JP4900619B2 - Method and apparatus for continuously producing fine carbon fiber twisted yarn - Google Patents
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Description
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、及び装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for continuously producing twisted yarn from fine carbon fibers obtained by chemical vapor deposition.
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。 Fine carbon fibers are excellent in electrical characteristics, mechanical characteristics, and the like, and are expected to be used and applied in various industries such as field emission displays and conductive fillers.
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、)。
In recent years, fine carbon fibers made of carbon nanotubes and carbon nanotube sheets using the same have been proposed (
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。
Non-Patent
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。
In
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。 The above-mentioned fine carbon fiber twisted yarn and sheet are expected to be used for new applications because of their non-existing forms, and are expected to be applied to various industries.
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。 In industrial applications, it is essential that the fine carbon fiber twisted yarns and sheets as described above are continuously and uniformly produced and wound. The tension when pulling out the fine carbon material fiber from the substrate is usually as small as 0.05 to 0.5 mN. If this value is exceeded for some reason, thread breakage easily occurs. This fineness is the greatest problem to be overcome in producing fine carbon material twisted yarn.
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。
In
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)
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、及び装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the method and apparatus suitable for manufacturing the twisted yarn of a fine carbon fiber continuously.
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。 In order to achieve the above object, a method for producing a fine carbon fiber twisted yarn according to the present invention includes a growth step of chemical vapor deposition of an aggregate of fine carbon fibers on a substrate, and the fine carbon fibers from the aggregate on the substrate. A winding step of continuously pulling out and winding on a bobbin, and rotating at least one of the substrate and the bobbin to continuously pull out from the aggregate of fine carbon fibers on the substrate and wind up on the bobbin. A twisting step of twisting the fine carbon fiber to be formed to form a fine carbon fiber twisted yarn, wherein the twisting step and the winding step are performed simultaneously.
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。 The method of twisting the fine carbon fibers in the twisting step is by rotating the substrate, and the twisting step prepares a plurality of substrates having the fine carbon fiber aggregate, The plurality of substrates are further rotated around a common rotation axis while twisting the fine carbon fibers drawn from the aggregate by rotating each substrate around a rotation axis passing therethrough to form a fine carbon fiber twisted yarn. The fine carbon fiber twisted yarns may be further twisted together.
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。 In addition, the method further includes a recovery step of recovering the breakage of the fine carbon fiber twisted yarn, and the recovery step pierces the ultrafine shaft-shaped portion of the drawing tool having the ultrafine shaft-shaped portion on the side surface of the aggregate of the fine carbon fibers. After that, the fine carbon fiber is attached to the ultra-thin shaft portion, and the fine carbon fiber is pulled out from the substrate without being twisted, or the substrate or the drawing tool is rotated to be drawn out as a twisted yarn of the fine carbon fiber and drawn out. The ends of the carbon fiber are superposed on one end of the fine carbon fiber twisted yarn already wound on the bobbin, and then the twisted portion is twisted to connect the two twisted yarns, which are connected to the ultra-thin shaft portion of the drawing tool. The two twisted yarns may be connected by separating the fine carbon fiber twisted yarn from the drawing tool.
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。 A connection step of connecting each fine carbon fiber twisted yarn wound around a pair of bobbins, wherein the connecting step pulls out the other end of the first twisted yarn, one end of which is wound around the first bobbin; By overlapping the other end of the first twisted yarn on the other end of the second twisted yarn, one end of which is wound around the second bobbin, twisting the overlapped portion and connecting the two twisted yarns, 2 You may make it connect the twisted yarn of a fine carbon fiber of a book.
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。 The overlap portion of the two twisted yarns to be connected is covered with a wide sheet-like fine carbon fiber drawn from a substrate subjected to chemical vapor deposition, and then twisted on the overlap portion. You may connect by multiplying.
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。 After applying a liquid selected from alcohol having 1 to 5 carbon atoms, acetone, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide, ethyl acetate, acetonitrile, or water to the overlapped portion, the overlapped portion is twisted. It is preferable to multiply.
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。 Further, in the growth step, fine carbon fibers are grown so that the average length (L) is 0.02 mm or more, and in the twisting step, the diameter (D) is set to D <(L / π). The ultrathin shaft portion is pierced into the side surface of the aggregate of the fine carbon fibers grown on the substrate while rotating the extraction tool having the extra fine shaft portion or without rotating the extraction tool. You may include the process of making it approach and drawing out fine carbon fiber, rotating the said drawing tool by predetermined rotation speed.
