側面に前記極細軸状部を突き刺して所定距離進入させ、前記引出具を所定回転数で回転させながら微細炭素繊維を引き出す工程を含んでも良い。【００１８】
さらに、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造方法は、基板上に微細炭素繊維の集合体を化学気相成長させる成長工程と、前記基板上の微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維を連続的に引き出しつつ、ボビンを回転させることによって該微細炭素繊維に撚りをかけて微細炭素繊維撚糸を形成する、引き出し撚り合わせ工程と、引き出されて撚りをかけられた微細炭素繊維撚糸をボビンに巻き取る巻取工程と、を有し、前記引き出し撚り合わせ工程では、前記微細炭素繊維が引き出される方向に巻取回転軸線が沿う第１の配置と、前記微細炭素繊維が引き出される方向と巻取回転軸線が交差する第２の配置とを配置転換可能なボビンを用い、前記第１の配置において該ボビンの一端に前記微細炭素繊維を接続した状態で該ボビンを巻取軸線回りに回転させつつ、前記基板及び前記ボビンの少なくとも一方を互いに離れる方向に移動させることにより、前記基板上の微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維を引き出しつつ撚りをかけ、前記巻取工程では、前記ボビンの回転を停止させた状態で前記第２の配置に配置転換させた後、該ボビンを前記巻取回転軸線回りに回転させるとともに、該ボビンの回転と同期して前記基板と前記ボビンとの距離が縮まるように前記基板及び前記ボビンの少なくとも一方を移動させることにより、第２工程において引き出されて撚りをかけられた微細炭素繊維撚糸を前記ボビンに巻き取り、前記引き出し撚り合わせ工程と前記巻取工程とが、交互に行われることを特徴とする。【００１９】
また、本発明は、上記の何れかの方法によって製造された直径１〜１００ｎｍの微細炭素繊維から成る微細炭素繊維撚糸であって、表面撚り角度が１０〜５０°であり、引張強度が２００ＭＰａ以上を有する微細炭素繊維撚糸を提供する。【００２０】
さらに、上記目的を達成するため、本発明は、基板上に化学気相成長させた微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維の撚糸を連続的に製造する装置であって、前記基板を保持する基板保持部と、前記微細炭素繊維撚糸を巻取駆動するボビンと、前記基板保持部によって保持された基板上の前記集合体から引き出されてボビンに巻き取られる微細炭素繊維に撚りをかけるように、ボビンの巻取駆動と連動し、前記基板保持部及び前記ボビンの少なくとも一方を回転駆動させる、撚り合わせ機構と、を備えることを特徴とする前記装置を提供する。【００２１】
前記基板保持部は、前記基板上の前記集合体から引き出される微細炭素繊維と該基板との干渉を避けるように、該保持部の回転軸線が前記ボビンの周縁部に向けられ、且つ、前記基板を前記保持部の回転軸線と非平行に保持するように構成されていることが好ましい。【００２２】
また、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置は、複数の前記基板保持部を支持する支持体と、各基板保持部に保持された基板上の前記集合体の各々から引き出される微細炭素繊維に撚りをかけるために前記複数の基板保持部の各々を回転駆動する複数の第１駆動部と、前記微細炭素繊維撚糸どうしをさらに撚合わせるために前記支持体を回転駆動する第２駆動部と、を有することが好ましい。【００２３】
さらに、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置は、前記前記基板上からの微細炭素繊維の引出位置付近に風防を備えることが好ましい。【００２４】
また、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置は、基板上の微細炭素繊維切れ又は、基板からの微細炭素繊維の引き出し状態を監視する監視装置を更に備え、該監視装置は、微細炭素繊維を化学気相成長させた基板とボビンとの間に存在する撚りを掛けながら基板から引き出された微細炭素繊維撚糸を撮影する撮像装置と、該撮像装置によって得られた画像データを画面上に拡大して映し出すディスプレイと、該ディスプレイに映し出された映像の画像データを走査し撚糸を構成する画素数が減少した時に糸切れと判定する判定手段と、を有することが好ましい。【００２５】
また、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置は、前記基板上に成長させられた微細炭素繊維の集合体の側面に突き刺して微細炭素繊維を引き出すための極細軸状部を有する引出具と、該引出具を軸線回りに回転させる回転駆動装置と、を備え、該引出具の極細軸状部の直径（Ｄ）は、前記基板上に成長させられた微細炭素繊維の平均長さ（Ｌ）に対し、Ｄ＜（Ｌ／π）に設定されていることが好ましい。【００２６】
前記引出具は、前記極細軸状部の外周面に周溝、螺旋溝、及び突起の少なくとも何れかを有することが好ましい。【００２７】
また、本発明は、基板上に化学気相成長させた微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維の撚糸を連続的に製造する装置であって、前記基板を保持する基板保持部と、前記微細炭素繊維撚糸を巻取駆動するボビンと、を有し、前記ボビンは、前記微細炭素繊維を接続するための先細端部が巻取回転軸線方向一端に形成されるとともに、該先細端部が前記基板保持部の側を向き前記微細炭素繊維が引き出される方向に巻取回転軸線が沿う第１の配置と、前記微細炭素繊維が引き出される方向と巻取回転軸線が交差する第２の配置とを配置転換可能とされ、前記ボビン及び基板保持部の少なくとも一方が、互いに接近又は離反するように往復動自在に設けられていることを特徴とする前記装置を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、微細炭素繊維の集合体が形成された基板、及びボビンの少なくとも一方を回転させて前記集合体から引き出される微細炭素繊維に撚りをかけ、ボビンに巻き取ることにより、微細炭素繊維撚糸を連続的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】カーボンナノチューブを高密度・高配向で成長させたシリコン基板を５００倍に拡大して示すＳＥＭ写真である。
【図２】本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置の第１実施形態を示す側面図である。
【図３】図２の装置の正面図である。
【図４】図２の一部を拡大して示す断面図である。
【図５】図２の装置によって製造されたカーボンナノチューブの撚糸を１０００倍に拡大して示すＳＥＭ写真である。
【図６】簡略化した図１の装置と、糸切れをリカバリーする引出具とを示す平面図である。
【図７】図６の一部を拡大して示す側面図である。
【図８】微細炭素繊維撚糸の糸切れをリカバリーする方法を説明するための説明図である。
【図９】２つのボビン上の微細炭素繊維撚糸の接続方法を説明するための説明図である。
【図１０】シート状微細炭素繊維の引き出し状態を拡大して示す平面図である。
【図１１】本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置の第２実施形態を概念的に示す斜視図である。
【図１２】図１１に示す装置において、微細炭素繊維の集合体を成長させた基板を縦置きに配置した態様を示す斜視図である。
【図１３】図１１に示した装置によって４つの基板から微細炭素繊維を引き出して製造した撚糸を５０００倍に拡大して示すＳＥＭ写真である。
【図１４】本発明に係る微細炭素繊維撚り糸の製造装置の第３実施形態を示す側面図である。
【図１５】図１４の装置のＸＶ−ＸＶ視図である。
【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ断面図である。
【図１７】本発明に係る微細炭素繊維撚り糸の製造装置の第４実施形態を示す平面図である。
【図１８】図１７の装置の側面図である。
【図１９】図１７の装置の他の作動状態を示す平面図である。
【図２０】図１７の装置の側面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…微細炭素繊維撚糸の製造装置
２  基板保持装置
３  ボビン
４  巻取装置
５  基板
６  基板保持部
７  第１駆動部
１８  風防
１９  撚糸ガイド
２０  支持体
２１  引出具
２１ａ  極細軸状部
３０  基板保持装置
３１  先細端部
３２  ボビン
３３  巻き取り装置
３４  第１駆動部
Ｃ  微細炭素繊維の集合体
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明を実施するための最良の実施形態について、以下、図面を参照しつつ説明する。なお、全図、及び全実施形態を通じ、同様の構成部分に同符号を付した。【００３２】
本発明は、基板上に化学気相成長させた微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維の撚糸を連続的に製造する方法及び装置に関する。【００３３】
