(57)【要約】【課題】カーボンナノ物質の一種であるフラーレンを含有する煤を効率的に製造する方法の提供。【解決手段】大気から遮断されたガス雰囲気の冷却チャンバー容器１の中に複数本の炭素電極２，２・・・を放射線状に挿入し、その各炭素電極２，２・・・に位相を調整した交流電圧を印加することにより炭素電極先端部または側面部にアーク放電を発生させ、その放電を利用して前記炭素電極２，２・・・群を昇華させることにより前記冷却チャンバー容器１内にフラーレンを含有する煤５を得ることが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気から遮断されたガス雰囲気の冷却チャンバー容器の中に複数本の炭素電極を放射線状に挿入し、その各炭素電極に位相を調整した交流電圧を印加することにより炭素電極先端部または側面部にアーク放電を発生させ、その放電を利用して前記炭素電極群を昇華させることにより前記冷却チャンバー容器内にフラーレンを含有する煤を得ることを特徴とするフラーレンの合成方法。
【請求項２】
炭素電極群の本数と、各炭素電極の挿入角度と、各炭素電極に印加する交流電圧の位相との組み合わせにより、前記炭素電極の昇華する先端部または側面部の部位を任意に変更し、生成する煤中のフラーレンの含有率を調整する請求項１記載のフラーレン煤の合成方法。
【請求項３】
炭素電極群の本数、隣接する炭素電極間の位相差を変化させることで、冷却チャンバー容器の上蓋の内面、または炭素電極群より上部の内壁面、または電極群より下部の内壁面、または底内面に付着する煤中のフラーレン含有率を異にする請求項１、又は請求項２記載のフラーレン煤の合成法。
【請求項４】
放電に伴う炭素電極の消耗に対応して電極間隙を一定に保ちながら電流を供給できるように摺動部を有している請求項１、請求項２、又は請求項３記載のフラーレン煤の合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、カーボンナノ物質の一種であるフラーレンを含有する煤を効率的かつ選択的に得る技術として、多相交流アーク放電によって炭素電極を効率的に昇華させるフラーレン煤の合成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フラーレン煤を合成する場合、主にアーク放電法や燃焼法、レーザーアブレーション法、抵抗加熱法、あるいは有機合成法等によって合成する方法がある。レーザーアブレーション法、抵抗加熱法、および有機合成法は、合成される煤の量が少なく、一方、アーク放電法および燃焼法は、合成装置の大型化が容易であることから、フラーレンの大量生成に適していると考えられる。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１０９３０９
【特許文献２】特開２００３−１６０３１７
【特許文献３】特開平５−１１６９２５
【特許文献４】特開平８−０４８５１０
【特許文献５】特開２００３−２０６１１５
【特許文献６】特開２００５−３４３７８４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
日本では２００２年ごろから上述の特許文献１また２に示すような燃焼法によってトン／年単位のフラーレンの工業的製造が行われている。しかしながら、この燃焼法では、得られる煤の量は、投入したベンゼンの数％であり、さらにフラーレンはその１０％程度に留まるので、燃料原料に対するフラーレン収率が低いこと、および製造の過程で大量の有機化合物が発生することが問題となりえる。
【０００５】
一方、アーク放電法では、上述の特許文献３〜５に示されるように装置の構造が簡単で、比較的容易にフラーレン煤を得ることが可能となるが、炭素原料の供給が炭素電極の昇華に依存しているため、合成効率を上げるためには、煤内のフラーレン含有量（フラーレン収率）を増やす必要がある。しかしながら、特許文献３、４の例のように、直流アーク放電を利用する場合、放電の経過とともに陰極への堆積物が生成して放電継続に支障が発生する。このため、特許文献５では３相交流によるアーク放電を利用しているが、交流の性質上、アーク電流が一秒間に５０回から６０回途切れることから、直流アークに比べて炭素の昇華効率が低下する。そこで、特許文献６では、最大１２相の交流電流を発生させて、２相や３相に比べて安定的な交流アーク放電を実現している。しかしながら、実際にフラーレン煤の合成までには至っていないという課題がある。
