JP2006240915A - Powder particle, and method and apparatus for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粉末粒子の製造技術に係り、詳しくは、粉末粒子の凝集を防止するのに有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a technology for producing powder particles, and more particularly to a technology effective for preventing aggregation of powder particles.
各種の産業分野において、成形体、被膜の成形材料、塗料成分、液晶のスペーサー等の用途に粉末粒子が利用されている。特に、粒子径の小さいミクロン単位の粉末粒子を取り扱う産業分野では、大気中の水分による粉末粒子の液架橋や、粉末粒子の帯電に起因して粉末粒子同士の凝集が発生することが懸念されるゆえ、とりわけ粉末粒子の凝集防止に有効な技術を構築する要請が高い。
そこで、従来、粒子径の小さい粉末粒子に、アニオン界面活性剤などの帯電防止剤を添加する技術や、当該粉末粒子としてカーボンナノチューブ等のいわゆるカーボンナノ材料を用いる技術が提案されている。カーボンナノ材料としては、例えば、下記特許文献１に記載の、電気伝導性の優れたカーボンナノ材料を用いることができる。しかしながら、上記従来の技術を用いる場合は、粉末粒子の帯電防止には有効であるものの、依然として粉末粒子の液架橋の問題は解消されず、粉末粒子の凝集を根本的に解決することはできない。
Therefore, conventionally, a technique of adding an antistatic agent such as an anionic surfactant to powder particles having a small particle diameter and a technique of using a so-called carbon nanomaterial such as a carbon nanotube as the powder particles have been proposed. As the carbon nanomaterial, for example, a carbon nanomaterial having excellent electrical conductivity described in
そこで、本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、凝集防止性の高い粉末粒子を構築するのに有効な技術を提供することを課題とする。 Then, this invention is made | formed in view of this point, and makes it a subject to provide the technique effective in constructing | assembling the powder particle with high aggregation prevention property.
前記課題を解決するために、各請求項に記載の発明が構成される。 In order to solve the above problems, the invention described in each claim is configured.
（本発明の第１発明）
前記課題を解決する本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの粉末粒子である。
請求項１に記載の粉末粒子は、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体の表面に、フッ素原子を含む被膜を備える。一般に、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体においては、液架橋力などが流動性に与える影響が大きく、５μｍを上回ると重力が大きいためにこれらの力による影響が相対的に小さくなる。そこで、本発明の粉末粒子は、大気中の水分による粉末粒子の液架橋が懸念される、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体の表面に、撥水作用を有するフッ素原子を含む被膜を備える。
なお、本発明において「粉末粒子」とは、粉末粒子状のものを広く含む主旨であり、その構成、形状等は特に限定されない。粉末粒子が単一の材料によって構成されてもよいし、或いは複数の材料の混合物によって構成されてもよい。また、粉末粒子は、結晶状であってもよいし、或いは空隙を有する顆粒状であってもよい。また、粉末粒子は、球状、管状、軸状、板状等、種々の形状であってもよい。なお、本発明において、粉末粒子の粒子径は、粉末粒子の最大径によって規定される。例えば、粉末粒子が球状の場合には、球外径によって粒子径が規定され、粉末粒子が軸状の場合には、長手方向の径によって粒子径が規定される。
また、本発明において「フッ素原子を含む被膜」としては、フルオロアルキル基を有するものを広く含む主旨であり、典型的にはフルオロアルキルシランを用いて形成される被膜を用いることができる。
(First invention of the present invention)
The first invention of the present invention that solves the above-mentioned problems is powder particles as set forth in
The powder particles according to
In the present invention, the term “powder particles” is intended to broadly include powder particles, and the configuration, shape, etc. are not particularly limited. The powder particles may be composed of a single material or a mixture of a plurality of materials. Further, the powder particles may be crystalline or granular having voids. Further, the powder particles may have various shapes such as a spherical shape, a tubular shape, a shaft shape, and a plate shape. In the present invention, the particle diameter of the powder particles is defined by the maximum diameter of the powder particles. For example, when the powder particles are spherical, the particle diameter is defined by the outer diameter of the sphere, and when the powder particles are axial, the particle diameter is defined by the diameter in the longitudinal direction.
Further, in the present invention, the “coating containing a fluorine atom” is intended to widely include those having a fluoroalkyl group, and a coating typically formed using fluoroalkylsilane can be used.
（本発明の第２発明）
前記課題を解決する本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの粉末粒子である。
請求項２に記載の粉末粒子は、請求項１に記載の構成において、分子鎖が２ｎｍ以下の単分子層を主体とした被膜が、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体の表面に形成されている。分子鎖が２ｎｍ以下の単分子層の厚みは、ミクロン単位の粉末粒子の長さに対して相対的に短いため、粉末粒子体の表面に部分的に形成されている。
なお、本発明でいう「単分子層を主体」には、被膜のほぼ全体が単分子層によって構成される態様や、被膜に単分子層に加え、２分子層や３分子層が多少含まれるような態様が包含される。
(Second invention of the present invention)
The second invention of the present invention that solves the above-mentioned problems is powder particles as set forth in
The powder particle according to
The “mainly monomolecular layer” as used in the present invention includes a mode in which almost the entire coating is composed of a monomolecular layer, and the coating includes some bimolecular and trimolecular layers in addition to the monomolecular layer. Such embodiments are included.
（本発明の第３発明）
前記課題を解決する本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの粉末粒子である。
請求項３に記載の粉末粒子は、請求項１または請求項２に記載の構成において、粉末粒子体として、カーボンナノ材料が用いられている。
なお、本発明でいう「カーボンナノ材料」として、具体的には、一層の筒状構造を有する単層カーボンナノチューブ、多層の筒状構造を有する多層カーボンナノチューブ、筒状構造の一端が炭素のシート状体によって閉じられたカーボンナノホーン、複数の炭素原子が筒状または円錐状に結合した単位が連続して配列するカーボンナノファイバ、複数の炭素原子がボール状に配列するフラーレン、またこれら各カーボンナノ材料を組み合わせた材料を用いることができる。
(Third invention of the present invention)
A third invention of the present invention for solving the above-mentioned problems is powder particles as described in
The powder particle according to
In addition, as the “carbon nanomaterial” in the present invention, specifically, a single-walled carbon nanotube having a single-layered cylindrical structure, a multi-walled carbon nanotube having a multilayered cylindrical structure, and a sheet in which one end of the cylindrical structure is carbon Carbon nanohorns closed by a solid body, carbon nanofibers in which units in which a plurality of carbon atoms are combined in a cylindrical or conical shape are continuously arranged, fullerenes in which a plurality of carbon atoms are arranged in a ball shape, and each of these carbon nanofibers A combination of materials can be used.
