JP2006278093A - 粉体又は液体の連続熱処理方法、該連続熱処理方法で得られた粉末状炭素材料及び該連続熱処理方法で熱処理を施した粉末状炭素材料 - Google Patents

Abstract

【課題】粉体又は液体を連続的に熱処理することが可能な粉体又は液体の連続熱処理方法を提供する。
【解決手段】マイクロ波発生装置２を備える加熱チャンバー１に粉体又は液体を連続的に供給し、該加熱チャンバー１中で前記粉体又は液体にマイクロ波照射を行い、該粉体又は液体を連続的に熱処理する。前記粉体又は液体に照射するマイクロ波の周波数としては、28GHzが好ましい。また、前記粉体を前記加熱チャンバーに連続的に供給するためには、可動コンベアを用いることが好ましく、該可動コンベアにはマイクロ波吸収体を用いることが更に好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉体又は液体の連続熱処理方法、並びに該連続熱処理方法で得られた粉末状炭素材料及び該連続熱処理方法で熱処理を施した粉末状炭素材料に関するものである。

従来、ポリマー等の有機物を加熱し、分解・炭化させて炭素材料を製造するためには、電気ヒータに代表される外部加熱方式の炉が一般に使用されている。しかしながら、該外部加熱方式の炉で有機物を加熱する場合、被加熱体である有機物の加熱を熱伝導に頼らざるを得ないため、急速加熱が難しいという問題がある。

また、外部加熱方式の炉で有機物を加熱する場合、加熱中に、被加熱体である有機物の表面と内部とで温度差が生じてしまい、均一に加熱することが難しいという問題もある。

更に、外部加熱方式の炉で有機物を加熱する場合、投入エネルギーが被加熱体である有機物の温度上昇以外にも用いられ、例えば、周辺雰囲気全体の加熱に費やされるため、エネルギー効率が悪いという問題もある。

また更に、上記外部加熱方式の炉で有機物を連続焼成する場合には、さらに問題が多く、例えば、熱の逃げによる温度レベルの限界や、熱の逃げを防ぐための断熱材の配置や、ヒータとの位置関係等を詳細に検討する必要があり、装置が複雑化するといった問題もある。

また、上記炭化とは異なる熱処理プロセスでも同様に、外部加熱方式では急速加熱や均一加熱が難しく、熱処理の連続化が困難であるという問題がある。

このような状況下、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、粉体又は液体を連続的に熱処理することが可能な粉体又は液体の連続熱処理方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかる連続熱処理方法を用いて製造された粉末状炭素材料、並びに、かかる連続熱処理方法で熱処理を施した粉末状炭素材料を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、加熱用のチャンバーに粉体又は液体を連続的に供給し、該チャンバー内でマイクロ波照射を行うことで、粉体又は液体を連続的に熱処理できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明の連続熱処理方法は、マイクロ波発生装置を備える加熱チャンバーに粉体又は液体を連続的に供給し、該加熱チャンバー中で前記粉体又は液体にマイクロ波照射を行い、該粉体又は液体を連続的に熱処理することを特徴とする。

本発明の連続熱処理方法の好適例においては、前記粉体又は液体に照射するマイクロ波の周波数が28GHzである。この場合、原料の粉体又は液体がマイクロ波（周波数28GHzのミリ波）を十分に吸収し、また、熱暴走することがなく、均一な加熱が可能であり、更に、アーキングの発生も防止することができる。

本発明の連続熱処理方法の他の好適例においては、前記粉体を前記加熱チャンバーに連続的に供給するために可動コンベアを用いる。ここで、該可動コンベアがマイクロ波吸収体からなることが更に好ましい。この場合、搬送体が効率よくマイクロ波を吸収し発熱するため、原料の粉体又は液体自体の自己発熱以外に、搬送体から伝導してくる熱が加わり、更に効率的な熱処理が可能となる。

本発明の連続熱処理方法の他の好適例においては、前記加熱チャンバーが前記粉体又は液体の通過位置の上方及び下方に断熱材又は真空断熱層を有する。ここで、該断熱材中に加熱ヒータが埋設されていることが更に好ましい。

本発明の連続熱処理方法の他の好適例においては、前記加熱チャンバー中における前記粉体又は液体に対するマイクロ波照射を、真空下、不活性ガス雰囲気下又は反応性ガス雰囲気下で行う。

本発明の連続熱処理方法の他の好適例においては、前記粉体が粉末状ポリマーであり、前記マイクロ波照射による熱処理によって、該粉末状ポリマーを焼成し炭化させて粉末状炭素材料とする。また、本発明の粉末状炭素材料は、かかる連続熱処理方法で得られたものであることを特徴とする。

