(57)【要約】【課題】結晶性が高い良好な炭素繊維を製造する。【解決手段】担体としての粒径１０〜１００ｎｍの酸化ダイヤモンドに触媒成分としてパラジウムを金属として５ｗｔ％含む触媒０．１ｇを小形の固定床流通系反応管に充填し、触媒層を６００ｏＣで一定に保ち、原料ガスとしてメタンを２０ｍｌ／分の流速で６０分間流して反応を行なった。この反応により、ナノサイズの繊維状のカーボン、すなわちナノグラファイトが得られた。生成物は、直径１０〜１００ｎｍの繊維状であり、単層グラファイトが軸線に対して垂直に積み重なった集合体である。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単層グラファイトが炭素繊維の軸線に対して垂直に積み重なった構造をもつことを特徴とするコイン積層型ナノグラファイト。
【請求項２】
前記単層グラファイトは直径が数〜数百ｎｍの大きさである請求項１に記載のナノグラファイト。
【請求項３】
この炭素繊維は長さが数十ｎｍ〜数十μｍである請求項１又は２に記載のナノグラファイト。
【請求項４】
この炭素繊維の先端には粒径が数〜数百ｎｍのダイヤモンドが接合している請求項１から３のいずれかに記載のナノグラファイト。
【請求項５】
粒径を数〜数百ｎｍの範囲で揃えたダイヤモンドを担体とし、触媒成分としてパラジウム又はロジウムを担持した触媒の存在下で、炭化水素を分解することを特徴とするコイン積層型ナノグラファイトの製造方法。
【請求項６】
前記ダイヤモンドの粒径が１０〜１００ｎｍである請求項５に記載のコイン積層型ナノグラファイトの製造方法。
【請求項７】
前記炭化水素は炭素数が１〜３０の飽和又は不飽和の炭化水素である請求項５又は６に記載のコイン積層型ナノグラファイトの製造方法。
【請求項８】
触媒成分はパラジウムであり、炭化水素はメタンである請求項５又は６に記載のコイン積層型ナノグラファイトの製造方法。
【請求項９】
粒径を数〜数百ｎｍの範囲で揃えたダイヤモンドを担体とし、触媒成分としてパラジウム又はロジウムを担持したことを特徴とするコイン積層型ナノグラファイト製造用触媒。
【請求項１０】
前記ダイヤモンドの粒径は１０〜１００ｎｍである請求項９に記載のコイン積層型ナノグラファイト製造用触媒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は種々の用途が期待される炭素繊維の新しい構造のナノグラファイト、その製造方法及びその製造方法で使用する触媒に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維の製造方法の１つとして、化学気相成長法による方法が知られている。化学気相成長法では、メタンやベンゼンなどの炭化水素を超微粒の鉄やニッケルなどの触媒の存在下で７００〜１０００℃程度の温度で熱分解して炭素繊維をえる（特許文献１，２参照。）。
【０００３】
化学気相成長法で得られる炭素は、超微粒の鉄やニッケルなどの触媒粒子を核として成長した繊維である。炭素繊維には、炭素網層が同心状や中空状に成長したものがあるが、触媒、反応温度、ガス流速等の気相成長条件によっては、炭素網層の積層が繊維軸に対して一定の角度で傾斜した構造を持つものもある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１４６１１６号公報
【特許文献２】
特開２００１−１４６６４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の炭素繊維は、樹脂などに混入して複合材として用いられることが多いが、一般的に樹脂との密着性や機械的強度がそれ程よくないとされている。
また、化学気相成長法で製造された炭素繊維の表面には、十分に結晶化していない炭素や、結晶性を持たないアモルファス状の余剰炭素が堆積した薄い堆積層が形成される。この堆積層が、樹脂等との密着性が劣る原因であると考えられている。
【０００６】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、生成した生成物の結晶性が高い良好な炭素繊維、その製造方法及びその製造方法で使用する触媒を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記目的を達成するために、様々な担体上に担持した種々の触媒成分による炭化水素の分解反応を検討し、担体としてはダイヤモンドが優れた性能を示し、触媒成分としてはパラジウム及びロジウムが優れていること、及びこの方法により得られる炭素繊維は結晶性の優れた特異な構造をもっていることを見いだした。
【０００８】
すなわち、本発明の炭素繊維は、単層グラファイトが炭素繊維の軸線に対して垂直に積み重なった構造をもつコイン積層型ナノグラファイトである。
このコイン積層型ナノグラファイトは非結晶性の炭素が除去されて、表面はきわめて結晶性が高く、種々の材との親和性が良好で、樹脂等の複合材料との密着性に優れる。