（本発明の第４発明）
前記課題を解決する本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの粉末粒子である。
請求項４に記載の粉末粒子では、直径が５０ｎｍ以下に構成された軸状のカーボンナノ材料が用いられており、この軸状のカーボンナノ材料の表面にフッ素原子を含む被膜を備えるようになっている。
(Fourth invention of the present invention)
A fourth invention of the present invention that solves the above problem is a powder particle as described in
In the powder particles according to
（本発明の第５発明）
前記課題を解決する本発明の第５発明は、請求項５に記載されたとおりの、粉末粒子の製造方法である。
請求項５に記載の製造方法は、被膜形成ステップを少なくとも有する。この被膜形成ステップは、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体と、フッ素原子を含む被膜材料とを混合し、被膜形成温度に加熱することによって粉末粒子体の表面に、フッ素原子を含む被膜材料由来の被膜を形成させるステップである。この被膜形成温度は、粉末粒子体の表面に被膜材料を蒸着によって化学結合させることが可能な温度であり、使用する粉末粒子体と被膜材料との組み合わせに応じて適宜設定される。なお、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体は、予め製造されたものを用いてもよいし、この被膜形成ステップの前段において製造するようにしてもよい。また、フッ素を含む被膜材料として、典型的にはフルオロアルキルシランを用いることができる。この被膜材料は、被覆される側の粉末粒子体の種類や性状に応じて適宜変更可能である。
(Fifth invention of the present invention)
A fifth invention of the present invention for solving the above-mentioned problems is a method for producing powder particles as described in claim 5.
The manufacturing method according to claim 5 includes at least a film forming step. This coating formation step is derived from a coating material containing fluorine atoms on the surface of the powder particle by mixing a powder particle having a particle size of 5 μm or less and a coating material containing fluorine atoms and heating to a coating temperature. This is a step of forming a film. This film forming temperature is a temperature at which the coating material can be chemically bonded to the surface of the powder particles by vapor deposition, and is appropriately set according to the combination of the powder particles used and the coating material. In addition, the powder particle body with a particle diameter of 5 micrometers or less may use what was manufactured previously, and you may make it manufacture in the front | former stage of this film formation step. In addition, typically, a fluoroalkylsilane can be used as the coating material containing fluorine. The coating material can be appropriately changed according to the type and properties of the powder particle body to be coated.
（本発明の第６発明）
前記課題を解決する本発明の第６発明は、請求項６に記載されたとおりの、粉末粒子の製造方法である。
請求項６に記載の製造方法では、請求項５に記載の被膜形成ステップの前段にカーボンナノ材料生成ステップを設ける。このカーボンナノ材料生成ステップは、炭素源と触媒とを混合し、カーボンナノ材料生成温度に加熱することによって、粉末粒子体としてのカーボンナノ材料を生成するステップである。このカーボンナノ材料生成温度は、炭素源と触媒との協働によって当該炭素源を熱分解し、所望のカーボンナノ材料を生成させることが可能な温度であり、使用する炭素源と触媒との組み合わせに応じて適宜設定される。そして、当該カーボンナノ材料生成ステップによって生成したカーボンナノ材料は、引き続き被膜形成ステップによって連続状に処理される。なお、炭素源として、ベンゼン等の芳香族炭化水素や、メタン等の不飽和脂肪族炭化水素を典型的に用いることができ、触媒として、金属系触媒を典型的に用いることができる。なお、触媒の種類は、熱分解される側の炭素源の種類や性状に応じて適宜変更可能である。
(Sixth invention of the present invention)
A sixth invention of the present invention for solving the above-mentioned problems is a method for producing powder particles as described in claim 6.
In the manufacturing method according to claim 6, a carbon nanomaterial generation step is provided before the film formation step according to claim 5. This carbon nanomaterial production | generation step is a step which produces | generates the carbon nanomaterial as a powder particle body by mixing a carbon source and a catalyst and heating to carbon nanomaterial production temperature. The carbon nanomaterial generation temperature is a temperature at which the carbon source can be thermally decomposed by the cooperation of the carbon source and the catalyst to generate a desired carbon nanomaterial, and the combination of the carbon source and the catalyst to be used. It is set appropriately according to And the carbon nanomaterial produced | generated by the said carbon nanomaterial production | generation step is continuously processed by the film formation step continuously. In addition, an aromatic hydrocarbon such as benzene and an unsaturated aliphatic hydrocarbon such as methane can be typically used as the carbon source, and a metal catalyst can be typically used as the catalyst. In addition, the kind of catalyst can be suitably changed according to the kind and property of the carbon source on the thermal decomposition side.
（本発明の第７発明）
前記課題を解決する本発明の第７発明は、請求項７に記載されたとおりの、粉末粒子の製造装置である。
請求項７に記載の製造装置は、反応炉、被膜材料導入手段、被膜形成部、加熱手段、捕集手段を少なくとも備える。反応炉は、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体がキャリアガスとともに流通する反応炉として構成される。被膜材料導入手段は、反応炉を流通する粉末粒子体に対し、フッ素原子を含む被膜材料を導入する機能を有する手段として構成される。被膜形成部は、被膜材料導入手段によって被膜材料が供給された後の粉末粒子体が流通する領域として構成される。加熱手段は、被膜形成部を被膜形成温度に加熱する機能を有する手段として構成される。この製造装置では、加熱手段によって被膜形成温度に加熱された被膜形成部において、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体の表面に、フッ素原子を含む被膜材料由来の被膜が形成された粉末粒子が生成し、当該粉末粒子が捕集手段によって捕集されるようになっている。なお、本発明において、被膜材料導入手段において用いる被膜材料は、請求項５に記載の被膜材料と同一のものを用いることができる。
(Seventh invention of the present invention)
A seventh invention of the present invention that solves the above-described problems is a powder particle manufacturing apparatus according to the seventh aspect.
