(57)【要約】【課題】本発明は、物理的な衝突を利用したナノ材料の製造方法に関し、特に、大量製造および製造コストの低減に有利なカーボンナノ材料の製造方法を提供するものである。【解決手段】本発明のナノ材料の製造方法は、複数個の硬質物質同士の物理的な衝突によって生じる局所的な高温場を利用して、カーボンナノ材料を製造するものである。組成式に炭素を含む物質をカーボンナノ材料の原料として用い、前記高温場においてカーボンナノ材料を合成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の硬質物質同士の物理的な衝突によってナノ材料を製造する方法において、
前記ナノ材料の原料として組成式に炭素を含む物質を用い、
前記衝突によって生じる局所的な高温場においてカーボンナノ材料を合成することを特徴とするナノ材料の製造方法。
【請求項２】
前記組成式に炭素を含む物質がエタノールであることを特徴とする請求項１に記載のナノ材料の製造方法。
【請求項３】
前記複数個の硬質物質が球状の鉄鋼材であることを特徴とする請求項１〜２いずれか１項に記載のナノ材料の製造方法。
【請求項４】
遊星ミルを用いて前記複数個の硬質物質を物理的に衝突させることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のナノ材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノ材料の製造方法に関し、特に、大量製造および製造コストの低減に有利なカーボンナノ材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ材料はバルク材料とは異なる物理的・化学的性質を有することが知られており、種々の産業分野で大きな注目を集めている。例えば、代表的なナノ材料であるカーボンナノチューブ、フラーレンおよびカーボンナノオニオン等のカーボンナノ材料は、ナノメートルサイズの機能性材料および各種マトリックスに対する強化材としての利用が嘱望され、盛んに研究開発が進められている。
【０００３】
カーボンナノ材料は主としてレーザーアブレーション法（例えば、特許文献１）やＣＶＤ法（例えば、特許文献２）等によって製造されているが、該方法で製造できるカーボンナノ材料の形状は限定される。これに対し、発明者らは、鉄鋼製のボールを高速で衝突させることで、種々の形状を有するカーボンナノ材料を製造する方法を提案している（非特許文献１）。鉄鋼製のボールの衝突により局所的な高温場が発生し、該高温場において鉄鋼製のボールに含まれる炭素からカーボンナノ材料が合成される。
【０００４】
発明者らの提案方法によれば、一般的に知られているカーボンナノチューブやカーボンナノオニオンのみならず、カーボンナノリングを製造することも可能である。しかしながら、該方法では鉄鋼製のボールに含まれている炭素をカーボンナノ材料の原料として用いるため、得られるカーボンナノ材料の量は鉄鋼製のボールに含まれる炭素量によって制限されてしまう。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１８０７０７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８０２５１号公報
【非特許文献１】Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｕｎｉｑｕｅ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｓｐｉｒｅｄ  ｂｙ  ｔｈｅ  Ａｌｌｅｎｄｅ  Ｍｅｔｅｏｒｉｔｅ，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１５０  （２０１０）１９８−２００．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
鉄鋼材に含まれている炭素量は多くても数重量パーセント程度であり、鉄鋼製のボールに含まれる炭素を原料として、カーボンナノ材料を大量合成することは困難である。一方、レーザーアブレーション方やＣＶＤ方等の従来の製造方法では、得られるカーボンナノ材料の種類が限定されてしまう。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、物理的な衝突を利用したナノ材料の製造方法に関し、特に、大量製造および製造コストの低減に有利なカーボンナノ材料の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のナノ材料の製造方法は、複数個の硬質物質同士の物理的な衝突によって生じる局所的な高温場を利用して、カーボンナノ材料を製造するものである。組成式に炭素を含む物質をカーボンナノ材料の原料として用い、前記高温場においてカーボンナノ材料を合成する。
