JP2000072422A - Method for refining carbon nano tube and apparatus therefor - Google Patents

Method for refining carbon nano tube and apparatus therefor

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JP2000072422A
JP2000072422A JP10280431A JP28043198A JP2000072422A JP 2000072422 A JP2000072422 A JP 2000072422A JP 10280431 A JP10280431 A JP 10280431A JP 28043198 A JP28043198 A JP 28043198A JP 2000072422 A JP2000072422 A JP 2000072422A
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喜萬 中山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method efficiently sorting and recovering carbon nano tubes(CNTs) from a carbon material mixture obtd. by an arc discharge method, etc., and an apparatus therefor. SOLUTION: A DC electrophoresis refining apparatus 26 consists of a main body vessel 6 which is filled with a migration liquid and induces electrophoresis, electrodes which are arranged on the opposite surfaces of this vessel 6, a DC power source 8 which impresses DC to one of these electrodes to an anode 10 and the other to a cathode 12, a dispersion migration liquid supplying means 30 which supplies the dispersion migration liquid dispersed with the carbon material mixture into the main body vessel 6 and fluidizes the dispersion migration liquid in one direction between the electrodes and a recovering means 38 which is disposed in the position where the carbon nano tubes gather in the outlet side of the dispersion migration liquid. The apparatus is so constituted that the carbon material mixture contg. the carbon nano tubes(CNTs) are separated and coordinated by every kind in the inter-electrode direction by the electrophoresis and that the carbon nano tubes are sorted and recovered by the recovering means.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はカーボンナノチュー
ブの精製方法に関し、更に詳細には、アーク放電等によ
って得られるカーボンナノチューブを含むカーボン物質
混合物からカーボンナノチューブを電気泳動により選択
的に選別回収するカーボンナノチューブ精製方法および
その装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for purifying carbon nanotubes, and more particularly, to a method for selectively separating and recovering carbon nanotubes by electrophoresis from a carbon material mixture containing carbon nanotubes obtained by arc discharge or the like. The present invention relates to a purification method and an apparatus therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】カーボンの安定な同素体としてダイヤモ
ンド、グラファイトおよび非晶質カーボンが知られてお
り、それらの構造もX線回折分析等によりほとんど決定
された状態にあった。ところが、1985年にグラファ
イトを高エネルギーレーザーで照射して得られた蒸気冷
却物の中に、炭素原子がサッカーボール状に配列したフ
ラーレンが発見され、C60で表記されることになっ
た。更に、1991年には直流アーク放電によって生成
される陰極堆積物の中に、炭素原子が筒状に配列したカ
ーボンナノチューブが発見されるに至った。
2. Description of the Related Art Diamond, graphite and amorphous carbon are known as stable allotropes of carbon, and their structures have been almost determined by X-ray diffraction analysis or the like. However, in the steam cooling product obtained by irradiating graphite with a high-energy laser in 1985, the discovery of fullerene carbon atoms arranged in like a soccer ball, was to be written in C 60. Furthermore, in 1991, carbon nanotubes in which carbon atoms were arranged in a cylindrical shape were found in cathode deposits generated by DC arc discharge.

【0003】図11は直流アーク放電法の構成図であ
り、チャンバ52の中央に直径の異なる2本の炭素棒5
4、56を水平に対向配置している。直流電源58によ
り直径が6.5mmの炭素棒54を陽極にし、直径が1
1mmの炭素棒56を陰極にする。チャンバ52には矢
印a方向にヘリウムガスを流入させて矢印b方向に油回
転ポンプで排気し、圧力計60で計測しながらガス圧力
が200Torrで一定になるように調節する。ステッ
ピングモーター62で陰極炭素棒56を矢印c方向に微
動させ、電流計64で放電電流が一定になるまで電極間
距離を微調整する。一例として、直流電圧が26Vで電
流が70Aのときに、炭素棒54、56間にアーク放電
が始まり、陽極炭素棒54から炭素原子が放出されて陰
極炭素棒56の対向面に堆積し、陽極は次第に消耗して
ゆく。
FIG. 11 is a block diagram of a DC arc discharge method, in which two carbon rods 5 having different diameters are provided at the center of a chamber 52.
4 and 56 are horizontally opposed. A carbon rod 54 having a diameter of 6.5 mm is used as an anode by a DC power
A 1 mm carbon rod 56 is used as a cathode. Helium gas is introduced into the chamber 52 in the direction of arrow a, exhausted by an oil rotary pump in the direction of arrow b, and adjusted so that the gas pressure becomes constant at 200 Torr while being measured by the pressure gauge 60. The cathode carbon rod 56 is finely moved in the direction of arrow c by the stepping motor 62, and the distance between the electrodes is finely adjusted by the ammeter 64 until the discharge current becomes constant. As an example, when the DC voltage is 26 V and the current is 70 A, an arc discharge starts between the carbon rods 54 and 56, and carbon atoms are released from the anode carbon rod 54 and deposited on the opposite surface of the cathode carbon rod 56, and the anode is discharged. Gradually wears out.

【0004】図12はアークプラズマの陰極炭素棒56
付近の模式図である。領域IIIはアークプラズマ領域
で、炭素イオンiと電子eがプラズマ状態で混在して陽
光柱を形成している。領域IIはプレシース領域と呼ば
れ、陰極から飛び出た熱電子eの衝突により中性炭素原
子nがイオンiと電子eに解離する領域で、平均自由行
程位の厚みを有している。領域Iはシース領域と呼ば
れ、炭素イオンiが陰極付近をデバイ距離位の厚みで取
り巻き、中性原子化しながら陰極に堆積してゆく。従っ
て、陽極は次第に消耗し、陰極に堆積物が成長するので
ある。
FIG. 12 shows a cathode carbon rod 56 of an arc plasma.
It is a schematic diagram of the vicinity. Region III is an arc plasma region in which carbon ions i and electrons e coexist in a plasma state to form a positive column. The region II is called a pre-sheath region, in which the neutral carbon atoms n dissociate into ions i and electrons e due to the collision of thermoelectrons e jumping out of the cathode, and has a thickness of mean free path. The region I is called a sheath region, and carbon ions i surround the vicinity of the cathode with a thickness of the Debye distance, and are deposited on the cathode while being neutralized. Therefore, the anode gradually wears out and deposits grow on the cathode.

【0005】図13は陽極炭素棒54と陰極炭素棒56
の拡大図である。陽極炭素棒54の先端表面は放電で消
耗するために荒くなっており、他方、陰極炭素棒56の
先端には堆積物66が成長している。この堆積物66は
同心円状に二層に分離している。周辺堆積物68は灰色
で金属光沢を有する堅いガラス状のグラファイトからな
り、中心堆積物70は脆い黒色物質で、この中にカーボ
ンナノチューブ(CNT)が含まれている。カーボンナ
ノチューブ以外にカーボンナノ粒子(CP)等のカーボ
ン物質が含まれ、中心部分70の構成物質をカーボン物
質混合物と呼ぶことにする。
FIG. 13 shows an anode carbon rod 54 and a cathode carbon rod 56.
FIG. The tip surface of the anode carbon rod 54 is roughened because it is consumed by the discharge, while a deposit 66 is growing on the tip of the cathode carbon rod 56. This deposit 66 is concentrically separated into two layers. The peripheral deposit 68 is made of hard glassy graphite having a gray metallic luster, and the central deposit 70 is a brittle black substance, which contains carbon nanotubes (CNT). A carbon material such as carbon nanoparticles (CP) is included in addition to the carbon nanotube, and the constituent material of the central portion 70 is called a carbon material mixture.

