JP2019001846A

JP2019001846A - 燃料添加剤および燃料

Info

Publication number: JP2019001846A
Application number: JP2017115286A
Authority: JP
Inventors: 松原　賢政; Yoshimasa Matsubara; 賢政松原
Original assignee: TAISEI KAKEN KK; Taisei Kaken KK
Current assignee: TAISEI KAKEN KK; Taisei Kaken KK
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2019-01-10

Abstract

【課題】従来よりも分散性に優れた炭素系ナノ材料を包含し、燃焼効率をさらに向上させる効果を奏する燃料添加剤および燃料を得る。【解決手段】本発明は、少なくともカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレン、および黒鉛の中から選択される１以上の炭素系ナノ材料を有した流体を含む燃料添加剤であって、前記炭素系ナノ材料を有した流体が、粒子を分散して含むことが可能な媒質である分散媒と、前記分散媒中に均一に分散する複数の前記炭素系ナノ材料とを含んでいるｐＨ値が２．５〜８．０のものであり、前記炭素系ナノ材料の表面の活性点の少なくとも一部にＯＨ基、ＣＯ基およびＣＨＯ基のうちいずれか１つ以上が修飾されていることを特徴とする燃料添加剤、および、前記燃料添加剤を含むことを特徴とする燃料である。【選択図】なし

Description

本発明は、炭素系ナノ材料を含む、燃料添加剤および燃料に関するものである。

近年、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと表現する場合がある。）を始めとする炭素系ナノ材料は、高強度、高導電性、高熱伝導性等の優れた特性を持つことから、多くの分野から注目を集めている。かかる炭素系ナノ材料に関し、単独での利用のみならず、これを他の材料に分散させた複合材料として利用することについても種々提案されている。例えば特許文献１には、炭素繊維構造体を含む燃料油組成物が開示されている。

特開２００７−１１９６９４号公報

上記特許文献１に開示されている燃料油組成物では、炭素繊維構造体が均一に分散分布され、燃焼効率を高めることができ、一定の効果を奏することができるとは思われるが、近年では、自動車のエンジンなどにおいて、燃料であるガソリンの燃焼効率をより一層向上させることが求められている。

そこで、本発明は、従来よりも分散性に優れた炭素系ナノ材料を包含し、燃焼効率をさらに向上させる効果を奏する燃料添加剤および燃料の提供を目的とした。

（１）本発明の燃料添加剤は、少なくともカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレン、および黒鉛の中から選択される１以上の炭素系ナノ材料を有した流体を含むものである。また、前記炭素系ナノ材料を有した流体は、粒子を分散して含むことが可能な媒質である分散媒と、前記分散媒中に均一に分散する複数の前記炭素系ナノ材料とを含んでいる、ｐＨ値が２．５〜８．０のものであるとともに、前記炭素系ナノ材料表面の活性点の少なくとも一部にＯＨ基、ＣＯ基およびＣＨＯ基のうちいずれか１つ以上が修飾されていることを特徴とする。

（２）上記（１）の燃料添加剤においては、前記炭素系ナノ材料の直径が、０．０１ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましい。

（３）上記（１）の燃料添加剤においては、液状炭化水素燃料、液化ガス燃料、または固形燃料に用いるものであることが好ましい。

（４）上記（１）の燃料添加剤においては、前記カーボンナノチューブが、金属、金属酸化物、金属炭化物、金属硫化物、金属窒化物、ホウ酸塩金属、または合金を充填したものであってもよい。

（５）上記（１）の燃料添加剤においては、前記分散媒が、水、または、水と有機溶媒との混合物であってもよい。

（６）上記（５）の燃料添加剤においては、前記有機溶媒が、アルコール、スチレン、酢酸エチル、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、および、アセトンの中から選択される１以上の液体であってもよい。

（７）上記（６）のの燃料添加剤においては、前記アルコールが、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉｓｏ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｉｓｏ−ブタノール、ｔ−ブタノール、ｔ−ペンタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、および、プロピレングリコールモノエチルエーテルの中から選択される１以上の液体であってもよい。