The manufacturing apparatus according to
（本発明の第８発明）
前記課題を解決する本発明の第８発明は、請求項８に記載されたとおりの、粉末粒子の製造装置である。
請求項８に記載の製造装置は、請求項７に記載の構成において、更に反応炉の被膜形成部よりも上流側にカーボンナノ材料生成部が配置されている。このカーボンナノ材料生成部は、炭素源導入手段、触媒導入手段、第２の加熱手段を少なくとも備える。炭素源導入手段は、カーボンナノ材料生成部に炭素源を導入する機能を有する手段として構成される。触媒導入手段は、カーボンナノ材料生成部に、炭素源を熱分解させてカーボンナノ材料を生成させる触媒を導入する機能を有する手段として構成される。第２の加熱手段は、カーボンナノ材料生成部をカーボンナノ材料生成温度に加熱する機能を有する手段として構成される。この製造装置では、加熱手段によってカーボンナノ材料生成温度に加熱されたカーボンナノ材料生成部において、粉末粒子体としてのカーボンナノ材料が生成するようになっている。なお、本発明において、炭素源導入手段において用いる炭素源、触媒導入手段において用いる触媒は、請求項６に記載の炭素源及び触媒と同一のものを用いることができる。
(Eighth invention of the present invention)
An eighth invention of the present invention that solves the above-mentioned problems is a powder particle manufacturing apparatus as set forth in the eighth aspect.
According to an eighth aspect of the present invention, in the configuration of the seventh aspect, the carbon nanomaterial generating part is further arranged upstream of the film forming part of the reaction furnace. The carbon nanomaterial generating unit includes at least a carbon source introduction unit, a catalyst introduction unit, and a second heating unit. The carbon source introduction unit is configured as a unit having a function of introducing a carbon source into the carbon nanomaterial generation unit. The catalyst introduction unit is configured as a unit having a function of introducing a catalyst that generates a carbon nanomaterial by thermally decomposing a carbon source into the carbon nanomaterial generation unit. The second heating unit is configured as a unit having a function of heating the carbon nanomaterial generation unit to the carbon nanomaterial generation temperature. In this manufacturing apparatus, a carbon nanomaterial as a powder particle is generated in a carbon nanomaterial generating section heated to a carbon nanomaterial generating temperature by a heating means. In the present invention, as the carbon source used in the carbon source introduction means and the catalyst used in the catalyst introduction means, the same carbon source and catalyst as described in claim 6 can be used.
請求項１に記載の発明の粉末粒子を用いれば、撥水作用を有するフッ素原子を含む被膜によって、粉末粒子に対する大気中の水分の吸着が抑制され、当該粉末粒子の液架橋による凝集が抑制される。また、フッ素原子は、分子内分極によって若干負に帯電することが知られており、これにより隣接する粉末粒子同士はフッ素原子の帯電作用によって反発し合うこととなり、粉末粒子同士の凝集が抑制される。これにより、例えば粉末搬送装置において、他の粉末との混合に際し、粉末粒子を均一に分散させることが可能となる。
If the powder particles of the invention according to
また、請求項２に記載の発明の粉末粒子を用いれば、分子鎖が２ｎｍ以下の単分子層を主体とした被膜は、粉末粒子体の表面に部分的に形成されているため、粉末粒子体の本来の特性を損なわれるのが防止された粉末粒子とすることができる。
In addition, if the powder particles of the invention according to
特に、請求項３に記載の発明の粉末粒子のように、粉末粒子体としてカーボンナノ材料が用いることによって、カーボンナノ材料の本来の特性である、高電気伝導性及び高熱伝導性という特性を損なうことのない粉末粒子とすることができる。
In particular, when the carbon nanomaterial is used as the powder particle body as in the powder particle of the invention according to
また、請求項４に記載の発明の粉末粒子を用いれば、直径が５０ｎｍ以下に構成された軸状のカーボンナノ材料の表面にフッ素原子を含む被膜を備える粉末粒子において、当該粉末粒子に対する大気中の水分の吸着が抑制され、当該粉末粒子の液架橋による凝集が抑制される。また、直径が５０ｎｍ以下に構成されたこのカーボンナノ材料が筒状構造を有する場合には、その中空部分の大きさを水素原子の大きさに対応させることによって、中空部分に水素原子を取り込むことができ、当該水素原子の吸着・保持が可能とされる。
Moreover, if the powder particle of the invention according to
また、請求項５に記載の発明の、粉末粒子の製造方法を用いれば、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体の表面に、フッ素原子を含む被膜が形成された、凝集防止効果の高い粉末粒子を製造することが可能とされる。 In addition, if the method for producing powder particles according to the invention of claim 5 is used, a powder particle having a high aggregation preventing effect, in which a film containing fluorine atoms is formed on the surface of a powder particle having a particle diameter of 5 μm or less. It is possible to manufacture.
また、請求項６に記載の発明の、粉末粒子の製造方法を用いれば、粒子径が５μｍ以下のカーボンナノ材料を生成させるとともに、引き続き当該カーボンナノ材料の表面に、フッ素原子を含む被膜が形成された、凝集防止効果の高い粉末粒子を製造することが可能とされる。また、カーボンナノ材料は、生成後直ちに凝集しはじめる性質があることが知られているが、本発明によれば、生成直後のカーボンナノ材料を被膜によって直ちに被覆することが可能となるため、カーボンナノ材料自体の凝集が防止される。 In addition, if the method for producing powder particles according to the invention of claim 6 is used, a carbon nanomaterial having a particle diameter of 5 μm or less is generated, and a film containing fluorine atoms is subsequently formed on the surface of the carbon nanomaterial. Thus, it is possible to produce powder particles having a high anti-aggregation effect. In addition, it is known that carbon nanomaterials have a property of starting to aggregate immediately after generation. However, according to the present invention, carbon nanomaterials immediately after generation can be immediately covered with a coating. Aggregation of the nanomaterial itself is prevented.