【０００６】
また、フラーレン煤に含まれるフラーレン以外の残留物についても、有用性が期待されており、フラーレンの含有率を変化させることにより多様な機能性を有するフラーレン煤を得ることが望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、カーボンナノ物質の一種であるフラーレンを含有する煤を効率的かつ簡易に製造する手法として、煤中のフラーレン収率を選択的に調整可能かつ高収率を実現する交流アークプラズマ法によるフラーレンの合成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題解決のため、請求項１による発明のフラーレン煤の合成方法は、大気から遮断されたガス雰囲気の冷却チャンバー容器の中に複数本の炭素電極を挿入し、その各電極に位相を調整した交流電圧を印加することによりその電極先端部または側面部にアーク放電を発生させ、その放電を利用して前記炭素電極群を昇華させることにより前記容器内にフラーレンを含有する煤を得ること、を特徴とするものである。
【０００９】
したがって、複数の炭素電極の先端部または側面部がアーク放電によって昇華することによって、その容器内に効率的にフラーレン煤を得る。
【００１０】
請求項２による発明のフラーレン煤の合成方法は、請求項１記載の炭素電極群の本数と、その各電極の挿入角度と、その各電極に印加する交流電圧の位相と、の組み合わせにより前記炭素電極の昇華する先端部または側面部の部位を任意に変更し、生成する煤中のフラーレンの含有率を調整できること、を特徴とするものである。
【００１１】
したがって、使用する炭素電極群の本数と、その各電極の挿入角度と、その各電極に印加する交流電圧の位相と、の組み合わせを任意に変更して、目的のフラーレン含有量を有するフラーレン煤を得る。
【００１２】
請求項３による発明のフラーレン煤の合成方法は、請求項１記載の冷却チャンバー容器および炭素電極群について、その容器の上蓋の内面、または電極群より上部の側面の内面、または電極群より下部の側面の内面、または底面の内面に付着する煤中のフラーレン含有率が異なること、を特徴とするものである。
【００１３】
したがって、容器の中に付着したフラーレン煤の採取する部分を変えることにより、目的のフラーレン含有率を有するフラーレン煤を得る。
【００１４】
請求項４による発明のフラーレン煤の合成方法は、請求項１記載の炭素電極群について、放電に伴う炭素電極の消耗に対応して電極間隙を一定に保ちながら電流を供給できるように摺動部を有していることを、特徴とするものである。
【００１５】
したがって、炭素電極の消耗に追従して電極間隙を一定に保つことによって安定したアーク放電が継続できるので、効率的にフラーレン煤を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、請求項１による発明のフラーレン煤の合成方法は、大気から遮断されたガス雰囲気の冷却チャンバー容器の中に複数本の炭素電極を挿入し、その各電極に位相を調整した交流電圧を印加することによりその電極先端部または側面部にアーク放電を発生させ、その放電を利用して前記炭素電極群を昇華させることにより前記容器内にフラーレンを含有する煤を得ることができる。
【００１７】
請求項２による発明のフラーレン煤の合成方法は、請求項１記載の炭素電極群の本数と、その各電極の挿入角度と、その各電極に印加する交流電圧の位相と、の組み合わせにより前記炭素電極の昇華する先端部または側面部の部位を任意に変更し、生成する煤中のフラーレンの含有率を調整できる。
【００１８】
請求項３による発明のフラーレン煤の合成方法は、請求項１記載の冷却チャンバー容器および炭素電極群について、その容器の上蓋の内面、または電極群より上部の側面の内面、または電極群より下部の側面の内面、または底面の内面に付着する煤中のフラーレン含有率が異なることにより、目的のフラーレン含有量を有    するフラーレン煤を得ることができる。