（８）本発明の燃料は、上記（１）〜（７）に記載の燃料添加剤を含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、炭素系ナノ材料を従来よりも十分に分散して包含し、従来よりも燃焼効率が高い燃料添加剤および燃料を提供できる。また、本発明の流体中の炭素系ナノ材料においては、分散安定性が優れており、長期間分散できるという効果を奏する。また、本発明の燃料添加剤および燃料が自動車エンジン用ガソリンに用いられる場合、従来よりもガソリンの燃焼効率を高めることができ、自動車の燃費の向上を図ることができる。なお、本発明の燃料添加剤および燃料は、液状炭化水素燃料、液化ガス燃料、固形燃料などの各種用途に応じて、使用することができる。

続いて、本発明の一実施形態に係る燃料添加剤および燃料について、詳細に説明する。本実施形態の燃料添加剤は、少なくともカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレン、および黒鉛の中から選択される１以上の炭素系ナノ材料を有した流体を含むものであって、本実施形態の燃料は、該燃料添加剤を液状炭化水素燃料、液化ガス燃料、または固形燃料などの燃料中に混合してなるものである。

本実施形態における液状炭化水素燃料としては、例えば、ガソリン、灯油、軽油などが挙げられる。また、本実施形態における液化ガス燃料としては、例えば、メタンなどを主成分とする液化天然ガス（ＬＮＧ）、プロパンなどを主成分とする液化石油ガス（ＬＰＧ）などが挙げられる。なお、液化天然ガスは、シェールガスを主成分とするものであっても良い。また、本実施形態における固形燃料としては、例えば、ろうそくなどが挙げられる。

本実施形態における炭素系ナノ材料は、直径が０．０１ｎｍ〜５００ｎｍ（好ましくは０．０１ｎｍ〜５０ｎｍ）であり、炭素系ナノ材料がＣＮＴの場合は多層グラファイト層を備えたものである。また、ＣＮＴを始めとする各炭素系ナノ材料の製造方法に関しては特に制限されるものではなく、公知の方法で製造できる。例えば、ＣＮＴの場合、炭素含有ガスを触媒と接触させる熱分解法、炭素棒間にてアーク放電を発生させてなるアーク放電法、カーボンターゲットにレーザーを照射するレーザー蒸発法、金属微粒子の存在下で炭素源のガスを高温で反応させるＣＶＤ法、一酸化炭素を高圧下で分解するＨｉＰｃｏ法等のいずれでも良い。また、金属、金属酸化物、金属炭化物、金属硫化物、金属窒化物、ホウ酸塩金属、または合金を充填されてなる炭素系ナノ材料であっても良い。また、上記多層グラファイト層に、窒素、ホウ素、リン、または硫黄原子がドープされていても良い。

本実施形態の燃料は、後述する分散媒および上記炭素系ナノ材料を有したｐＨ２．５〜ｐＨ８．０の流体を燃料に混合したものが好ましい。該流体中の炭素系ナノ材料の割合は、０．０１質量％〜１０質量％程度に調整されていることが好ましい。なお、後述する分散剤については、必要に応じて使用して良い。

上記流体における分散媒としては、炭素系ナノ材料と反応せずに、分散剤を用いた場合でも該分散剤とともに安定した溶媒である。具体的には、水、または、水と水溶性有機溶媒のいずれか一種以上とからなる混合溶媒でも良い。

また、本実施形態における流体中の炭素系ナノ材料の表面の活性点（欠陥）の少なくとも一部には、ＯＨ基、ＣＯ基およびＣＨＯ基のうちいずれか１つ以上が修飾されている。これにより、水素結合を利用することができるので、該炭素系ナノ材料の分散媒中への分散性を高めることができる。特に、水を分散媒として利用した場合、顕著である。

上記水溶性有機溶媒としては、アルコール類（メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノール、セカンダリーブタノール、ターシャリーブタノール、ベンジルアルコールなど）、多価アルコール類（エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ブチレングリコール、ヘキサンジオール、ペンタンジオール、グリセリン、ヘキサントリオール、チオジグリコールなど）、多価アルコールエーテル類（例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、プロピレングリコールモノフェニルエーテルなど）、アミン類（エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、Ｎ−エチルジエタノールアミン、モルホリン、Ｎ−エチルモルホリン、エチレンジアミン、ジエチレンジアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ポリエチレンイミン、ペンタメチルジエチレントリアミン、テトラメチルプロピレンジアミンなど）、アミド類（ホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドなど）、複素環類（２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、シクロヘキシルピロリドン、２−オキサゾリドン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンなど）、スルホキシド類（ジメチルスルホキシドなど）、スルホン類（スルホランなど）、低級ケトン類（アセトン、メチルエチルケトンなど）、その他、テトラヒドロフラン、尿素、アセトニトリルなどを使用することができる。