【0006】カーボンナノチューブ(CNT)は、直径
が数nm〜数十nmで長さが数μmの擬一次元的構造を
有する円筒状物質であり、透過型電子顕微鏡写真から図
14に示すような各種の形状をしていることが分かっ
た。(a)は先端が多面体で閉じており、(b)は先端
が開いており、(c)は先端が円錐形で閉じており、
(d)は先端がくちばし形で閉じている。この他に半ド
ーナツ型のものが存在することも知られている。このよ
うな形状をしているために、中心軸方向や半径方向の剛
性も強く、他の炭素同素体と同様に化学的・熱的に極め
て安定である。
A carbon nanotube (CNT) is a cylindrical substance having a quasi-one-dimensional structure with a diameter of several nm to several tens of nm and a length of several μm, as shown in FIG. 14 from a transmission electron microscope photograph. It turns out that it has various shapes. (A) is a polyhedral closed end, (b) is open, (c) is a conical closed end,
In (d), the tip is closed in a beak shape. It is also known that there is a semi-doughnut type. Due to such a shape, the rigidity in the central axis direction and the radial direction is high, and it is extremely chemically and thermally stable like other carbon allotropes.

【0007】カーボンナノチューブの原子配列は、グラ
ファイトシートをずらせて丸めたラセン構造を持つ円筒
であることが分かってきた。CNTの円筒の端面を閉じ
るためには、五員環を6個ずつ入れればよいことが分か
る。図14のように先端形状が多様であるのは、五員環
の配置の仕方が多様であることを示している。図15は
カーボンナノチューブの先端構造の一例を示しており、
五員環の周りに六員環が配置されることによって平面か
ら曲面に変化し、先端が閉じた構造になっている。丸は
炭素原子で、実線部分が表側を示し、点線部分が裏側に
対応している。五員環の配置方式には各種あるため、先
端構造の多様性が出現する。
It has been found that the atomic arrangement of carbon nanotubes is a cylinder having a helical structure in which a graphite sheet is displaced and rounded. It can be seen that in order to close the end face of the CNT cylinder, six 5-membered rings should be inserted. The various shapes of the tip as shown in FIG. 14 indicate that the arrangement of the five-membered ring is various. FIG. 15 shows an example of the tip structure of the carbon nanotube,
By disposing the six-membered ring around the five-membered ring, it changes from a flat surface to a curved surface, and the structure has a closed end. The circles are carbon atoms, the solid line part corresponds to the front side, and the dotted line part corresponds to the back side. Since there are various types of arrangements of the five-membered ring, diversity of the tip structure appears.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】カーボンナノチューブ
は上述したように擬一次元構造を有するので、剛性が高
くしかも電子的特性が極めて良好である。この剛性や電
子的特性を利用してカーボンナノチューブを走査型トン
ネル顕微鏡(STM)の探針として活用するアイデア
や、電子エミッターに活用するアイデア等が提案されて
いる。ところが、カーボンナノチューブは他のカーボン
同素体と混在することなく単体で作ることが現在の所極
めて困難で、直流アーク放電法でもカーボンナノ粒子
(CP)等の他のカーボン物質と混在しているのが常で
ある。カーボンナノチューブは溶媒に不溶でしかも蒸発
しないことから、カーボンナノチューブの選別やハンド
リングは極めて困難である。従って、これらのカーボン
物質混合物からカーボンナノチューブを選択的に選別す
る方法、即ちカーボンナノチューブの精製方法を早急に
確立することが要請されている。
Since carbon nanotubes have a quasi-one-dimensional structure as described above, they have high rigidity and extremely good electronic characteristics. An idea of utilizing the carbon nanotubes as a probe of a scanning tunneling microscope (STM) utilizing the rigidity and electronic characteristics, an idea of utilizing the carbon nanotubes as an electron emitter, and the like have been proposed. However, it is currently extremely difficult to make a carbon nanotube alone without being mixed with other carbon allotropes. Even in the DC arc discharge method, carbon nanotubes are mixed with other carbon materials such as carbon nanoparticles (CP). Always. Since carbon nanotubes are insoluble in a solvent and do not evaporate, it is extremely difficult to select and handle the carbon nanotubes. Therefore, it is required to quickly establish a method for selectively separating carbon nanotubes from these carbon substance mixtures, that is, a method for purifying carbon nanotubes.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するためになされたものであり、本発明に係るカーボン
ナノチューブ精製方法は、カーボンナノチューブを含む
カーボン物質混合物を泳動液中に分散させて分散泳動液
を形成する第1工程と、この分散泳動液を供給して電圧
を印加した電極間に分散泳動液を流動させる第2工程
と、この流動中にカーボン物質を電極間方向に電気泳動
させてカーボンナノチューブを他のカーボン物質と電気
的に分離配位させる第3工程と、カーボンナノチューブ
が集中する位置からカーボンナノチューブを選別回収す
る第4工程から構成される点に特徴を有する。
Means for Solving the Problems The present invention has been made to achieve the above object, and a method of purifying carbon nanotubes according to the present invention comprises dispersing a carbon material mixture containing carbon nanotubes in an electrophoresis liquid. A first step of forming the dispersed electrophoresis liquid, a second step of supplying the dispersed electrophoresis liquid and flowing the dispersed electrophoresis liquid between the electrodes to which a voltage is applied, and electrophoresis of the carbon material in the direction between the electrodes during the flow. It is characterized in that it comprises a third step of electrically separating and coordinating the carbon nanotubes from other carbon substances, and a fourth step of selectively collecting the carbon nanotubes from the position where the carbon nanotubes are concentrated.

【0010】電圧としては直流電圧と交流電圧を利用で
き、特に交流電圧を印可する場合には、電極間に不均一
電場を形成するように電極を配置する。また、分散泳動
液を供給するときに、カーボン物質混合物を加えていな
い純粋泳動液を同時に供給することもできる。
As the voltage, a DC voltage and an AC voltage can be used. Particularly, when an AC voltage is applied, the electrodes are arranged so as to form a non-uniform electric field between the electrodes. Further, when supplying the dispersed electrophoresis liquid, it is also possible to simultaneously supply a pure electrophoresis liquid to which the carbon substance mixture is not added.

【0011】具体的な直流電気泳動精製装置としては、
泳動液を充填した電気泳動を生起させる本体容器と、こ
の本体容器の対向する面に配置された電極と、この電極
の一方を陽極に他方を陰極に印加する直流電源と、また
本体容器内にカーボン物質混合物を分散させた分散泳動
液を供給して電極間において分散泳動液を一方向に流動
させる分散泳動液供給手段と、分散泳動液の出口側でカ
ーボンナノチューブが集中する位置に設けられた回収手
段とから構成する。
Specific DC electrophoresis purification devices include:
A main body container for generating electrophoresis filled with an electrophoresis solution, electrodes arranged on opposing surfaces of the main body container, a DC power supply for applying one of the electrodes to the anode and the other to the cathode, and also inside the main body container. Dispersion electrophoresis liquid supply means for supplying a dispersion electrophoresis liquid in which a carbon material mixture is dispersed and causing the dispersion electrophoresis liquid to flow in one direction between the electrodes, and a position where the carbon nanotubes are concentrated on the exit side of the dispersion electrophoresis liquid are provided. And collection means.

【0012】交直両用電気泳動精製装置としては、泳動
液を充填した電気泳動を生起させる筒状本体容器と、こ
の筒状本体容器の中心軸位置に設けられた中心軸電極
と、この中心軸電極を取り囲むように配置された筒状電
極と、この中心軸電極と筒状電極に直流電圧または交流
電圧を印加する電源と、筒状本体容器内にカーボン物質
混合物を分散させた分散泳動液を供給して電極間におい
て分散泳動液を軸方向に流動させる分散泳動液供給手段
と、分散泳動液の出口側でカーボンナノチューブが集中
する位置に設けられた回収手段とから構成する。
As the AC / DC electrophoretic purification apparatus, there are provided a cylindrical main body container for generating electrophoresis filled with an electrophoresis solution, a central axis electrode provided at a central axis position of the cylindrical main body vessel, and a central axis electrode. And a power supply for applying a DC voltage or an AC voltage to the central axis electrode and the cylindrical electrode, and a dispersed electrophoresis liquid in which a carbon material mixture is dispersed in the cylindrical main body container. And a collection means provided at a position where the carbon nanotubes are concentrated on the outlet side of the dispersed electrophoresis liquid.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明者等は、アーク放電法など
により得られるカーボン物質混合物からカーボンナノチ
ューブを精製する方法を鋭意研究した結果、電気泳動法
によりカーボンナノチューブとカーボンナノ粒子が分離
できることを見いだし、この知見に基づいて本発明をな
すに至った。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present inventors have conducted intensive studies on a method for purifying carbon nanotubes from a carbon material mixture obtained by an arc discharge method or the like, and as a result, have found that carbon nanotubes and carbon nanoparticles can be separated by electrophoresis. The present invention has been made based on this finding.