【００１９】
請求項４による発明のフラーレン煤の合成方法は、請求項１記載の炭素電極群について、電極間隙を一定に保ちながら電流を供給できる摺動部を有していることにより、炭素電極の消耗分に追従させて電極を送り出すことによって、安定したアーク放電を継続的に実現し、効率的にフラーレン煤を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のフラーレン煤の合成方法を示す説明図である。
【図２】炭素電極の配置と交流電源の接続の例として、１２本の炭素電極と１２相の交流電源の場合を示す説明図である。
【図３】炭素電極の配置と交流電源の接続の例として、６本の炭素電極と６相の交流電源の場合を示す説明図である。
【図４】炭素電極の配置と交流電源の接続の例として、４本の炭素電極と４相の交流電源の場合を示す説明図である。
【図５】炭素電極の配置と交流電源の接続の例として、３本の炭素電極と３相の交流電源の場合を示す説明図である。
【図６】炭素電極の挿入角度の変更組み合わせの例として、３０°と６０°の挿入角度を交互に組み合わせた場合を示す説明図である。
【図７】炭素電極の挿入角度の変更組み合わせの例として、３０°と９０°の挿入角度を交互に組み合わせた場合を示す説明図である。
【図８】炭素電極の挿入角度の変更組み合わせの例として、３０°の挿入角度を４箇所、１２０°の挿入角度を２箇所有する組み合せの場合を示す説明図である。
【図９】各炭素電極間に印加する交流位相の組み合わせにより、炭素電極の消耗部位を変化させる例として、１２本の炭素電極の場合における隣接電極間の位相差を３０°とした場合を示す説明図である。
【図１０】各炭素電極間に印加する交流位相の組み合わせにより、炭素電極の消耗部位を変化させる例として、１２本の炭素電極の場合における隣接電極間の位相差を１５０°とした場合を示す説明図である。
【図１１】各炭素電極間に印加する交流位相の組み合わせにより、炭素電極の消耗部位を変化させる例として、６本の炭素電極の場合における隣接電極間の位相差を６０°とした場合を示す説明図である。
【図１２】各炭素電極間に印加する交流位相の組み合わせにより、炭素電極の消耗部位を変化させる例として、６本の炭素電極の場合における隣接電極間の位相差を１２０°または１８０°とした場合を示す説明図である。
【図１３】本発明にかかるフラーレン煤の合成法を実施するための装置の例を示す図である。
【図１４】冷却チャンバー容器内部の炭素電極の設置状況を説明する図である。
【図１５】冷却チャンバー容器の上蓋内面において、フラーレン煤が付着する前の状況を示す図である。
【図１６】冷却チャンバー容器の内壁面および底において、フラーレン煤が付着する前の状況を示す図である。
【図１７】冷却チャンバー容器の上蓋内面において、フラーレン煤が付着した後の状況を示す図である。
【図１８】冷却チャンバー容器の内壁面および底において、フラーレン煤が付着した後の状況を示す図である。
【図１９】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、炭素電極本数が１２本の場合のアーク放電状況の例を示す図である。
【図２０】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、炭素電極本数が６本の場合のアーク放電状況の例を示す図である。
【図２１】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、炭素電極本数が３本の場合のアーク放電状況の例を示す図である。
【図２２】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、炭素電極本数が２本の場合のアーク放電状況の例を示す図である。
【図２３】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、６本の炭素電極に対して均等な位相差（６０°）の交流電源を印加した場合の炭素電極の消耗状況および冷却チャンバー容器内部の各部位から得られるフラーレン収率を示す図である。