【０００９】
組成式に炭素を含む物質は特に限定されず、種々のアルコールおよび高分子等を用いることができるが、エタノールを用いることが好ましい。また、物理的に衝突させる硬質物質についても特に限定されず、種々の金属製およびセラミックス製の物質等を用いることができるが、球状の鉄鋼材を用いることが好ましい。
【００１０】
複数個の硬質物質同士を物理的に衝突させる方法としては、遊星ミルを用いることができる。複数個の硬質物質同士の物理的な衝突による局所的な高温場を形成させるためには、該硬質物質に大きな遠心力を与えることが好ましく、強力な遊星ミルを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のナノ材料の製造方法によれば、種々のカーボンナノ材料を簡便に製造することができる。特に、用いる原料の量によってカーボンナノ材料の合成量を制御でき、カーボンナノ材料の大量製造および製造コストの大幅な低減が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はナノ材料の製造方法の概念図を示したものである。硬質物質１０を相対的に運動させ、硬質物質１０同士を物理的に衝突させる。該衝突によって瞬間的に生じる局所的な発熱等の効果により、特異なナノ反応場が形成される。該ナノ反応場において、組成式に炭素を含む物質１２が分解・反応することで、カーボンナノ材料１４が合成される。
【００１３】
組成式に炭素を含む物質１２としては、各種アルコール等の液体のみならず、各種高分子等の固体を用いることもできる。組成式に炭素を含む物質１２として用いることができる液体としては、メタノール、エタノール、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等を例示できるが、エタノールを用いることが好ましい。また、組成式に炭素を含む物質１２として用いることができる固体としては、ポリイミド、高分子金属錯体、Ａｇ２Ｃ２（炭化銀）等を例示できるが、ポリイミドを用いることが好ましい。
【００１４】
硬質物質１０は、硬質物質１０同士の衝突によって局所的な高温場（ナノ反応場）を形成し得るものであればよく、その材質および形状は限定されないが、球状の鉄鋼材を用いることが好ましい。鉄鋼材に含まれるＦｅは、カーボンナノ材料を合成する際の触媒としても効果的である。鉄鋼材としては、炭素鋼、ステンレス鋼、軸受鋼、工具鋼等を例示することができる。また、鉄鋼材以外では、各種セラミックスや超硬合金等を用いることができる。
【００１５】
カーボンナノ材料１４は、組成式に炭素を含む物質１２の炭素から合成される。但し、硬質物質１０が炭素を含有する場合は、該炭素もカーボンナノ材料１４の原料として使用される場合がある。また、雰囲気中に炭素が存在する場合は、該炭素もカーボンナノ材料１４の原料として使用される場合がある。カーボンナノ材料１４としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオン、カーボンナノホーン、カーボンナノリング、ナノグラファイト等を例示することができる。
【００１６】
硬質物質１０を相対的に運動させる方法は特に限定されないが、遊星ミルを用いるのが好ましい。図２に遊星ミルの基本的構成を示す。一般的に、遊星ミルは公転するミル本体２０と、ミル本体２０中においてミル本体２０と同方向および逆方向に自転するミルポット２２で構成されている。自転するミルポット２２の中に、複数個の硬質物質１０を入れ、公転・自転時に発生する遠心力で硬質物質１０を運動させ、硬質物質１０同士を物理的に衝突させる。
【００１７】
遊星ミルを用いた材料調製法として、メカニカルミリング（ＭＭ）やメカニカルアロイング（ＭＡ）が広く用いられている。ＭＭは材料を粉砕して微細化する手法、ＭＡは複数の材料を合金化する手法である。該手法においても鉄球を高速運動させて材料調整を行う場合があるが、鉄球は粉砕媒体および材料に運動エネルギを供給する媒体としてのみ用いられている。本発明のナノ材料の製造方法においては、硬質物質１０同士の物理的な衝突によって瞬間的に形成される高温場をカーボンナノ材料の合成に利用するものであり、本発明と遊星ミルを用いた従来技術とは、全く技術思想の異なるものである。
【実施例】
【００１８】
以下に本発明の実施例及び比較例を図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
比較例１
バッチ式の高速遊星ミル（栗本鐵工所製、商品名「ハイジー」）を用いて、カーボンナノ材料を製造した。２．８Ｌのミルポットに直径４ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ）製ボールを５５０ｃｍ３挿入し、１５０Ｇの遠心力で３時間のプロセスを施した。なお、本比較例においては、カーボンナノ材料の原料である組成式に炭素を含む物質を添加していない。