また、請求項７に記載の発明の、粉末粒子の製造装置を用いれば、粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体の表面に、フッ素原子を含む被膜が形成された、凝集防止効果の高い粉末粒子を製造することが可能とされる。
In addition, if the powder particle manufacturing apparatus according to the invention of
また、請求項８に記載の発明の、粉末粒子の製造装置を用いれば、粒子径が５μｍ以下のカーボンナノ材料を生成させるとともに、引き続き当該カーボンナノ材料の表面に、フッ素原子を含む被膜が形成された、凝集防止効果の高い粉末粒子を製造することが可能とされる。また生成直後のカーボンナノ材料を被膜によって直ちに被覆することが可能となるため、カーボンナノ材料自体の凝集が防止される。 Moreover, if the apparatus for producing powder particles according to the invention of claim 8 is used, a carbon nanomaterial having a particle diameter of 5 μm or less is generated, and a film containing fluorine atoms is subsequently formed on the surface of the carbon nanomaterial. Thus, it is possible to produce powder particles having a high anti-aggregation effect. Further, since the carbon nanomaterial immediately after generation can be immediately covered with a coating, aggregation of the carbon nanomaterial itself is prevented.
以下に、本発明の一実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施の形態は、本発明の好ましい一実施の形態を説明するためのものであって、これにより本発明が制限されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present embodiment is for explaining a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited thereby.
（粉末粒子の製造装置）
本発明の「粉末粒子の製造装置」の一実施の形態の粉末粒子製造装置１００の概略構成が、図１に示される。この粉末粒子製造装置１００は、詳細については後述するが、「カーボンナノ材料」としてのカーボンナノチューブを生成するとともに、生成したこのカーボンナノチューブの表面に、更にフルオロアルキルシランの被膜を形成させることによって、フルオロアルキルシラン被膜を有するカーボンナノチューブの粉末粒子を製造する装置である。
(Powder particle manufacturing equipment)
A schematic configuration of a powder
図１に示すように、粉末粒子製造装置１００は、大別すると、反応炉１０１、炭素源供給部１１０、触媒材料供給部１２０、被膜材料供給部１３０を備える。反応炉１０１は、例えば石英管等からなる炉であり、当該反応炉１０１として、従来から気相成長法において使用されている既知の構成の円筒形状の炉を用いることができる。この反応炉１０１が、本発明における「反応炉」に対応している。また、この反応炉１０１には、その上流側から順に、カーボンナノチューブ生成部１４０、被膜形成部１５０、粉末粒子捕集部１６０が形成される。その他、特に図示しないものの、粉末粒子製造装置１００を構成する各構成要素を制御する制御装置が設置されており、当該制御装置によって流体の流量、温度、圧力等が調節される。
As shown in FIG. 1, the powder
炭素源供給部１１０は、炭素源を貯留する炭素源貯留容器１１２、炭素源貯留容器１１２にキャリアガスとしての水素ガスを供給するキャリアガス供給管１１４、炭素源貯留容器１１２に貯留された炭素源を、カーボンナノチューブ生成部１４０の上流に導入する炭素源導入管１１６、炭素源貯留容器１１２に貯留された炭素源を加熱蒸発させる加熱器１１８を少なくとも備える。加熱器１１８からの熱により炭素源貯留容器１１２内において蒸発気化した炭素源は、水素ガスの流れによって炭素源導入管１１６を通じてカーボンナノチューブ生成部１４０の上流に導入されるようになっている。なお、炭素源として、典型的にはベンゼンを用いることができる。その他、トルエン、キシレン等の炭素数６〜１２の芳香族炭化水素や、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ヘキサン等の炭素数２〜５の不飽和脂肪族炭化水素等の１種類または複数種類を、炭素源として用いることもできる。この炭素源供給部１１０が、本発明における「炭素源導入手段」を構成している。
The carbon
触媒材料供給部１２０は、金属系触媒を含む有機金属水溶液を、水素ガスとともに加圧する加圧ポンプ１２２、加圧ポンプ１２２によって加圧された有機金属水溶液及び水素ガスを、カーボンナノチューブ生成部１４０の上流に導入する触媒材料導入管１２４を少なくとも備える。加圧ポンプ１２２としては、一例として既知の構成のダイアフラム式のポンプを用いることができる。なお、金属系触媒として、コバルト、ニッケル、鉄、コバルト−ニッケル−鉄の合金、コバルト−ニッケル−鉄の錯体（例えば、フェロセン）、酸化鉄等の１種類または複数種類を用いることができる。その他、金属系触媒にかえて、ハロゲン化鉄を用いることもできる。この触媒材料供給部１２０が、本発明における「触媒導入手段」を構成している。
The catalyst