【図２４】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、６本の炭素電極に対して隣接炭素電極間の交流電源の位相差の組み合わせを６０°と１８０°にした場合の炭素電極の消耗状況および冷却チャンバー容器内部の各部位から得られるフラーレン収率を示す図である。
【図２５】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、６本の炭素電極の挿入角度の組み合わせを３０°と９０°にして、隣接炭素電極間の交流電源の位相差の組み合わせを６０°と１８０°にした場合の炭素電極の消耗状況および冷却チャンバー容器内部の各部位から得られるフラーレン収率を示す図である。
【図２６】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、６本の炭素電極に対して隣接炭素電極間の交流電源の位相差の組み合わせを１２０°と１８０°にした場合の炭素電極の消耗状況および冷却チャンバー容器内部の各部位から得られるフラーレン収率を示す図である。
【図２７】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、１２本の炭素電極に対して均等な位相差（３０°）の交流電源を印加した場合の炭素電極の消耗状況および冷却チャンバー容器内部の各部位から得られるフラーレン収率を示す図である。
【図２８】本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、１２本の炭素電極に対して隣接炭素電極間の交流電源の位相差を１５０°にした場合の炭素電極の消耗状況および冷却チャンバー容器内部の各部位から得られるフラーレン収率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るフラーレン煤の合成方法を実際に実現するために、大気から遮断されたガス雰囲気の冷却チャンバー容器１の中に複数本の炭素電極２，２・・・を挿入し、その各炭素電極２，２・・・に位相を調整した交流電源３から電圧を印加する状態を示したものである。冷却チャンバー容器１は上蓋６を取付けて密封され、内部の気体は真空ポンプ１２によって排出し、ガス１１（例えば、Ｈｅガス）によって置換および適当な圧力に保たれている。
【００２２】
冷却チャンバー容器１は、冷却水により内部壁面を水温と同程度に冷却し、該冷却チャンバー容器１内部および炭素電極２，２・・・群が過度に加熱されることを防止している。そして、冷却チャンバー容器１に取付けた上蓋６の中央には内部を見ることが出来るように確認窓１０を設けている。
【００２３】
本方法では、従来の電極数が２本で実現する直流アークや単相交流の場合に比べてアークの放電経路が増えるので、電極の先端部の広い領域で安定したアーク放電プラズマ領域４を生成することが可能であり、その効果によって電極群の先端部または側面部が均一に昇華し、フラーレンを含有する煤５に合成されて容器の上蓋６の内面、および電極群より上部内壁面７、および電極群より下部内壁面８、および底９に付着する。
【００２４】
図２、図３、図４、および図５は、炭素電極２，２・・・の配置状況を示したものである。炭素電極２，２・・・は、冷却チャンバー容器１に対して放射線状に挿入されている。
【００２５】
ここで、図２は１２本の炭素電極２，２・・・を使用する場合、図３は６本の炭素電極２，２・・・を使用する場合、図４は４本の炭素電極２，２・・・を使用する場合、図５は３本の炭素電極２，２・・を使用する場合の例をそれぞれ示している。炭素電極２，２・・・の本数により、これらのアーク放電によって生成する煤５に含まれるフラーレンの収率が変更できるので、目的の収率に応じた本数を選択する。
【００２６】
また、放電に伴う炭素電極２の消耗に対応して電極間隙を一定に保ちながら電流を供給できる摺動部１３を有し、各炭素電極２，２・・・間において均一な放電が発生するように考慮されている。また、炭素電極２，２・・・の放電部がすべて消耗した場合、その部分のみを交換できる構造とすることにより、炭素電極２，２・・・の無駄を排除している。
【００２７】