基板上に形成される微細炭素繊維の集合体について、以下に詳細に説明する。【００３４】
基板は、限定的でなく、公知又は市販のものを使用することができる。例えば、プラスチック基板；ガラス基板；シリコン基板；鉄、銅等の金属又はこれらの合金を含む金属基板；などを用いることができる。これらの基板の表面には二酸化ケイ素膜が積層されていてもよい。本発明では、特に、熱酸化あるいは蒸着による二酸化ケイ素膜の着いたシリコン基板上に鉄を蒸着又はスパッタリング等することにより得られる鉄皮膜積層シリコン基板を用いることが好ましい。これにより、高密度かつ高配向で形成されたカーボンナノチューブ集合体を製造できる。【００３５】
基板上に化学気相成長させる微細炭素繊維は、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、カーボンファイバー等の気相成長炭素繊維である。【００３６】
これら微細炭素繊維の形態は特に限定されるものではないが、容易に微細炭素繊維撚糸を形成しやすいことなどの理由から、好ましくは、基板上に高密度かつ高配向で形成された集合体であることが望ましい。【００３７】
高密度とは、基板上のカーボンナノチューブの嵩密度が１〜１０００ｍｇ／ｃｍ３、好ましくは１０〜５００mｇ／ｃｍ３、さらに好ましくは１０〜１００mｇ／ｃｍ３である。この範囲より嵩密度が小さいと隣接するカーボンナノチューブの分子間の相互作用が弱くなり、引き出し特性が悪くなるおそれがある。この範囲より嵩密度が大きいと、後述する引き出し時に、一度に多量のカーボンナノチューブが引き出されてしまい、均一な太さでかつ長尺な繊維が得られないおそれがある。【００３８】
高配向とは、微細炭素繊維同士が隣接しながら基板平面に対して垂直状に林立していることを意味する。具体的には、下記式（１）で示される秩序パラメータ（ＯＰ）が０．７０〜１．０（好ましくは０．９０〜０．９９）の範囲内である。
【式１】
【００３９】
2007119747.tif 000003
【００４０】
（但し、θjは、基板上に形成されている任意のカーボンナノチューブの分子軸と、基板とのなす角度を示す。<cos2(90-θj)>は、基板上に形成されている全てのカーボンナノチューブにおける平均値を示す。）
このように化学気相成長によって高密度で垂直配向させた微細炭素繊維の集合体は、カーボンナノチューブフォレスト（carbon nanotube forest）、或いは、カーボンナノチューブの垂直配向構造体等と呼ばれる。化学気相成長によって形成される微細炭素繊維の長さは、平均で０．０２ｍｍ以上であればよく、好ましくは、０．０３ｍｍ以上、より好ましくは、０．０５ｍｍ以上である。微細炭素繊維材料の平均直径は限定的でなく、通常０．５〜１００ｎｍ、好ましくは１ｎｍ〜１００ｎｍ程度、より好ましくは５〜５０ｎｍ程度とすればよい。
【００４１】
気相成長時の温度はいずれの温度で行ってもよいが、特に高温で行うことが好ましく、例えば６００〜１０００℃程度で行うことが好ましい。気相成長時の圧力は限定的でないが、通常、大気圧で行えばよい。気相成長に用いるガスは、炭素を含んでいればよいが、通常はアセチレン等の炭化水素を使用すればよい。なお、ヘリウム等の希ガスをキャリアガスとして用いてもよい。反応時間は、製造条件により応じて適宜設定できるが、例えば、３分〜２時間程度とすればよい。
【００４２】
上記のようにして基板上に形成された微細炭素繊維であるカーボンナノチューブの集合体の写真を図１に示す。図１は、倍率５００倍のＳＥＭ写真であり、微細炭素繊維が基板上に高密度で垂直配向している様子が示されている。基板上に高密度・高配向で成長したカーボンナノチューブの集合体の一部、即ち複数本の微細炭素繊維をピンセット等で把持又は細い針状の物の先に接続する等してカーボンナノチューブの集合体から引き離すことにより、カーボンナノチューブは基板上から、ある程度連続した糸状となって引き出される現象を生じる。このような現象が生じるメカニズムは必ずしも明らかではないが、こうして引き出される糸状のカーボンナノチューブに適切に撚りをかけることで、糸切れせずに連続的に引き出すことが可能となる。
【００４３】
次に、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置の第１実施形態について、図２〜４を参照して説明する。第１実施形態の微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ａは、図２〜４に示すように、基板５を保持する基板保持部６と、微細炭素繊維撚糸を巻取駆動するボビン３と、を備える。
【００４４】
更に、基板保持部６を備える基板保持装置２は、基板保持部６を回転駆動させる第１駆動部７を備える。第１駆動部７は、ボビン３の巻取駆動と連動する。このように、ボビン３の巻取駆動に連動させて第１駆動部７を回転駆動することにより、基板５上の集合体Ｃから引き出されてボビン３に巻き取られる微細炭素繊維に撚りをかける撚り合わせ機構が構成される。
【００４５】
基板保持部６は、図４に示すように、一対の保持片６ａ，６ｂをボルト８によって連結した構成とすることができる。保持片６ａ、６ｂは、基板５を回転軸線Ｘと非平行に保持するように、保持面が所定の傾斜角度α（図４）を持つように形成されている。
【００４６】
基板５を回転軸線Ｘと非平行に保持することによって、基板５上の微細炭素繊維の集合体Ｃから引き出した微細炭素繊維撚糸と基板５とが干渉することを防止し、微細炭素繊維撚糸を安定して作製することができる。また、斯かる干渉を防止するために、基板保持部６が回転軸線Ｘに対して基板を傾斜させて保持する場合、基板保持部６は、図２に示すように、基板保持部６の回転軸線Ｘがボビン３の周縁部に向けられていることが好ましい。保持片６ａ，６ｂは、複数の保持面傾斜角度のものを用意しておけば、必要に応じて、保持片６ａ、６ｂを交換することによって、基板５の取付け角度を変更可能である。
【００４７】
ボビン３を備える巻取装置４は、ボビン３を回転駆動する駆動モーター１０がスライダー１１に支持されている。スライダー１１は、基板保持部６の回転軸線Ｘと垂直方向に延びるレール１２上に摺動自在に支持されるとともに、リニアアクチュエータ１３と連結板１４によって連結されている。リニアアクチュエータ１３は、駆動モーター１５、伝動ベルト１６、軸受け１７ａ、１７ｂに支持された螺子軸１７、及び、螺子軸１７に螺入されたナット体（不図示）と、を有し、このナット体が連結板１４と連結されている。そして、駆動モーター１５を正逆回転させることにより、螺子軸１７が正逆回転するのに伴って、スライダー１１がレール１２上を往復動する。このようにして、ボビン３は、トラバース駆動できるようになっている。
【００４８】
上記のように、基板５上の微細炭素繊維の集合体から連続的に引き出される糸状の微細炭素繊維を回転させながら糸を引き出すことで、撚りの掛かった微細炭素繊維撚糸をボビン３で引き出して巻き取る方式とする。これにより、引き出された微細炭素繊維撚糸は摩擦を受けることなく、ボビン３に安定して連続的に巻き取ることが可能となった。
【００４９】
微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ａは、基板５上の微細炭素繊維の引き出し位置からボビン３への進入位置までの距離が、１０ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲内にあることが好ましい。この距離が短すぎると、回転する送り出し部分と巻き取り部分が干渉してしまうため巻き取ることができない。一方この距離が長すぎると、送り出し部分と巻き取り部分の間に存在する微細炭素繊維撚糸自身の揺動によって、工程安定性が乏しくなるので好ましくない。
【００５０】
なお、本発明においては微細炭素繊維に撚りを掛けるために、微細炭素繊維の集合体を形成した基板５を高速で回転させる。基板５が外れないように基板５の角部の微細炭素繊維を少し削り取って基板を露出させ、その露出した基板の部位を保持することで、確実に固定することが肝要である。
【００５１】
基板５を高速で回転させるため、第１駆動部７は、高速回転可能な高周波モーターが好ましく、１〜６００００ｒｐｍのものが好ましい。回転数が小さすぎると、微細炭素繊維撚糸に印加できる撚り数が少なすぎることによって、微細炭素繊維撚糸の糸強度が不足してしまうため好ましくない。一方回転数が大きすぎると、微細炭素繊維の集合体からの微細炭素繊維撚糸の引出安定性が低下するため、好ましくない。
【００５２】
微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ａは、好ましい態様としては、微細炭素繊維の送り出し口付近に、風防１８が設けられる。本発明の製造装置においては、送り出し側で微細炭素繊維が形成された基板が高速回転するため、空気抵抗による微細炭素繊維へのダメージが大きい。そこで風防を設けることにより、微細炭素繊維が高速回転する際、風防１８の中で空気が供回りすることで、微細炭素繊維へのダメージを抑えることができる。なおこの風防１８は、ストロボスコープ等による微細炭素繊維撚糸の糸切れ、又は微細炭素繊維撚糸の引き出し状態を監視するために、透明な部品を用いると好適である。