【0014】本発明で精製の原料となるカーボン物質混
合物は、例えばアーク放電法によって生成される陰極堆
積物のうち黒色の中心堆積物である。この中心堆積物の
中には、カーボンナノチューブ(CNT)とカーボンナ
ノ粒子(CP)が混在していることが走査型電子顕微鏡
で確認されている。また、アーク放電法は通常の真空装
置で炭素蒸着を行う場合に利用される極めて汎用性の高
い方法で、カーボンナノチューブを含むカーボン物質混
合物の量産に適している。しかもこれらのカーボン物質
混合物は従来は廃棄されていた不要物であり、この不要
物を原料としてCNTを選別回収する本発明の意義が理
解できるであろう。
The carbon material mixture used as a raw material for purification in the present invention is, for example, a black center deposit among cathode deposits produced by an arc discharge method. It has been confirmed by a scanning electron microscope that carbon nanotubes (CNT) and carbon nanoparticles (CP) are mixed in the central deposit. The arc discharge method is an extremely versatile method used when performing carbon deposition with a normal vacuum apparatus, and is suitable for mass production of a carbon material mixture containing carbon nanotubes. Moreover, these carbon substance mixtures are unnecessary substances which have been conventionally discarded, and the significance of the present invention in which CNTs are selectively recovered using the unnecessary substances as raw materials can be understood.

【0015】アーク放電法を改良して陽極中に触媒金属
を混入させると、単層のカーボンナノチューブが得られ
る。またアーク放電法以外でも、ニッケルやコバルト等
の触媒金属微粒子を基材としたCVD法でもカーボンナ
ノチューブが合成できる。更に、触媒金属を混入させた
グラファイトに高温下で高出力レーザー光を照射すると
単層カーボンナノチューブが合成できることも分かって
いる。本発明では、これらのカーボンナノチューブを含
んだカーボン物質混合物もアーク放電法による場合と同
様に精製原料として利用することができる。
By improving the arc discharge method and mixing a catalytic metal into the anode, a single-walled carbon nanotube can be obtained. In addition to the arc discharge method, carbon nanotubes can be synthesized by a CVD method using fine particles of catalytic metal such as nickel or cobalt as a base material. Furthermore, it has been found that single-walled carbon nanotubes can be synthesized by irradiating high-power laser light to graphite mixed with a catalyst metal at a high temperature. In the present invention, a carbon material mixture containing these carbon nanotubes can be used as a raw material for purification as in the case of the arc discharge method.

【0016】発明者等の研究によれば、中心堆積物中に
おけるカーボンナノチューブの密度を増加させるために
は次の3条件が重要である。第1条件はチャンバ内のガ
ス(例えばヘリウムガス)の圧力を高くすることで、カ
ーボンナノチューブの数密度が増大すると共にその直径
が大きくなる。150TorrではCPが高密度に存在
するが、200TorrになるとCNT密度が増大し、
その長さも長くなる。300TorrになるとCNT密
度が急増し、しかも直径が大きくなって円筒が太くな
る。第2条件はアーク放電が安定しており、陰極炭素棒
の温度を低く維持することである。このためには陰極炭
素棒を水冷などで冷却させればよい。第3条件は放電電
流密度を小さくすることである。この電流密度を大きく
すると、グラファイト状炭素やCPの量が増加し、また
生成されるCNTの長さが1μm未満と短くなり、しか
も細くなってくることが分かっている。
According to the study by the inventors, the following three conditions are important for increasing the density of carbon nanotubes in the central sediment. The first condition is to increase the pressure of the gas (for example, helium gas) in the chamber, so that the number density and the diameter of the carbon nanotubes increase. At 150 Torr, CP exists at a high density, but at 200 Torr, the CNT density increases,
Its length also increases. At 300 Torr, the CNT density sharply increases, and the diameter increases and the cylinder becomes thicker. The second condition is that the arc discharge is stable and the temperature of the cathode carbon rod is kept low. For this purpose, the cathode carbon rod may be cooled by water cooling or the like. The third condition is to reduce the discharge current density. It has been found that when the current density is increased, the amount of the graphite-like carbon and CP increases, and the length of the generated CNTs is reduced to less than 1 μm and further reduced.

【0017】以上のようにして得られたCNT密度の高
いカーボン物質混合物を収集して精製すべき原料物質と
した。このカーボン物質混合物を溶媒中にきめ細かく分
散させるために超音波分散し、その後遠心分離して上澄
み液のみを取り出した。CNTやCP等が融合して大き
くなったカーボン物質はこの遠心分離によって除去で
き、上澄み液中にはCNTやCPの一個一個が単体で混
在していると考えることができる。このように精細に分
散させることによって、単一のCNTを効率よく回収で
きるようになる。
The carbon material mixture having a high CNT density obtained as described above was collected and used as a raw material to be purified. The carbon material mixture was ultrasonically dispersed in order to finely disperse it in the solvent, and then centrifuged to take out only the supernatant. The carbon material that has become larger due to the fusion of the CNTs and CPs can be removed by this centrifugation, and it can be considered that the CNTs and CPs are present alone in the supernatant. By finely dispersing in this manner, a single CNT can be efficiently recovered.

【0018】前記溶媒としてはカーボン物質混合物を分
散でき、カーボン物質混合物がその液中で電気泳動する
ものなら何でも利用できる。即ち、溶媒は分散液である
と同時に泳動液でもある。この溶媒としては、水性溶媒
や有機溶媒あるいはそれらの混合溶媒が利用でき、例え
ば水、酸性溶液、アルカリ性溶液、アルコール、エーテ
ル、石油エーテル、ベンゼン、酢酸エチル、クロロホル
ム等公知の溶媒が利用できる。より具体的には、イソプ
ロピルアルコール(IPA)、エチルアルコール、アセ
トン、トルエン等の汎用の有機溶媒が利用できる。例と
して、IPAの場合には電気泳動のイオン種としてカル
ボキシル基が考慮されている。このように、溶媒として
はカーボン物質混合物の電気泳動性能や分散性能、分散
の安定性や安全性等を総合的に考慮して選択すればよ
い。
As the solvent, any substance can be used as long as it can disperse a carbon substance mixture and the carbon substance mixture electrophoreses in the liquid. That is, the solvent is not only a dispersion liquid but also an electrophoresis liquid. As the solvent, an aqueous solvent, an organic solvent or a mixed solvent thereof can be used, and for example, known solvents such as water, acidic solution, alkaline solution, alcohol, ether, petroleum ether, benzene, ethyl acetate, chloroform and the like can be used. More specifically, general-purpose organic solvents such as isopropyl alcohol (IPA), ethyl alcohol, acetone, and toluene can be used. As an example, in the case of IPA, a carboxyl group is considered as an ion species for electrophoresis. As described above, the solvent may be selected in consideration of the electrophoretic performance and dispersion performance of the carbon material mixture, dispersion stability and safety, and the like.

【0019】まず、直流電気泳動性能を評価するため
に、図1に示す直流電気泳動装置2を使って試験した。
カーボン物質混合物をイソプロピルアルコールに超音波
分散した後、遠心分離をしてその上澄み液を分散泳動液
4とする。この分散泳動液4を容器6の中に満たし、そ
の一組の対向面に電極を配設する。直流電源8により一
方を陽極10に、他方を陰極12に印加する。この実験
では電場(電界強度)は2250V/cmであった。分
散泳動液4の中には、肉眼には見えないが極めて小さな
カーボンナノチューブ(CNT)とカーボンナノ粒子
(CP)が無数に存在する。本装置では、両電極間に均
一電場を形成しているが、不均一電場を形成しても直流
電気泳動装置として利用できる。不均一電場では泳動速
度が一定でないだけで、電気泳動が可能だからである。
First, in order to evaluate the DC electrophoresis performance, a test was performed using the DC electrophoresis apparatus 2 shown in FIG.
After ultrasonically dispersing the carbon material mixture in isopropyl alcohol, the mixture is centrifuged, and the supernatant is used as dispersion electrophoresis liquid 4. The container 6 is filled with the dispersing electrophoresis liquid 4 and electrodes are arranged on a pair of opposing surfaces. DC power supply 8 applies one to anode 10 and the other to cathode 12. In this experiment, the electric field (electric field strength) was 2250 V / cm. The dispersed electrophoresis liquid 4 contains countless carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanoparticles (CPs) which are invisible to the naked eye but are extremely small. In this device, a uniform electric field is formed between the two electrodes. However, even if a non-uniform electric field is formed, the device can be used as a DC electrophoresis device. This is because electrophoresis is possible in a non-uniform electric field only when the migration speed is not constant.

