(57)【要約】【課題】人造ダイヤモンドやフラ−レンを含有する炭素誘導体を衝撃音が小さく、かつ、高周率で製造する。【解決手段】開放系耐圧容器２内に収容された水中内８で、高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬５を水中爆発させて発生する高温・高圧で高性能爆薬を構成する炭素原子または微粉炭素の分子結合構造の相変換を行って人造ダイヤモンド、フラ−レン等の炭素誘導体を含有する材料を製造する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開放系耐圧容器内に収容された水中内で、高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬を水中爆発させて発生する高温・高圧で高性能爆薬を構成する炭素原子または微粉炭素の分子結合構造の相変換を行って人造ダイヤモンド、フラ−レン等の炭素誘導体を含有する材料を製造する方法。
【請求項２】
高性能爆薬が、トリニトロトルエン、ピクリン酸、およびトリニトロメチレントリアミンより選ばれたものであることを特徴とする、請求項１に記載の炭素誘導体含有材料の製造方法。
【請求項３】
微粉炭素が、黒鉛、ファ−ネスブラック、アセチレンブラック、および活性炭より選ばれた粒径０．６μｍ以下の微粉であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素誘導体含有材料の製造方法。
【請求項４】
下部が有底の円柱状爆発水槽部と上部が上方が開放され、下方より上方に向かって拡径する円錐台形よりなる飛沫回収塔よりなる漏斗状の開放系耐圧容器、該開放系耐圧容器の円柱状爆発水槽内に水を供給する給水手段、前記開放系耐圧容器の円柱状爆発水槽の底部に設けられた水および炭素誘導体含有材料を容器外へ放出する取出口、高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬を水中に固定する手段、高性能爆薬起爆手段、前記飛沫回収槽の下部に設けられ円柱状爆発水槽に貯蔵された水面より上方に設けられたスプレ−ノズル、このスプレ−ノズルよりも上方の飛沫回収塔の内壁に多段に設けられた衝撃波吸収コ−ンと多段に設けられた遮蔽板、とを具備する炭素誘導体含有材料製造装置。
【請求項５】
円柱状爆発水槽部の底部は、略半球状であり、高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬は、ほぼこの半球の中心点の位置に固定されることを特徴とする、請求項４に記載の炭素誘導体含有材料製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負または０（ゼロ）の酸素バランスである高性能爆薬または該高性能爆薬に炭素微粉末を均一または不均一に分散させた爆発混合物を水中で爆発させて発生する高温・高圧で高性能爆薬を構成する炭素原子または微粉炭素の分子結合構造の相変換を行って人造ダイヤモンド、フラ−レンまたはカ−ボンナノチュ−ブ等の炭素誘導体を含有する材料を製造する方法およびその製造に用いる製造装置に関する。該炭素誘導体を薬品処理、篩かけ等の処理をして回収された人造ダイヤモンド、フラ−レンまたはカ−ボンナノチュ−ブは、研磨剤、電子エミッタ−、医療ピンセット、バイオチップ素材などとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
人造ダイヤモンド粒子を製造する方法としては、銅または鉄等の触媒微粉を添加した黒鉛、活性炭などの微分炭素をプレス成形し、これを金属容器に収納し、この金属容器を石灰岩や石炭の採鉱岩層深部に置き、これを爆発させて外部より高温・高圧を与えて炭素構造の相変換を行って人造ダイヤモンド粒子を含む黒鉛材料とし、これを更に粉砕し、薬品処理、中和、分級、洗浄して人造ダイヤモンドを回収している（所謂、爆発衝撃法）。この爆発衝撃法では、爆発音、地盤振動、ＮＯｘ発生等による公害防止上の制約から爆発作業現場が深層岩盤のある採石跡地あるいは炭坑跡地に制限される。また、爆薬使用量に対する人造ダイヤモンドの回収率が悪い（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
作業現場が深層岩盤に制約されない人造ダイヤモンドの製造方法として、負の酸素バランスである炭素原子含有有機爆薬、例えば、トリニトロトルエン（ＴＮＴ）、ピクリン酸、およびトリニトロメチレントリアミン（ヘキソゲン）単独または２種の混合物を閉鎖系容器の０．１〜６．０容量％の酸素および０．０１〜０．１５ｋｇ／ｃｍ３の濃度の超分散炭素粒子を含む空間内で３０３〜３６３Ｋの温度で爆発させて人造ダイヤモンド粒子を含有する黒鉛を製造し、容器壁に付着した人造ダイヤモンド粒子を含有する黒鉛を削り落して回収し、これを粉砕後、高温の強酸（濃硝酸、塩酸、硫酸）で処理して不純物を除去し、アルカリで中和し、水で洗浄して人造ナノダイヤモンド粒子を製造することが提案されており、ロシアで実施され、日本にも輸入されている。（例えば、特許文献２参照。）