【００５３】
巻取装置４は、ボビン３の巻き取り速度を０．００５〜３０ｍ／分とすることが好ましい。巻き取り速度が小さすぎては生産性が乏しく、実用的でない。一方巻き取り速度が大きすぎると、微細炭素繊維撚糸に印加できる撚り数が少なすぎることによって、微細炭素繊維撚糸の糸強度が不足してしまうため好ましくない。
【００５４】
微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ａは、図２に示すように、基板保持装置２に固定された撚糸ガイド１９を設ける一方、ボビン３をトラバースさせることができる。通常、糸をボビンに巻き取る場合は、巻取装置側に備え付けられたトラバースガイドが左右往復動（トラバース）することにより、糸をボビンに均質に巻き取っている。しかしこの方法ではガイドと糸との摩擦が大きいため、本発明で得られるような、極細の微細炭素繊維撚糸の場合には、より摩擦の少ない方法が望まれる。そこで、この実施形態においては、撚糸ガイド１９を移動しないように固定しておいて、巻取装置のボビン３をトラバースさせることにより、微細炭素繊維撚糸と撚糸ガイド１９との摩擦を小さくすることができる。尚、撚糸ガイド１９は、摩擦をできるだけ低減させるために、梨地仕様のものが好ましい。もしくは、撚糸ガイドとしてプーリーを用いれば、より一層、糸と撚糸ガイドとの摩擦を低減させることができる。
【００５５】
微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ａは、ボビン３の表面に、巻き取り時の滑りを防止するための表面加工が施されていることが好ましい。これにより、より一層の工程安定性を実現することができる。尚、ボビンへの表面加工方法は特に限定されるものではなく、鏡面加工やゴムライニングを施す方法等が挙げられる。
【００５６】
上記の装置により製造された微細炭素繊維撚糸のＳＥＭ写真（１０００倍）を図５に示す。撚糸の撚り角度は、単位長さ当たりの撚り数によって決まる。撚糸の撚り角度は、微細炭素背に撚糸の製造装置１Ａにおいて基板５を保持させた基板保持装置２とボビン３の回転数とにより調整される。本発明者らは、撚り角度と撚糸強度との間に関係があることを見出した。撚り角度が１０〜５０°の時が良好な強度を示すため、この範囲の撚り角度が好ましい。したがって、撚り角度が１０〜５０°となるように、基板保持装置２の回転駆動とボビンの巻取駆動とを連動させる。
【００５７】
微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ａは、図示省略するが、糸切れ検知器を装備することも可能である。例えば、微細炭素繊維を成長させた基板５とボビン３との間に、撚りを掛けながら基板から引き出された極細炭素材料撚糸をＣＣＤ等の撮像装置によって撮影し、撮像した画像データをディスプレイ画面上に拡大して映し出し、映し出された映像の画像データをコンピュータ内に取り込んで走査し、画素数をカウントする。この際、背景と撚糸との色の違い（濃淡）を利用し、撚糸を構成する画素数が減少した時に糸切れを検知することができる。より具体的には、撚糸を拡大してディスプレイの画面上に表示し、１５秒毎に画像をコンピュータ内に取り込む。この場合、例えば、微細炭素繊維撚糸は黒褐色、背景は薄茶色に見える。そこでこれをグレースケールに変換する。例えば、２５６階調で変換した場合、１００以下を黒として微細炭素繊維撚糸がある部分とし、１０１以上を微細炭素繊維撚糸が無い背景部分として画面上の全画素数をスキャンしてカウントする。このような２値化して判定する。画像中に占める撚糸の面積の割合が５％以上になるように拡大することが望ましい。糸切れが生じれば画面内の撚糸面積が通常よりも減少する。２画面連続で撚糸部分の面積が減少していれば撚糸の太さむらと間違えることなく糸切れを検知することが可能である。リアルタイムに画面を見て糸切れを検知できることは勿論のことである。
【００５８】
ここで、基板上の微細炭素繊維の集合体から最初に微細炭素繊維を引き出して、ボビン３に渡すまでの好ましい例について説明する。なお、説明の都合上、図示を簡略化して説明する。
【００５９】
微細炭素繊維撚糸の製造装置は、図６および図７に示すように、基板５上の微細炭素繊維の集合体Ｃの側面から微細炭素繊維を引き出す極細軸状部２１ａを有する引出具２１、引出具２１をその軸線２１Ｘ回りに回転駆動するモーター２２を、付属品として備えることができる。
【００６０】
極細軸状部２１ａを有する引出具２１の素材は、鉄、アルミニウム、ステンレス、タングステン−カーバイド等の合金、プラスチック、木材、ガラス等であり、特に制限されるものではない。引出具２１は微細炭素繊維に対して適度な摩擦抵抗を有していれば良く、引出具に摩擦を生じさせるために、極細軸状部２１ａの外周面に周溝や、螺旋溝や、エンボス加工等による微細な突起を有していることが望ましい。
【００６１】
極細軸状部２１ａの直径は、基板上に成長させられた微細炭素繊維の平均長さに依存して決まる。上記したように、本発明に使用される、基板５上に形成される微細炭素繊維集合体Ｃの微細炭素繊維の平均長さ（Ｌ）は、０．０２ｍｍ以上である。
【００６２】
基板５上の微細炭素繊維の平均長さ（Ｌ）に対し、極細軸状部２１ａの軸径又は直径（Ｄ）がＤ＜（Ｌ／π）であることが好ましい。Ｄ＜（Ｌ／π）の直径であれば、基板上の微細炭素繊維の集合体の中で引出具が１回転した時に丁度極細軸状部２１ａの周りに１周以上捲きついてくる計算になる。高確率で微細炭素繊維を引き出すには１周以上捲きついていることが大事である。刃径０．０５ｍｍ〜のマイクロドリルが市販されており、これを引出具に用いることもできる。
【００６３】
基板５上に成長している微細炭素繊維の集合体Ｃの側面から引出具２１の極細軸状部２１ａを突き刺し、進入させる。この進入深さは０．０１ｍｍ以上であることが望ましい。引出具２１を突き刺す高さ位置は基板５上に成長している微細炭素繊維の平均長さの１／２以下の高さが好ましい。この進入時に引出具２１は回転していても、回転が停止していてもよい。引出具２１の極細軸状部２１ａが０．０１ｍｍ以上進入したところで進入を停止させる。この場所に引出具２１が留置した状態で引出具２１の極細軸状部２１ａをその軸線回りに回転させる。引出具２１を１秒間〜５分間、１〜１０００ｒｐｍで回転させた後、引出具２１を１〜１０００ｒｐｍで回転させながら基板５から離反させて微細炭素繊維を集合体Ｃから引き出す。そしてボビン３上まで引出具２１を移動させた後、引出具２１の移動と回転を止めて静止させる。
【００６４】
上記のようにして基板５上の集合体から引き出した微細炭素繊維の撚糸をボビン３に接触させた後、ボビン３の回転を起動し、基板を回転させて撚りをかけて紡糸を始めることができる。
【００６５】
微細炭素材料繊維を基板から引き出す時の張力は、通常０．０５〜０．５ｍＮである。この値を超えると容易に糸切れが起こってしまう。そのため、防止中に糸切れが発生すると、糸切れした２本の微細炭素材料撚糸の両端を、通常の方法、例えば木綿繊維の扱いと同様にして手で結んで接続することは極めて困難である。そこで、次に、微細炭素繊維撚糸の紡糸の最中に糸切れが発生した場合の撚糸の接続方法について、図８を参照しつつ説明する。
【００６６】
先ず、図８（ａ）に示すように、基板５の上に成長している微細炭素繊維の集合体Ｃの中へ引出具２１の極細軸状部２１ａを進入させて、上述の要領で再び微細炭素繊維Ｔ１を無撚りのまま引き出し、または引出具２１を回転させて微細炭素繊維Ｔ１の撚糸をボビン３の上部まで持ってくる。また、引出具２１の回転を停止し基板５を回転させて微細炭素繊維の撚糸を引き出すこともできる。このようにして引出具２１により基板５上の微細炭素繊維の集合体から引き出された微細炭素繊維撚糸を、ボビン３の上方位置まで引き出してぴんと張っておく。
【００６７】
次に、図８（ｂ）に示すように、ボビン３上に残っている微細炭素繊維撚糸Ｔ２の切れ端を先細のピンセット等で静かに手繰り出し、引出具２１に接続されてぴんと張っている微細炭素繊維撚糸Ｔ１の上に静かに置く。
【００６８】
引出具２１および基板５が静止している場合は、どちらかをここで静かに回転させることにより、図８（ｃ）に示すように、ボビン上から手繰り出されてきた微細炭素繊維撚糸Ｔ２の一端を巻き込み繋げる。この時の引出具２１または基板５の回転数は１〜１０００ｒｐｍであり、回転が速すぎるとボビン３から手繰り寄せてきた微細炭素繊維撚糸Ｔ２の切れ端をはじいてしまう。初めはゆっくりと回転させて徐々に高速回転させるのがよい。
【００６９】
この後、引出具２１が回転している場合、この回転を止め、基板５を所望の回転数で回転させる。これと同時に引出具２１に繋がっている微細炭素繊維撚糸Ｔ１を切断して引出具から切り離し（図８（ｄ））、ボビン３を回転させることにより紡糸を再開し、長尺の微細炭素繊維撚糸を製造することができる。
【００７０】
次に、２本のボビンに巻き取った微細炭素繊維撚糸を接続して１本の長尺撚糸にする方法について、図９を参照して説明する。
【００７１】