流体に必要に応じて使用する分散剤としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸アルカリ金属塩等の水溶性樹脂、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のセルロース類が好ましく、さらにカルボキシメチルセルロースが好ましい。これらの水溶性樹脂および／またはセルロース類を採用した場合には、他の分散剤を併用することも可能である。ここで、分散媒に含有される分散剤の濃度は、含有される分散質である炭素系ナノ材料の量によっても異なるが、炭素系ナノ材料が溶媒に充分になじむ程度の濃度であることが必要である。

なお、上記の水溶性樹脂および／またはセルロース類を併用可能なその他分散剤としては、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、両性界面活性剤等の分散性向上作用を有する公知の分散剤を使用できる。

アニオン性界面活性剤としては、芳香族スルホン酸系界面活性剤（ドデシルベンゼンスルホン酸等のアルキルベンゼンスルホン酸塩、ドデシルフェニルエーテルスルホン酸塩等）、モノソープ系アニオン性界面活性剤、エーテルサルフェート系界面活性剤、フォスフェート系界面活性剤、カルボン酸系界面活性剤などである。コール酸、オレイン酸なども好適に使用でき、アニオン性官能基を有する糖類であるアルギン酸、コンドロイチン硫酸、ヒアルロン酸等はそのまま好適に使用でき、シクロデキストリンなどはアニオン性官能基で修飾することによって使用することが可能である。エステル基を有するポリマー、オリゴマーは、エステル部分を加水分解してアニオン性官能基に変換して使用することも可能である。

カチオン性界面活性剤としては、第４級アルキルアンモニウム塩、アルキルピリジニウム塩、アルキルアミン塩等のカチオン性界面活性剤、ポリエチレンイミン、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン、ポリビニルピリジン、ポリアクリルアミド等のカチオン性基を有する化合物である。

ノニオン性界面活性剤としては、エーテル系（ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンドデシルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル等）およびエステル系（ポリオキシエチレンオレエート、ポリオキシエチレンジステアレート、ソルビタンラウレート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタンモノオレエート、ソルビタンセスキオレエート、ポリオキシエチレンモノオレエート、ポリオキシエチレンステアレート等）、ソルビトールおよびグリセリン等の多価アルコール脂肪酸のアルキルエーテルおよびアルキルエステル、アミノアルコール脂肪酸アミド等を使用できる。

両性界面活性剤としてはアルキルベタイン系界面活性剤（ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン、２−アルキル−Ｎ−カルボキシメチル−Ｎ−ヒドロキシエチルイミダゾリニウムベタイン、プロピルジメチルアミノ酢酸ベタイン）、スルホベタイン系界面活性剤、アミンオキサイド系界面活性剤を使用することができる。

また、流体に配合が可能な他の成分としては、各種の水溶性樹脂、水分散性樹脂、タンパク質等の生体内の高分子等、炭素系ナノ材料の用途に応じて必要な成分を配合することが可能である。

（燃料添加剤および燃料の製造方法）
次に、炭素系ナノ材料の一例としてＣＮＴを用いて、本実施形態に係るＣＮＴを有した流体を含む燃料添加剤の製造方法、および、本実施形態に係る燃料の製造方法について説明する。以下、本実施形態に係るＣＮＴを有した流体を含む燃料添加剤の製造工程を示し、詳細に説明する。本実施形態の燃料添加剤の製造工程においては、ＣＮＴを原料とし、最終製品として、ＣＮＴの分散安定性が優れているものを得ることができる。

