(57)【要約】【課題】薬品を使用することなく、短時間、且つ簡易に親水性処理が可能となる改質炭素素材およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る改質炭素素材は、炭素素材にマイクロ波を照射して得られることを特徴とする。また、本発明に係る改質炭素素材の製造方法は、窒素、酸素、硫黄のようなヘテロ原子を含む原子団が主鎖や側鎖に存在している、天然由来の素材からなる高分子物質を、不活性ガス雰囲気中で、５００℃〜１０００℃の温度で焼成して炭素素材を形成する工程と、該炭素素材にマイクロ波を照射する工程とを含むことを特徴とする。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素素材にマイクロ波を照射して得られる改質炭素素材。
【請求項２】
炭素素材が炭素繊維であることを特徴とする請求項１記載の改質炭素素材。
【請求項３】
炭素素材が、窒素、酸素、硫黄のようなヘテロ原子を含む原子団が主鎖や側鎖に存在している高分子物質を焼成した炭素素材であることを特徴とする請求項１記載の改質炭素素材。
【請求項４】
高分子物質が天然由来の素材であることを特徴とする請求項３記載の改質炭素素材。
【請求項５】
天然由来の素材が絹素材であることを特徴とする請求項４記載の改質炭素素材。
【請求項６】
窒素、酸素、硫黄のようなヘテロ原子を含む原子団が主鎖や側鎖に存在している、天然由来の素材からなる高分子物質を、不活性ガス雰囲気中で、５００℃〜１０００℃の温度で焼成して炭素素材を形成する工程と、
該炭素素材にマイクロ波を照射する工程とを含むことを特徴とする改質炭素素材の製造方法。
【請求項７】
天然由来の素材が絹素材であることを特徴とする請求項６記載の改質炭素素材の製造方法。
【請求項８】
焼成温度が６００〜８００℃であることを特徴とする請求項６または７記載の改質炭素素材の製造方法。
【請求項９】
毎時１００℃以下の昇温速度で焼成温度まで昇温してこの焼成温度で数時間保持して焼成することを特徴とする請求項６〜８いずれか１項記載の改質炭素素材の製造方法。                                                            
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、親水性を有する改質炭素素材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭素素材に親水性を付与するには、炭素素材表面に親水性ポリマー被膜を形成する方法や、炭素素材を気相酸化あるいは液相酸化する方法などがとられている。
【特許文献１】特開平６−１６６９５４
【特許文献２】特開２００３−２１３５６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、表面に親水性ポリマー被膜を形成する方法は、生体との親和性など、もともと炭素素材が持っていた性質が失われる可能性がある。
また、気相酸化する方法は、高温で処理を行う必要があるため、消費電力が大きくなるうえ、昇温、降温に時間がかかり処理効率が悪くなる。液相酸化する方法は、強い酸化剤を使用するため、作業性が低下するうえ、やはり処理効率が悪いという課題がある。
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、
薬品を使用することなく、短時間、且つ簡易に親水性処理が可能となる改質炭素素材およびその製造方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る改質炭素素材は、炭素素材にマイクロ波を照射して得られることを特徴とする。
炭素素材が炭素繊維であることを特徴とする。
炭素素材が、窒素、酸素、硫黄のようなヘテロ原子を含む原子団が主鎖や側鎖に存在している高分子物質を焼成した炭素素材であることを特徴とする。
また、高分子物質が天然由来の素材であることを特徴とする。
天然由来の素材が絹素材であることを特徴とする。
【０００５】
また、本発明に係る改質炭素素材の製造方法は、窒素、酸素、硫黄のようなヘテロ原子を含む原子団が主鎖や側鎖に存在している、天然由来の素材からなる高分子物質を、不活性ガス雰囲気中で、５００℃〜１０００℃の温度で焼成して炭素素材を形成する工程と、該炭素素材にマイクロ波を照射する工程とを含むことを特徴とする。
天然由来の素材が絹素材であることを特徴とする。
焼成温度が６００〜８００℃であることを特徴とする。
毎時１００℃以下の昇温速度で焼成温度まで昇温してこの焼成温度で数時間保持して焼成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、親水性を有し、かつ抗菌性を有する改質炭素素材を提供できる。この改質炭素素材は、特に医療用ガーゼや絆創膏の基材などとして用いて好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