【００１９】
プロセス後、生成物をエタノール中で超音波洗浄して回収した。該生成物に混入している鉄等の不純物を磁石により分離した後、生成したカーボンナノ材料の重量を計測したところ、得られたカーボンナノ材料は１ｍｇ以下であった。該カーボンナノ材料は、ステンレス製ボールに含まれる炭素を原料として合成されたものと思われる。
【００２０】
実施例１
バッチ式の高速遊星ミル（栗本鐵工所製、商品名「ハイジー」）を用いて、カーボンナノ材料を製造した。２．８Ｌのミルポットに６ｃｍ３のエタノールおよび直径４ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ）製ボールを５５０ｃｍ３挿入し、１５０Ｇの遠心力で３時間のプロセスを施した。
【００２１】
プロセス後、生成物をエタノール中で超音波洗浄して回収した。該生成物に混入している鉄等の不純物を磁石により分離した後、生成したカーボンナノ材料の重量を計測したところ、得られたカーボンナノ材料は４２ｍｇであった。
【００２２】
実施例２
バッチ式の高速遊星ミル（栗本鐵工所製、商品名「ハイジー」）を用いて、カーボンナノ材料を製造した。２．８Ｌのミルポットに６５ｃｍ３のエタノールおよび直径４ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ）製ボールを５５０ｃｍ３挿入し、１５０Ｇの遠心力で３時間のプロセスを施した。
【００２３】
プロセス後、生成物をエタノール中で超音波洗浄して回収した。該生成物に混入している鉄等の不純物を磁石により分離した後、生成したカーボンナノ材料の重量を計測したところ、得られたカーボンナノ材料は７０ｍｇであった。
【００２４】
実施例２で得られたナノグラファイト、カーボンナノオニオン、カーボンナノチューブおよびカーボンナノリングの透過電子顕微鏡写真を図３、図４、図５および図６にそれぞれ示す。また、該カーボンナノリングのＡＦＭ写真を図７に示す。本発明のナノ材料の製造方法によって、種々のカーボンナノ材料が得られることが分かる。
【００２５】
実施例３
バッチ式の高速遊星ミル（栗本鐵工所製、商品名「ハイジー」）を用いて、カーボンナノ材料を製造した。２．８Ｌのミルポットに２．５ｍｇのポリイミドフィルムおよび直径４ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ）製ボールを５５０ｃｍ３挿入し、１５０Ｇの遠心力で３時間のプロセスを施した。
【００２６】
プロセス後、生成物をエタノール中で超音波洗浄して回収した。該生成物に混入している鉄等の不純物を磁石により分離した後、生成したカーボンナノ材料の重量を計測したところ、得られたカーボンナノ材料は５０ｍｇであった。
【００２７】
実施例３で得られたナノグラファイト、カーボンナノオニオン、カーボンナノチューブおよびカーボンナノリングの透過電子顕微鏡写真を図８、図９、図１０および図１１にそれぞれ示す。また、該カーボンナノリングのＡＦＭ写真を図１２に示す。本発明のナノ材料の製造方法によって、種々のカーボンナノ材料が得られることが分かる。
【００２８】
比較例１および実施例１〜３の結果から、組成式に炭素を含む物質を添加することで、カーボンナノ材料の生成量が大幅に増加することが分かる。また、カーボンナノ材料の生成量は、添加する組成式に炭素を含む物質の量に伴って増加することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のナノ材料の製造方法の概念図である。
【図２】遊星ミルの基本的構成である。
【図３】実施例２で得られたナノグラファイトの透過電子顕微鏡写真である。
【図４】実施例２で得られたカーボンナノオニオンの透過電子顕微鏡写真である。
【図５】実施例２で得られたカーボンナノチューブの透過電子顕微鏡写真である。
【図６】実施例２で得られたカーボンナノリングの透過電子顕微鏡写真である。
【図７】実施例２で得られたカーボンナノリングのＡＦＭ写真である。
【図８】実施例３で得られたナノグラファイトの透過電子顕微鏡写真である。
【図９】実施例３で得られたカーボンナノオニオンの透過電子顕微鏡写真である。
【図１０】実施例３で得られたカーボンナノチューブの透過電子顕微鏡写真である。
【図１１】実施例３で得られたカーボンナノリングの透過電子顕微鏡写真である。
【図１２】実施例３で得られたカーボンナノリングのＡＦＭ写真である。
【符号の説明】
【００３０】
１０…硬質物質
１２…組成式に炭素を含む物質
１４…カーボンナノ材料
２０…ミル本体
２２…ミルポット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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