図９に示すように、一端がボビン３ａに捲きつけられている撚糸Ｔａの他端を引き出し、引き出した先に紙製の軽量の錘１１ａを接続し、ガイド１０ａを介してぴんと張る。一方、一端が別のボビン３ｂに捲きつけられている撚糸Ｔｂの他端も同様に引き出し、引き出した先に紙製の軽量の錘１１ｂを接続し、ガイド１０ｂを介してぴんと張る。撚糸Ｔａと撚糸Ｔｂとをガイド１０ａ、１０ｂ間で重ね合わせ、ボビン３ｂを、撚糸を回転中心として回転させ、撚糸Ｔａ，Ｔｂの重ね合わせ部に撚りを掛けて１本の長尺の微細炭素繊維の撚糸を製造することができる。
【００７２】
この時のボビン３ｂの回転数は１〜１０００ｒｐｍ程度が好適であり、初めはゆっくり回転させることが望ましい。撚糸Ｔａ，Ｔｂの重ね合わせ部に撚りを掛けた後、ボビン３ａの巻き戻し回転とボビン３ｂの巻き取り回転とを同期させ、ボビン３ａからボビン３ｂへ微細炭素繊維撚糸を送り、ボビン３ｂで巻き取る。
【００７３】
撚糸Ｔａ，Ｔｂの重ね合わせ部での２本の微細炭素繊維撚糸の接合をより強固にするため、図１０に示すように、幅広先端部を有する引出具２１を用いて、基板に成長している微細炭素繊維ＴＳを幅広のシート状に引き出し、この引き出したシートを前記撚糸Ｔａ，Ｔｂの重ね合わせ部に捲きつけることも非常に有効である。微細炭素繊維のシートの寸法は幅１ｍｍ×長さ１ｍｍ以上が好ましい。
【００７４】
また、２本の微細炭素繊維撚糸Ｔａ，Ｔｂの重ね合わせ部に液体を付与することも重ね合わせ部の接続強度向上に非常に効果がある。撚糸Ｔａ，Ｔｂの前記重ね合わせ部に液体を付与すると、ばらけていた微細炭素繊維の単糸が凝集して引き締まり、結着力が大きくなる。その後、上述のようにして微細炭素繊維の重ね合わせ部に撚りを掛けて巻き取る。用いられる液体としては、極性を有していることが好ましく、誘電率が５以上の液体を用いるのがよい。炭素数１〜５のアルコール、アセトン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、水、酢酸エチル、アセトニトリル等が上げられる。これらの中でもメタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、アセトニトリルが好ましい。
【００７５】
次に、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置の第２実施形態を、図１１〜１２を参照して説明する。
【００７６】
第２実施形態の微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ｂは、図１１に概念的に示すように、基板保持装置２は、複数の基板保持部６を支持する支持体２０と、複数の保持部６の各々を回転駆動する第１駆動部（不図示）と、支持体２０を回転駆動する第２駆動部（不図示）と、を有し、２本以上の微細炭素繊維撚糸同士を、さらに撚り合わせることができる。
【００７７】
通常、２本以上の糸をさらに撚り合わせた糸を作製する場合、一旦撚糸をボビンに巻き取ったものを２本以上用意し、そこから糸を巻き出しながら外力を加えて撚りを付加する。しかしこの方法では、一旦糸をボビンに巻き取るために生産性が思わしくないばかりか、撚りを付加するために糸に摩擦力を印加するため、本発明で得られるような極細の微細炭素繊維撚には適用できないという問題がある。
【００７８】
このような問題を克服するため、本発明の装置においては、支持体２０の同一面上に配置された２個以上の基板５を、第１駆動軸６ｃ回りに各々回転させると同時に、支持体２０を回転駆動することにより各基板５に共通の回転に軸線Ｇ回りに回転させる。これにより、一旦糸をボビンに巻き取ってそれらを複数本用意して後から撚り合わせる場合に比べて、効率良く、かつ糸へのダメージを最小限にとどめながら、２本以上の微細炭素繊維撚糸同士を撚り合わせた糸を作製することができる。
【００７９】
また、第２実施形態に示されているように、微細炭素繊維撚糸同士を撚り合わせるまで、微細炭素繊維撚糸を下方から上方へ引き出す構成とすることにより、微細炭素繊維撚糸のたるみを少なくし、かつ送り出し部と巻き取り部の間における微細炭素繊維撚糸に加わる張力を常に一定に保つことができるので、さらなる工程安定性を実現できる。なお、微細炭素繊維撚糸を上方から下方へ引き出すようにしても良い。また、基板５は、図１２に示すように、支持体２０に対し、縦置きに配置することもできる。
【００８０】
第２実施形態の微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ｂによって製作された微細炭素繊維撚糸のＳＥＭ写真（５０００倍）を図１３に示す。
【００８１】
次に、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置の第３の実施形態について、図１４〜１６を参照して説明する。上記第１、第２実施形態は、基板保持部を回転させることによって微細炭素繊維を撚り合わせる装置の例を示したが、以下に説明する第３実施形態及び第４実施形態では、ボビンを回転させることにより微細炭素繊維を撚り合わせる装置の例を示す。
【００８２】
第３実施形態の微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ｃは、図１４〜１６に示すように、基板保持部６を有する基板保持装置２と、ボビン３を有する巻取装置４Ｃとを備えている。
【００８３】
巻取装置４Ｃは、ボビン３を巻取回転軸線回りに回動自在に支持し、外周面に歯を有するリングギア２３と、リングギア２３の外周歯と噛み合い、リングギア２３を回転駆動させる駆動ギア２４と、ボビン３の回転軸３ａに固定されたピニオンギア２５と、ピニオンギア２５と噛み合い、ボビン３に巻取回転を付与するためのフェースギア２６とを有している。図示例において、リングギア２３は、図１６に示すように、巻取装置４Ｃの本体部分４１にベアリング等を介して回転自在に支持されている。
【００８４】
上記第３実施形態では、モーター２４ａを起動させて駆動ギア２４を駆動させると、リングギア２３が図１５の時計回りに回転し、リングギア２３の回転によって、ボビン３がリングギア２３と共に図１５の時計回り（矢印Ｘ方向）に回転すると、ピニオンギア２５とフェースギア２６との噛み合いによって、ボビン３にボビン３の回転軸３ａ回りに矢印Ｙ方向の回転が付与される。ボビン３は、矢印Ｙ方向の回転によって巻取回転が与えられると同時に、矢印Ｘ方向の回転によって撚りをかける回転が与えられる。このようにして、ボビン３の矢印Ｙ方向の巻取駆動と連動し、ボビン３を矢印Ｘ方向へ回転駆動させて撚りをかける、撚り合わせ機構が構成されている。この場合も、撚り角度が１０〜５０°となるように、ボビン３の矢印Ｙ方向の巻取駆動と、ボビン３の矢印Ｘ方向の回転駆動とを連動させる。
【００８５】
次に、本発明に係る微細炭素繊維撚糸の製造装置の第４実施形態について、図１７〜２０を参照して説明する。
【００８６】
第４実施形態の微細炭素繊維の製造装置１Ｄは、基板保持部３０ａを備える基板保持装置３０と、ボビン３２を備えた巻取装置３３と、を有している。
【００８７】
巻取装置３３は、ボビン３２を巻き取り回転駆動するための第１駆動部３４を有している。また、巻取装置３３は、ボビン３２の巻取回転軸Ａ方向の先端に微細炭素繊維を接続するための先細端部３１を備えている。さらに、ボビン３２は、回転軸線Ａと略直交する軸線Ｂ（図１８）回りに回転自在に配設されて、先細端部３１が基板保持部３０ａの側を向き微細炭素繊維が引き出される方向に巻取回転軸線Ａが沿う第１の配置（図１７，１８）と、微細炭素繊維が引き出される方向と巻取回転軸線Ａが交差する第２の配置（図１９，２０）とを配置転換可能となっている。
【００８８】
基板保持装置３０は、リニアアクチュエータ等によって基板保持部３０ａを往復動自在に支持し、それによって、基板保持部３０ａが巻取装置３３に接近し又は巻取装置３３から離反するようになっている。なお、巻取装置３３を、基板保持部３０ａと接近又は離反するように往復動自在とすることもできる。
【００８９】
第４実施形態の微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ｄは、図１７，１８に示す第１の配置において、ボビン３２の一端に微細炭素繊維を接続した状態でボビン３２を巻取軸線Ａ回りに回転させつつ、基板５をボビン３２から離れる方向に移動させることにより、基板５上の微細炭素繊維の集合体から微細炭素繊維Ｔを引き出しつつ撚りをかける。
【００９０】
次に、ボビン３２の回転を停止させた状態で、ボビン３２を図１９，２０に示す第２の配置に配置転換させた後、ボビン３２を再び巻取回転軸線Ａ回りに回転させるとともに、ボビン３２の回転と同期して基板５とボビン３２との距離が縮まるように基板５を移動させることにより、引き出されて撚りをかけられた微細炭素繊維撚糸をボビン３２に巻き取る。
【００９１】
上記のように、引き出して撚り合わせる工程と巻取る工程とを交互に行うことにより、長尺の微細炭素繊維撚糸をボビン３２に巻取ることができる。
【００９２】
微細炭素繊維の製造装置１Ｄにおいて、基板５上の微細炭素繊維の集合体の引き出し位置から先芯３１までの距離は、１ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲内となるように、基板保持部３ａの往復動距離が設定されていることが好ましい。この距離が短すぎると実質的に生産性が悪い。一方この距離が長すぎると、先細端部３１と基板５上の微細炭素繊維との間に存在する微細炭素繊維撚糸自身の揺動によって、工程安定性が乏しくなるので好ましくない。