本発明の連続熱処理方法の他の好適例においては、前記粉体が粉末状炭素材料である。ここで、該粉末状炭素材料としては、ナノカーボン及びアモルファスカーボン粉末が挙げられる。なお、該粉末状炭素材料がアモルファスカーボン粉末である場合、前記マイクロ波照射による熱処理によって、該アモルファスカーボン粉末を結晶化させることができる。また、本発明の粉末状炭素材料は、かかる連続熱処理方法で熱処理を施したものであることを特徴とする。

本発明によれば、粉体又は液体を連続的に熱処理することが可能な粉体又は液体の連続熱処理方法を提供することができる。また、該連続熱処理方法を用いて製造された粉末状炭素材料、並びに、該連続熱処理方法で熱処理を施した粉末状炭素材料を提供することができる。

以下に、本発明を詳細に説明する。本発明の連続熱処理方法は、マイクロ波発生装置を備える加熱チャンバーに粉体又は液体を連続的に供給し、該加熱チャンバー中で前記粉体又は液体にマイクロ波照射を行い、該粉体又は液体を連続的に熱処理することを特徴とする。マイクロ波を照射して粉体又は液体を連続熱処理する場合、粉体又は液体がマイクロ波を吸収し自己発熱することで、高い効率で熱処理することができる。また、マイクロ波照射による加熱の場合、熱源からの熱伝導に頼らないために、短時間で昇温が可能であり、短時間・省エネルギープロセスを実現することができる。更にマイクロ波加熱は、温度の制御性にも優れ応答性が高いことも特徴といえる。

本発明の連続熱処理方法において、マイクロ波照射により連続的に熱処理する場合、照射するマイクロ波の周波数は、通常、300MHz〜300GHzの範囲であり、28GHz（ミリ波）が特に好ましい。マイクロ波としては、電子レンジに代表される周波数2.45GHzのものが広く普及しているが、2.45GHzのマイクロ波を用いた場合は、以下のような問題がある。(i)2.45GHzのマイクロ波を十分に吸収する材料（粉体又は液体）が限られている。(ii)材料が複雑な形状を有する場合に、突起部に電界が集中し、熱暴走して均一な加熱が難しい。(iii)導電性材料ではアーキングが発生する（電子レンジでアルミホイルから火花が飛ぶ現象）。これらのデメリットを解決すべく鋭意検討した結果、マイクロ波の周波数を高めることで上記問題を解決することができ、28GHzのマイクロ波（ミリ波）が特に好適に使用できることが分った。また、28GHzのマイクロ波を用い、粉体又は液体がポリマーからなる場合、ポリマー自体の加熱を効率的に行うことが可能となり、その他の特長としては、導電性材料であってもアーキングが極めて生じ難い点が挙げられる。なお、ポリマー等の有機物が炭化して導電性グラファイト化した場合でも、28GHzのマイクロ波を用いることで、アーキングの発生を防止できる。また、投入電力やラインスピードを調整することで、マイクロ波を吸収しやすい材料、吸収しにくい材料等、様々な材料に対して本発明の連続熱処理方法を適応することが可能となる。なお、マイクロ波を発生させるために用いるマイクロ波発生装置としては、特に制限は無く、一般的なものを使用することができ、例えば、ジャイロトロン発振機等を例示することができる。

本発明の連続熱処理方法は、例えば、図１に示すような連続熱処理装置を用いて実施することができる。図１に示す連続熱処理装置は、加熱チャンバー１と、該加熱チャンバー中で粉体又は液体をマイクロ波照射により熱処理するためのマイクロ波発生装置２と、前記加熱チャンバーに前記粉体又は液体を搬入及び搬出するための搬送体３とを備える。なお、図示例の搬送体３は、可動コンベアであるが、他の種類の搬送機構を用いることもできる。

また、図１に示す連続熱処理装置は、粉体又は液体を貯蔵するホッパー４と、該ホッパー４から搬送体３に粉体又は液体を供給するための供給管５と、上記加熱チャンバー１で熱処理を施された粉体又は液体を回収する回収部６とを備える。更に、図１に示す連続熱処理装置は、加熱チャンバー１とマイクロ波発生装置２とを連結し、マイクロ波発生装置２で発生したマイクロ波を加熱チャンバー１に導くための導波管７Ａと、加熱チャンバー１に不活性ガスや反応性ガス等の各種ガスを導入するための導入ライン７Ｂと、加熱チャンバー１からガスを排気するための排気ライン７Ｃとを備える。

図１に示す連続熱処理装置においては、粉体又は液体を貯蔵するホッパー４から供給管５を経て搬送体（可動コンベア）３に粉体又は液体が供給され、該搬送体３によって粉体又は液体が加熱チャンバー１に供給される。加熱チャンバー１に供給された粉体又は液体は、該加熱チャンバー１内でマイクロ波発生装置２で発生したマイクロ波を吸収し、自己発熱することで熱処理される。熱処理された粉体又は液体は、搬送体３によって加熱チャンバー１の外部に搬出され、回収部６にて回収される。