図６、図７、および図８には、炭素電極２の各電極の挿入角度を変更した場合の例が示されている。ここで、図６は８本の炭素電極２，２・・・を使用して６０°および３０°の挿入角度を組み合わせた場合、図７は６本の炭素電極２，２・・・を使用して９０°および３０°の挿入角度を組み合わせた場合、図８は６本の炭素電極２，２・・・を使用して３０°と１２０°の挿入角度を組み合わせた場合を示している。炭素電極２，２・・・の挿入角度の変更によっても、これらのアーク放電によって生成する煤５に含まれるフラーレンの収率が変更できるので、目的の収率に応じた挿入角度の組み合わせを選択することが出来る。
【００２８】
図９、図１０、図１１、および図１２には、炭素電極２，２・・・に印加する交流電源３の位相差を変更することにより、電極先端部１４の消耗部位を変化させる方法が示されている。
【００２９】
各電極間の位相差は、３６０°を電極本数で割った数値を均等値とし、たとえば図９に示す１２本電極の場合、その位相差は３０°である。この場合、対向する電極との位相差は１８０°であり、印加電圧によるアーク電流のピーク値は、対向電極同士で最大となり、隣接電極同士では最小になる。このとき、炭素電極２，２・・・は、電極先端部１４，１４・・・の先頭部がほとんど消耗する。
【００３０】
一方、同じ１２本の電極において、隣接電極間の位相差を１５０°とすると、対向電極間は１８０°を保持しながら、隣接電極間の放電電流も大きくできる。この結果、電極先端部１４は、先頭部に加えて側面部でもアーク電流が流れやすくなり、図１０に示すようにくさび型に消耗する。
【００３１】
また、図１１および図１２は、６本の炭素電極２，２・・・の場合を示している。まず、図１１の隣接電極間の電圧位相差は均等値で６０°であり、対向電極間では１８０°となので、位相差の大きい対向電極間でのアーク電流が支配的になる。したがって、電極先端部１４，１４・・・はほとんど先頭部が消耗する。
【００３２】
一方、図１２は、隣接電極間の位相差を１２０°または１８０°にした場合を示している。まず１２０°の場合には、対向電極間の電圧位相差は０°（同相）となるので、隣接電極間を含む残りの電極間においてアーク電流が流れる。また１８０°の場合には、隣接電極間と対向電極間においてアーク電流が流れる。このため、いずれの場合にも電極先端部１４，１４・・・は側面部の消耗が顕著になってくさび型に消耗する。
【００３３】
その他、隣接電極間の位相差の例としては１２０°や９０°、あるいは各隣接電極間ごとに１２０°、６０°、１２０°、６０°、１２０°、６０°のように異なる組み合わせも可能である。
【００３４】
なお、位相差の大きい電極間はより大きなアーク電流が流れるので、その部分の電極の消耗は多くなる。したがって、隣接電極間の電圧位相差を均等値から変更する場合は、炭素電極２，２・・・群の本数、合わせて位相の周回性または対照性を保持することにより、各炭素電極２，２・・・に流れるアーク電流が平準化されるので、各炭素電極２，２・・・の消耗度のバラツキを抑制することが可能となる。
【００３５】
以上、図２から図１２に示してきたように、炭素電極２，２・・・の使用本数、その挿入角度、および各炭素電極２，２・・・に印加する交流電源３の位相差の組み合わせにより、生成する煤中のフラーレンの収率を変化させることができる。
【００３６】
また、冷却チャンバー容器１の内部の上蓋６、上部内壁面７、下部内壁面８、底９の各部位においても、煤中のフラーレン収率は変化するので、その収率の多様性を容易に得ることが可能である。
【００３７】
図１３および図１４は、本発明によるフラーレン煤の合成法を実施するための装置の例を示している。ここで、図１３は、ステンレス製の冷却チャンバー容器１（直径４０ｃｍ、高さ２００ｃｍ）を中心にした装置の外観を示している。図１４は、その冷却チャンバー容器１の内部に挿入された炭素電極２，２・・・群の先端部（富士電波工業株式会社製、直径６ｍｍ×長さ１００ｍｍ）が１２本配置されている状況を示している。
【００３８】
各炭素電極２，２・・・の先端部は、根元の炭素棒（富士電波工業株式会社製、直径１２ｍｍ×長さ５００ｍｍ）とねじ構造（Ｍ８）を介して接続されており、交換が可能である。
【００３９】
各炭素電極２，２・・・には、定電流調整機能を有する交流電源３（株式会社ダイヘン製、型式Ｂｚ−２５０Ｊ−４）から交流電流（１５０Ａ、５〜７０Ｖ）が供給される。なお、各交流電源間の位相差は３０°であり、それらの選択および組み合わせにより、各炭素電極２，２・・・間の位相を変更する機能を得ている。