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。 Furthermore, the method for producing a fine carbon fiber twisted yarn according to the present invention includes a growth step of chemical vapor deposition of an aggregate of fine carbon fibers on a substrate, and continuous fine carbon fibers from the aggregate of fine carbon fibers on the substrate. The fine carbon fiber is twisted to form a fine carbon fiber twisted yarn by rotating the bobbin while rotating the bobbin, and the fine carbon fiber twisted yarn drawn and twisted is wound around the bobbin A winding step, and in the pulling and twisting step, a first arrangement along which a winding rotation axis extends in a direction in which the fine carbon fibers are pulled out, and a direction in which the fine carbon fibers are pulled out and a winding rotation A bobbin capable of changing the arrangement between the second arrangement where the axes intersect is used, and the bobbin is wound around the winding axis while the fine carbon fiber is connected to one end of the bobbin in the first arrangement. , While moving the at least one of the substrate and the bobbin away from each other, twisting while pulling out the fine carbon fibers from the aggregate of fine carbon fibers on the substrate, in the winding step, After the bobbin is stopped and rotated to the second arrangement, the bobbin is rotated around the winding rotation axis, and the substrate and the bobbin are synchronized with the bobbin rotation. By moving at least one of the substrate and the bobbin so as to reduce the distance, the fine carbon fiber twisted yarn drawn and twisted in the second step is wound around the bobbin, and the draw-twisting step and the The winding process is performed alternately.
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。 Further, the present invention is a fine carbon fiber twisted yarn comprising fine carbon fibers having a diameter of 1 to 100 nm produced by any one of the above methods, the surface twist angle is 10 to 50 °, and the tensile strength is 200 MPa or more. A fine carbon fiber twisted yarn is provided.
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。 Furthermore, in order to achieve the above object, the present invention is an apparatus for continuously producing twisted yarns of fine carbon fibers from an aggregate of fine carbon fibers grown on a substrate by chemical vapor deposition, which holds the substrate. A substrate holding unit, a bobbin for driving the fine carbon fiber twisted yarn, and a fine carbon fiber drawn from the assembly on the substrate held by the substrate holding unit and wound on the bobbin is twisted. And a twisting mechanism for rotating at least one of the substrate holding portion and the bobbin in conjunction with a bobbin winding drive.
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。 The substrate holding portion has a rotation axis of the holding portion directed toward a peripheral edge of the bobbin so as to avoid interference between the fine carbon fibers drawn from the aggregate on the substrate and the substrate, and the substrate Is preferably configured to be held non-parallel to the rotation axis of the holding portion.
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。 The apparatus for producing a fine carbon fiber twisted yarn according to the present invention includes a support that supports a plurality of the substrate holders, and a fine carbon fiber drawn from each of the aggregates on the substrate held by each substrate holder. A plurality of first driving units that rotationally drive each of the plurality of substrate holding units to twist the substrate, and a second driving unit that rotationally drives the support to further twist the fine carbon fiber twisted yarns. It is preferable to have.
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。 Furthermore, it is preferable that the apparatus for producing fine carbon fiber twisted yarn according to the present invention includes a windshield in the vicinity of the drawing position of the fine carbon fiber from the substrate.
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。 The apparatus for producing fine carbon fiber twisted yarn according to the present invention further includes a monitoring device that monitors whether the fine carbon fibers on the substrate are broken or the fine carbon fibers are pulled out from the substrate, and the monitoring device includes the fine carbon fibers. An imaging device for photographing fine carbon fiber twisted yarn pulled out from a substrate while applying a twist existing between a substrate subjected to chemical vapor deposition and a bobbin, and enlarges image data obtained by the imaging device on a screen It is preferable to include a display that displays the image and a determination unit that scans the image data of the image displayed on the display and determines that the yarn is broken when the number of pixels constituting the twisted yarn decreases.
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。 In addition, the apparatus for producing fine carbon fiber twisted yarn according to the present invention includes an extraction tool having an ultra-thin shaft-like portion for piercing the side surface of the aggregate of fine carbon fibers grown on the substrate and pulling out the fine carbon fibers. A rotation drive device that rotates the drawing tool about an axis, and the diameter (D) of the ultrafine shaft-shaped portion of the drawing tool is the average length (L of the fine carbon fibers grown on the substrate) ) Is preferably set to D <(L / π).
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。 It is preferable that the drawing tool has at least one of a circumferential groove, a spiral groove, and a protrusion on the outer peripheral surface of the ultrafine shaft-like portion.
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。 Further, the present invention is an apparatus for continuously producing a fine carbon fiber twisted yarn from an assembly of fine carbon fibers chemically vapor-deposited on a substrate, the substrate holding unit holding the substrate, and the fine A bobbin for winding and driving a carbon fiber twisted yarn, and the bobbin has a tapered end portion for connecting the fine carbon fiber formed at one end in the winding rotation axis direction, and the tapered end portion is A first arrangement in which the winding rotation axis is directed in the direction in which the fine carbon fibers are drawn out toward the substrate holding portion, and a second arrangement in which the winding carbon rotation axis intersects with the direction in which the fine carbon fibers are drawn out. It is possible to change the arrangement, and at least one of the bobbin and the substrate holding part is provided so as to reciprocate so as to approach or separate from each other.