ここで、炭化を目的とした熱処理の場合には、上記粉体又は液体としては、重油や各種モノマー、オリゴマー、ポリマー等の有機物を使用することができ、熱処理の結果として、粉末状炭素材料が得られる。

また、本発明の連続熱処理方法は、粉末状炭素材料に対して適用することもできる。ここで、該粉末状炭素材料がアモルファスカーボン粉末である場合、前記マイクロ波照射による熱処理によって、該アモルファスカーボン粉末を結晶化させることができる。また、熱処理を施す粉末状炭素材料としては、特に制限は無く、例えば、各種ナノカーボン（カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等）を例示することができる。

更に、上記搬送体３にカーボン繊維シート等のマイクロ波吸収体を用いた場合には、該搬送体３が効率よくマイクロ波を吸収し発熱するため、被加熱体である粉体又は液体自体の自己発熱以外に、搬送体３から伝導してくる熱が加わり、いわばハイブリッド加熱となり、更に効率的な熱処理が可能となる。一般的に、有機物材料は温度が上がる程、また炭化が進む程マイクロ波を吸収するようになり良好に熱処理することができる。なお、搬送体３の材料としては、マイクロ波吸収体に限定されるものではなく、原料の粉体又は液体の処理温度に耐える耐熱性を有するものであればいずれでもよい。

上記加熱チャンバー１は、原料である粉体又は液体からの放熱による温度低下をさけるために、前記粉体又は液体の通過位置の上方及び下方にマイクロ波を透過する断熱材８を有することが好ましい。使用する断熱材としては、1800℃程度まではアルミナが好適に使用でき、1800℃以上では、ボロンナイトライド（ＢＮ）等が好適に使用できる。例えば、図２の（Ａ）に示すように、原料である粉体又は液体の通過位置の上方及び下方に断熱材８を配置することで、原料からの放熱による温度低下を抑制して、マイクロ波照射により原料を容易に加熱するることができる。

また、上記加熱チャンバー１は、前記粉体又は液体の通過位置の上方及び下方に真空断熱層９を有することも好ましい。この場合も、真空断熱（魔法瓶の原理）により、原料である粉体又は液体からの放熱による温度低下を防止することができる。該真空断熱層としては、マイクロ波を透過する石英等で構成された真空断熱層等を用いることができる。例えば、図２の（Ｂ）に示すように、原料である粉体又は液体の通過位置の上方及び下方に真空断熱層９を配置することで、原料からの放熱による温度低下を抑制して、マイクロ波照射により原料を容易に加熱することができる。なお、上記加熱チャンバー１は、断熱材８と真空断熱層９の両方を有してもよい。

上記加熱チャンバー１が断熱材８を有する場合、該断熱材８中には加熱ヒータ１０が埋設されていることが好ましい。連続熱処理時には原料である粉体又は液体がマイクロ波を吸収するため、急速加熱しても周囲の断熱材８に熱を奪われてしまうことがある。これに対し、断熱材８中に加熱ヒータ１０を埋設することで、速やかに昇温することができ、装置をより速やかに安定化することができる。例えば、図２の（Ｃ）に示すように、原料である粉体又は液体の通過位置の上方及び下方に加熱ヒータ１０が埋設された断熱材８を配置することで、原料にマイクロ波が照射される部分の温度を速やかに上昇させて、装置を速やかに安定化することができる。

また、加熱チャンバー１の断熱材８に開口を設け、非接触温度計で加熱チャンバー１の温度を計測し、マイクロ波電力にフィードバックする制御機構を設けることで、様々な材料や、処理条件に適宜対応することが容易となる。なお、本発明の連続熱処理方法における熱処理温度は、特に制限されるものでなく、目的に応じて適宜設定でき、マイクロ波電力を調整する等してコントロールすることができる。

本発明の連続熱処理方法においては、上記加熱チャンバー１中における前記粉体又は液体に対するマイクロ波照射を、真空下、不活性ガス雰囲気下又は反応性ガス雰囲気下で行うことができる。ここで、反応性ガス雰囲気下で熱処理を行うことで、連続的に粉体又は液体に表面処理を施すことができる。ここで、不活性ガス及び反応性ガスの導入には、上記導入ライン７Ｂを、不活性ガス、未反応の反応性ガス及び反応による生成ガスの排気には、上記排気ライン７Ｃを用いることができる。また、加熱チャンバー１を真空にする場合は、上記排気ライン７Ｃに真空ポンプ等を連結して加熱チャンバー１を減圧すればよい。なお、真空中でマイクロ波照射を行う場合、加熱チャンバー１を3×10²Pa以下に維持することが好ましい。また、不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム等が挙げられ、反応性ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、アセチレン等が挙げられる。