被膜材料供給部１３０は、被膜材料を貯留する被膜材料貯留容器１３２、被膜材料貯留容器１３２にキャリアガスとしての不活性ガス（アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素など）を供給するキャリアガス供給管１３４、被膜材料貯留容器１３２に貯留された被膜材料を、カーボンナノチューブ生成部１４０と被膜形成部１５０との境界部分に導入する被膜材料導入管１３６、被膜材料貯留容器１３２に貯留された被膜材料を加熱蒸発させる加熱器１３８を少なくとも備える。加熱器１３８からの熱により被膜材料貯留容器１３２内において蒸発気化した被膜材料は、不活性ガスの流れによって被膜材料導入管１３６を通じて、カーボンナノチューブ生成部１４０と被膜形成部１５０との境界部分に導入されるようになっている。なお、被膜材料として、フルオロアルキル基を有する被膜材料を広く用いることができ、典型的には化学式がＣＦ３（ＣＦ２）７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３で示されるフルオロアルキルシランを用いる。このフルオロアルキルシランとしては、化学式がＣＦ３（ＣＦ２）ｎ（ＣＨ２）２ＳｉＸ３と（ｎは３〜１５の整数、Ｘはアルコキシド又は塩素基等の官能基）で示されるものを広く用いることができ、特には、撥水作用が高いｎ≧３のものを好適に用いる。この被膜材料供給部１３０が、本発明における「被膜材料導入手段」を構成している。
The coating
カーボンナノチューブ生成部１４０は、カーボンナノチューブが連続的に生成する第１の反応領域１４２、この第１の反応領域１４２を外周から加熱する加熱器１４４を少なくとも備える。この第１の反応領域１４２が、本発明における「カーボンナノ材料生成部」に対応しており、加熱器１４４が本発明における「加熱手段」に対応している。
The carbon
被膜形成部１５０は、第１の反応領域１４２において連続的に生成したカーボンナノチューブに、被膜材料に起因する被膜が形成される第２の反応領域１５２、この第２の反応領域１５２を外周から加熱する加熱器１５４を少なくとも備える。本実施の形態では、特にカーボンナノチューブ生成部１４０（第１の反応領域１４２）の下流に、被膜形成部１５０（第２の反応領域１５２）が連続状に配置されている。この第２の反応領域１５２が、本発明における「被膜形成部」に対応しており、加熱器１５４が、本発明における「第２の加熱手段」に対応している。
The
粉末粒子捕集部１６０は、被膜形成部１５０の下流に配置され、第２の反応領域１５２において連続的に生成した粉末粒子を、フィルター１６４上に捕集する捕集器１６２を備える。この捕集器１６２が、本発明における「捕集手段」に対応している。
The powder
（粉末粒子の製造方法）
次に、上記構成の粉末粒子製造装置１００を用いて、所望の粉末粒子（後述する粉末粒子２００）を製造する製造方法を説明する。
(Production method of powder particles)
Next, a manufacturing method for manufacturing desired powder particles (
まず、粉末粒子製造装置１００の炭素源供給部１１０、触媒材料供給部１２０、被膜材料供給部１３０の各々において、材料を準備するとともに、材料が供給可能な初期条件を整える。また、反応炉１０１のカーボンナノチューブ生成部１４０及び被膜形成部１５０を、所定の設定条件、例えば、カーボンナノチューブ生成部１４０のカーボンナノ材料生成温度９００〜１２００［℃］、被膜形成部１５０の被膜形成温度１５０〜２００［℃］に調節する。
First, in each of the carbon
上記のような準備が整った後に、炭素源供給部１１０からの炭素源の供給、触媒材料供給部１２０からの触媒材料の供給、被膜材料供給部１３０からの被膜材料の供給を開始する。このとき、炭素源貯留容器１１２にキャリアガスとして供給する水素ガスの供給速度は、例えば反応炉１０１の容積１リットル当たり９０〜１２０［ｍｌ／ｍｉｎ］程度とすることができる。また、炭素源に対する触媒材料及び被膜材料の供給比率は、予め設定された比率に基づいて行う。例えば、炭素源１００重量部に対し、触媒材料が２重量部、被膜材料が５重量部供給されるように設定することができる。
After the above preparation is completed, supply of the carbon source from the carbon
このとき、反応炉１０１内の上流側領域である第１の反応領域１４２においては、炭素源導入管１１６を通じて導入された炭素源の蒸気が、触媒材料導入管１２４を通じて導入された金属系触媒（本発明における「触媒」に対応）と、水素還元雰囲気下で接触することによって熱分解され、微細粒子状のカーボンナノチューブが連続的に生成する。この第１の反応領域１４２におけるカーボンナノチューブの生成反応は、通常９００〜１２００［℃］程度の加熱温度で、０．２〜２［ｓｅｃ］程度の反応時間によって行われる。生成したこのカーボンナノチューブは、複数の炭素原子が筒状に配列した構造を有する粉末粒子であり、直径が約１〜１０［ｎｍ］のものである。カーボンナノチューブが生成するこのステップが、本発明における「カーボンナノ材料生成ステップ」に対応している。
At this time, in the
引き続き、反応炉１０１内の下流側領域である第２の反応領域１５２においては、第１の反応領域１４２で連続的に生成したカーボンナノチューブの表面に、被膜材料導入管１３６を通じて導入された被膜材料の蒸気が蒸着し被膜を形成する。カーボンナノチューブの表面に被膜が形成されるこのステップが、本発明における「被膜形成ステップ」に対応している。そして、カーボンナノチューブの表面に、被膜材料由来の被膜が形成された粉末粒子が、粉末粒子捕集部１６０において、捕集器１６２のフィルター１６４上に捕集される。この第２の反応領域１５２における被膜材料の形成反応は、通常１５０〜２００［℃］程度の加熱温度で、０．１〜１．５［ｓｅｃ］程度の反応時間によって行われる。
なお、カーボンナノチューブは、生成後直ちに凝集しはじめる性質があることが知られているが、本実施の形態では、カーボンナノチューブの生成領域である第１の反応領域１４２の下流に第２の反応領域１５２を連続状に配置しているため、生成直後のカーボンナノチューブは被膜によって直ちに被覆されることとなり凝集が防止される。
Subsequently, in the second reaction region 152, which is a downstream region in the
It is known that carbon nanotubes have a property of starting to aggregate immediately after generation. In the present embodiment, the second reaction region is downstream of the