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。 According to the present invention, by rotating at least one of the substrate on which the aggregate of fine carbon fibers is formed and the bobbin, twisting the fine carbon fiber drawn from the aggregate and winding the fine carbon fiber on the bobbin, A fiber twist yarn can be manufactured continuously.
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DESCRIPTION OF
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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol was attached | subjected to the same component through all the drawings and all the embodiments.
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。 The present invention relates to a method and an apparatus for continuously producing a fine carbon fiber twisted yarn from an aggregate of fine carbon fibers grown on a substrate by chemical vapor deposition.
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。 The aggregate | assembly of the fine carbon fiber formed on a board | substrate is demonstrated in detail below.
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。 The substrate is not limited, and a known or commercially available substrate can be used. For example, a plastic substrate; a glass substrate; a silicon substrate; a metal substrate containing a metal such as iron or copper or an alloy thereof can be used. A silicon dioxide film may be laminated on the surface of these substrates. In the present invention, it is particularly preferable to use an iron-coated laminated silicon substrate obtained by evaporating or sputtering iron on a silicon substrate on which a silicon dioxide film is deposited by thermal oxidation or vapor deposition. Thereby, a carbon nanotube aggregate formed with high density and high orientation can be produced.
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。 The fine carbon fibers to be chemically vapor-grown on the substrate are vapor-grown carbon fibers such as single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and carbon fibers.
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。 The form of these fine carbon fibers is not particularly limited, but for reasons such as easy formation of fine carbon fiber twisted yarns, it is preferably an aggregate formed with high density and high orientation on the substrate. It is desirable to be.
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。The high density means that the bulk density of the carbon nanotubes on the substrate is 1-1000 mg / cm 3 , preferably 10-500 mg / cm 3 , more preferably 10-100 mg / cm 3 . If the bulk density is smaller than this range, the interaction between adjacent carbon nanotube molecules is weakened, and the pull-out property may be deteriorated. When the bulk density is larger than this range, a large amount of carbon nanotubes are pulled out at the time of pulling out, which will be described later, and there is a possibility that long fibers having a uniform thickness cannot be obtained.
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。 High orientation means that fine carbon fibers are adjacent to each other and stand perpendicular to the substrate plane. Specifically, the order parameter (OP) represented by the following formula (1) is in the range of 0.70 to 1.0 (preferably 0.90 to 0.99).
(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。(However, θj represents an angle formed between the molecular axis of an arbitrary carbon nanotube formed on the substrate and the substrate. <Cos 2 (90-θj)> represents all the angles formed on the substrate. (The average value for carbon nanotubes is shown.)
Such an assembly of fine carbon fibers that are vertically aligned at a high density by chemical vapor deposition is called a carbon nanotube forest or a vertically aligned structure of carbon nanotubes. The length of the fine carbon fiber formed by chemical vapor deposition may be 0.02 mm or more on average, preferably 0.03 mm or more, and more preferably 0.05 mm or more. The average diameter of the fine carbon fiber material is not limited, and is usually 0.5 to 100 nm, preferably about 1 nm to 100 nm, and more preferably about 5 to 50 nm.
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。 The temperature at the time of vapor phase growth may be any temperature, but it is particularly preferably high temperature, for example, about 600 to 1000 ° C. The pressure at the time of vapor phase growth is not limited, but usually it may be performed at atmospheric pressure. The gas used for vapor phase growth may contain carbon, but usually a hydrocarbon such as acetylene may be used. A rare gas such as helium may be used as the carrier gas. Although reaction time can be suitably set according to manufacturing conditions, it should just be about 3 minutes-2 hours, for example.
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。 A photograph of the aggregate of carbon nanotubes, which are fine carbon fibers formed on the substrate as described above, is shown in FIG. FIG. 1 is an SEM photograph at a magnification of 500 times, showing that fine carbon fibers are vertically aligned at high density on a substrate. A part of an aggregate of carbon nanotubes grown with high density and high orientation on a substrate, that is, an aggregate of carbon nanotubes by holding multiple fine carbon fibers with tweezers or connecting them to the tip of a thin needle-like object By pulling away from the body, the carbon nanotubes are pulled out from the substrate as a continuous filament. Although the mechanism by which such a phenomenon occurs is not always clear, by properly twisting the filamentary carbon nanotubes drawn out in this way, it becomes possible to continuously draw out without breaking the yarn.
