Strategies for Solving Insulation Infiltration Challenges in Carbon Nanotube Yarn to Optimize Its Use in Electrical Applications

Yijun Qu, Mitsuru Endo, Hiroshi Nakamura, Yukio Tsutsui, Taichi Ueyanagi, Akira Chiba, Kyohei Kiyota, Yusuke Fujii, Shimpei Tanaka

第66回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム

The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium

1P-17

Nagoya University, March 6-8, 2024.

背景 – Background

この研究は、従来の導電材料に代わる選択肢として、カーボンナノチューブ（CNT）糸の可能性を探ることを目的としている。モータやその他の電気機器にCNT糸を適用する際には、安全性と効率の観点から適切な絶縁処理が不可欠である。絶縁コーティングは短絡を防ぐだけでなく、外部環境の影響から糸を保護し、その耐久性や安定性を向上させる役割を果たす。

従来の導電材料とは異なり、コイルに使用されるCNT糸は通常、複数の繊維から構成されている。しかし、この多繊維構造により、糸の内部に微小な隙間が生じる。コーティング処理の際、このCNT糸内の隙間に絶縁材料が浸透することが大きな課題となる（図1）。この浸透により、CNT糸の電気的特性が低下する可能性があるだけでなく、全体の機械的特性や安定性にも影響を及ぼす可能性がある。そのため、これらの隙間を低減することが、CNT糸の性能や信頼性を向上させる上で重要である。

This study aims to explore the potential of Carbon Nanotube (CNT) yarn as an alternative to traditional conductive materials. When applying CNT yarn in motors and other electrical devices, appropriate insulation is essential for safety and efficiency. Insulating coatings not only prevent short circuits but also protect the yarn from external environmental impacts, thereby enhancing its durability and stability.

Unlike traditional conductive materials, CNT yarns used in coils are typically composed of multiple fibers. However, this multi-fiber structure results in small gaps within the yarn. A major issue during coating is the penetration of insulating materials into these gaps in CNT yarn, as illustrated in Figure 1. This infiltration may not only reduce the electrical performance of the CNT yarn but also affect its overall mechanical properties and stability. Therefore, reducing these gaps is crucial to enhance the performance and reliability of CNT yarn.

Fig. 1 CNT糸の隙間への絶縁膜の浸透 / Insulation Film Infiltration into the Gaps of CNT Yarn

手法 – Method

CNT糸の絶縁コーティングに関する研究において、CNT糸内部の構造的な隙間を低減・充填するために、化学的および機械的手法を用いた2つのアプローチを検討した。

まず、機械的手法としてダイヤモンドダイを用いてCNT糸を圧縮し、隙間を減少させる試みを行った。しかし、CNT糸の柔軟性や損傷の問題が発生し、この方法の採用を断念した。次に、化学的手法として有機溶媒を用いた密度向上処理を実施し、CNT糸の構造を変化させることで隙間を減少させる方法を試みた。この方法は機械的圧縮よりも損傷が少なく、より適した手法と判断した。

さらに、電気的特性を向上させるためにICl溶液を用いて隙間を充填し、従来のコーティング浸透による問題の解決を図った。実験では、CNT糸に水、エタノール、アセトン、IClを処理し、実験プラットフォーム上で抵抗測定を行った。さらに、表面の変化を顕微鏡で観察し、各処理がCNT糸の電気的および物理的特性に与える影響を評価した。

In our study on insulating CNT yarn coatings, we addressed the structural gaps in CNT yarn through two strategies: gap reduction and filling, using chemical and mechanical methods. Initially, we attempted to compact the CNT yarn mechanically with a diamond-die to lessen gaps, but faced issues with yarn softness and damage, leading us to forgo this method. We then applied chemical densification using organic solvents, a less destructive alternative that altered the CNT yarn structure to diminish voids. Furthermore, we filled gaps using an ICl solution to enhance electrical performance, addressing previous coating infiltration challenges. Experiments involved treating CNT yarn with water, ethanol, acetone, and ICl on an experimental platform, followed by resistance measurements and microscopic examination of surface changes, evaluating the treatments’ effects on the yarn’s electrical and physical attributes.

結果 – Result

CNT糸の有機溶媒処理に関する実験では、本手法が糸の物理的状態に大きな変化を与えないことが明らかになった（図2）。具体的には、処理後のCNT糸に収縮は見られず、表面の隙間も依然として顕著に残っていた。さらに、抵抗測定の結果、有機溶媒で処理したCNT糸の電気抵抗はほとんど変化しなかった。これらの結果から、有機溶媒のみを用いた化学処理では、CNT糸の密度向上や導電性の改善には限界があることが示唆される。

一方で、ICl溶液を用いた処理では、CNT糸に顕著な変化が観察された。本処理により、CNT糸の表面の隙間が効果的に埋められたことが確認された（図3）。さらに、この処理がCNT糸の導電性向上に大きな効果をもたらすことが明らかとなった。これらの結果から、単純な有機溶媒処理と比較して、IClなどの化学物質を用いたドープ処理の方が、CNT糸の構造や性能の改善により効果的であることが示された。

In the experiments involving organic solvent treatment of CNT yarn, we found that this method did not significantly alter the physical state of the yarn, as illustrated in Figure 2. Specifically, the CNT yarn did not exhibit shrinkage after treatment, and the gaps on its surface remained apparent. Furthermore, resistance measurements indicated that the electrical resistance of the CNT yarn treated with organic solvents hardly changed. These results suggest that using organic solvents alone for chemical treatment of CNT yarn is limited in enhancing its compactness and electrical conductivity. In contrast, significant changes were observed when we treated CNT yarn with an ICl solution. This treatment successfully filled the surface gaps of CNT yarn, as shown in Figure 3. Additionally, we found this treatment to have a marked effect on improving the electrical conductivity of CNT yarn. These findings indicate that compared to simple organic solvent treatment, using chemicals such as ICl for dope treatment is more effective in improving the structure and performance of CNT yarn.

Figure 2 各種溶媒処理後のCNT糸の構造変化 / Structural Changes in CNT Yarn Post Various Solvent Treatments

Figure 3 IClドープ処理後のCNT糸の構造変化 / Structural Changes in CNT Yarn Following ICl Dope Treatment

結論 – Conclusion

本研究は、CNT糸が新たな導電材料として持つ可能性についての知見を提供するものである。従来の有機溶媒処理はその効果に限界があることが判明したが、IClなどを用いた化学的ドープ処理により、CNT糸が電気用途において従来の導電材料の代替となる可能性が示された。今後の研究では、さらなる化学処理手法を探求し、CNT糸の性能を最適化することで、電気用途におけるより大きな役割を果たせるようになることが期待される。

In summary, this study provides insights into the potential of CNT yarn as a novel material for conductive applications. While traditional organic solvent treatment proved limited in effectiveness, chemical dope treatment with substances like ICl demonstrates the potential of CNT yarn as a substitute for traditional conductive materials in electrical applications. Future research could further explore other chemical treatment methods to optimize the performance of CNT yarn, enabling it to play a more significant role in electrical applications.

The content on this page is not freely available for reproduction or redistribution. Unauthorized use may lead to legal consequences.