【0020】図2はCNTとCPが電気泳動した状態の
走査型電子顕微鏡写真のスケッチである。CNTとCP
が陰極12に偏って泳動しているのが分かる。また陰極
12から陽極10に向かって枝状の連なりが見られる。
この枝状の連なりはCNTが相互に縦方向に連続したも
ので、電界方向dと平行に配向していることが理解でき
る。この配向は、静止した溶媒中を棒状のものが一定方
向に運動するとき、最も抵抗の少ない方向をとるために
起こる現象である。このように、CNTとCPが電気泳
動現象を示したことから、これらの粒子がコロイド粒子
としてIPA中に分散していることが分かる。
FIG. 2 is a sketch of a scanning electron micrograph of a state in which CNT and CP have been electrophoresed. CNT and CP
It can be seen that electrophoresis is biased toward the cathode 12. Also, a branch-like continuation is seen from the cathode 12 toward the anode 10.
It can be understood that this branch-like series is such that the CNTs are continuous with each other in the vertical direction, and are oriented parallel to the electric field direction d. This orientation is a phenomenon that occurs when a rod-shaped object moves in a fixed direction in a stationary solvent because it takes the direction with the least resistance. Thus, since CNT and CP exhibited the electrophoresis phenomenon, it is understood that these particles are dispersed in IPA as colloid particles.

【0021】CNTとCPが陰極側に偏った泳動を見せ
たことから、コロイド粒子の界面には、図3で示すよう
な電荷が分布していると考えられる。コロイド粒子14
の表面は+電荷を有するため、その表面電位はΨ。であ
る。この+電荷は溶媒中の−電荷を吸引し、その境界面
hがシュテルン面(厚み:δ)と呼ばれている。しか
し、その外側のイオンは熱運動の影響によって+イオン
もコロイド粒子に接近する。通常、コロイド粒子が溶媒
中を移動するとき、コロイド粒子と一体に運動する溶媒
境界面fをずれ面と呼ぶ。このずれ面fより内側の電荷
の和が電気泳動に感応するコロイド粒子の有効電荷とな
る。このずれ面fの電位をζ(ツェータ)電位と云い、
コロイド粒子の表面状態と溶媒の性質によって決まる定
数である。又、コロイド粒子14の+電荷が溶媒の電荷
によって遮蔽される長さをデバイ距離λといい、遮蔽面
gによって表される。この遮蔽面gより外側(r>δ+
λ)では熱運動が主体となり、正負イオンがボルツマン
分布している領域である。
Since the CNTs and the CP showed migration toward the cathode side, it is considered that electric charges as shown in FIG. 3 are distributed at the interface between the colloidal particles. Colloid particles 14
Has a positive charge, so its surface potential is Ψ. It is. The positive charges attract negative charges in the solvent, and the boundary surface h is called a Stern plane (thickness: δ). However, the ions outside the positive ions also approach the colloid particles due to the effect of thermal motion. Usually, when the colloid particles move in the solvent, the solvent boundary surface f that moves integrally with the colloid particles is called a shift surface. The sum of the charges inside the shift surface f becomes the effective charge of the colloid particles that are sensitive to electrophoresis. The potential of this shift surface f is called ζ (zeta) potential,
It is a constant determined by the surface state of the colloid particles and the properties of the solvent. The length of the positive charge of the colloid particles 14 shielded by the charge of the solvent is referred to as the Debye distance λ, and is represented by the shielding surface g. Outside the shielding surface g (r> δ +
λ) is a region in which thermal motion is dominant and positive and negative ions have a Boltzmann distribution.

【0022】CNTとCPの直流電気泳動の観察から、
CNTの電気泳動移動度がCPのそれより大きいことが
分かった。つまり、CNTがCPより早く陰極に到達す
るのである。一般に、電気泳動速度Vは電界強度Eに比
例することが分かっているから、この電気泳動移動度μ
はV/Eで与えられる。つまり、単位電場当りの速度増
分を意味しているから、CNTとCPのμ値が違うと、
時間経過に従って、CNTとCPが相互に電界方向に分
離してゆくことになる。
From the observation of DC electrophoresis of CNT and CP,
It was found that the electrophoretic mobility of CNT was larger than that of CP. That is, the CNT reaches the cathode earlier than the CP. In general, it is known that the electrophoretic velocity V is proportional to the electric field strength E.
Is given by V / E. In other words, since it means the speed increment per unit electric field, if the μ values of CNT and CP are different,
As time elapses, the CNT and the CP separate from each other in the direction of the electric field.

【0023】CNTとCPが電極間で分離すると、両者
を選別回収することが可能となる。CNTとCPは肉眼
で観察できないが、両者は正負の電極間で異なる位置に
存在しているから、泳動液を泳動方向と直交方向に、例
えば重力方向に流動させたとすると、コロイド粒子は重
力方向に流動しながら電極間を泳動する。コロイド粒子
が電極の下面に到達したときに、電極間の複数位置で泳
動液を回収すると、各位置毎に集中した特定形状のコロ
イド粒子を選択的に回収することができる。流動方向は
泳動方向と直交しておればよく、重力方向でなくてもよ
い。泳動液を流動させない場合には、図2のように、C
NTもCPも混合状態で陰極に到達するから、CNTと
CPの分離回収が困難になる。しかし、流動させた場合
にはCNTとCPの分離回収を行うことができる。一段
の分離回収ではCNTとCPが多少混在するが、二段
目、三段目と繰り返す中で、高純度でCNTを選択的に
回収できる。
When the CNT and the CP are separated between the electrodes, it becomes possible to selectively collect both. Although CNT and CP cannot be observed with the naked eye, since both exist at different positions between the positive and negative electrodes, if the electrophoresis liquid is caused to flow in a direction orthogonal to the electrophoresis direction, for example, in the direction of gravity, the colloid particles will be in the direction of gravity. Migrate between the electrodes while flowing through. When the electrophoresis liquid is collected at a plurality of positions between the electrodes when the colloid particles reach the lower surface of the electrodes, colloid particles having a specific shape concentrated at each position can be selectively collected. The flow direction may be orthogonal to the electrophoresis direction, and need not be the direction of gravity. When the electrophoresis running liquid is not allowed to flow, as shown in FIG.
Since both NT and CP reach the cathode in a mixed state, it becomes difficult to separate and collect CNT and CP. However, when fluidized, CNT and CP can be separated and recovered. Although CNT and CP are slightly mixed in the first-stage separation and recovery, CNTs can be selectively recovered with high purity by repeating the second and third stages.

【0024】実験から得られた電気泳動移動度の相違を
理論的に検討してみた。球形粒子と棒状粒子が同じζ電
位を持つと仮定して、ヘンリーの電気泳動方程式を解い
てみた。ある条件を満たすと、電気泳動移動度μに1.
5倍程度の差異がでることが分かった。その条件とは、
棒状粒子が電界に平行に配向し、球形粒子のκa積の値
が10以下であることである。κはデバイ長さλの逆数
であり、aは球形粒子の半径である。カーボンナノ粒子
の半径は10〜100nmであり、κは1/200nm
程度だから、κa<10を十分に満足していることが分
かる。このように、実験的にも理論的にもCNTとCP
の電気泳動移動度に違いがあることが証明され、両者の
分離が可能となった。
The difference in electrophoretic mobility obtained from the experiment was examined theoretically. Assuming that the spherical and rod-shaped particles have the same 粒子 potential, we solved Henry's electrophoresis equation. When certain conditions are satisfied, the electrophoretic mobility μ becomes 1.
It was found that the difference was about five times. The condition is
The rod-shaped particles are oriented parallel to the electric field, and the value of the κa product of the spherical particles is 10 or less. κ is the reciprocal of the Debye length λ, and a is the radius of the spherical particle. The radius of the carbon nanoparticles is 10 to 100 nm, and κ is 1/200 nm
Therefore, it can be seen that κa <10 is sufficiently satisfied. Thus, both CNT and CP experimentally and theoretically
It was proved that there was a difference in the electrophoretic mobilities of the two, and the two could be separated.