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。
Next, 1st Embodiment of the manufacturing apparatus of the fine carbon fiber twisted yarn which concerns on this invention is described with reference to FIGS. The fine carbon fiber twisted yarn manufacturing apparatus 1A according to the first embodiment includes a
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。
Furthermore, the
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。
As shown in FIG. 4, the
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。
By holding the
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。
In the winding
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。
As described above, the twisted fine carbon fiber twisted yarn is pulled out by the
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。
In the fine carbon fiber twisted yarn manufacturing apparatus 1A, it is preferable that the distance from the drawing position of the fine carbon fiber on the
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。
In the present invention, in order to twist the fine carbon fibers, the
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。
In order to rotate the
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。
In a preferred embodiment of the fine carbon fiber twisted yarn manufacturing apparatus 1A, a
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。
The winding
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。
As shown in FIG. 2, the fine carbon fiber twisted
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。
In the fine carbon fiber twisted
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。
The SEM photograph (1000 times) of the fine carbon fiber twisted yarn manufactured with said apparatus is shown in FIG. The twist angle of the twisted yarn is determined by the number of twists per unit length. The twist angle of the twisted yarn is adjusted by the
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。
The fine carbon fiber twisted yarn manufacturing apparatus 1A can be equipped with a yarn breakage detector, although not shown. For example, an ultrafine carbon material twisted yarn pulled out from the
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。
Here, a preferred example from when the fine carbon fibers are first drawn out from the aggregate of fine carbon fibers on the substrate and passed to the
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。
As shown in FIGS. 6 and 7, the apparatus for producing fine carbon fiber twisted yarn includes an
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。
The material of the
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。
The diameter of the
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。
With respect to the average length (L) of the fine carbon fibers on the
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。
The
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。
After contacting the
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。 The tension when pulling out the fine carbon material fiber from the substrate is usually 0.05 to 0.5 mN. When this value is exceeded, thread breakage easily occurs. Therefore, if yarn breakage occurs during prevention, it is extremely difficult to connect both ends of the two fine carbon material twisted yarns broken by hand in the same manner as usual, for example, handling cotton fibers. . Then, next, the connection method of the twisted yarn when the yarn breakage occurs during the spinning of the fine carbon fiber twisted yarn will be described with reference to FIG.
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。
First, as shown in FIG. 8 (a), the
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。
Next, as shown in FIG. 8 (b), the fine carbon fiber twisted yarn T2 remaining on the
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。
When the
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。
Thereafter, when the
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。 Next, a method of connecting the fine carbon fiber twisted yarn wound around two bobbins to form one long twisted yarn will be described with reference to FIG.
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。
As shown in FIG. 9, the other end of the twisted yarn Ta, one end of which is wound around the
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。
The rotation speed of the bobbin 3b at this time is preferably about 1 to 1000 rpm, and it is desirable to rotate slowly at the beginning. After twisting the overlapping portion of the twisted yarns Ta and Tb, the unwinding rotation of the
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。 In order to further strengthen the joining of the two fine carbon fiber twisted yarns at the overlapping portion of the twisted yarns Ta and Tb, as shown in FIG. It is also very effective to draw out the fine carbon fiber TS that is in the form of a wide sheet and squeeze the drawn sheet against the overlapping portion of the twisted yarns Ta and Tb. The dimension of the fine carbon fiber sheet is preferably 1 mm wide x 1 mm long.
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。 Also, applying a liquid to the overlapping portion of the two fine carbon fiber twisted yarns Ta and Tb is very effective in improving the connection strength of the overlapping portion. When a liquid is applied to the overlapped portion of the twisted yarns Ta and Tb, the separated single yarns of fine carbon fibers are aggregated and tightened to increase the binding force. Thereafter, the overlapping portion of the fine carbon fibers is twisted and wound as described above. The liquid to be used preferably has polarity, and a liquid having a dielectric constant of 5 or more is preferably used. Examples thereof include alcohols having 1 to 5 carbon atoms, acetone, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide, water, ethyl acetate, and acetonitrile. Among these, methanol, ethanol, isopropanol, acetone, tetrahydrofuran, ethyl acetate, and acetonitrile are preferable.
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。 Next, 2nd Embodiment of the manufacturing apparatus of the fine carbon fiber twisted yarn which concerns on this invention is described with reference to FIGS.
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。
In the fine carbon fiber twisted
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。 Usually, when producing a yarn in which two or more yarns are further twisted, two or more yarns once wound on a bobbin are prepared, and an external force is applied while unwinding the yarn to add a twist. However, in this method, since the yarn is wound around the bobbin once, the productivity is not expected, and a frictional force is applied to the yarn to add twist. There is a problem that cannot be applied.
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。
In order to overcome such a problem, in the apparatus of the present invention, two or
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。
In addition, as shown in the second embodiment, until the fine carbon fiber twisted yarns are twisted together, by configuring the fine carbon fiber twisted yarn to be drawn upward from below, the sag of the fine carbon fiber twisted yarn is reduced, And since the tension | tensile_strength added to the fine carbon fiber twist yarn between a sending-out part and a winding-up part can always be kept constant, the further process stability is realizable. The fine carbon fiber twisted yarn may be pulled out from above. Moreover, the board |
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。
FIG. 13 shows an SEM photograph (5,000 times) of the fine carbon fiber twisted yarn produced by the fine carbon fiber twisted
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。 Next, 3rd Embodiment of the manufacturing apparatus of the fine carbon fiber twisted yarn which concerns on this invention is described with reference to FIGS. Although the said 1st, 2nd embodiment showed the example of the apparatus which twists a fine carbon fiber by rotating a board | substrate holding part, in 3rd Embodiment and 4th Embodiment which are demonstrated below, a bobbin is rotated. The example of the apparatus which twists a fine carbon fiber by making it show is shown.