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１２１９２３号公報（第２−４頁参照。）
【特許文献２】
日本特許第２７９９３３７号公報（第３−１１頁参照。）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このＴＮＴ化薬のような爆薬を閉じた空間内で爆発させ、発生した人造ダイヤモンドを含有する黒鉛は、密封容器壁に付着したものを削って回収されるため、爆薬の使用量に対する人造ダイヤモンドの回収率が悪い欠点がある。本発明は、人造ダイヤモンドの回収率をより高めることができる、爆発音、地盤振動、ＮＯｘ発生等を抑制した環境にやさしい炭素誘導体含有材料の製造方法およびそれに用いる製造装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、開放系耐圧容器内に収容された水中内で、高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬を水中爆発させて発生する高温・高圧で高性能爆薬を構成する炭素原子または微粉炭素の分子結合構造の相変換を行って人造ダイヤモンド、フラ−レン等の炭素誘導体を含有する材料を製造する方法を提供するものである。
【０００７】
爆発後に水中で分散した炭素誘導体含有材料を回収することができるので、炭素誘導体含有材料の回収率が特許文献１の爆発法よりも高く、それゆえ、人造ダイヤモンド、フラ−レン、カ−ボンナノチュ−ブなどの回収率をより高めることができる。また、開放系耐圧容器内で製造するので、耐圧強度が要求される密封系耐圧容器を用いて製造するよりも安価に製造できる。
さらに、高性能爆薬に微粉炭素を添加して爆発することにより０（ゼロ）の酸素バランスである高性能爆薬の存在下でも製造を行うことができるし、人造ダイヤモンドの収率を炭素源の高性能爆薬単独で爆発させる場合よりも高めることができる。
【０００８】
請求項２の発明は、前記炭素誘導体含有材料の製造方法において、高性能爆薬が、トリニトロトルエン、ピクリン酸、およびトリニトロメチレントリアミンより選ばれたものであることを特徴とする。
【０００９】
炭素が気化する３，０００〜５，０００℃の高温、５０，０００〜１００，０００気圧の高圧の環境を爆発の衝撃波で形成するには上記高性能爆薬が最適である。
【００１０】
請求項３の発明は、前記炭素誘導体含有材料の製造方法において、微粉炭素が、黒鉛、ファ−ネスブラック、アセチレンブラック、および活性炭より選ばれた粒径０．６μｍ以下の微粉であることを特徴とする。
【００１１】
安価で入手しやすい炭素源である。また、炭素源の相変換を高収率で行うには、粒径０．６μｍ以下の微粉が好ましい。
【００１２】
請求項４の発明は、下部が有底の円柱状爆発水槽部と上部が上方が開放され、下方より上方に向かって拡径する円錐台形よりなる飛沫回収塔よりなる漏斗状の開放系耐圧容器、該開放系耐圧容器の円柱状爆発水槽内に水を供給する給水手段、前記開放系耐圧容器の円柱状爆発水槽の底部に設けられた水および炭素誘導体含有材料を容器外へ放出する取出口、高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬を水中に固定する手段、高性能爆薬起爆手段、前記飛沫回収塔の下部に設けられ円柱状爆発水槽に貯蔵された水面より上方に設けられたスプレ−ノズル、このスプレ−ノズルよりも上方の飛沫回収塔の内壁に多段に設けられた衝撃波吸収コ−ンと多段に設けられた遮蔽板、とを具備する炭素誘導体含有材料製造装置を提供するものである。
【００１３】
飛沫回収塔が上方に向かって拡径しているので爆発衝撃音の音速が減速されるとともに衝撃音が減衰され、かつ、コ−ンに衝撃音が反射し干渉し合って減衰され、および多数のスプレ−ノズルより中心に向かって噴出されたスプレ−により形成される水膜により爆発衝撃音が減衰されるので、開放型耐圧容器外へ出る衝撃音が小さくなる。また、水膜は気体中に飛散している炭素誘導体含有材料を落下させる。さらに、遮蔽板（バッフルプレ−ト）とコ−ンにより炭素誘導体を含有する材料を含む水が反ね返えされ、開放型耐圧容器外へ出ることがない。炭素誘導体を含有する材料を含む水を開放型耐圧容器の底部に設けた取出口より容易に取出すことができる。
【００１４】