炭素素材としては、絹素材、綿、羊毛などの、窒素、酸素、硫黄のようなヘテロ原子を含む原子団が主鎖や側鎖に存在している、天然由来の素材からなる高分子物質を焼成して炭化したものが好適である。特に絹素材を炭化したものが好適である。
以下絹素材を例として説明する。
【０００８】
ここで絹素材とは、家蚕あるいは野蚕からなる織物、編物、粉体、綿、糸等の総称である。これらを単独もしくは併用して焼成する。
【０００９】
焼成温度は１０００℃以下とするとよい。また焼成雰囲気は、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中で行い、絹素材が燃焼して灰化してしまうのを防止する。
【００１０】
焼成条件は、急激な焼成を避け、複数段に分けて焼成を行うようにする。
例えば、不活性ガス雰囲気中で、第１次焼成温度（例えば５００℃）までは、毎時１００℃以下、好ましくは毎時５０℃以下の緩やかな昇温速度で昇温し、この第１次焼成温度で数時間保持して１次焼成する。次いで、一旦常温にまで冷却した後、第２次焼成温度（例えば７００℃）まで、やはり毎時１００℃以下、好ましくは５０℃以下の緩やかな昇温速度で昇温し、この第２次焼成温度で数時間保持して２次焼成するのである。次いで冷却して、目的とする絹焼成体を焼成炉中から取り出す。
なお、焼成条件は上記に限定されるものではなく、絹素材の種類、求める焼成体の機能等により適宜変更することができる。
【００１１】
上記のように、焼成を複数段に分けて行うこと、また緩やかな昇温速度で昇温して焼成すること、かつ１０００℃以下の低い温度で焼成することによって、十数種類のアミノ酸が、非晶性構造と結晶性構造とが入り組んだタンパク高次構造の急激な分解が避けられ、特に窒素成分が多量に残存することによって、各種の機能が生じることが見出された。
また、５００℃〜１０００℃以下の低温で焼成することによってグラファイト化せず、黒色の艶のある柔軟な（フレキシブル性のある）絹焼成体が得られる。
後に述べる、吸水性（親水性）や抗菌性の点から、６００℃〜８００℃の低温で焼成するのが好適である。
【００１２】
図１は粗粒シルクを２０００℃の高温で焼成した場合の焼成物のラマンスペクトル図である。２６８１ｃｍ-1、１５７０ｃｍ-1、１３３５ｃｍ-1のところにピークが見られることからグラファイト化していることが理解される。
【００１３】
図２、図３、図４は、粗粒シルクをそれぞれ７００℃、１０００℃、１４００℃で焼成した場合の焼成物のラマンスペクトル図である。１４００℃の焼成温度になると、ピーク値は低いものの、上記３箇所でのピークが見られる。１０００℃以下の焼成温度の場合には、上記の顕著なピークが見られないことから、グラファイト化はほとんど起こっていないと考えられる。
【００１４】
【表１】
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表１は、家蚕絹紡糸編地を窒素雰囲気中で７００℃で焼成した焼成物の電子線マイクロアナライザーによる元素分析結果（半定量分析結果）を示す。
測定条件は、加速電圧：１５ｋＶ、照射電流：１μＡ、プローブ径：１００μｍである。なお、表中の値は検出元素の傾向を示すものであり、保証値ではない。
表１から明らかなように、２７．４ｗｔ％という多量の窒素元素が残存していることがわかる。またアミノ酸由来のその他の元素も残存する多元素物であることがわかる。
【００１５】
【表２】
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表２は、家蚕絹紡糸編地を窒素雰囲気中で１４００℃で焼成した焼成物の電子線マイクロアナライザーによる元素分析結果（半定量分析結果）を示す。
測定条件は、加速電圧：１５ｋＶ、照射電流：１μＡ、プローブ径：１００μｍである。なお、表中の値は検出元素の傾向を示すものであり、保証値ではない。
表２から明らかなように、窒素元素の残存量は１５．７ｗｔ％に減少する。
【００１６】
【表３】
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表３は、家蚕不織布を窒素雰囲気中で７００℃で焼成した焼成物の電子線マイクロアナライザーによる元素分析結果（半定量分析結果）を示す。
測定条件は、加速電圧：１５ｋＶ、照射電流：１μＡ、プローブ径：１００μｍである。なお、表中の値は検出元素の傾向を示すものであり、保証値ではない。
表３から明らかなように、２４．５ｗｔ％という多量の窒素元素が残存していることがわかる。
【００１７】
図５は、絹素材を７００℃で焼成した場合の、ＦＥ―ＳＥＭ写真図である。表面に、窒素元素等の、アミノ酸由来の焼成残留物によると思われる薄い膜が見られる。
一方、図６は、絹素材を２０００℃の高温で焼成した場合の、ＦＥ―ＳＥＭ写真図であるが、表面がきれいで、上記のような膜の存在が認められない。
【００１８】
【表４】
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表4は、家蚕編地を窒素雰囲気中で７００℃で焼成した焼成物の抗菌性試験結果を示す。
試験はＪＩＳ  Ｌ  １９０２  定量試験（統一試験方法）に従って行った。