【0025】次に、交流電気泳動性能を評価するため
に、図4に示す交流電気泳動装置16を使って試験し
た。カーボン物質混合物をイソプロピルアルコールに超
音波分散した後、遠心分離をしてその上澄み液を分散泳
動液4とする。この分散泳動液4を筒状本体容器18の
中に満たす。この容器18の外周または内周に筒状電極
20を配設し、中心軸位置に中心軸電極22を配置す
る。前記筒状本体容器18自体を筒状電極として利用し
てもよい。交流電源24を設けて筒状電極20と中心軸
電極22に交流電圧を印加する。
Next, in order to evaluate the AC electrophoresis performance, a test was performed using the AC electrophoresis apparatus 16 shown in FIG. After ultrasonically dispersing the carbon material mixture in isopropyl alcohol, the mixture is centrifuged, and the supernatant is used as dispersion electrophoresis liquid 4. The dispersion electrophoresis liquid 4 is filled in the cylindrical main body container 18. A cylindrical electrode 20 is provided on the outer or inner circumference of the container 18, and a central axis electrode 22 is disposed at a central axis position. The cylindrical main body container 18 itself may be used as a cylindrical electrode. An AC power supply 24 is provided to apply an AC voltage to the cylindrical electrode 20 and the center axis electrode 22.

【0026】この装置16において、筒状電極20と中
心軸電極22から構成したのは、両電極間に不均一電場
を形成するためである。交流電圧の印加により、中心軸
電極22から筒状電極20の円周に向かって放射状に電
気力線が流れ、電気力線密度(電場)が中心から離れる
にしたがって次第に小さくなってゆく。つまり、電気力
線の間隔が両電極間において不均一になるように電極を
配置すればよく、中心軸電極と筒状電極に限られるもの
ではない。不均一電場を形成した本装置は交流電源用に
構成されているが、直流電源を接続した場合には不均一
電場であっても陰極側にコロイド粒子を泳動でき、直流
電気泳動装置としても利用できる。
The reason why the apparatus 16 is composed of the cylindrical electrode 20 and the central axis electrode 22 is to form a non-uniform electric field between the two electrodes. Due to the application of the AC voltage, the lines of electric force flow radially from the central axis electrode 22 toward the circumference of the cylindrical electrode 20, and the density of electric lines of force (electric field) gradually decreases as the distance from the center increases. That is, the electrodes may be arranged so that the interval between the lines of electric force is not uniform between the two electrodes, and is not limited to the central axis electrode and the cylindrical electrode. This device with an inhomogeneous electric field is configured for AC power supply, but when a DC power supply is connected, colloidal particles can migrate to the cathode side even in an inhomogeneous electric field and can be used as a DC electrophoresis device. it can.

【0027】交流電源24により電場が約2250V/
cmで周波数が100Hzと10MHzの交流電圧を、
両電極間に印加した。各々の周波数における電気泳動の
スケッチを図5に示す。矢印i方向は電界の方向であ
り、図の上方は電極20および電極22付近を示し、下
方は両電極間の中間位置を示す。100Hzでは電極付
近にコロイド粒子が集中し、中間位置にはコロイド粒子
はほとんど見られない。しかも電極付近ではCNTとC
Pが共存して両者の分離は難しい。これに対し10MH
zでは、電極近傍にCNTが集中しCPは中間位置に集
中することが分かった。この結果は、高周波を用いれば
CNTとCPを分離できることを意味している。
An electric field of about 2250 V /
cm and the frequency is 100Hz and 10MHz,
Applied between both electrodes. The sketch of the electrophoresis at each frequency is shown in FIG. The direction of the arrow i is the direction of the electric field. The upper part of the figure shows the vicinity of the electrodes 20 and 22, and the lower part shows the intermediate position between the two electrodes. At 100 Hz, colloid particles are concentrated near the electrode, and almost no colloid particles are found at the intermediate position. Moreover, CNT and C near the electrode
P coexists and it is difficult to separate them. On the other hand, 10MH
At z, it was found that CNT concentrated near the electrode and CP concentrated at the intermediate position. This result means that CNT and CP can be separated by using a high frequency.

【0028】電気泳動の周波数依存性の詳細を検討し
た。図6は電極近傍におけるCNTの全粒子に対する割
合の周波数依存性を示す。CNT/(CNT+CP)の
値は周波数が10kHzを越えると高くなり、5〜10
MHz付近で30%にまで達する。従って、高周波を印
加すればCNTとCPの分離が極めて容易になることを
意味する。
The frequency dependence of electrophoresis was examined in detail. FIG. 6 shows the frequency dependence of the ratio of CNT to all particles near the electrode. The value of CNT / (CNT + CP) increases when the frequency exceeds 10 kHz,
It reaches up to 30% around MHz. Therefore, it means that the separation of the CNT and the CP becomes extremely easy if a high frequency is applied.

【0029】また、CNTの電界方向iからのずれ角度
(配向角度)について検討した。1200本のCNTに
ついて、配向角度の平均値を0度としてその標準偏差の
周波数依存性を図7に示す。10kHzを越えると標準
偏差は急激に小さくなり、5〜10MHzでは標準偏差
は16度程度にまで落ちる。電界方向への平行性が極め
て高くなるのである。図8は周波数を無視して配向角度
の標準偏差のCNTの長さに対する依存性を示した片対
数グラフである。CNTの長さの増加に伴って配向角度
の標準偏差が指数関数的に小さくなることを示す。つま
り、CNTの長さが長くなるほどより電界方向に配向す
ることを意味する。
Further, the deviation angle (orientation angle) of the CNT from the electric field direction i was examined. FIG. 7 shows the frequency dependence of the standard deviation of 1200 CNTs, with the average value of the orientation angles being 0 degrees. When the frequency exceeds 10 kHz, the standard deviation rapidly decreases, and at 5 to 10 MHz, the standard deviation drops to about 16 degrees. The parallelism in the direction of the electric field becomes extremely high. FIG. 8 is a semilogarithmic graph showing the dependence of the standard deviation of the orientation angle on the CNT length ignoring the frequency. It shows that the standard deviation of the orientation angle decreases exponentially as the length of the CNT increases. That is, it means that the longer the length of the CNT, the more the CNT is oriented in the electric field direction.

【0030】以上のような周波数依存性の理由を考察す
る。交流泳動現象では、コロイド粒子に誘起された電荷
とこれを取り囲む吸着イオン胞の全体でその挙動を考え
る必要がある。低周波領域では、電界によって吸着イオ
ン胞がコロイド粒子に対して相対的にシフトすることに
より分極が生じて双極子が形成される。この双極子が不
均一電場に感応して移動するのである。これらの移動は
粒子からみて近い方の電極に向かう。イソプロピルアル
コール中のカルボキシル基をイオンと想定すると、その
移動度は約10−4〜10−5cm/Vsと見積るこ
とができ、イオンの運動が追随できる周波数は1kHz
程度である。これを越えた高周波領域では、吸着イオン
胞の変移は無視でき、コロイド粒子内部の分極のみが誘
起され、この双極子が不均一電場を感じて電気泳動する
ことになる。つまり、低周波では吸着イオン胞の変移を
伴うのでコロイド粒子の形状の差異の影響は小さいが、
高周波では形状の差異が直接効いてくることになる。そ
の臨界値が10kHz程度だと考えられる。
The reason for the above frequency dependence will be considered. In the electrophoretic phenomenon, it is necessary to consider the behavior of the charge induced in the colloid particles and the whole of the adsorbed ion vesicles surrounding the charge. In the low-frequency region, the electric field shifts the adsorbed ion vesicles relative to the colloid particles, causing polarization to form dipoles. The dipole moves in response to the inhomogeneous electric field. These movements are toward the electrode closer to the particle. Assuming that the carboxyl group in isopropyl alcohol is an ion, its mobility can be estimated to be about 10 −4 to 10 −5 cm 2 / Vs, and the frequency at which the movement of the ion can follow is 1 kHz.
It is about. In the high frequency region beyond this, the displacement of the adsorbed ion vesicles can be ignored, only the polarization inside the colloid particles is induced, and the dipole feels a non-uniform electric field and electrophoreses. In other words, the effect of the difference in the shape of the colloidal particles is small at low frequencies due to the displacement of the adsorbed ion vesicles,
At high frequencies, the difference in shape has a direct effect. It is considered that the critical value is about 10 kHz.