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。
A fine carbon fiber twisted
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。
The winding
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。
In the third embodiment, when the
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。 Next, 4th Embodiment of the manufacturing apparatus of the fine carbon fiber twisted yarn which concerns on this invention is described with reference to FIGS.
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。
The fine carbon
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。
The winding
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。
The
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。
In the first arrangement shown in FIGS. 17 and 18, the fine carbon fiber twisted
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。
Next, in a state where the rotation of the
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。
As described above, a long fine carbon fiber twisted yarn can be wound on the
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。
In the fine carbon
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。
Similarly to the first embodiment, in the fourth embodiment, the rotation speed of the
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。
Furthermore, in the case of the fourth embodiment, the fine carbon fiber twisted yarn manufacturing apparatus is such that the
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。 The fine carbon fiber twisted yarn obtained in the present invention may be used as it is or may contain a binder or the like. By including a binder or the like, the fine carbon fiber twisted yarn can be made even stronger. The binder is not limited as long as it binds the fine carbon material twisted yarn, and examples thereof include polyvinyl alcohol. In addition, the fine carbon fiber twisted yarn of the present invention or those containing a binder may be tied into a rope, or may be processed into a woven fabric or a knitted fabric. By providing this binder, even if the fine carbon material twisted yarn wound on the bobbin is wound in a plurality of stages, the upper and lower twisted yarns are entangled and can be rewound without breaking.
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。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, the apparatus for twisting the fine carbon fiber by rotating either the substrate holding part or the bobbin is exemplified, but the substrate may be combined by combining the first embodiment and the third embodiment. It is also possible to twist the fine carbon fiber twisted yarn by rotating both the holding portion and the bobbin. In the fourth embodiment, the end of the
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。 Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.
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。 Example 1
By sputtering iron on a silicon substrate (commercial product, 1 cm 2 ), a silicon substrate on which an iron film having a thickness of 4 nm was laminated was manufactured.
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。 This substrate was placed in a thermal CVD apparatus, and a carbon nanotube aggregate was formed in a substrate shape by performing a thermal CVD method. The gas supplied into the thermal CVD was a mixed gas of acetylene gas and helium gas (acetylene gas 5.77 vol%). The thermal CVD conditions were temperature: 700 ° C., pressure: atmospheric pressure, acetylene gas concentration increase rate in the initial stage: 0.10 vol% / second, and reaction time: 10 minutes.
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。Using this substrate, acetylene gas and helium gas were supplied into a thermal CVD apparatus, and the carbon nanotubes of Example 1 were grown on the substrate by chemical vapor deposition. The grown carbon nanotubes have an average length of 190 μm and a thickness of about 15.3 nm, and the aggregate of carbon nanotubes on the substrate is formed with a high density and high orientation with a bulk density of 40 mg / cm 2 and an order parameter of 0.94. It was in the state of a carbon nanotube aggregate.
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。
A part of the carbon nanotubes are scraped from the carbon nanotube substrate obtained as described above, and a silicon portion necessary for holding the substrate is exposed, and the fine carbon fiber twisted yarn manufacturing apparatus of the first embodiment (FIGS. 2 and 3). The substrate was held by the
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。 The substrate attached as described above is wound at a winding speed of 0.1 m / min while rotating at 8000 rpm, and a continuous twisted wound body having a twist number of 80000 T / m over 25 m is obtained. We were able to make it. At this time, the winding bobbin was slowly traversed within a range of 15 cm with a length of 15 cm and a diameter of 6 cm so that the wound yarns did not overlap. The twist angle of the wound body was measured. The average value of the twist angle was 48 °, and the tensile strength was 203 MPa. Spinning production was repeated twice more using this substrate, and the tensile strength was 235 and 310 MPa.