【００９３】
また、上記の第１実施形態と同様、上記第４実施形態において、第１駆動部３４の回転数は１〜６００００ｒｐｍであることが好ましく、巻取装置３３の巻き取り速度は０．００５〜３０ｍ／分であることが好ましい。
【００９４】
さらに、第４実施形態の場合において、第１駆動部３４を下側とし、基板保持装置３０を上側として、微細炭素繊維の引き出される方向が上下方向となるように、微細炭素繊維撚糸の製造装置１Ｄを配置することができる。これにより、微細炭素繊維撚糸のたるみを生じることなく、かつ送り出し部と巻き取り部の間における微細炭素繊維撚糸に加わる張力を常に一定に保つことができるので、さらなる工程安定性を実現できる。
【００９５】
本発明にて得られる微細炭素繊維撚糸は、そのまま用いても良いし、あるいはバインダー等が含まれていてもよい。バインダー等を含むことにより、微細炭素繊維撚糸をより一層丈夫なものとすることができる。なお、バインダーは、微細炭素材料撚糸を結着するものであれば限定されず、ポリビニルアルコール等が挙げられる。また、本発明の微細炭素繊維撚糸あるいはそれらにバインダーが含まれたものは、結ってロープにしても良いし、あるいは織物や編物への加工を行ってもよい。本バインダーを付与することによりボビン上に巻き取った微細炭素材料撚糸が複数段に重なって巻き取られていても上段と下段の撚糸が絡みついて糸切れすることなく巻き返すことができるようになる。
【００９６】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、基板保持部かボビンの何れか一方が回転することにより微細炭素繊維に撚りをかける装置を例示したが、第１実施形態と第３実施形態を組み合わせる等して、基板保持部とボビンの双方を回転させて微細炭素繊維撚糸に撚りをかけることも可能である。また、第４実施形態において、ボビン３２の端部を、先細端部３１に代えて極細軸状部２１ａとすることもできる。
【実施例】
【００９７】
以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。【００９８】
実施例１
シリコン基板（市販品、１ｃｍ２）に鉄をスパッタリングすることにより、厚さ４ｎｍの鉄皮膜が積層されたシリコン基板を製造した。【００９９】
この基板を熱ＣＶＤ装置内に設置し、熱ＣＶＤ法を行うことにより基板状にカーボンナノチューブ集合体を形成させた。熱CVD内に供給したガスは、アセチレンガス及びヘリウムガスの混合ガス（アセチレンガス５．７７ｖｏｌ％）とした。熱ＣＶＤ条件としては、温度：７００℃、圧力：大気圧下、初期段階におけるアセチレンガス濃度の上昇速度：０．１０ｖｏｌ％／秒、反応時間：１０分とした。【０１００】
この基板を用い、アセチレンガス及びヘリウムガスを熱ＣＶＤ装置内に供給させ、化学気相成長法により、当該基板上に実施例１のカーボンナノチューブを成長させた。成長させたカーボンナノチューブの平均長さは１９０μｍ、太さは１５．３ｎｍ程度であり、基板上のカーボンナノチューブ集合体は嵩密度４０ｍｇ／ｃｍ２、秩序パラメータ０．９４の高密度かつ高配向で形成されたカーボンナノチューブ集合体の状態となっていた。【０１０１】
上記のようにして得られたカーボンナノチューブ基板から、一部のカーボンナノチューブを削り取り、基板の保持に必要なシリコン部分を露出させ、上記第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）の基板保持装置２に基板を保持させた。この時、シリコン基板と基板保持部の回転軸線とのなす角（α）は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。【０１０２】
上記のようにして取り付けた基板を、８０００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度０．１ｍ／分で巻き取り、２５ｍに渡って１ｍあたりの撚数が８００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。この時、巻き取りボビンの長さ１５ｃｍ、直径６ｃｍで１５ｃｍの範囲でゆっくりトラバースさせ、巻き糸が重ならないようにした。巻糸体の撚角度を測定した。撚角度の平均値は４８°であり、引っ張り強度は２０３ＭＰａであった。この基板を用いて紡糸製造をさらに２回繰り返したところ、引っ張り強度は２３５、３１０ＭＰａであった。【０１０３】
実施例２
実施例１と同様にして製造した基板上に成長させたカーボンナノチューブを用いて撚糸を作製した。第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）の基板保持装置２に基板を保持させ、シリコン基板と基板保持部の回転軸線とのなす角（α）は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。基板を、８０００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度０．２ｍ／分で巻き取り、１８．２ｍに渡って１ｍあたりの撚数が４００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。巻糸体の撚角度を測定した。撚角度の平均値は２５°であり、引っ張り強度は３０５ＭＰａであった。この基板を用いて紡糸製造をさらに３回繰り返したところ、引っ張り強度は５６０、４１０、２６５ＭＰａであった。【０１０４】
実施例３
実施例１と同様にして製造した基板上に成長させたカーボンナノチューブを用いて撚糸を作製した。第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）の基板保持装置２に基板を保持させ、シリコン基板と基板保持部の回転軸線とのなす角（α）は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。基板を、２０００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度０．１ｍ／分で巻き取り、２０．５ｍに渡って１ｍあたりの撚数が２００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。撚角度の平均値は１５°であり、引っ張り強度は３２０ＭＰａであった。この基板を用いて紡糸製造をさらに１回繰り返したところ、引っ張り強度は２９５ＭＰａであった。【０１０５】
比較例１
実施例１と同様にして製造した基板上に成長させたカーボンナノチューブを用いて撚糸を作製した。第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）の基板保持装置２に基板を保持させ、シリコン基板と基板保持部の回転軸線とのなす角（α）は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。基板を、１００００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度１ｍ／分で巻き取り、１６．６ｍに渡って１ｍあたりの撚数が１００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。撚角度の平均値は８°であり、引っ張り強度は１３５ＭＰａであった。この基板を用いて紡糸製造をさらに２回繰り返したところ、引っ張り強度は６０ＭＰａであった。【０１０６】
比較例２
実施例１と同様にして製造した基板上に成長させたカーボンナノチューブを用いて撚糸を作製した。第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）の基板保持装置２に基板を保持させ、シリコン基板と基板保持部の回転軸線とのなす角（α）は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。基板を、１００００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度０．１ｍ／分で巻き取り、１５．３ｍに渡って１ｍあたりの撚数が１０００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。撚角度の平均値は７０°であり、引っ張り強度は９０ＭＰａであった。この基板を用いて紡糸製造をさらに４回繰り返したところ、引っ張り強度は４０、５０、１００、１３０ＭＰａであった。【０１０７】
実施例４