【0031】以上をまとめると、カーボンナノチューブ
(CNT)は電極の近傍に泳動して電界に対して平行に
配向する。電界の周波数が高いほど、またCNTの長さ
が長いほど電界方向への配向度が向上する。電極近傍に
おけるCNTの存在比率は周波数の増加にともなって向
上する。特に、CNTやCPは不均一電場によって泳動
するが、その移動方向はコロイド粒子から見て近い方の
電極に向かう性質を有する。
In summary, the carbon nanotube (CNT) migrates near the electrode and is oriented parallel to the electric field. The higher the frequency of the electric field and the longer the length of the CNT, the better the degree of orientation in the direction of the electric field. The CNT abundance in the vicinity of the electrode increases as the frequency increases. In particular, CNTs and CPs migrate due to a non-uniform electric field, and have a property of moving toward a closer electrode as viewed from the colloid particles.

【0032】図4の装置では分散泳動液を流動させてい
ないから、CNTを選択的に回収するのは困難である。
これを回収するためには直流電気泳動と同様に、分散泳
動液を両電極間に流動させる必要がある。この流動中に
CNTとCPを電気的に分離し、しかも電極の終端付近
で各粒子の集中位置に回収容器を配設しておけば、CN
TとCPが選択的に容器内に連続的に選別回収すること
ができる。また一端から分散泳動液を連続的に供給し、
他端から選別回収を連続的に行えば、CNTの選別回収
を工業的に量産化することができる。
In the apparatus shown in FIG. 4, it is difficult to selectively recover CNTs since the disperse electrophoresis liquid is not allowed to flow.
In order to recover this, it is necessary to flow the dispersed electrophoresis liquid between the two electrodes, as in the case of DC electrophoresis. If CNTs and CPs are electrically separated during this flow, and if a collection vessel is arranged at the concentration position of each particle near the end of the electrode, CN
T and CP can be selectively and continuously collected in the container. Also, continuously supply the dispersed electrophoresis liquid from one end,
If the sorting and collecting are continuously performed from the other end, the sorting and collecting of CNTs can be industrially mass-produced.

【0033】[0033]

【実施例】<実施例1> [直流電気泳動精製装置]図9は直流電気泳動精製装置
26の簡易斜視図であり、図1と同一部分には同一番号
を付して説明する。泳動液を充填した本体容器6の一組
の対向面に電極を取り付け、直流電源8により一方を陽
極10に、他方を陰極12とする。本体容器6の上部に
は注入器28があり、この注入器28に分散泳動液供給
手段30と純粋泳動液供給手段32が連結されている。
分散泳動液供給手段30からは矢印j方向にカーボン物
質混合物を分散させた分散泳動液が分散注入室34に注
入され、その後容器6内に供給される。また純粋泳動液
供給手段32からは矢印k方向に純粋の泳動液が純粋注
入室36を介して容器6に供給される。
Embodiment 1 <DC Electrophoresis Purification Apparatus> FIG. 9 is a simplified perspective view of a DC electrophoresis purification apparatus 26, and the same parts as those in FIG. Electrodes are attached to a pair of opposing surfaces of the main container 6 filled with the electrophoresis running solution, and one is set to the anode 10 and the other is set to the cathode 12 by the DC power supply 8. An injector 28 is provided on the upper part of the main body container 6, and the dispersed electrophoresis liquid supply means 30 and the pure electrophoresis liquid supply means 32 are connected to the injector 28.
From the dispersing electrophoresis liquid supply means 30, the dispersing electrophoresis liquid in which the carbon substance mixture is dispersed in the direction of arrow j is injected into the dispersion injection chamber 34, and then supplied into the container 6. From the pure electrophoresis liquid supply means 32, a pure electrophoresis liquid is supplied to the container 6 through the pure injection chamber 36 in the direction of arrow k.

【0034】本体容器6の下部にはカーボンナノチュー
ブの回収手段38が配設され、この回収手段38は電極
間方向(電気泳動方向)に複数並設した吸込室38aと
回収容器38bから構成される。分散泳動液は容器6の
中央に供給され、同時に供給される純粋泳動液と混合さ
れながら下方に流動してゆく。純粋泳動液はコロイド粒
子の濃度調整と流量調整のために供給される。しかし、
分散泳動液のみで濃度調整と流量調整ができる場合には
純粋泳動液を供給しないこともある。流動中に電極10
・12間で電気泳動して、CNTがCPと分離しながら
電極間に移動する。CNTが陰極12に到達する前に、
CNTは容器6の下端に到達し、その位置にある吸込室
38aを介して回収容器38bに回収されてゆく。従っ
て、同一の回収容器38bにはほぼ同一形状のCNTが
回収されることになり、CNT自体の長さに応じて選別
回収が可能になる。CNTの中にCPが混在する場合に
は、この回収された分散泳動液をさらに原料として供給
し、2段目の精製を行う。必要があれば更に多段にして
精製純度を高めることができる。
A collecting means 38 for carbon nanotubes is provided below the main body container 6, and the collecting means 38 is composed of a plurality of suction chambers 38a and a collecting container 38b arranged in parallel in a direction between electrodes (electrophoresis direction). . The dispersed electrophoresis liquid is supplied to the center of the container 6, and flows downward while being mixed with the pure electrophoresis liquid supplied at the same time. The pure electrophoresis liquid is supplied for adjusting the concentration and the flow rate of the colloid particles. But,
When concentration adjustment and flow rate adjustment can be performed only with the dispersed electrophoresis liquid, the pure electrophoresis liquid may not be supplied. Electrode 10 during flow
-Electrophoresis between 12 and CNT move between electrodes while separating from CP. Before the CNT reaches the cathode 12,
The CNT reaches the lower end of the container 6, and is collected in the collection container 38b via the suction chamber 38a at that position. Therefore, CNTs having substantially the same shape are collected in the same collection container 38b, and sorting and collection can be performed according to the length of the CNTs. When CPs are mixed in the CNTs, the recovered disperse electrophoresis liquid is further supplied as a raw material, and the second-stage purification is performed. If necessary, the purification purity can be increased in more stages.

【0035】実施例2 [交直両用電気泳動精製装置]図10は交直両用電気泳
動精製装置40の簡易斜視図であり、図4および図9と
同一部分には同一番号を付して説明する。泳動液を充填
した筒状本体容器18の外周には筒状電極20を配設
し、中心軸位置には中心軸電極22を設けている。中心
軸電極22は接地し、筒状電極20には交流電源24を
接続する。従って、両電極20、22間には交流電圧が
印加される。容器18の上部には分散泳動液供給手段3
0と純粋泳動液供給手段32が連結されている。分散泳
動液供給手段30からは矢印m方向にカーボン物質混合
物を分散させた分散泳動液が容器18に供給され、純粋
泳動液供給手段32からは矢印n方向に純粋の泳動液が
容器18に供給される。この純粋泳動液の供給の理由は
実施例1と同様であり、その説明を省略する。
Example 2 [Dual-Purpose Electrophoretic Purification Apparatus] FIG. 10 is a simplified perspective view of a bi-directional electrophoresis purification apparatus 40, and the same parts as those in FIGS. A cylindrical electrode 20 is provided on the outer periphery of the cylindrical main body container 18 filled with the electrophoresis liquid, and a central axis electrode 22 is provided at a central axis position. The center axis electrode 22 is grounded, and an AC power supply 24 is connected to the cylindrical electrode 20. Therefore, an AC voltage is applied between the electrodes 20 and 22. Dispersion electrophoresis liquid supply means 3
0 and the pure electrophoresis liquid supply means 32 are connected. A dispersed electrophoresis liquid in which a carbon material mixture is dispersed in the direction of arrow m is supplied to the container 18 from the dispersed electrophoresis liquid supply means 30, and a pure electrophoresis liquid is supplied to the container 18 in the direction of arrow n from the pure electrophoresis liquid supply means 32. Is done. The reason for supplying the pure electrophoresis running solution is the same as in Example 1, and the description thereof is omitted.