まず、ＣＮＴ粉末と硫酸とを少量ずつ所定の割合で混合撹拌し、混合液を生成する（工程Ｓ１）。続いて、この混合液に所定の割合で硝酸を混合し撹拌する（工程Ｓ２）。その後、十分に煮沸するまで該混合液を加熱（工程Ｓ３）した後、加熱を止め、冷却する（工程Ｓ４）。続いて、該混合液をｐＨ１２〜１３のアルカリ水溶液で希釈してｐＨ値を調整（工程Ｓ５）した後、さらに大気中において冷却する（工程Ｓ６）。該混合液を十分に冷却した後、該混合液をろ過して、ろ過水を取り出す（工程Ｓ７）。そして、該混合液を水で希釈する（工程Ｓ８）。ここで、工程Ｓ７および工程Ｓ８については、さらに１回以上繰り返しても良い。続いて、遠心分離機を用いて該混合液をろ過（工程Ｓ９）した後、さらに超音波洗浄機を用いてろ過を行う（工程Ｓ１０）。ここで、工程Ｓ９および工程Ｓ１０については、それぞれさらに１回以上繰り返してもいいし、工程Ｓ９または工程Ｓ１０のいずれか一方のみをさらに１回以上繰り返してもよい。続いて、水で希釈して、所定の濃度に調整することで、本実施形態に係るＣＮＴを有した流体を含む燃料添加剤は完成する。その後、燃料に該燃料添加剤を添加した後に撹拌し、該燃料と、該燃料添加剤と、所定量の上述した分散媒とを混合することによって、本実施形態に係る燃料を得る。なお、一変形例として、ＣＮＴ表面への官能基の形成は、水中においてＣＮＴ表面をプラズマ処理することによって得ても良い。また、上記製造方法では、ＣＮＴの調整を行ったが、市販品のＣＮＴを調整せずに、そのまま用いても良い。

また、一変形例として、本実施形態に係るＣＮＴを有した流体を含む燃料添加剤には、必要に応じて、上述した分散媒または／および分散剤を加えて、該燃料添加剤をさらに調整しても良い。また、本実施形態の燃料には、必要に応じて他の成分を添加しても良い。他の成分としては、シリコン、ソルベントナフサ、尿素、飽和炭化水素、飽和炭化水素系化合物、モリブデン化合物、有機モリブデン化合物などが挙げられる。

本実施形態によれば、カーボンナノチューブなどの炭素系ナノ材料を従来よりも十分に分散して包含し、従来よりも燃焼効率が高い燃料添加剤および燃料を提供できる。また、本発明の流体中のカーボンナノチューブなどの炭素系ナノ材料においては、分散安定性が優れており、長期間分散できるという効果を奏する。また、本発明の燃料添加剤および燃料が自動車エンジン用ガソリンに用いられる場合、従来よりもガソリンの燃焼効率を高めることができ、自動車の燃費の向上を図ることができる。なお、本発明の燃料添加剤および燃料は、液状炭化水素燃料、液化ガス燃料、または固形燃料などの各種用途に応じて、使用することができる。

Claims

少なくともカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレン、および黒鉛の中から選択される１以上の炭素系ナノ材料を有した流体を含む燃料添加剤であって、
前記炭素系ナノ材料を有した流体が、粒子を分散して含むことが可能な媒質である分散媒と、前記分散媒中に均一に分散する複数の前記炭素系ナノ材料とを含んでいる、ｐＨ値が２．５〜８．０のものであり、
前記炭素系ナノ材料表面の活性点の少なくとも一部にＯＨ基、ＣＯ基およびＣＨＯ基のうちいずれか１つ以上が修飾されていることを特徴とする燃料添加剤。
前記炭素系ナノ材料の直径が、０．０１ｎｍ〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料添加剤。
前記燃料添加剤が、液状炭化水素燃料、液化ガス燃料、または固形燃料に用いるものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料添加剤。
前記カーボンナノチューブが、金属、金属酸化物、金属炭化物、金属硫化物、金属窒化物、ホウ酸塩金属、または合金を充填したカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブを含む燃料添加剤。
前記分散媒が、水、または、水と有機溶媒との混合物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料添加剤。
前記有機溶媒が、アルコール、スチレン、酢酸エチル、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、および、アセトンの中から選択される１以上の液体であることを特徴とする請求項５に記載の燃料添加剤。
前記アルコールが、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉｓｏ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｉｓｏ−ブタノール、ｔ−ブタノール、ｔ−ペンタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、および、プロピレングリコールモノエチルエーテルの中から選択される１以上の液体であることを特徴とする請求項６に記載の燃料添加剤。
請求項１〜７に記載の燃料添加剤を含むことを特徴とする燃料。