実施例１と同様にして製造した基板上に成長させたカーボンナノチューブを用いて撚糸を作製した。成長させたカーボンナノチューブの平均長さは１８０μｍ、太さは１６．６ｎｍ程度であり、基板上のカーボンナノチューブ集合体は嵩密度２０ｍｇ／ｃｍ２、秩序パラメータ０．８８の高密度かつ高配向で形成されたカーボンナノチューブ集合体の状態となっていた。第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）の基板保持装置２に基板を保持させ、シリコン基板と基板保持部の回転軸線とのなす角（α）は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。基板を、２００００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度０．５ｍ／分で巻き取り、１８．８ｍに渡って１ｍあたりの撚数が４００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。撚角度の平均値は２４°であり、引っ張り強度は３６０ＭＰａであった。【０１０８】
実施例５
実施例１と同様にして製造した基板上に成長させたカーボンナノチューブを用いて撚糸を作製した。成長させたカーボンナノチューブの平均長さは１６０μｍ、太さは１９．０ｎｍ程度であり、基板上のカーボンナノチューブ集合体は嵩密度６０ｍｇ／ｃｍ２、秩序パラメータ０．９６の高密度かつ高配向で形成されたカーボンナノチューブ集合体の状態となっていた。第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）の基板保持装置２に基板を保持させ、シリコン基板と基板保持部の回転軸線とのなす角（α）は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。基板を、４００００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度１ｍ／分で巻き取り、２８．１ｍに渡って１ｍあたりの撚数が４００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。撚角度の平均値は２３°であり、引っ張り強度は３２５ＭＰａであった。【０１０９】
実施例６
実施例１と同様にして製造した基板上に成長させたカーボンナノチューブを用いて撚糸を作製した。成長させたカーボンナノチューブの平均長さは１７５μｍ、太さは１０．０ｎｍ程度であり、基板上のカーボンナノチューブ集合体は嵩密度５０ｍｇ／ｃｍ２、秩序パラメータ０．９５の高密度かつ高配向で形成されたカーボンナノチューブ集合体の状態となっていた。第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）の基板保持装置２に基板を保持させ、シリコン基板と基板保持部６の回転軸線とのなす角（α）は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。基板を、４０００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度０．１ｍ／分で巻き取り、１８．５ｍに渡って１ｍあたりの撚数が４００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。撚角度の平均値は２６°であり、引っ張り強度は４０５ＭＰａであった。【０１１０】
実施例７
実施例１と同様にして製造した基板上に成長させたカーボンナノチューブを用いて撚糸を作製した。成長させたカーボンナノチューブの平均長さは１８５μｍ、太さは５０．０ｎｍ程度であり、基板上のカーボンナノチューブ集合体は嵩密度２５ｍｇ／ｃｍ２、秩序パラメータ０．９５の高密度かつ高配向で形成されたカーボンナノチューブ集合体の状態となっていた。第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）の基板保持装置２に基板を保持させ、シリコン基板と基板保持部の回転軸線とのなす角は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。基板を、４００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度０．０１ｍ／分で巻き取り、１９．８ｍに渡って１ｍあたりの撚数が４００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。撚角度の平均値は２４°であり、引っ張り強度は３４５ＭＰａであった。【０１１１】
実施例８
実施例１と同様にして作製したカーボンナノチューブの平均長さ１９０μｍ、太さ６．３ｎｍ程度であり、基板上のカーボンナノチューブ集合体は嵩密度４０ｍｇ／ｃｍ２、秩序パラメータ０．９４である基板を、上記第４実施形態の微細炭素繊維製造装置１Ｄ（図１７〜図２０）の基板保持装置３０に基板を保持させた。カーボンナノチューブの一部を回転先芯３１に取り付け、次いで、以下の単位操作１および２を、交互に２回繰り返して、１ｍあたりの撚数が４００００Ｔ／ｍの撚糸を作製した。【０１１２】
単位操作１：図１７，１８のように、回転先芯３１の回転軸線Ａをカーボンナノチューブ基板の移動方向に向けた状態で、第１駆動部３４であるモーターを４０００ｒｐｍで回転させながら、基板を０．１ｍ／分の速度で回転先芯から離れる方向に５０ｃｍ移動させた。モーターの回転および基板の移動を一旦停止させた後、回転先芯をモーターごと回転軸線Ｂ回りに９０°回転させて、図１９、２０に示すような配置とした。【０１１３】
単位操作２：ボビン３２をゆっくり回転させながら、カーボンナノチューブ基板に近づける方向に５０ｃｍ移動させて、単位操作１によって引き出したカーボンナノチューブ撚糸を巻き取りボビン３２に巻き取った。巻き取ったらモーターの回転および基板の移動を停止させ、回転先芯３１をモーター３４ごと９０°回転させ、再び図１７、１８に示す状態に配置した。【０１１４】
上記単位操作１、２の操作を交互に繰り返して、１８．７ｍに渡って１ｍあたりの撚数が４００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。作製した巻糸体のＳＥＭ観察を行い、撚角度を測定した（但し、上記単位操作１、２が切り替わった部分の撚糸を含む）。撚角度の平均値は２７°であり、引張り強度は３０４ＭＰａであった。【０１１５】
実施例９
第１実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図２，３）において、基板保持装置２から５ｍｍ離れた所で基板から引き出したカーボンナノチューブ撚糸に連続的にポバールの０．０００１ｗｔ％の水溶液を１ｍｌ／ｍｉｎの割合で付与した事意外は、実施例１と同様にして撚糸を作製した。基板上に成長させたカーボンナノチューブの平均長さは１８５μｍ、太さは６０．７ｎｍ程度であり、基板上のカーボンナノチューブ集合体は嵩密度２５ｍｇ／ｃｍ２、秩序パラメータ０．９５の高密度かつ高配向で形成されたカーボンナノチューブ集合体の状態となっていた。基板保持装置２に基板を保持させ、シリコン基板と基板保持部の回転軸線とのなす角（α）は１５°とした。また、引き出し位置から巻き取りボビンへの進入位置までの距離は５０ｍｍとした。基板を、８０００ｒｐｍで回転させながら、巻取り速度０．２ｍ／分で巻き取り、２５．３ｍに渡って１ｍあたりの撚数が４００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。撚角度の平均値は２４°であった。この時、巻き取りボビンの直径は３ｃｍでトラバース運動をさせながら巻き取ったが、糸が最大３段に重なって巻き取られた。この糸をほぐす時に問題無くほぐれた。【０１１６】
比較例３
ポバール水溶液を付与することが無い以外は実施例９と全く同様にして撚糸を製造した。製造後糸をほぐすときに糸が巻き取りボビン表面上で重なってしまったところでばらけてくっついてしまい、うまく巻き取りをほぐせないところがあった。【０１１７】
実施例１０
第２実施形態の微細炭素繊維撚糸製造装置（図１１）において、基板保持装置２上に１．５ｃｍ×１．５ｃｍ角の実施例１と同じカーボンナノチューブが成長した基板４枚を基板台に対して垂直に固定した。各基板を基板台の中心を回転の中心軸として右周りに５０００ｒｐｍで回転させ、さらに４枚の基板を乗せた台その中心を回転軸として左周りに５０００ｒｐｍで回転させた。巻取り速度０．１ｍ／分で巻き取り、１５．３ｍに渡って連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。製作された撚糸が、図１３のＳＥＭ写真（５０００倍）に示されている。【０１１８】
実施例１１
実施例１と同様にして微細炭素繊維が成長している基板５から微細炭素繊維から撚りを掛けながら微細炭素繊維の撚糸を紡糸し巻き取りボビン３に巻き取った。この時、基板５と巻き取りボビンの間にＣＣＤカメラを設置して微細炭素繊維の撚糸を倍率５０００で拡大して画面上に映した。紡糸している画像を１５秒毎にパーソナルコンピュータ上に取り込み、背景と撚糸を構成する画素数を数え上げることにより面積比を求めた。順調に紡糸できているときの画面中に占める撚糸の面積の割合は１７．５〜２０．１％であった。紡糸開始１．８時間後に糸切れが生じた。この時、画面中に占める撚糸の割合は急速に減少し、４５秒後には０％になった。【０１１９】
実施例１２
実施例８において第４実施形態の微細炭素繊維製造装置１Ｄ（図１７〜図２０）を基板保持部が上側になり、回転先芯が下側へ移動するように装置を縦方向配置で組みつけた。回転先芯が１ｍほど下側へ撚糸を引き出した後、この撚糸を巻き取るために上側へ移動させたこと意外は実施例８と同様にして撚糸を製造した。巻き取った撚糸の長さは１６ｍであった。作製した巻糸体のＳＥＭ観察を行い、撚角度を測定した（但し、上記単位操作１、２が切り替わった部分の撚糸を含む）。撚角度の平均値は２８°であり、引張り強度は２５３ＭＰａであった。【０１２０】
