JP2012214335A - カーボンナノチューブを含む炭素材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】二酸化ケイ素を含むサトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガスが炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化され、得られた炭化物が不活性ガス雰囲気下で1100℃以上2200℃以下の温度で黒鉛化されることにより製造され、炭素を主成分とする筒状の側壁部と、側壁部の内部空間において側壁部の筒軸方向に順次積層する状態で結晶化した炭化ケイ素を主成分とする積層部とを備えて形成されたカーボンナノチューブを含む炭素材料。
【選択図】図1
Description
上記課題を解決するための本発明のカーボンナノチューブを含む炭素材料の特徴構成は、
二酸化ケイ素を含むサトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガスが炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化され、得られた炭化物が不活性ガス雰囲気下で1100℃以上2200℃以下の温度で黒鉛化されることにより製造され、炭素を主成分とする筒状の側壁部と、前記側壁部の内部空間において前記側壁部の筒軸方向に順次積層する状態で結晶化した炭化ケイ素を主成分とする積層部とを備えて形成されたカーボンナノチューブを含む炭素材料である点にある。
本発明者らは、植物由来の木質系原料であるサトウキビのサトウキビバガスは、セルロース系繊維状組織構造を形成し、細胞壁そのものが繊維状組織で形成されているとともに、細胞内部は液体で満たされているため、骨格を保持したまま炭素化ができれば、カーボンナノチューブが生成する可能性に着目して、今回、本発明を新たに創作したものである。
また、前記炭化物を加熱して黒鉛化する温度範囲が、1800℃以上2000℃以下であることが好ましい。
炭化物を加熱して黒鉛化する温度範囲が1800℃以上2000℃以下であれば、黒鉛化された炭素材料中に、カーボンナノチューブを破壊させない状態で良好に生成させることができるとともに、カーボンナノチューブの内部空間に炭化ケイ素が結晶化して積層した積層部を良好に形成することができる。また、当該温度範囲内で黒鉛化の温度を適切に調整することにより、カーボンナノチューブの内部空間に結晶化する炭化ケイ素の結晶量を適切に調整することができる。
さらに、前記サトウキビバガスが、前記サトウキビの幹部分において、当該幹部分から芯部分及び実部分を除く部分で構成されることが好ましい。
サトウキビの幹部分において芯部分及び実部分を除く部分をサトウキビバガスとして炭化の対象とすることにより、当該部分の繊維状組織断面の構造に依存した状態で、その繊維状組織を生かして、炭化物を得ることができる。
上記課題を解決するための本発明のカーボンナノチューブを含む炭素材料の製造方法の特徴構成は、
二酸化ケイ素を含むサトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガスを、炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化する炭化工程の実行後、前記炭化工程により得られた炭化物を不活性ガス雰囲気下で1100℃以上2200℃以下の温度で黒鉛化する黒鉛化工程を実行して、炭素を主成分とする筒状の側壁部と、前記側壁部の内部空間において前記側壁部の筒軸方向に順次積層する状態で結晶化した炭化ケイ素を主成分とする積層部とを備えて形成されたカーボンナノチューブを含む炭素材料を製造する製造方法である点にある。
サトウキビバガスを、炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化する炭化工程を実行すると、サトウキビバガスに含まれる有機物は炭化し、ヘテロ原子の少ない炭化物に変換される。この炭化物を、不活性ガス雰囲気下で、1100℃以上2200℃以下の温度で黒鉛化する黒鉛化工程を実行すると、黒鉛化された黒鉛構造中には、非晶質炭素組織以外に板状粒子、繊維状粒子及び棒状粒子が生成され、この棒状粒子は、直径が2〜200nm程度、長さが0.01〜10μm程度のカーボンナノチューブであることが、本発明者により確認された。特に、当該カーボンナノチューブには、サトウキビの成長過程において当該サトウキビに取込まれていた土壌中のSi成分(二酸化ケイ素)が、炭化ケイ素(六方晶)の結晶形態で内包されていることが確認された。
尚、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
まず、サトウキビから皮部分を分離する皮分離工程を実行する。
例えば、サトウキビに関して、その皮部分のみを皮剥きの要領で分離することで、所謂、芯部分及び実部分が分離された皮部分を得ることができるが、この場合、最外表面側に位置する皮部分のみを原料とするため、サトウキビ全体の質量に対して、15〜25質量%程度(30質量%以下)となる皮部分のみが分離される。分離に際しては、一対のローラ間に、所定長さに切断されたサトウキビの幹部分を挿入・落下させて皮剥ぎを行う工程を、幹部分の移動方向に複数段備えるとともに、落下物を、その大きさ、重量に従って分類するケーンセパレーターを使用することで、所望の部位の分離を行うことができる。なお、分離された皮部分からなるサトウキビバガスを、100℃で予め乾燥させておき、次に実行される炭化工程に備える。