原料である粉体又は液体の搬送は、一定スピードの連続搬送であってもよいし、あるいは一定長搬送後に停止させ焼成し、その後、再び搬送するような搬送・焼成（停止）を繰り返すプロセスであってもよい。

上記粉体が粉末状ポリマーである場合、前記マイクロ波照射による熱処理によって、該粉末状ポリマーを焼成し炭化させて粉末状炭素材料とすることができる。本発明の連続熱処理方法による炭化で製造した粉末炭素材料は、各種ゴムや樹脂への配合剤や、活性炭、リチウムイオン電池の電極材料等として広く使用することができる。ここで、使用する粉末状ポリマーとしては、特に制限は無く、ペレット状のポリマーの破砕物や、市販のポリマーパウダー等を用いることができる。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す連続熱処理装置の加熱チャンバーに窒素ガスを導入して、加熱チャンバー内をガス置換した。その後、ウレタン樹脂を細かく粉砕して得たウレタンパウダーを原料として、搬送体へ供給し、最高温度が1000℃となるようにマイクロ波電力を調整し、0.25m/minのスピードで搬送し、加熱チャンバー出口で被熱処理物（粉末状炭素材料）を回収した。なお、マイクロ波発生装置としては、28GHzのジャイロトロン発振機を使用した。回収した被熱処理物の残炭率を計測したところ37.6％であり、良好に炭化していることが確認された。この結果から、短時間で連続的にポリマー粉末を炭化し、炭素粉末材料が得られることが確認された。なお、残炭率は、下記式：
残炭率＝（焼成後の炭素粉末の質量）／（焼成前のポリマーの質量）×１００
から算出した。

（比救例1）
実施例１と同様にウレタン樹脂を細かく粉砕して得たウレタンパウダーをアルミナの坩堝に入れ、該坩堝を焼成炉中にセットし、窒素雰囲気中７℃/分の昇温速度で2.5時間で1000℃まで昇温し、その後1000℃で2時間保持して焼成処理した。4時間の冷却時間を経て、得られた焼成物を取り出し残炭率を計測したところ平均で38.7％あった。なお、坩堝中心部と周辺部とでは、残炭率に大きなバラツキがあった。

本発明の連続熱処理方法に使用できる連続熱処理装置の一例の概略図である。 本発明の連続熱処理方法に使用できる連続熱処理装置の好適例の概略図である。

符号の説明

１ 加熱チャンバー
２ マイクロ波発生装置
３ 搬送体
４ ホッパー
５ 供給管
６ 回収部
７Ａ 導波管
７Ｂ 導入ライン
７Ｃ 排気ライン
８ 断熱材
９ 真空断熱層
１０ 加熱ヒータ

Claims (13)

1. マイクロ波発生装置を備える加熱チャンバーに粉体又は液体を連続的に供給し、該加熱チャンバー中で前記粉体又は液体にマイクロ波照射を行い、該粉体又は液体を連続的に熱処理することを特徴とする連続熱処理方法。
2. 前記粉体又は液体に照射するマイクロ波の周波数が28GHzであることを特徴とする請求項１に記載の連続熱処理方法。
3. 前記粉体を前記加熱チャンバーに連続的に供給するために可動コンベアを用いることを特徴とする請求項１に記載の連続熱処理方法。
4. 前記可動コンベアがマイクロ波吸収体からなることを特徴とする請求項３に記載の連続熱処理方法。
5. 前記加熱チャンバーが前記粉体又は液体の通過位置の上方及び下方に断熱材又は真空断熱層を有することを特徴とする請求項１に記載の連続熱処理方法。
6. 前記断熱材中に加熱ヒータが埋設されていることを特徴とする請求項５に記載の連続熱処理方法。
7. 前記加熱チャンバー中における前記粉体又は液体に対するマイクロ波照射を、真空下、不活性ガス雰囲気下又は反応性ガス雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１に記載の連続熱処理方法。
8. 前記粉体が粉末状ポリマーであり、前記マイクロ波照射による熱処理によって、該粉末状ポリマーを焼成し炭化させて粉末状炭素材料とすることを特徴とする請求項１に記載の連続熱処理方法。
9. 請求項８に記載の連続熱処理方法で得られた粉末状炭素材料。
10. 前記粉体が粉末状炭素材料であることを特徴とする請求項１に記載の連続熱処理方法。
11. 前記粉末状炭素材料がナノカーボンであることを特徴とする請求項１０に記載の連続熱処理方法。
12. 前記粉末状炭素材料がアモルファスカーボン粉末であり、前記マイクロ波照射による熱処理によって、該アモルファスカーボン粉末を結晶化させることを特徴とする請求項１０に記載の連続熱処理方法。
13. 請求項１０〜１２のいずれかに記載の連続熱処理方法で熱処理を施した粉末状炭素材料。
    
    

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