【0036】容器18の下部にはカーボンナノチューブ
の回収手段42が配置されている。この回収手段42は
周辺位置に配置された周辺回収手段44およびバルブ4
4aと中心位置に配置された中心回収手段46およびバ
ルブ46aとから構成されている。分散泳動液は容器1
8の周辺に供給され、同時に中央に供給される純粋泳動
液と混合されながら下方に流動してゆく。流動中に電極
20・22間で電気泳動し、高周波電圧によりCNTが
電極近傍に集中し、CPは電極間の中間部に集中するよ
うになる。従って、CNTとCPが分離されて容器18
の下端に到達し、CNTが周辺および中心回収手段4
4、46により矢印p方向に選別回収されることにな
る。
At the lower part of the container 18, a carbon nanotube collecting means 42 is arranged. The collecting means 42 includes a peripheral collecting means 44 and a valve 4 arranged at a peripheral position.
4a, a center collecting means 46 and a valve 46a arranged at the center position. Dispersion electrophoresis solution is in container 1
8 and simultaneously flows downward while being mixed with the pure electrophoresis liquid supplied to the center. Electrophoresis occurs between the electrodes 20 and 22 during the flow, and the CNT concentrates near the electrodes due to the high frequency voltage, and the CP concentrates in an intermediate portion between the electrodes. Therefore, the CNT and the CP are separated and the container 18
Reaches the lower end of the CNT, and the CNTs are collected around and around the center 4
According to 4, 46, it is sorted and collected in the direction of arrow p.

【0037】回収流量は分散泳動液と純粋泳動液の流入
流量に等しく、この流量調整によって回収効率を適宜可
変できる。回収されたCNTには多少のCPも含まれて
いるから、この回収された泳動液を分散泳動液として第
2段目の選別装置に導入すれば、CNTの単離効率を増
大化できる。もちろん更に多段化を図ることも自在にで
きる。得られたCNTは泳動液に分散しているから、こ
の中からCNTを取り出すためには、高速の遠心分離装
置で濃縮したり、溶媒の蒸発により乾燥化して取り出す
こともできる。
The recovery flow rate is equal to the inflow flow rate of the dispersed electrophoresis liquid and the pure electrophoresis liquid, and the recovery efficiency can be appropriately changed by adjusting the flow rate. Since the recovered CNTs also contain some CP, if the recovered electrophoresis liquid is introduced as a dispersed electrophoresis liquid into the second-stage sorting apparatus, the CNT isolation efficiency can be increased. Of course, it is possible to freely increase the number of stages. Since the obtained CNTs are dispersed in the electrophoresis running solution, the CNTs can be taken out of the CNTs by concentrating them with a high-speed centrifugal separator or drying them out by evaporating the solvent.

【0038】第2実施例では交流電源を用いたが、直流
電源を使用することもできる。中心軸電極22と筒状電
極20間には中心部分で強く周辺部分で弱い不均一電場
が形成される。交流電圧の場合にはこの不均一電場によ
りコロイド粒子の双極子が近い方の電極に電界移動させ
られる。直流電源の場合でも不均一電場の状況は変わら
ないが、直流電源ではあくまでコロイド粒子は陰極に集
中し、従ってCNTは陰極へと電気泳動することにな
る。
Although the second embodiment uses an AC power supply, a DC power supply may be used. An inhomogeneous electric field is formed between the center axis electrode 22 and the cylindrical electrode 20 at the center and weak at the periphery. In the case of an AC voltage, the dipole of the colloidal particles is moved to the closer electrode by the non-uniform electric field. In the case of a DC power supply, the situation of the non-uniform electric field does not change, but in the case of the DC power supply, the colloid particles are concentrated on the cathode, and the CNT electrophoreses on the cathode.

【0039】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、本発明の技術的思想に逸脱しない範囲における種
々の変形例・設訃変更等が本発明の技術的範囲内に包含
されるものである。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes various modifications and changes within the scope of the present invention without departing from the technical concept of the present invention. It is.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明は上記詳述したように、電気泳動
法によりカーボン物質混合物からカーボンナノチューブ
を容易に選別することができる。カーボンナノチューブ
を含むカーボン物質混合物はアーク放電法等により日々
大量に製造されており、しかもこれらのカーボン物質混
合物は不要物として廃棄されていたものである。本発明
はこの廃棄物であるカーボン物質混合物から、走査型ト
ンネル顕微鏡(STM)の探針や電子エミッター素子等
に利用できるカーボンナノチューブを選別回収するもの
であり、無料の原料から電気泳動法によってカーボンナ
ノチューブを大量生産することが出来る。従って、安価
で効率性の高い産業上極めて有益なカーボンナノチュー
ブ精製方法およびその装置を実現したものである。
According to the present invention, as described in detail above, carbon nanotubes can be easily selected from a carbon substance mixture by electrophoresis. Carbon material mixtures containing carbon nanotubes are produced in large quantities every day by an arc discharge method or the like, and these carbon material mixtures have been discarded as unnecessary materials. The present invention separates and collects carbon nanotubes, which can be used for a tip of a scanning tunneling microscope (STM), an electron emitter element, and the like, from a carbon material mixture, which is a waste material. Nanotubes can be mass-produced. Accordingly, an inexpensive and highly efficient industrially useful method for purifying carbon nanotubes and an apparatus therefor have been realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は直流電気泳動装置の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a DC electrophoresis apparatus.

【図2】図2はカーボンナノチューブとカーボンナノ粒
子が電気泳動した状態の走査型電子顕微鏡写真のスケッ
チである。
FIG. 2 is a sketch of a scanning electron micrograph of a state in which carbon nanotubes and carbon nanoparticles have been electrophoresed.

【図3】図3はコロイド粒子の界面の電荷分布図および
電位分布図である。
FIG. 3 shows a charge distribution diagram and a potential distribution diagram at an interface of colloid particles.

【図4】図4は交流電気泳動装置の概略構成図である。FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an AC electrophoresis apparatus.

【図5】図5はカーボンナノチューブとカーボンナノ粒
子が2種の交流周波数により電気泳動した状態の走査型
電子顕微鏡写真のスケッチである。
FIG. 5 is a sketch of a scanning electron micrograph of a state in which carbon nanotubes and carbon nanoparticles have been electrophoresed at two types of AC frequencies.

【図6】図6は電極近傍におけるカーボンナノチューブ
の全粒子に対する割合の周波数依存性を示す特性図であ
る。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the frequency dependence of the ratio of carbon nanotubes to all particles near an electrode.

【図7】図7はカーボンナノチューブの配向角度の標準
偏差の周波数依存性を示す特性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the frequency dependence of the standard deviation of the orientation angle of carbon nanotubes.

【図8】図8はカーボンナノチューブの配向角度の標準
偏差のカーボンナノチューブ長さ依存性を示した片対数
グラフである。
FIG. 8 is a semilogarithmic graph showing the dependence of the standard deviation of the orientation angle of the carbon nanotube on the length of the carbon nanotube.

【図9】図9は直流電気泳動精製装置の簡易斜視図であ
る。
FIG. 9 is a simplified perspective view of a DC electrophoresis purification device.

【図10】図10は交直両用電気泳動精製装置の簡易斜
視図である。
FIG. 10 is a simplified perspective view of an AC / DC electrophoretic purification device.