【０００９】
このナノグラファイトの一例は、単層グラファイトの直径が１０〜１００ｎｍの大きさであり、炭素繊維の長さが数十ｎｍ〜数十μｍである。さらに、炭素繊維の先端に粒径が数〜数百ｎｍのダイヤモンドが接合しているので、引張強度や圧縮強度に優れる複合材を得ることができる。
【００１０】
このようなナノグラファイトを製造する本発明の製造方法は、粒径を数〜数百ｎｍの範囲で揃えたダイヤモンドを担体とし、触媒成分としてパラジウム又はロジウムを担持した触媒の存在下で、炭化水素を分解することを特徴とする方法である。
【００１１】
原料となる炭化水素は炭素数が１〜３０の炭化水素であり、メタン、エタン、プロパンなどの飽和炭化水素のほか、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの不飽和炭化水素も含んでいる。
原料の炭化水素は単独で触媒上に導いて反応させてもよく、キャリアガスとともに触媒上に導いて反応させてもよい。そのようなキャリアガスとしては、水素、一酸化炭素といった還元性ガスや、それらの還元性ガスに窒素などの不活性なガスを混合したガスを用いることができる。
【００１２】
好ましい製造方法の一例では、触媒成分はパラジウムであり、炭化水素はメタンである。
その製造方法で使用する触媒は、粒径を数〜数百ｎｍの範囲で揃えたダイヤモンドを担体とし、触媒成分としてパラジウム又はロジウムを担持したものである。
【００１３】
ナノグラファイトを製造する際に、できあがるナノグラファイトの直径や種類は、図１に結晶成長過程をモデル化して示すように、ナノグラファイトを生成する核となる触媒の粒径に由来すると考えられる。従来の触媒を用いた種々のカーボンの製造は、多くの場合、触媒の担体に金属酸化物や粒径が一様でない担体を用いて製造されている。それらの担体は、熱的安定性が乏しく、６００〜１０００℃の反応条件で使用した場合、焼結などにより担体が微細な構造を維持することが困難である。また、担体に担持せず金属微粒子を触媒として直接用いた場合においても、高温ではシンタリングが起こりやすく、超微粒子として存在することは極めて難しい。したがって、それらの担体に担持した触媒や触媒金属自体では微小な状態を維持できず、生成するカーボンの形状を制御することは困難であった。
【００１４】
本発明では担体として粒径を数〜数百ｎｍの範囲で揃えた超微粒子ダイヤモンドを用いる。超微粒子ダイヤモンドは熱的安定性に優れ、後述の反応温度４５０〜７５０℃は勿論のこと、１０００℃というような高い反応温度においても安定な構造を保つことができる。したがって、触媒としてそのような超微粒子ダイヤモンドに担持した触媒を用い、生成するナノグラファイトの直径や種類を制御しようとするものである。
触媒担体のダイヤモンドの好ましい粒径は、１０〜１００ｎｍである。
【００１５】
市販のダイヤモンド表面は完全に炭素のみでなく、酸素などが付いている。そこで、ダイヤモンド表面を均一化するために所定の条件で酸化すると、「酸化ダイヤモンド」が生成する。見かけ上、酸化ダイヤモンドは最初の市販品と余り変わりがないが、一定の処理を施しているので、市販品のロットなどの影響を受けないで本発明の触媒担体として最適なダイヤモンドを調製することができる。本発明における担体としての「ダイヤモンド」は、このように処理を施した「酸化ダイヤモンド」を含む意味で使用している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に用いるダイヤモンドは工業的に研磨用として市販されているもののうち、粒径が数〜数百ｎｍと小さく、高い比表面積を有するものが良い反応成績を得ることができる。望ましくは、比表面積が１０ｍ２／ｇ以上のダイヤモンドを用いる。そのようなダイヤモンドを一度、３５０〜４５０℃において、酸素雰囲気下又は空気中で表面を酸化させた後に、触媒担体として用いる。
触媒活性成分にはパラジウムが最も良好な活性を示し、ロジウムも活性を示す。
【００１７】
ダイヤモンド担体へのこれら金属塩の担持方法としては、所定量の金属塩水溶液、例えば酢酸パラジウム飽和水溶液など、に所定量の酸化ダイヤモンドを加え、一夜放置後、過剰の水を蒸発させ、乾燥後４００〜５００℃の空気気流中で焼成し、金属塩の分解と酸化を起こさせ、金属塩を酸化物に転換する。焼成温度はこれより低いと十分に硝酸塩などの不純物を除去できず、活性を発現しないか、又は活性は低下するが、焼成温度は５５０ｏＣ程度まで上昇させることもできる。それ以上の高温はダイヤモンドの一部が燃焼により消失する恐れがあり望ましくない。
【００１８】
次に、空気焼成後、担持金属種（パラジウム等）の酸化物を金属へ還元して触媒とする。還元は３００〜５００℃の水素気流中で行い、酸化物を金属に転換させる。還元温度はこれより低いと十分に金属に還元できず、また、５５０ｏＣ以上の高い還元温度は担持金属の焼結を招き活性を発現しないか、活性が低下するが、焼成温度は５５０ｏＣ程度まで上昇させることもできる。