請求項５の発明は、前記製造装置において、円柱状爆発水槽部の底部は、略半球状であり、高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬は、ほぼこの半球の中心点の位置に固定されることを特徴とする。
【００１５】
高性能爆薬が爆発した際、衝撃波が略半球状底部で反射し、再び、爆発中心点に戻るので、衝撃波の威力が増幅され、より高いレベルの高温・高圧環境が実現する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明をさらに詳細に説明する。
図１は本発明の炭素誘導体含有材料の製造装置を示す断面図である。
【００１７】
図１に示す製造装置１は、下部を構成する有底の円柱状爆発水槽部３と、上部を構成する飛沫回収塔４よりなる漏斗状の開放系耐圧容器２から主要部が構成される。円柱状爆発水槽部３の高さをＬとすると飛沫回収塔４は２．５Ｌ〜４Ｌである。円柱状爆発水槽部３と飛沫回収塔４の内壁にはエポキシ樹脂皮膜がコ−ティングされている。
【００１８】
円柱状爆発水槽部３の底部３ａは、略半球状であり、高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬５は、ほぼこの半球の中心点の位置に固定される。高性能爆薬５は円柱状爆発水槽部３の上部に橋架けたグリッド６より水中７に吊るされる。円柱状爆発水槽の底部には水および炭素誘導体含有材料を容器外へ放出する取出口管８が設けられ、その先の貯槽容器１９が設けられている。円柱状爆発水槽３の底部付近位置の壁には透明強化ガラス窓９，９が水中に吊るされた高性能爆薬５を観察できるよう設けられている。高性能爆薬の起爆手段１０は、この透明強化ガラス窓の外側に設けたレ−ザ照射装置より高性能爆薬５の中央外周に付された起爆剤５ａに向かってレ−ザ−光を照射することによって行ってもよいし、高性能爆薬５に電気雷管を挿入し、電気雷管の導線を耐圧容器外へ導き、電気着火して行う。高性能爆薬５の形状は、直径（ｒ）と高さ（ｈ）の比が１：１の円柱状が好ましい。円柱状爆発水槽部３の底部３ａは、架台１１上に固定され、架台の下にはゴム入りアスファルトシ−トのような防震材１２が敷設される。１３は地面である。円柱状爆発水槽部３の上部には給水管１５が設けられる。
【００１９】
飛沫回収塔４は上方４ａが開放され、下方より上方に向かって拡径する円錐台形状を呈する。飛沫回収塔４は前記円柱状爆発水槽部３の上部にパッキング材１４を介して内挿され、下部の爆発水槽とは独立して保持・固定されている。飛沫回収塔の下部には壁回りに等間隔に配置された多数のスプレ−ノズル１６が設けられ、円柱状爆発水槽３の中心軸に向かって純水を吹き付け、水膜を形成し、衝撃音の減衰と爆発ガス中の炭素成分の飛散上昇を柔らげる。このスプレ−ノズル１６よりも上方の飛沫回収塔４の内壁に多段に設けられた衝撃波吸収コ−ン１７と多段に設けられた遮蔽板１８とが交互に具備される。遮蔽板１８の飛沫回収塔４内壁近傍部には水抜き孔１８ａが設けられる。
【００２０】
上記製造装置１を用い、人造ダイヤモンド、カ−ボンナノチュ−ブ、フラ−レン等の有用な炭素誘導体を含有する材料を製造するには、開放系耐圧容器２内に高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬５を吊るし、ついで、給水管１５より純水を開放系耐圧容器２の円柱状爆発水槽３内に注水する。
ついで、レ−ザ−照射装置より高性能爆薬５の中央外周に付された起爆剤５ａに向かってレ−ザ−光を照射して起爆剤を点火し、水中内で高性能爆薬または微粉炭素を含有する高性能爆薬を水中爆発させて発生する高温・高圧で高性能爆薬を構成する炭素原子または微粉炭素の分子結合構造の相変換を行って人造ダイヤモンド、フラ−レン等の炭素誘導体を含有する材料を製造する。
【００２１】
高性能爆薬としては、トリニトロトルエン、ピクリン酸、およびトリニトロメチレントリアミンなどが使用でき、これらは単独で、または２種以上混合して用いられる。例えば、トリニトロトルエン単独、トリニトロトルエン７００〜９０重量％とピクリン酸３０〜１０重量％の混合物、トリニトロトルエン８０〜９０重量％とトリニトロメチレントリアミン２０〜１０重量％の混合物、トリニトロメチレントリアミン３０〜７０重量％とトロチル７０〜３０重量％の混合物、トリニトロトルエン８０〜９０重量％とピクリン酸１０〜５重量％およびトリニトロメチレントリアミン１０〜１５重量％の混合物である。
【００２２】