（粉末粒子）
ここで、上記粉末粒子製造装置１００を及び製造方法を用いて製造された粉末粒子２００の概略構造が図２に示される。
(Powder particles)
Here, FIG. 2 shows a schematic structure of the
図２に示す粉末粒子２００は、その形状が粒状または繊維状であり、外径が約２〜５５［ｎｍ］程度、長さが１〜５［μｍ］程度である。この粉末粒子２００の内側の部分を構成するカーボンナノチューブ２１０は、例えば、一層の筒状構造を有する単層カーボンナノチューブ、多層の筒状構造を有する多層カーボンナノチューブとして形成される。このカーボンナノチューブ２１０は、粒子径、すなわち長手方向の長さが５μｍ以下であり、本発明における「粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体」または「カーボンナノ材料」に対応している。
The
また、このカーボンナノチューブ２１０のチューブ表面２１２に、フルオロアルキルシラン由来のフルオロアルキル基２２０が部分的に化学結合している。このフルオロアルキル基２２０は、フッ素原子を含む単分子層からなる被膜として構成される。すなわち、このフルオロアルキル基２２０は、分子鎖が２［ｎｍ］以下の膜厚の小さい被膜として構成され、カーボンナノチューブ２１０の長さ（１〜５[μｍ]程度）に比較して短いため、カーボンナノチューブ２１０のチューブ表面２１２に部分的に形成される。なお、このフルオロアルキル基２２０は、反応温度、反応時間等の処理条件等によっては、単分子層に加えて２分子層や３分子層が含まれ、処理条件を最適化することによって、単分子層を所望の比率とすることができる。
Further, a fluoroalkylsilane-derived
図２に示すような粉末粒子２００は、カーボンナノチューブ２１０のチューブ表面２１２に形成されたフルオロアルキル基２２０による撥水作用によって、粉末粒子２００に対する大気中の水分の吸着が抑制され、当該粉末粒子２００の液架橋による凝集が抑制される。また、フルオロアルキル基２２０のフッ素原子は、分子内分極によって若干負に帯電することが知られており、これにより隣接する粉末粒子２００同士はフッ素原子の帯電作用によって反発し合うこととなり、粉末粒子２００同士の凝集が抑制される。これにより、例えば粉末搬送装置において、粉末粒子２００を他の粉末と混合するに際し、粉末粒子２００を均一に分散させることが可能となる。
しかも、このフルオロアルキル基２２０は、カーボンナノチューブ２１０のチューブ表面２１２に部分的に形成される被膜であるため、粉末粒子２００間は支障なく接触することができるので、カーボンナノチューブ２１０の本来の特性である、高電気伝導性及び高熱伝導性という特性を損なうことのない粉末粒子とすることができる。
また、粉末粒子２００を構成するカーボンナノチューブ２１０は、直径が約１〜５０［ｎｍ］であり、その中空部分の大きさを水素原子の大きさに対応させることによって、中空部分に水素原子を取り込むことができ、当該水素原子の吸着・保持が可能とされる。
The
In addition, since the
The
（粉末粒子の性能評価）
本発明者は、上記粉末粒子２００が高い凝集防止性能を有することを裏付けるべく、定量的な性能評価を実施した。なお、粉末粒子２００の凝集防止性能の評価は、当該粉末粒子２００の流動性を評価することによって可能となる。そこで、本実施の形態では、図３に示す流動性測定装置３００を用いたうえで、以下の測定方法（詳細については、例えばＪＩＳ−Ｚ−２５０２参照）に従って、粉末粒子２００の流動性を測定した。
図３に示す流動性測定装置３００は、傾斜部３１０と、直管部３２０（例えば、内径ｄ＝２[ｍｍ]、高さｈ＝１００[ｍｍ]）からなるガラス製ロートによって構成されており、このガラス製ロートの内部を粉末物が通過可能となっている。この流動性測定装置３００を用いれば、粉末粒子の流動性に関し、少なくとも以下に示す２つの流動性評価を行うことができる。
(Performance evaluation of powder particles)
The present inventor conducted a quantitative performance evaluation in order to confirm that the
A
（第１の流動性評価）
流動性測定装置３００を、その直管部３２０が垂直になるようにセットした後、傾斜部３１０に評価試料としての粉末物を所定量（例えば、５［ｇ］）投入し、当該粉末物が流動性測定装置３００内を通過するまでに要する所要時間ｔ［ｓ］を測定する。この所要時間が、比較対象である粉末物について実施した場合の所要時間を下回る場合や、予め設定された規定時間を下回る場合に、流動性が高いと評価することができる。
(First fluidity assessment)
After setting the
（第２の流動性評価）
上記第１の流動性評価と同様に、流動性測定装置３００の傾斜部３１０に評価試料としての粉末物を投入した後、所定時間経過後に傾斜部３１０の内壁面に残存する粉末物の状態を定性的または定量的に確認する。このとき、傾斜部３１０の内壁面に残存する粉末物の残存量が、比較対象である粉末物ついて実施した場合の残存量を下回る場合や、予め設定された残存量を下回る場合に、流動性が高いと評価することができる。
(Second liquidity assessment)
Similarly to the first fluidity evaluation, after the powder material as the evaluation sample is put into the
上記第１の流動性評価及び第２の流動性評価の、少なくとも一方の評価結果を用いることによって、所望の粉末物の流動性を判定することが可能となる。好ましくは、上記第１の流動性評価及び第２の流動性評価の両方を総合的に判断する。 By using at least one evaluation result of the first fluidity evaluation and the second fluidity evaluation, it is possible to determine the fluidity of the desired powder. Preferably, both the first fluidity evaluation and the second fluidity evaluation are comprehensively determined.