無加工布は標準綿布を使用。表中、無加工布菌数とは、無焼成の布に植菌して増殖した菌数を示す。
なお、表中の、例えば、１．９Ｅ+０４とは、１．９×１０4のことであり、４．３はその対数値である。
【００１９】
表４から明らかなように、無加工布の場合、菌が大幅に増殖したが、焼成試料布の場合、いずれの菌も大幅に減少し、抗菌作用があることがわかる。
このように、抗菌作用を有することは、前記のように、複数段による焼成、緩やかな昇温速度、１０００℃以下の低温焼成により、アミノ酸由来の、特に窒素元素が大量に残存することに起因すると推測される。
【００２０】
本発明では上記のようにして焼成して得た焼成物（炭素素材）にマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を照射する。マイクロ波を照射する際には、炭素素材が燃焼して灰化してしまうのを防ぐため、素焼き板等で炭素素材を挟み込むとよい。
【実施例１】
【００２１】
９ｃｍ×９ｃｍの絹織物を上記のようにして７００℃で焼成し、この焼成物を、素焼き板で挟んだ状態で出力５００Ｗの家庭用電子レンジに収納し、６分間マイクロ波を照射した。
【実施例２】
【００２２】
９ｃｍ×９ｃｍの綿織物を上記のようにして７００℃で焼成し、この焼成物を、素焼き板で挟んだ状態で出力５００Ｗの家庭用電子レンジに収納し、６分間マイクロ波を照射した。
【実施例３】
【００２３】
９ｃｍ×９ｃｍの羊毛織物を上記のようにして７００℃で焼成し、この焼成物を、素焼き板で挟んだ状態で出力５００Ｗの家庭用電子レンジに収納し、６分間マイクロ波を照射した。
【００２４】
図７は、実施例１における、焼成物（マイクロ波処理前）の２０００倍ＳＥＭ写真、
図８は同焼成物の５０００倍ＳＥＭ写真である。
また、図９は、実施例１におけるマイクロ波処理後の焼成物の２０００倍ＳＥＭ写真、図１０は、その５０００倍ＳＥＭ写真である。
【００２５】
図７、図８に示されるように、マイクロ波処理前の焼成物の表面には凹凸が見られないが、図９、図１０に示されるように、マイクロ波処理後の焼成物の表面には微細な凹凸が生じている。
ＪＩＳ  Ｌ  １９０７に準拠して吸水率を計測したところ、マイクロ波処理前の焼成物の吸水率は５０％であったが、マイクロ波処理後の焼成物の吸水率は８７％と大幅にアップした。
これは、マイクロ波処理後の焼成物の表面に上記のように凹凸が形成されることから、水の焼成物表面に対する接触角が小さくなって、濡れ性が向上するからと考えられる。
【００２６】
上記のように、マイクロ波処理をすることによって焼成物表面に凹凸が生じるのは、  天然由来の素材からなる高分子物質を１０００℃以下の低温で焼成することによって、窒素元素等が残存し、これら窒素元素等がマイクロ波処理によって何らかの影響を受けるからと考えられる。
因みに、絹素材を１４００℃、２０００℃で焼成した焼成物をマイクロ波処理した炭素素材の場合、吸水性は改善されなかった。
【００２７】
また、上記のように、１０００℃以下の低温で焼成した焼成物は抗菌性を有しているが、この低温で焼成した焼成物（炭素素材）をマイクロ波処理した場合にあっても抗菌性を保持していることが確認された。
このように、マイクロ波処理をすることによって、吸水性が向上し（すなわち親水性が向上）、かつ抗菌性が維持されていることから、これら改質炭素素材は、医療用ガーゼや絆創膏の基材などとして好適に用いることができる。特に、ガーゼとして用いた場合、炭素素材であることから傷口に付着しないので好適である。
【００２８】
その他、インキ、ペーストなどへ混入材料、燃料電池の電極材、各種複合材の補強材等として有効利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】粗粒シルクを２０００℃の高温で焼成した場合の焼成物のラマンスペクトル図である。
【図２】粗粒シルクを７００℃の高温で焼成した場合の焼成物のラマンスペクトル図である。
【図３】粗粒シルクを１０００℃の高温で焼成した場合の焼成物のラマンスペクトル図である。
【図４】粗粒シルクを１４００℃の高温で焼成した場合の焼成物のラマンスペクトル図である。
【図５】絹素材を７００℃で焼成した場合の、ＦＥ―ＳＥＭ写真図である。
【図６】絹素材を２０００℃で焼成した場合の、ＦＥ―ＳＥＭ写真図である。
【図７】実施例１における、焼成物（マイクロ波処理前）の２０００倍ＳＥＭ写真である。
【図８】図７における焼成物の５０００倍ＳＥＭ写真である。
【図９】実施例１におけるマイクロ波処理後の焼成物の２０００倍ＳＥＭ写真である。
【図１０】図９における焼成物の５０００倍ＳＥＭ写真である。
【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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【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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