高性能爆薬の炭素源の他に、炭素源として粒径０．６μｍ以下の微粉炭素を高性能爆薬に含有させてもよい。高性能爆薬８５〜９５重量％に対し、微粉炭素は１５〜５重量％（合計で１００重量％）の割合で用いられる。高性能爆薬または微粉炭素を含む高性能爆薬の酸素バランスは、爆発の際により多量のフリ−炭素原子を放出させるために０から負の組成である。酸素バランスが正であると、炭素成分は二酸化炭素、一酸化炭素に変換してしまい、有用な炭素誘導体が得られないからである。微粉炭素としては、黒鉛、ファ−ネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックおよび活性炭より選ばれた粒径０．６μｍ以下の微粉が好ましい。
【００２３】
高性能爆薬１ｋｇで、爆発時に遊離する炭素原子の質量は、完全爆轟の条件で算出すると、トリニトロトルエン（ＴＮＴ）１ｋｇからは炭素原子約２７０ｇ、トリニトロメチレントリアミン１ｋｇからは炭素原子約１００ｇである。
【００２４】
起爆剤５ａとしては、トリニトロメチレントリアミン、テトリル、ピクリン酸が使用できる。
【００２５】
高性能爆薬１重量部に対し、水は８００〜１５００重量部、好ましくは９００〜１，１００重量部用いられる。水の量が少ないと爆発して生じたフリ−の炭素原子が空中に飛散されてしまう。逆に多すぎると、炭素誘導体が分散した水を回収し、炭素誘導体を分離する作業に長時間要する。
【００２６】
爆発により生じた炭素誘導体が分散した水を回収し、これを濾過し、ついで、炭素誘導体に濃塩酸を加えて共沸してアモ−ファスダイヤモンド、酸化された炭素を除去する。ついで、冷却した後、水を加え、濾過分離し、ついで、濃硝酸と濃硫酸の混合物を加え、２２０〜２６０℃の温度で加熱処理し、冷却後、純水で洗浄し、回収した炭素誘導体を１４０〜１６０℃のオ−ブン中で乾燥させる。
【００２７】
回収した炭素誘導体には、人造ナノダイヤモンド、フラ−レン、カ−ボンナノチュ−ブ等が爆発条件により単独、または２種以上混在して存在する。
【００２８】
【実施例】
実施例１
図１に示す製造装置を用いて炭素誘導体のスラリ−の製造を行った。
すなわち、直径が５００ｍｍ、底が半径２５０ｍｍの半球形で高さが１０００ｍｍのシ−ムレスパイプの内面をエポキシ樹脂コ−ティングした円柱状爆発水槽３の上部に上が開放し、内面をエポキシ樹脂コ−ティングした高さが３０００ｍｍの飛沫回収塔４を載せた漏斗状の開放系耐圧容器２内に、トリニトロトルエン２００ｇの円柱状爆薬をその中心点の位置が円柱状爆発水槽の底部より２５０ｍｍとなる位置にグリッド６から吊るした。
【００２９】
純水１００リットルを給水管１５より円柱状爆発水槽３内に給水し、爆薬を水中に埋没させた。円柱状爆発水槽３の略中央位置に設けた透明強化ガラス窓９，９よりレ−ザ−照射装置１０，１０より水中に吊るされた高性能爆薬５の外側に設けた５ｇの起爆剤トリニトロメチレントリアミン５ａに向けてレ−ザ−光照射して水中爆発を開始すると同時に、シャワ−供給管１６よりシャワ−水を１０秒間放出し、水中爆発させて発生する高温・高圧でトリニトロトルエンを構成する炭素原子の分子結合構造の相変換を行って炭素誘導体を含有する材料を製造した。ついで、円柱状爆発水槽部３の底部に設けた取出口管８を開放し、炭素誘導体含有材料を分散する水を耐圧容器外にセッチしたガラス容器内へ放出した。
【００３０】
回収した炭素誘導体含有材料を分散する水を濾過し、ついで、炭素誘導体に濃塩酸を加えて共沸してアモ−ファスダイヤモンド、酸化された炭素を除去した。室温まで冷却した後、水を加え、濾過分離し、ついで、濃硝酸と濃硫酸の混合物を加え、２５０℃の温度で加熱処理し、冷却後、純水で洗浄し、回収した炭素誘導体を１５０℃のオ−ブン中で乾燥した。
得た六晶方形粒子をＸ線解析したところ、人造ダイヤモンドであった。
【００３１】
実施例２
高性能爆薬として、トリニトロトルエン１８０ｇ、トリニトロメチレントリアミン２０ｇの混合物を２４０℃で溶解させ、これに平均粒径が０．３４μｍの黒鉛２０ｇを添加し、混合して均一に分散させたものを用いる他は実施例１と同様にして爆発を行い、精製を行って炭素誘導体を得た。
得られた精製物の中には、フラ−レンおよび六晶方形人造ダイヤモンドが混在していた。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の炭素誘導体の製造方法は、衝撃音が小さく、環境に優しい。また、炭素誘導体の水スラリ−として回収できるので、精製した人造ダイヤモンド、フラ−レン等の有用炭素誘導体を高収率で製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素誘導体の製造装置の断面図である。
【符号の説明】
１        製造装置
２        開放系耐圧容器
３        円柱状爆発水槽
４        飛沫回収塔
５        高性能爆薬
７        水
１０        起爆手段
【図１】
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