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。 Example 2
A twisted yarn was produced using carbon nanotubes grown on a substrate produced in the same manner as in Example 1. The substrate was held by the
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。 Example 3
A twisted yarn was produced using carbon nanotubes grown on a substrate produced in the same manner as in Example 1. The substrate was held by the
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。 Comparative Example 1
A twisted yarn was produced using carbon nanotubes grown on a substrate produced in the same manner as in Example 1. The substrate was held by the
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。 Comparative Example 2
A twisted yarn was produced using carbon nanotubes grown on a substrate produced in the same manner as in Example 1. The substrate was held by the
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。 Example 4
A twisted yarn was produced using carbon nanotubes grown on a substrate produced in the same manner as in Example 1. The average length of the grown carbon nanotubes is 180 μm and the thickness is about 16.6 nm, and the aggregate of carbon nanotubes on the substrate is formed with a high density and high orientation with a bulk density of 20 mg / cm 2 and an order parameter of 0.88. It was in the state of a carbon nanotube aggregate. The substrate was held by the
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。 Example 5
A twisted yarn was produced using carbon nanotubes grown on a substrate produced in the same manner as in Example 1. The grown carbon nanotubes have an average length of about 160 μm and a thickness of about 19.0 nm, and the aggregate of carbon nanotubes on the substrate is formed with a high density and high orientation with a bulk density of 60 mg / cm 2 and an order parameter of 0.96. It was in the state of a carbon nanotube aggregate. The substrate was held by the
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。 Example 6
A twisted yarn was produced using carbon nanotubes grown on a substrate produced in the same manner as in Example 1. The grown carbon nanotubes have an average length of 175 μm and a thickness of about 10.0 nm, and the aggregate of carbon nanotubes on the substrate is formed with a high density and high orientation with a bulk density of 50 mg / cm 2 and an order parameter of 0.95. It was in the state of a carbon nanotube aggregate. The substrate is held by the
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。 Example 7
A twisted yarn was produced using carbon nanotubes grown on a substrate produced in the same manner as in Example 1. The grown carbon nanotubes have an average length of 185 μm and a thickness of about 50.0 nm, and the aggregate of carbon nanotubes on the substrate is formed with a high density and high orientation with a bulk density of 25 mg / cm 2 and an order parameter of 0.95. It was in the state of a carbon nanotube aggregate. The substrate was held by the
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。 Example 8
A carbon nanotube produced in the same manner as in Example 1 has an average length of 190 μm and a thickness of about 6.3 nm, and the aggregate of carbon nanotubes on the substrate has a bulk density of 40 mg / cm 2 and an order parameter of 0.94. The substrate was held by the
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。
Unit operation 1: As shown in FIGS. 17 and 18, in the state where the rotation axis A of the
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。
Unit operation 2: While rotating the
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。
By repeating the operations of the
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。 Example 9
In the fine carbon fiber twisted yarn manufacturing apparatus (FIGS. 2 and 3) of the first embodiment, 1 ml of an aqueous solution of 0.0001 wt% of poval is continuously applied to the carbon nanotube twisted yarn drawn from the substrate at a distance of 5 mm from the
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。 Comparative Example 3
A twisted yarn was produced in exactly the same manner as in Example 9 except that no poval aqueous solution was applied. When the yarn was loosened after production, the yarn was loosened and stuck where it overlapped on the surface of the take-up bobbin, and it was not possible to unwind it well.
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。 Example 10
In the fine carbon fiber twisted yarn manufacturing apparatus (FIG. 11) of the second embodiment, four substrates on which the same carbon nanotubes as in Example 1 of 1.5 cm × 1.5 cm square are grown on the
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。 Example 11
In the same manner as in Example 1, while twisting from the fine carbon fiber from the
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。 Example 12
In Example 8, the fine carbon
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。 Comparative Example 4
A part of the carbon nanotubes is attached to the
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。 Example 13
The
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。
When this spinning operation was repeated 10 times, it was possible to shift to the winding process of the carbon nanotube twisted yarn around the winding
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。 Example 14
A micro drill having a drill blade having a length (blade length) of 5 mm and a diameter (blade diameter) of 0.03 mm is used as an extraction tool, and the
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。 Example 15
A micro drill having a length of 1 mm and a diameter of 0.03 mm and provided with a drill blade having a spiral groove of two cycles is used as an extraction tool, and the
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。 Example 16
A drawing tool having a length of 1 mm and a diameter of 0.03 mm and having a very thin shaft portion having a large number of minute protrusions is used. Carbon nanotubes were drawn from the aggregate of carbon nanotubes on the
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。 Example 17
A micro drill having a drill blade having a length of 5 mm and a diameter of 0.03 mm is used as an extraction tool, and the depth at which the
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。 Example 18
A drawing tool having a length of 3 mm and a diameter of 0.03 mm and having a spiral groove blade from the tip portion toward the root is used. The
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。 Comparative Example 5
The carbon nanotubes were extracted from the carbon nanotube aggregate C on the
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。 Comparative Example 6
Carbon nanotubes were extracted from the carbon nanotube aggregate C on the
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。 Comparative Example 7
The
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。 Example 19
The carbon nanotube substrate manufactured in the same manner as in the first example was held and fixed on the
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。
As shown in FIG. 8 (a), the fine shaft-
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。 Example 20
Two wound bodies of twisted carbon nanotubes having a length of 1 m manufactured by the method shown in Example 19 were set in an apparatus as shown in FIG. One end of the carbon nanotube twisted yarn Ta is pulled out from the take-up
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。 Example 21
In the connection operation shown in Example 20, 0.5 ml of ethanol was added to the “overlap” of the overlapping portion. After air drying, the overlap portion was twisted in the same manner as in Example 20, and then the carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b. The two carbon nanotube twisted yarns were connected 10 times by this method, and 8 times, the first connection work could be connected without any problems.
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。 Example 22
A carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 21 except that methanol was used instead of ethanol.