比較例４
実施例１と同様にしてカーボンナノチューブの集合体を形成した基板から、カーボンナノチューブの一部を、上記第４実施形態の微細炭素繊維製造装置の先細端部３１に取り付け、先細端部３１の回転軸線Ａを基板５の移動方向に向けた状態で、第１駆動部３４であるモーターを１００００ｒｐｍで回転させながら、基板を手で先細端部から離れる方向に移動させた。１ｍの撚糸を引き出すことはできたが、引き出した撚糸の揺動で撚糸が切れてしまい、１ｍ以上の撚糸を作製することができなかった。【０１２１】
実施例１３
第１実施例と同様にして製造されたカーボンナノチューブ基板５を微細炭素繊維撚糸製造装置（図６，７）の基板保持部６に保持させて固定した。直径（刃径）が０．０６ｍｍ、長さ（刃長）が１ｍｍのドリル刃を有するタングステン−カーバイド製のマイクロドリル（シャンクを除くドリル刃の部分が極細軸状部２１ａに相当する。）を引出具２１として用い、この引出具を回転させずに、極細軸状部２１ａを基板５上のカーボンナノチューブ集合体Ｃの側面に突き刺し、１ｍｍ進入させて停止した。この場所で引出具を２０ｒｐｍで１０秒間回転させた後、引出具２１を０．１ｍｍ／秒で後退させ基板から離反させた。引出具が基板から１ｍｍ離れたところで基板５を１００００ｒｐｍで回転させ引出具２１の回転を停止し、これを０．１ｍ／分で巻き取りボビン３の上まで移動させた。カーボンナノチューブ撚糸を巻き取りボビン３上に固定した後、カーボンナノチューブ撚糸を引出具から解放した。巻取り速度０．１ｍ／分で巻き取り、１ｍ以上に渡って１ｍあたりの撚数が１０００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製することができた。【０１２２】
この紡糸操作を１０回繰り返したところ、７回ほど巻き取りボビン３へのカーボンナノチューブ撚糸の巻き取り工程へ移行することができた。【０１２３】
実施例１４
長さ（刃長）が５ｍｍ、直径（刃径）が０．０３ｍｍのドリル刃を有するマイクロドリルを引出具として用い、この引出具２１の極細軸状部２１ａを基板５上のカーボンナノチューブの集合体Ｃへ進入させる深さを２ｍｍにした以外は、実施例１３と同様にして基板５上のカーボンナノチューブの集合体Ｃからカーボンナノチューブを引き出した。１０回試みて８回カーボンナノチューブを引き出すことができ、巻き取りボビン３へのカーボンナノチューブ撚糸の巻き取り工程へ移行することができた。【０１２４】
実施例１５
長さが１ｍｍ、直径が０．０３ｍｍであって、２周期の螺旋上の溝を有するドリル刃を備えたマイクロドリルを引出具として用い、この引出具２１の極細軸状部２１ａを基板５上のカーボンナノチューブの集合体Ｃへの進入深さを２ｍｍにした以外は、実施例１３と同様にして基板５上のカーボンナノチューブの集合体からカーボンナノチューブを引き出した。１０回試みて９回カーボンナノチューブを引き出すことができ、巻き取りボビン３へのカーボンナノチューブ撚糸の巻き取り工程へ移行することができた。【０１２５】
実施例１６
長さが１ｍｍ、直径が０．０３ｍｍであって、微小な突起を多数有する極細軸状部を有する引出具を用い、この引出具２１の極細軸状部２１ａを基板５上のカーボンナノチューブの集合体Ｃへ進入する深さを２ｍｍにした以外は、実施例１３と同様にして基板５上のカーボンナノチューブの集合体からカーボンナノチューブを引き出した。１０回試みて９回カーボンナノチューブを引き出すことができ、巻き取りボビン３へのカーボンナノチューブ撚糸の巻き取り工程へ移行することができた。【０１２６】
実施例１７
長さが５ｍｍ、直径が０．０３ｍｍのドリル刃を有するマイクロドリルを引出具として用い、この引出具２１の極細軸状部２１ａを基板５上のカーボンナノチューブの集合体Ｃへ進入する深さを０．２ｍｍにした以外は、実施例１３と同様にして基板５上のカーボンナノチューブの集合体からカーボンナノチューブを引き出した。１０回試みて６回カーボンナノチューブを引き出すことができ、巻き取りボビン３へのカーボンナノチューブ撚糸の巻き取り工程へ移行することができた。【０１２７】
実施例１８
長さが３ｍｍ、直径が０．０３ｍｍであって、先端部から根元に向かって螺旋上の溝刃を有する引出具を用い、この引出具２１の極細軸状部２１ａを基板５上のカーボンナノチューブの集合体Ｃへ進入する深さを２ｍｍにした以外は、実施例１３と同様にして基板５上のカーボンナノチューブの集合体からカーボンナノチューブを引き出した。１０回試みて９回カーボンナノチューブを引き出すことができ、巻き取りボビン３へのカーボンナノチューブ撚糸の巻き取り工程へ移行することができた。【０１２８】
比較例５
直径が０．０８ｍｍの極細軸状部２１ａを有する引出具２１を用いた以外は実施例１３と同様にして基板５上のカーボンナノチューブの集合体Ｃからカーボンナノチューブを引き出そうとした。５回試みて１回だけカーボンナノチューブを引き出すことができたが、４回は引き出すことができなかった。【０１２９】
比較例６
直径が０．１ｍｍの極細軸状部２１ａを有する引出具２１を用いた以外は実施例１３と同様にして基板５上のカーボンナノチューブの集合体Ｃからカーボンナノチューブを引き出そうとした。５回試みて５回ともカーボンナノチューブを引き出すことができなかった。【０１３０】
比較例７
長さが１ｍｍ、直径が０．０３ｍｍであって、鏡面仕上げを施した極細軸状部２１ａを有する引出具２１を、基板５上のカーボンナノチューブの集合体Ｃへの進入深さを２ｍｍにした以外は、実施例１３と同様にして基板５上のカーボンナノチューブの集合体からカーボンナノチューブを引き出した。５回試みて１回だけカーボンナノチューブを引き出すことができた。【０１３１】
実施例１９
上記第１実施例と同様にして製造したカーボンナノチューブ基板を図６、７に示す微細炭素繊維撚糸製造装置の基板保持部６に保持させて固定した。直径が０．０３ｍｍ、長さが１ｍｍの極細軸状部２１ａを備えた引出具２１（市販のマイクロドリルを使用した。）を回転させずに、基板５上のカーボンナノチューブ集合体の側面に引出具２１の極細軸状部２１ａを突き刺し、１ｍｍ進入させて停止した。この状態で引出具をその軸線回りに２０ｒｐｍで１０秒間回転させた後、引出具２１を０．１ｍｍ／秒で後退させ基板から離反させた。引出具２１が基板から１ｍｍ離れたところで基板を１００００ｒｐｍで回転させ引出具２１の回転を停止し、これを０．１ｍ／分で巻き取りボビン３の上まで移動させた。カーボンナノチューブ撚糸を巻き取りボビン３上に固定した後、カーボンナノチューブ撚糸を引出具２１から解放した。巻取り速度０．１ｍ／分で巻き取り、３．１ｍに渡って１ｍあたりの撚数が１０００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製したところで糸切れが発生したため、巻き取りボビン３および基板の回転を止めた。【０１３２】
図８（ａ）に示すように、再び基板５の上に成長している微細炭素繊維の集合体Ｃの中へ引出具の極細軸状部２１ａを進入させて、上述の要領で再度微細炭素繊維Ｔ１を引き出し、引出具２１をその軸線回りに回転させながら微細炭素繊維の撚糸を巻き取りボビン３の上部まで持ってきた。ここで引出具の回転を停止した。次に、図８（ｂ）に示すように、巻き取りボビン３上に残っている微細炭素繊維撚糸Ｔ２の切れ端を静かに手繰り出し、引出具側の撚糸Ｔ１とボビン側の撚糸Ｔ２の切れ端との「重ね合わせしろ」を１ｃｍとって、ぴんと張っている微細炭素繊維撚糸の上に静かに置いた。この時の引き出し時の張力は、０．２〜０．４ｍＮであった。図８（ｃ）に示すように、引出具をその回転軸回りに１０ｒｐｍで回転させて、引出具側の撚糸にボビン側の撚糸の切れ端を巻き込んで、両撚糸を撚りをかけて接続した。この後、図８（ｃ）に示すように、引出具の回転を止め、基板５を１００００ｒｐｍで回転させると同時に引出具に繋がっているカーボンナノチューブ撚糸を切断し、図８（ｄ）に示すように、巻き取りボビン３を回転させて巻取り速度０．１ｍ／分で紡糸を再開した。こうして長尺の微細炭素繊維撚糸を製造することができた。合計２回の接続作業を行い平均径３μｍで１０ｍの長さを有するカーボンナノチューブ撚糸を得た。【０１３３】
実施例２０
実施例１９に示した方法で製造した長さ１ｍのカーボンナノチューブ撚糸の巻き糸体２つを図９のような装置にセットした。巻き取りボビン３ａからカーボンナノチューブ撚糸Ｔａの一端を引き出し、引き出した先に５ｍｍ×５ｍｍ（１．９×１０−３ｍｇ）の紙製の錘１１ａを接続し、巻き取りボビン３ｂからもカーボンナノチューブ撚糸Ｔｂの一端を引き出し、その引き出した先に同様の錘１１ｂを接続し、ガイド１０ａ，１０ｂを介してぴんと張り、ガイド間の「重なりしろ」１ｃｍで重ね合わせた。その後、巻き取りボビン３ａを、張られた撚糸Ｔａを中心軸とした方向に回転させて重なり部分に撚りを掛けた。巻き取りボビン３ａを１０ｒｐｍで１０分間回転させて２本のカーボンナノチューブ撚糸Ｔａ，Ｔｂを接続した。巻き取りボビン３ａと３ｂと０．１ｍ／分で回転させてボビン３ａからボビン３ｂへ撚糸を送りボビン３ｂで巻き取って、長さ２ｍのカーボンナノチューブ撚糸を製造した。この方法で２本のカーボンナノチューブ撚糸の接続を１０回行い、６回は最初の１回目の接続作業で問題なく接続できた。残りの４回は複数回の接続作業を試みて接続に成功した。【０１３４】