【００１９】
ここで、金属としてはパラジウムが特に優れており、その含有量はダイヤモンドに対して金属として０．５から１０重量％の間が望ましく、これより担持量が少なくても多くてもナノグラファイトの収率は低下する。
【００２０】
反応はこのように調製したダイヤモンド担持触媒を所定量反応管に充填し、不活性ガス気流下に所定温度まで昇温し、原料としての炭化水素気体、例えばメタン又はエタンなど、を４５０〜７５０℃に保たれた触媒層上へ通じ、反応を行う。反応管の形式は特に限定されるものでなく、固定床流通系でも流動床反応器を用いてもよい。
【００２１】
触媒に対するガスの流量は空間速度として２０００ｍｌ／ｇ触媒・ｈから２００００ｍｌ／ｇ触媒・ｈの範囲で操作するのが適当である。
以下に示す反応例では小形の固定床流通系を用いているために、担体として粉末の微粒子状酸化ダイヤモンドを用いているが、実際に工業化するためには微粒子を用いると固定床反応器内に圧力損失が生じるので、反応に不活性なバインダーを用いて触媒を粒状ないしはペレット状にしてもよい。
【００２２】
【実施例】
担体としての粒径１０〜１００ｎｍの酸化ダイヤモンドに触媒成分としてパラジウムを金属として５ｗｔ％含む触媒０．１ｇを小形の固定床流通系反応管に充填し、触媒層を６００ｏＣで一定に保ち、原料ガスとしてメタンを２０ｍｌ／分の流速で６０分間流して反応を行なった。反応終了後、回収した生成物を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果を示したものが図２である。
【００２３】
図２に観られるように、ナノサイズの繊維状のカーボン、すなわちナノグラファイトが得られた。図２からは、生成物は、直径１０〜１００ｎｍの繊維状であることがわかる。図２で、繊維の先端にある白い塊は担体に使用したダイヤモンドであり、炭素繊維の先端に接合している。
【００２４】
次に生成物を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した結果を示したものが図３，４である。図３，４から、生成したナノグラファイトは直径１０〜１００ｎｍのグラファイトのシートが軸線に対して垂直に積み重なった集合体であり、そのグラファイトシートは炭素原子一個の大きさに相当する厚みの単層グラファイトで構成されている。
【００２５】
図３で、炭素繊維の先端についている黒い塊は触媒として使用したパラジウム金属微粒子である。触媒のパラジウムは炭素繊維のナノグラファイトが成長するにつれて単体のダイヤモンドから離れている。成長した炭素繊維は、モデルとして示した図１に示されているように、炭素繊維の基端側の先端にダイヤモンド微粒子が接合し、反対側の先端に触媒金属微粒子が付着した状態となる。ダイヤモンド微粒子はナノグラファイトから脱離させることは困難である。一方、触媒金属微粒子は適当な処理によってナノグラファイトから脱離させることができる。
【００２６】
このナノグラファイトをモデルとして示すと、図５に示すように、丁度、コインを積み重ねたような構造をしている。
実施例は触媒成分としてパラジウムを用いているが、ロジウムを触媒成分としてダイヤモンド担体に担持した触媒を用いた場合も、同様にしてナノグラファイトを成長させることができた。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の炭素繊維は、単層グラファイトが軸線に対して垂直に積み重なった構造をもつコイン積層型ナノグラファイトであり、結晶性が高いために、樹脂との密着性や機械的強度がよいなど、従来の炭素繊維に比べて優れた特性が発揮される。
本発明の製造方法によれば、粒径を数〜数百ｎｍの範囲で揃えたダイヤモンドを担体とし、触媒成分としてパラジウム又はロジウムを担持した触媒の存在下で、炭化水素を分解することにより、本発明のコイン積層型ナノグラファイトを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明でダイヤモンド担持触媒によりナノグラファイトが成長する過程をモデルとして示す概略図である。
【図２】実施例で得られたナノグラファイトを示す走査型電子顕微鏡による画像である。
【図３】同ナノグラファイトの透過型電子顕微鏡による画像である。
【図４】同ナノグラファイトの積層状態を示す透過型電子顕微鏡による画像である。
【図５】同ナノグラファイトをモデルとして概略的に示す図であり、左は斜視図、右は正面図である。
【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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