ここで、本実施例の粉末粒子２００の流動性評価の具体例を、図４及び図５を参照しながら説明する。ここでは、本実施例の粉末粒子２００と、比較対象としての粉末粒子２３０の各々について、流動性測定装置３００による流動性に関する測定を計４回実施した結果について説明する。図４には、粉末粒子２００及び粉末粒子２３０が、流動性測定装置３００内を通過するまでに要する所要時間ｔ［ｓ］の数値データが示され、図５には、図４中の数値データに対応したグラフが示される。なお、比較例の粉末粒子２３０としては、本実施例の粉末粒子２００に前述の被膜処理を施す前の粉末粒子、すなわち図２においてフルオロアルキル基２２０が結合していない粉末粒子を用いている。
Here, the specific example of fluidity | liquidity evaluation of the
図４及び図５に示すように、本実施例の粉末粒子２００に関しては、比較例の粉末粒子２３０に対し、所要時間ｔ［ｓ］が相対的に小さいという結果が得られた。また、特に図示しないものの、傾斜部３１０の内壁面に残存する粉末物の状態を確認したところ、比較例の粉末粒子２３０は傾斜部３１０における残存が認められたのに対し、本実施例の粉末粒子２００は傾斜部３１０の内壁面における残存が認められなかった。従って、上記第１の流動性評価及び第２の流動性評価に基づいて、本実施例の粉末粒子２００は、比較例の粉末粒子２３０よりも流動性が高く、前述の被膜処理を施すことによって流動性が大幅に向上したと評価することができる。かくして、粉末粒子２００が高い凝集防止性能を有することを裏付けることが可能となった。
As shown in FIGS. 4 and 5, with respect to the
以上のように、本実施の形態によれば、高い凝集防止性能を有する粉末粒子２００を提供する技術が構築されることとなり、粉末粒子２００の搬送上における取り扱い性を向上させることが可能となる。更に、粉末粒子２００は、当該粉末粒子２００を構成するカーボンナノチューブ２１０のようなカーボンナノ材料の特性を生かした種々の用途が想定される。
例えば、第１の用途として、カーボンナノ材料のガス吸蔵特性を利用した水素吸蔵材料への応用が想定される。貯蔵が難しいとされている水素を粉末粒子２００に効率的に吸蔵させることによって、水素の供給方法が重要なテーマとなっている燃料電池自動車の普及への可能性を高めることができる。
また、第２の用途として、既存の素材と組み合わせることによって、複合材料への応用が想定される。例えば、合成樹脂に粉末粒子２００を混ぜ、強度や伝導性、樹脂の滑らかさを向上させたり、金属やコンクリートに混ぜて、強度や耐腐食性を向上させることが可能となる。
また、カーボンナノ材料の電子放出性能を利用することで、走査型プローブ顕微鏡探針への応用を図る第３の用途や、輝度が高く低消費電力のフィールド・エミッション・ディスプレイへの応用を図る第４の用途が想定される。
また、その他更なる用途として、ノート型パソコンや携帯電話のような携帯機器における小型燃料電池の電極への応用や、集積回路におけるＩＣの高集積化及び高機能化技術への応用などが想定される。
As described above, according to the present embodiment, a technique for providing the
For example, as a first use, application to a hydrogen storage material using the gas storage characteristics of a carbon nanomaterial is assumed. By efficiently storing hydrogen, which is considered difficult to be stored, in the
Further, as a second use, application to a composite material is assumed by combining with an existing material. For example, the
In addition, by utilizing the electron emission performance of carbon nanomaterials, the third application is applied to the scanning probe microscope probe, and the application to field emission displays with high brightness and low power consumption. Four uses are assumed.
In addition, other applications are envisaged, such as application to small fuel cell electrodes in portable devices such as notebook computers and mobile phones, and application to high integration and high functionality technologies of ICs in integrated circuits. The
なお、本発明は、上記実施の形態で説明した構成に限定されず種々の変更、追加、削除が可能である。 The present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment, and various changes, additions, and deletions are possible.
上記実施の形態では、カーボンナノチューブ２１０のチューブ表面２１２に、フルオロアルキルシランに起因するフッ素原子を含む被膜を形成する場合について記載したが、本発明では、被膜を形成する対象として、カーボンナノチューブ以外のカーボンナノ材料、例えば筒状構造の一端が炭素のシート状体によって閉じられたカーボンナノホーン、複数の炭素原子が筒状または円錐状に結合した単位が連続して配列するカーボンナノファイバ、複数の炭素原子がボール状に配列するフラーレン等を用いることもできる。また、本発明では、カーボンナノ材料以外の粉末粒子の粒子表面に、フッ素原子を含む被膜を形成させるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the case where a film containing fluorine atoms derived from fluoroalkylsilane is formed on the
また、上記実施の形態では、カーボンナノチューブ２１０のチューブ表面２１２に、フッ素原子を含む分子鎖が２［ｎｍ］以下の単分子層を主体とする被膜を部分的に化学結合させる場合について記載したが、本発明では、カーボンナノチューブ２１０のチューブ表面２１２に形成される被膜は、単分子層以外の２分子層や３分子層を主体としたものであってもよい。
In the above-described embodiment, the case where a film mainly composed of a monolayer having a molecular chain containing fluorine atoms of 2 [nm] or less is partially chemically bonded to the
また、上記実施の形態では、気相法を用いてカーボンナノチューブ２１０を生成させる場合について記載したが、本発明では、カーボンナノチューブ２１０のようなカーボンナノ材料を生成させるに際し、気相法にかえてアーク放電法やレーザー蒸発法を用いることもできる。
Further, in the above embodiment, the case where the
また、上記実施の形態の粉末粒子製造装置１００では、カーボンナノチューブ生成部１４０及び被膜形成部１５０を連続状に配置して、カーボンナノチューブ２１０の生成直後に、当該カーボンナノチューブ２１０に被膜を形成する場合について記載したが、本発明では、カーボンナノチューブ２１０のようなカーボンナノ材料を、別装置において予め製造し、当該カーボンナノ材料に被膜を形成するように構成してもよい。
In the powder
１００ 粉末粒子製造装置
１０１ 反応炉
１１０ １次締固め処理
１１２ 炭素源貯留容器
１１４ キャリアガス供給管
１１６ 炭素源導入管
１１８ 加熱器
１２０ 触媒材料供給部
１２２ 加圧ポンプ
１２４ 触媒材料導入管
１３０ 被膜材料供給部
１３２ 被膜材料貯留容器
１３４ キャリアガス供給管
１３６ 被膜材料導入管
１３８ 加熱器
１４０ カーボンナノチューブ生成部
１４２ 第１の反応領域
１４４ 加熱器
１５０ 被膜形成部
１５２ 第２の反応領域
１５４ 加熱器
１６０ 粉末粒子捕集部
１６２ 捕集器
１６４ フィルター
２００，２３０ 粉末粒子
２１０ カーボンナノチューブ（カーボンナノ材料）
２１２ チューブ表面
２２０ フルオロアルキル基
３００ 流動性測定装置
３１０ 傾斜部
３２０ 直管部
DESCRIPTION OF
212
Claims (8)
前記被膜は、分子鎖が２ｎｍ以下の単分子層を含む被膜として構成されることを特徴とする粉末粒子。 The powder particle according to claim 1,
The powder particle, wherein the film is configured as a film including a monomolecular layer having a molecular chain of 2 nm or less.