実施例２１
実施例２０に示した接続操作において重ね合わせ部の「重なりしろ」にエタノールを０．５ｍｌ付与した。風乾後、実施例２０と同様にして重ね合わせ部に撚りを掛けた後、巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。この方法で２本のカーボンナノチューブ撚糸の接続を１０回行い、８回は最初の１回目の接続作業で問題なく接続できた。【０１３５】
実施例２２
エタノールの代わりにメタノールを用いた以外は実施例２１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。【０１３６】
実施例２３
エタノールの代わりにイソプロパノールを用いた以外は実施例２１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。【０１３７】
実施例２４
エタノールの代わりにペンタノールを用いた以外は実施例２１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。【０１３８】
実施例２５
エタノールの代わりにアセトンを用いた以外は実施例２１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。【０１３９】
実施例２６
エタノールの代わりにメタノールを用いた以外は実施例２１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。【０１４０】
実施例２７
エタノールの代わりにテトラヒドロフランを用いた以外は実施例２１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。【０１４１】
実施例２８
エタノールの代わりにジメチルホルムアルデヒドを付与し、１００℃の温風を１時間送って乾燥した以外は実施例２１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。【０１４２】
実施例２９
エタノールの代わりにジメチルアセトアミドを付与し、１００℃の温風を１時間送って乾燥した以外は実施例２１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。【０１４３】
実施例３０
エタノールの代わりに水を付与し、１００℃の温風を５分間送って乾燥した以外は実施例２１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。【０１４４】
実施例３１
図１０に示すように、粘着剤を塗布した広幅部を先端に備えた引出具２１を用いて２ｍｍ幅でカーボンナノチューブを１ｃｍほど引き出した。これをピンセットですくい取った。このすくい取った２ｍｍ×８ｍｍのカーボンナノチューブのシートを実施例２０に示した接続操作において重ね合わせ部の「重なりしろ」の上に静かに置き、重ね合わせ部を被った。この後、実施例２０と同様にしてこの重ね合わせ部に撚りを掛けて接続した後、巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。この方法で２本のカーボンナノチューブ撚糸の接続を１０回行い、８回は最初の１回目の接続作業で問題なく接続できた。【０１４５】
実施例３２
実施例１と同様にして得られたカーボンナノチューブ基板を微細炭素繊維撚糸製造装置（図６，７）の基板保持装部６に保持させて固定した。直径が０．０３ｍｍ、長さが１ｍｍの極細軸状部を有する引出具２１を回転させずに、基板上のカーボンナノチューブ集合体Ｃの側面に極細軸状部２１ａを突き刺し、１ｍｍ進入させて停止させた。この状態で引出具２１を２０ｒｐｍで１０秒間回転させた後、引出具２１を０．１ｍｍ／秒で後退させ基板から離反させた。引出具２１が基板５から１ｍｍ離れたところで基板を１００００ｒｐｍで回転させ引出具２１の回転を停止し、これを０．１ｍ／分で巻き取りボビン３の上まで移動させた。カーボンナノチューブ撚糸を巻き取りボビン３上に固定した後、カーボンナノチューブ撚糸を引出具２１から解放した。巻取り速度０．１ｍ／分で巻き取り、２．３ｍに渡って１ｍあたりの撚数が１０００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製したところで糸切れが発生したため、巻き取りボビン３および基板の回転を止めた。再び基板の上に成長している微細炭素繊維の集合体の中へ引出具２１の極細軸状部を進入させて、上述の要領で再度微細炭素繊維を引き出し、引出具の回転を止めると同時に基板を５００ｒｐｍで回転させてカーボンナノチューブの撚糸を巻き取りボビン３の上部まで持ってきた。次に、巻き取りボビン上に残っている微細炭素繊維撚糸の切れ端を静かに手繰り出して「重ね合わせしろ」を１ｃｍとって、ぴんと張っている微細炭素繊維撚糸の上に静かに置いた。引出具をその回転軸回りに１０ｒｐｍで回転させて、ボビン側の撚糸の切れ端を引出具側の撚糸に巻き込んだ。この後、引出具の回転を止め、基板を１００００ｒｐｍで回転させると同時に引出具に繋がっているカーボンナノチューブ撚糸を切断し、巻き取りボビン３を回転させて巻取り速度０．１ｍ／分で紡糸を再開した。こうして長尺の微細炭素繊維撚糸を製造することができた。合計２回の接続作業を行い平均径３μｍで１０ｍの長さを有するカーボンナノチューブ撚糸を得た。【０１４６】
実施例３３
実施例１と同様にして得られたカーボンナノチューブ基板を微細炭素繊維撚糸製造装置（図６，７）の基板保持部６に保持させて固定した。直径が０．０３ｍｍ、長さが１ｍｍの極細軸状部２１ａを備える引出具２１を回転させずに、基板上のカーボンナノチューブ集合体Ｃの側面に極細軸状部を突き刺し、１ｍｍ進入させて停止した。この状態で引出具２１を２０ｒｐｍで１０秒間回転させた後、引出具２１を０．１ｍｍ／秒で後退させ基板から離反させた。引出具２１が基板から１ｍｍ離れたところで基板を１００００ｒｐｍで回転させ引出具２１の回転を停止し、これを０．１ｍ／分で巻き取りボビン３の上まで移動させた。カーボンナノチューブ撚糸を巻き取りボビン３上に固定した後、カーボンナノチューブ撚糸を引出具２１から解放した。巻取り速度０．１ｍ／分で巻き取り、１．５ｍに渡って１ｍあたりの撚数が１０００００Ｔ／ｍの連続した撚糸の巻糸体を作製したところで糸切れが発生したため、巻き取りボビン３および基板の回転を止めた。再び基板の上に成長している微細炭素繊維の集合体の中へ引出具２１の極細軸状部２１ａを進入させて、上述の要領で再度微細炭素繊維を引き出し、引出具の回転を止めると同時に基板を５００ｒｐｍで回転させてカーボンナノチューブの撚糸を巻き取りボビン３の上部まで持ってきた。次に、巻き取りボビン上に残っている微細炭素繊維撚糸の切れ端を静かに手繰り出して「重ね合わせしろ」を１ｃｍとって、ぴんと張っている微細炭素繊維撚糸の上に静かに置いた。引出具を１０ｒｐｍで回転させて、ボビン３側の撚糸の切れ端を引出具側の撚糸に巻き込んだ。この後、引出具の回転を止め、基板を１００００ｒｐｍで回転させると同時に引出具に繋がっているカーボンナノチューブ撚糸を切断し、巻き取りボビン３を回転させて巻取り速度０．１ｍ／分で紡糸を再開した。こうして長尺の微細炭素繊維撚糸を製造することができた。合計２回の接続作業を行い平均径３μｍで１０ｍの長さを有するカーボンナノチューブ撚糸を得た。【０１４７】
実施例３４
実施例３１と同様にして基板上のカーボンナノチューブから引き出した微細炭素材料繊維と巻き取りボビン上の微細炭素材料撚糸とを接続する際に、図７に示すように粘着剤を塗布した広幅部を先端に備えた引出具用いて２ｍｍ幅でカーボンナノチューブを１ｃｍほど引き出してピンセットですくい取った２ｍｍ×８ｍｍのカーボンナノチューブのシートを「重ね合わしろ」部分に静かに置き、重ね合わせ部を被った。このシートで覆った部分に酢酸エチルを０．５ｍｌ付与した。以降実施例３１と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。この方法で２本のカーボンナノチューブ撚糸の接続を１０回行い、９回は最初の１回目の接続作業で問題なく接続できた。【０１４８】
実施例３５
酢酸エチルの代わりにアセトニトリルを付与し、風乾した以外は実施例３４と同様にして巻き取りボビン３ｂにカーボンナノチューブ撚糸を巻き取った。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本発明によれば、微細炭素繊維撚糸を、連続的にかつ均質に製造することが可能になり、得られる微細炭素繊維撚糸は、高強度を必要とする防護材料、防弾・防護衣料、産業用資材向けの繊維材料、およびスポーツ向け各種繊維製品や導電性を必要とする電線、各種電気製品の配線・部材等の用途に用いることができる。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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