乾燥したサトウキビバガスを、炭化炉において所定の乾留状態で炭化処理を施す。この炭化処理における、皮部分を加熱し炭化する加熱温度は、700℃以上1000℃以下であり、且つ、その加熱時間は、5分以上120分以下とする。常温から加熱温度までの昇温時間は、60分程度とし、雰囲気として、無酸素条件である不活性ガス雰囲気を使用する。このような処理を経て、サトウキビバガスの炭化物を得ることができる。なお、不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等を例示することができる。
炭化されたサトウキビバガスの炭化物を、炭化炉において所定の乾留状態で黒鉛化処理を施す。この黒鉛化工程における、当該炭化物を加熱する温度(目標温度)は、1100℃以上2200℃以下であり、且つ、その加熱時間は、30分以上3時間程度とする。雰囲気温度を、2000℃までは500℃/H、2000℃〜2500℃では200℃/H、2500℃以上では50℃/Hで昇温することができる炉を用いる。なお、本発明者らは、黒鉛化工程における昇温速度及び目標温度における保持時間は、得られる炭素材料の構造にはあまり影響を与えないことを実験的に知得している。また、なお、不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等を例示することができる。
〔実施例〕
100℃で予め乾燥したサトウキビバガス(皮部分)を、炭化炉にてアルゴン雰囲気下900℃で1時間炭化した後、アルゴン雰囲気下種々の温度(1100℃〜2200℃)で1時間黒鉛化を行った。
なお、X線回折測定による構造解析の結果は図示しないが、黒鉛化工程の温度の上昇とともに002回折線及び10回折線の強度が強くなり、また、10回折線の非対称性が明瞭になることから、黒鉛化バガス(炭素材料)の積層構造は、主に乱層積層であると考えられる。
この900℃で炭化した炭化物は、非晶質構造組織と薄片状組織が混在している。薄片状組織部分を拡大して調べると、薄片が数十層積層した薄層グラファイト構造であることがわかる。一般に、石油系や石炭系の炭素前駆体を900℃で熱処理を行うと、2〜3nm程度のジグザグ網面が数層積層した構造体が観察されるが、上記のような薄層グラファイト構造は観察されず、サトウキビバガス特有の炭素化挙動である。さらに、非常に含有量は少ないが、サトウキビバガスの繊維構造由来と思われるミルド状カーボンナノチューブの存在も確認された。
100℃で予め乾燥したサトウキビバガス(皮部分)を、炭化炉にてアルゴン雰囲気下900℃で1時間炭化した後、アルゴン雰囲気下種々の温度(1100℃未満、2200℃超(例えば、2400℃))で1時間黒鉛化を行った。
なお、1100℃未満で加熱処理を行ったとしても、サトウキビバガス(炭化物)に含まれる二酸化ケイ素が炭化ケイ素に変化する温度未満であるので、カーボンナノチューブの内部空間に炭化ケイ素の結晶が積層することはないと考えられる。
Claims (4)
- 二酸化ケイ素を含むサトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガスが炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化され、得られた炭化物が不活性ガス雰囲気下で1100℃以上2200℃以下の温度で黒鉛化されることにより製造され、炭素を主成分とする筒状の側壁部と、前記側壁部の内部空間において前記側壁部の筒軸方向に順次積層する状態で結晶化した炭化ケイ素を主成分とする積層部とを備えて形成されたカーボンナノチューブを含む炭素材料。
- 前記炭化物を加熱して黒鉛化する温度範囲が、1800℃以上2000℃以下である請求項1に記載のカーボンナノチューブを含む炭素材料。
- 前記サトウキビバガスが、前記サトウキビの幹部分において、当該幹部分から芯部分及び実部分を除く部分で構成される請求項2に記載のカーボンナノチューブを含む炭素材料。
- 二酸化ケイ素を含むサトウキビを圧搾処理して得られるサトウキビバガスを、炭化炉にて不活性ガス雰囲気下で炭化する炭化工程の実行後、前記炭化工程により得られた炭化物を不活性ガス雰囲気下で1100℃以上2200℃以下の温度で黒鉛化する黒鉛化工程を実行して、炭素を主成分とする筒状の側壁部と、前記側壁部の内部空間において前記側壁部の筒軸方向に順次積層する状態で結晶化した炭化ケイ素を主成分とする積層部とを備えて形成されたカーボンナノチューブを含む炭素材料を製造する製造方法。
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JP2018090455A (ja) * | 2016-12-05 | 2018-06-14 | 大阪瓦斯株式会社 | カーボンナノチューブを含む炭素材料を製造する製造方法、および炭素材料 |
CN115400774A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-11-29 | 江西师范大学 | 一种以生物质废料为原料两步法制备SiC/C光催化剂的方法及SiC/C光催化剂 |
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JP2000207953A (ja) * | 1999-01-19 | 2000-07-28 | Nec Corp | ナノケ―ブルとその製造方法 |
JP2008124034A (ja) * | 1995-03-06 | 2008-05-29 | Sony Corp | 非水電解液二次電池用負極材料の製造方法 |
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2011
- 2011-03-31 JP JP2011080977A patent/JP5676345B2/ja active Active
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