前記粉末粒子体として、カーボンナノ材料が用いられていることを特徴とする粉末粒子。 The powder particle according to claim 1 or 2,
A powder particle, wherein a carbon nanomaterial is used as the powder particle body.
前記カーボンナノ材料は、直径が５０ｎｍ以下に構成された軸状である粉末粒子。 A powder particle according to claim 3,
The carbon nanomaterial is an axial powder particle having a diameter of 50 nm or less.
粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体と、フッ素原子を含む被膜材料とを混合し、被膜形成温度に加熱することによって前記粉末粒子体の表面に、フッ素原子を含む被膜を形成させる被膜形成ステップを有することを特徴とする粉末粒子の製造方法。 A method for producing powder particles for producing powder particles,
A film forming step of forming a film containing fluorine atoms on the surface of the powder particle body by mixing powder particles having a particle diameter of 5 μm or less and a film material containing fluorine atoms and heating to a film forming temperature. A method for producing powder particles, comprising:
前記被膜形成ステップの前段において、炭素源と触媒とを混合し、カーボンナノ材料生成温度に加熱することによって、前記粉末粒子体としてのカーボンナノ材料を生成するカーボンナノ材料生成ステップを有し、当該カーボンナノ材料生成ステップによって生成したカーボンナノ材料を、引き続き前記被膜形成ステップによって連続状に処理することを特徴とする、粉末粒子の製造方法。 A method for producing powder particles according to claim 5,
In the previous stage of the film forming step, the carbon source and the catalyst are mixed and heated to a carbon nanomaterial generation temperature to have a carbon nanomaterial generation step of generating a carbon nanomaterial as the powder particle body, A method for producing powder particles, characterized in that the carbon nanomaterial produced in the carbon nanomaterial production step is continuously processed in the film formation step.
粒子径が５μｍ以下の粉末粒子体がキャリアガスとともに流通する反応炉と、
前記反応炉を流通する前記粉末粒子体に対しフッ素原子を含む被膜材料を導入する被膜材料導入手段と、
前記被膜材料導入手段によって被膜材料が供給された後の粉末粒子体が流通する被膜形成部と、
前記被膜形成部を被膜形成温度に加熱する加熱手段と、
前記被膜形成部の下流に配置された捕集手段とを備え、
前記加熱手段によって被膜形成温度に加熱された被膜形成部において、前記粉末粒子体の表面にフッ素原子を含む被膜が形成された粉末粒子が生成し、当該粉末粒子が前記捕集手段によって捕集されるように構成されていることを特徴とする、粉末粒子の製造装置。 An apparatus for producing powder particles for producing powder particles,
A reaction furnace in which a powder particle having a particle size of 5 μm or less flows along with a carrier gas;
A coating material introduction means for introducing a coating material containing fluorine atoms into the powder particles flowing through the reactor;
A film forming part through which powder particles after the coating material is supplied by the coating material introducing means,
Heating means for heating the film forming part to a film forming temperature;
A collecting means disposed downstream of the film forming portion,
In the film forming portion heated to the film forming temperature by the heating means, powder particles having a film containing fluorine atoms formed on the surface of the powder particle body are generated, and the powder particles are collected by the collecting means. It is comprised so that it may be comprised, The manufacturing apparatus of the powder particle characterized by the above-mentioned.
前記反応炉の前記被膜形成部よりも上流側に配置されたカーボンナノ材料生成部と、
前記カーボンナノ材料生成部に炭素源を導入する炭素源導入手段と、
前記カーボンナノ材料生成部に、前記炭素源を熱分解させてカーボンナノ材料を生成させる触媒を導入する触媒導入手段と、
前記カーボンナノ材料生成部をカーボンナノ材料生成温度に加熱する第２の加熱手段とを備え、
前記加熱手段によってカーボンナノ材料生成温度に加熱されたカーボンナノ材料生成部において、前記粉末粒子体としてのカーボンナノ材料が生成するように構成されていることを特徴とする、粉末粒子の製造装置。 An apparatus for producing powder particles according to claim 7,
A carbon nanomaterial generating part disposed upstream of the film forming part of the reactor,
A carbon source introduction means for introducing a carbon source into the carbon nanomaterial generation unit;
Catalyst introduction means for introducing a catalyst for pyrolyzing the carbon source to produce a carbon nanomaterial into the carbon nanomaterial production unit;
A second heating means for heating the carbon nanomaterial generation part to a carbon nanomaterial generation temperature,
The apparatus for producing powder particles, wherein the carbon nanomaterial generation unit heated to the carbon nanomaterial generation temperature by the heating means is configured to generate the carbon nanomaterial as the powder particle body.
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|---|---|---|---|
| JP2005058081A JP2006240915A (en) | 2005-03-02 | 2005-03-02 | Powder particle, and method and apparatus for producing the same |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008239422A (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Fujitsu Ltd | Surface-modified carbon nanotube-based material, its manufacturing method, electronic member and electronic device |
| RU2484015C1 (en) * | 2012-04-04 | 2013-06-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Method to produce hollow nanoparticles |
| JP2015071757A (en) * | 2013-10-02 | 2015-04-16 | ゼロックス コーポレイションＸｅｒｏｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ | Method of manufacture for graphene fluoropolymer dispersion |
| CN111187449A (en) * | 2020-01-09 | 2020-05-22 | 青岛科技大学 | Carbon nanotube functional modification method suitable for composite rubber system |
-
2005
- 2005-03-02 JP JP2005058081A patent/JP2006240915A/en active Pending
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