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。 Example 23
A carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 21 except that isopropanol was used instead of ethanol.
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。 Example 24
A carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 21 except that pentanol was used instead of ethanol.
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。 Example 25
The carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 21 except that acetone was used instead of ethanol.
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。 Example 26
A carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 21 except that methanol was used instead of ethanol.
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。 Example 27
The carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 21 except that tetrahydrofuran was used instead of ethanol.
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。 Example 28
The carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 21 except that dimethylformaldehyde was applied instead of ethanol, and warm air at 100 ° C. was sent for 1 hour and dried.
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。 Example 29
The carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 21 except that dimethylacetamide was added instead of ethanol, and warm air at 100 ° C. was sent for 1 hour and dried.
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。 Example 30
The carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 21 except that water was applied instead of ethanol and hot air at 100 ° C. was sent for 5 minutes to dry.
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。 Example 31
As shown in FIG. 10, the carbon nanotubes were pulled out by about 1 cm with a width of 2 mm using a
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。 Example 32
The carbon nanotube substrate obtained in the same manner as in Example 1 was held and fixed on the
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。 Example 33
The carbon nanotube substrate obtained in the same manner as in Example 1 was held and fixed on the
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。 Example 34
In the same manner as in Example 31, when connecting the fine carbon material fiber drawn from the carbon nanotube on the substrate and the fine carbon material twisted yarn on the take-up bobbin, as shown in FIG. A carbon nanotube sheet of 2 mm × 8 mm, which was pulled out about 1 cm in width by 2 mm using a drawing tool provided at the tip and scooped with tweezers, was gently placed on the “overlapping” portion, and the overlapped portion was covered. 0.5 ml of ethyl acetate was given to the part covered with this sheet. Thereafter, the carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 31. The two carbon nanotube twisted yarns were connected 10 times by this method, and 9 times, the connection was possible without any problems in the first connection work.
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。 Example 35
A carbon nanotube twisted yarn was wound around the winding bobbin 3b in the same manner as in Example 34 except that acetonitrile was applied instead of ethyl acetate and air-dried.
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。 According to the present invention, it becomes possible to produce a fine carbon fiber twisted yarn continuously and homogeneously. The resulting fine carbon fiber twisted yarn is a protective material, bulletproof / protective clothing, industrial use that requires high strength. It can be used for fiber materials for materials, various textile products for sports, electric wires that require electrical conductivity, wiring / members of various electrical products, and the like.
Claims (14)
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前記巻取工程とが同時に行われ、
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、前記基板と前記ホビンとの間を移動可能であり、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微細炭素繊維撚糸の製造方法。A method for continuously producing twisted yarns of fine carbon fibers,
A growth step of chemical vapor deposition of an aggregate of fine carbon fibers on a substrate;
A winding step of continuously drawing out fine carbon fibers from the aggregate on the substrate and winding them on a bobbin;
By rotating at least one of the substrate and the bobbin, the fine carbon fiber continuously drawn from the aggregate of fine carbon fibers on the substrate and wound on the bobbin is twisted to form a fine carbon fiber twisted yarn. And a twisting process to
The twisting step and the winding step are performed simultaneously,
In the growth step, the fine carbon fibers are grown so that the average length (L) is 0.02 mm or more,
The twisting step is capable of moving between the substrate and the hobbin, while rotating an extraction tool having an ultra-thin shaft portion whose diameter (D) is set to D <(L / π), or Without rotating the extraction tool, the fine shaft-like portion is stabbed into the side surface of the aggregate of fine carbon fibers grown on the substrate to enter a predetermined distance, and the extraction tool is rotated while rotating at a predetermined rotation speed. A method for producing fine carbon fiber twisted yarn, comprising a step of drawing out carbon fiber.
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。A method for continuously producing twisted yarns of fine carbon fibers,
A growth step of chemical vapor deposition of an aggregate of fine carbon fibers on a substrate;
A drawing and twisting step of forming a fine carbon fiber twisted yarn by twisting the fine carbon fiber by rotating the bobbin while continuously drawing out the fine carbon fiber from the aggregate of fine carbon fibers on the substrate,
A winding step of winding the drawn and twisted fine carbon fiber twisted yarn on a bobbin,
In the pulling and twisting step, a first arrangement in which the winding rotation axis extends in a direction in which the fine carbon fiber is drawn out, and a second arrangement in which the winding carbon rotation axis intersects with the direction in which the fine carbon fiber is drawn out. Using a repositionable bobbin, while rotating the bobbin around a winding axis while the fine carbon fiber is connected to one end of the bobbin in the first arrangement, at least one of the substrate and the bobbin is mutually connected By moving in a direction away from the substrate, twisting while pulling out the fine carbon fibers from the aggregate of fine carbon fibers on the substrate,
In the winding step, after the bobbin is stopped rotating, the bobbin is relocated to the second arrangement, and then the bobbin is rotated around the winding rotation axis and in synchronization with the bobbin rotation. By winding at least one of the substrate and the bobbin so that the distance between the substrate and the bobbin is reduced, the fine carbon fiber twisted yarn drawn and twisted in the second step is wound around the bobbin,
The method for producing a fine carbon fiber twisted yarn, wherein the draw-twisting step and the winding step are alternately performed.