【００４０】
図１５、図１６、図１７、および図１８は、本発明により冷却チャンバー容器１内に付着する煤５の状況を示している。ここで、図１５および図１６は煤５が付着する前の冷却チャンバー容器１の上蓋６の内面（上蓋内面）、上部内壁面７、および下部内壁面８と底９の内面（底内面）の状況、図１７および図１８は煤５が付着した後の冷却チャンバー容器１の上蓋内面、上部内壁面７および底内面の状況を示している。なお、この装置で合成される煤５は、冷却チャンバー容器１内部の炭素電極２，２・・・より上部内壁面７および上蓋内面６において顕著に付着する傾向がある。
【００４１】
図１９、図２０、図２１は、本発明にかかる煤５の合成時における炭素電極２，２・・・の本数がそれぞれ１２本、６本、および３本の場合におけるアーク放電の状況の例を示している。一方、図２２は、従来の２本の炭素電極２，２によるアーク放電の状況の例を示している。このように、炭素電極２，２・・・の本数を増加させることにより、アーク放電の領域を大きく広げることが可能である。また、放電の先端部には、直流アーク放電の場合のような堆積物等が発生していないことから、長時間の連続運転が可能である。
【００４２】
図２３から図２８は、本発明にかかるフラーレン煤の合成法において、炭素電極２，２・・・の本数、挿入角度、および交流電源３の位相を変化させた場合に冷却チャンバー容器１内部の各部位から得られるフラーレン収率を示した結果である。ここで、冷却チャンバー容器１内部に充填するヘリウムガス（Ｈｅ）の圧力は２００Ｔｏｒｒ、電極電流密度は４Ａ／ｍｍ２として、いずれも同一条件で合成実験を実施しているが、これらの値を変更することによってもフラーレン収率は変化する。なお、フラーレン収率は、本合成法により得られた煤５の重量に対して、その煤５をトルエンに溶解してフラーレンとして抽出した抽出物の重量割合である。
【００４３】
図２３、図２４、図２５、および図２６は、６本の炭素電極２，２・・・について位相および挿入角度を変更した場合の例であり、図２７および図２８は、１２本の炭素電極２，２・・・について位相および挿入角度を変更した場合の例を示している。各炭素電極２，２・・・の位相差については図中の写真に示し、そのときのフラーレン収率については、冷却チャンバー容器１の各部分（上蓋内面、上部内壁面、下部内壁面及び底（底内面）、電極周辺）に区分して示している。ただし、電極周辺から採取された煤５については、その中にフラーレンが含まれることは検知することが出来なかった。
【００４４】
これらの結果、フラーレン収率としては、最小値０．０３％から最大値３３．３２％まで、幅広く得られている。特に、図２５の上部内壁面で得られた最大値の３３．３２％は、この部分で採取される煤５に含まれるフラーレンが約３分の１の高濃度に達していることを示しており、特に本合成法の優位性を示すものである。
【００４５】
また、図２７および図２８を比較すると同じ１２本の炭素電極２，２・・・でありながら、そのフラーレン収率には、大きな差異が得られている。これは、隣接する炭素電極２，２・・・間の位相差が図２７の３０°から図２８の１５０°に大きくされたことによって隣接炭素電極２，２間でのアーク放電の電流が増大し、炭素電極先端分の側面がくさび型に消耗が促進されたことと、それによって対向する炭素電極２，２間の間隙が狭くなり、その対向炭素電極２，２間でも炭素の昇華が促進されたことによるものであり、ここでも本合成法の優位性が示されている。
【符号の説明】
【００４６】
１    冷却チャンバー容器
２    炭素電極
３    交流電源
４    アーク放電プラズマ領域
５    煤
６    上蓋
７    上部内壁面
８    下部内壁面
９    底
１０    確認窓
１１    ガス
１２    真空ポンプ
１３    摺動部
１４    電極先端部
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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