【図11】図11は直流アーク放電法の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a DC arc discharge method.

【図12】図12はアークプラズマの陰極炭素棒付近の
模式図である。
FIG. 12 is a schematic diagram showing the vicinity of a cathode carbon rod of arc plasma.

【図13】図13は陽極炭素棒と陰極炭素棒の拡大図で
ある。
FIG. 13 is an enlarged view of an anode carbon rod and a cathode carbon rod.

【図14】図14はカーボンナノチューブの各種の先端
形状の模式図である。
FIG. 14 is a schematic view of various tip shapes of a carbon nanotube.

【図15】図15はカーボンナノチューブの原子配列の
一例であり、五員環と六員環の配列を示す。
FIG. 15 is an example of an atomic arrangement of a carbon nanotube, showing an arrangement of a five-membered ring and a six-membered ring.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 直流電気泳動装置 4 分散泳動液 6 本体容器 8 直流電源 10 陽極 12 陰極 14 コロイド粒子 16 交流電気泳動装置 18 筒状本体容器 20 筒状電極 22 中心軸電極 24 交流電源 26 直流電気泳動精製装置 28 注入器 30 分散泳動液供給手段 32 純粋泳動液供給手段 34 分散注入室 36 純粋注入室 38 回収手段 38a 吸込室 38b 回収容器 40 交直両用電気泳動精製装置 42 回収手段 44 周辺回収手段 44a バルブ 46 中心回収手段 46a バルブ 52 チャンバ 54 陽極炭素棒 56 陰極炭素棒 58 直流電源 60 圧力計 62 ステッピングモータ 64 電流計 66 堆積物 68 周辺堆積物 70 中心堆積物 2 DC electrophoresis apparatus 4 Dispersion electrophoresis liquid 6 Main container 8 DC power supply 10 Anode 12 Cathode 14 Colloid particles 16 AC electrophoresis apparatus 18 Cylindrical main body container 20 Cylindrical electrode 22 Center axis electrode 24 AC power supply 26 DC electrophoresis purification apparatus 28 Injector 30 Dispersion electrophoresis liquid supply means 32 Pure electrophoresis liquid supply means 34 Dispersion injection chamber 36 Pure injection chamber 38 Recovery means 38a Suction chamber 38b Recovery container 40 AC / DC electrophoresis purification device 42 Recovery means 44 Peripheral recovery means 44a Valve 46 Central recovery Means 46a Valve 52 Chamber 54 Anode carbon rod 56 Cathode carbon rod 58 DC power supply 60 Pressure gauge 62 Stepping motor 64 Ammeter 66 Deposit 68 Peripheral deposit 70 Central deposit

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カーボンナノチューブを含むカーボン物
質混合物を泳動液中に分散させて分散泳動液を形成する
第1工程と、この分散泳動液を供給して電圧を印加した
電極間に分散泳動液を流動させる第2工程と、この流動
中にカーボン物質を電極間方向に電気泳動させてカーボ
ンナノチューブを他のカーボン物質と電気的に分離配位
させる第3工程と、カーボンナノチューブが集中する位
置からカーボンナノチューブを選別回収する第4工程か
ら構成されることを特徴とするカーボンナノチューブ精
製方法。
1. A first step of dispersing a carbon material mixture containing carbon nanotubes in an electrophoretic liquid to form a disperse electrophoretic liquid, and supplying the disperse electrophoretic liquid and applying the disperse electrophoretic liquid between electrodes to which a voltage is applied. A second step of flowing, a third step in which the carbon material is electrophoresed in the direction between the electrodes during the flow to electrically separate and coordinate the carbon nanotubes with other carbon materials, and a carbon step from the position where the carbon nanotubes are concentrated. A method for purifying carbon nanotubes, comprising a fourth step of sorting and recovering nanotubes.
【請求項2】 前記電極間に直流電圧を印可し、カーボ
ンナノチューブと他のカーボン物質との電気泳動移動度
の違いを利用してカーボン物質を種類毎に分離配位させ
る請求項1記載の精製方法。
2. The purification method according to claim 1, wherein a DC voltage is applied between the electrodes, and the carbon material is separated and coordinated for each type by utilizing a difference in electrophoretic mobility between the carbon nanotube and another carbon material. Method.
【請求項3】 前記電極間に不均一電場を形成するよう
に電極を配置し、両電極間に交流電圧または直流電圧を
印加してカーボン物質を種類毎に分離配位させる請求項
1記載の精製方法。
3. The method according to claim 1, wherein the electrodes are arranged so as to form a non-uniform electric field between the electrodes, and an AC voltage or a DC voltage is applied between the two electrodes to separate and coordinate the carbon material for each type. Purification method.
【請求項4】 前記分散泳動液を供給するときに、カー
ボン物質混合物を加えていない純粋泳動液を同時に供給
する請求項1ないし3記載の精製方法。
4. The purification method according to claim 1, wherein a pure electrophoresis liquid to which no carbon substance mixture is added is supplied simultaneously when supplying the dispersed electrophoresis liquid.
【請求項5】 泳動液を充填した電気泳動を生起させる
本体容器と、この本体容器の対向する面に配置された電
極と、この電極の一方を陽極に他方を陰極に印加する直
流電源と、また本体容器内にカーボン物質混合物を分散
させた分散泳動液を供給しながら電極間において分散泳
動液を一方向に流動させる分散泳動液供給手段と、分散
泳動液の出口側でカーボンナノチューブが集中する位置
に設けられた回収手段とからなり、カーボンナノチュー
ブを含むカーボン物質混合物を電気泳動により電極間方
向に種類毎に分離配位させて、カーボンナノチューブを
回収手段により選別回収することを特徴とするカーボン
ナノチューブ精製装置。
5. A main body container for generating electrophoresis filled with an electrophoresis running solution, electrodes arranged on opposite surfaces of the main body container, a DC power supply for applying one of the electrodes to an anode and the other to a cathode, Also, a dispersing electrophoresis liquid supply means for flowing the dispersing electrophoresis liquid in one direction between the electrodes while supplying the dispersing electrophoresis liquid in which the carbon substance mixture is dispersed in the main body container, and the carbon nanotubes are concentrated at the outlet side of the disperse electrophoresis liquid. A collecting means provided at a position, wherein a carbon material mixture containing carbon nanotubes is separated and coordinated for each type in a direction between electrodes by electrophoresis, and the carbon nanotubes are selectively collected by the collecting means. Nanotube purification equipment.
【請求項6】 泳動液を充填した電気泳動を生起させる
筒状本体容器と、この筒状本体容器の中心軸位置に設け
られた中心軸電極と、この中心軸電極を取り囲むように
配置された筒状電極と、この中心軸電極と筒状電極に交
流電圧または直流電圧を印加する電源と、筒状本体容器
内にカーボン物質混合物を分散させた分散泳動液を供給
して電極間において分散泳動液を軸方向に流動させる分
散泳動液供給手段と、分散泳動液の出口側でカーボンナ
ノチューブが集中する位置に設けられた回収手段とから
なり、カーボンナノチューブを含むカーボン物質混合物
を電気泳動により電極間方向に種類毎に分離配位させ
て、カーボンナノチューブを回収手段により選別回収す
ることを特徴とするカーボンナノチューブ精製装置。
6. A cylindrical main body container for generating electrophoresis filled with an electrophoresis running solution, a central axis electrode provided at a central axis position of the cylindrical main body container, and arranged so as to surround the central axis electrode. A cylindrical electrode, a power supply for applying an AC voltage or a DC voltage to the central axis electrode and the cylindrical electrode, and a dispersing electrophoresis liquid in which a carbon material mixture is dispersed in a cylindrical main body container are supplied to perform dispersive migration between the electrodes. A dispersing electrophoresis liquid supply means for flowing the liquid in the axial direction; and a recovery means provided at a position where the carbon nanotubes are concentrated on the outlet side of the dispersing electrophoresis liquid. A carbon nanotube refining apparatus characterized in that carbon nanotubes are separated and coordinated for each type in a direction, and carbon nanotubes are selectively collected by a collecting means.
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