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。The method of twisting the fine carbon fiber in the twisting step is by rotating the substrate,
The twisting step prepares a plurality of substrates having the aggregate of the fine carbon fibers, and twists the fine carbon fibers drawn from the aggregate by rotating each substrate around a rotation axis passing through each substrate. 2. The fine carbon fiber twisted yarn according to claim 1, wherein the fine carbon fiber twisted yarn is further twisted by further rotating the plurality of substrates around a common rotation axis while forming the fine carbon fiber twisted yarn. Manufacturing method.
前記リカバリー工程は、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。It further has a recovery process for recovering the breakage of the fine carbon fiber twisted yarn,
In the recovery step, the fine carbon fiber is attached to the ultrafine shaft-shaped portion after piercing the ultrafine shaft-shaped portion of the drawing tool having the ultrafine shaft-shaped portion on the side surface of the aggregate of the fine carbon fibers, and from the substrate. Pull out the fine carbon fiber without twisting, or rotate the substrate or drawing tool to draw out the fine carbon fiber twisted yarn, and pull the end of the drawn twisted yarn on one end of the fine carbon fiber twisted yarn already wound on the bobbin After the overlapping, the twisted portion is twisted to connect both twisted yarns, and the fine carbon fiber twisted yarn connected to the ultra-thin shaft-like portion of the drawing tool is separated from the drawing tool, so that two twisted yarns The method for producing fine carbon fiber twisted yarn according to claim 1, wherein:
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。And further comprising a connecting step of connecting the fine carbon fiber twisted yarns wound around the pair of bobbins,
In the connecting step, the other end of the first twisted yarn, one end of which is wound around the first bobbin, is pulled out, and the other end of the second twisted yarn, whose one end is wound around the second bobbin, 2. The fine carbon according to claim 1, wherein two twisted yarns of fine carbon fibers are connected by overlapping the other ends of the twisted yarns, twisting the overlapped portions and connecting the two twisted yarns. A manufacturing method of material fiber twisted yarn.
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、
前記基板と前記ホビンとの間を移動可能であり、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、
前記引出具を軸線回りに回転させる回転駆動装置と、を備え、
前記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前記装置。An apparatus for continuously producing twisted yarns of fine carbon fibers from an aggregate of fine carbon fibers grown by chemical vapor deposition on a substrate,
A substrate holder for holding the substrate;
A bobbin for winding and driving the fine carbon fiber twisted yarn;
Interlocking with the bobbin winding drive so as to twist the fine carbon fiber drawn from the aggregate on the substrate held by the substrate holding unit and wound on the bobbin, the substrate holding unit and the bobbin A twisting mechanism that rotationally drives at least one ;
An extraction tool that is movable between the substrate and the hobbin, and has an ultra-thin shaft-like portion for piercing a side surface of a collection of fine carbon fibers grown on the substrate and pulling out the fine carbon fibers;
A rotation drive device that rotates the drawing tool about an axis, and
The diameter (D) of the ultrathin shaft portion of the drawing tool is set to D <(L / π) with respect to the average length (L) of the fine carbon fibers grown on the substrate. Said device characterized .
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。An apparatus for continuously producing twisted yarns of fine carbon fibers from an aggregate of fine carbon fibers grown by chemical vapor deposition on a substrate,
A substrate holder for holding the substrate;
A bobbin for winding and driving the fine carbon fiber twisted yarn,
In the bobbin, a tapered end portion for connecting the fine carbon fibers is formed at one end in the winding rotation axis direction, and the tapered end portion faces the substrate holding portion and the fine carbon fibers are drawn out. The first arrangement along the winding rotation axis and the second arrangement in which the direction in which the fine carbon fiber is drawn out and the winding rotation axis intersect can be changed.
The apparatus according to claim 1, wherein at least one of the bobbin and the substrate holding part is provided so as to reciprocate so as to approach or separate from each other.
前記監視装置は、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、前記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、前記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8に記載の微細炭素繊維撚糸の製造装置。Further comprising a monitoring device for monitoring whether the fine carbon fibers are cut on the substrate or the fine carbon fibers are pulled out of the substrate,
The monitoring device is obtained by an imaging device that photographs the fine carbon fiber twisted yarn pulled out from the substrate while applying a twist existing between a bobbin and a substrate obtained by chemical vapor deposition of fine carbon fibers, and the imaging device. A display that displays the enlarged image data on the screen, and a determination unit that scans the image data of the image displayed on the display and determines that the yarn is broken when the number of pixels constituting the twisted yarn decreases. The apparatus for producing fine carbon fiber twisted yarn according to claim 8 ,
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