(57)【要約】【課題】ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトの新規な合成方法及び装置の提供。【解決手段】レーザを炭素ターゲットに照射して、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する方法において、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧された二原子分子以上のガス中で、円柱状の炭素ターゲットが回転運動及び一方向に直線運動を行なっている状態で、その側面に、ＹＡＧレーザを照射し、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを取り出すことを特徴とするナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する方法及び装置。【選択図】  なし  【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザを炭素ターゲットに照射して、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する方法において、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧されたアルゴン、キセノン又は二原子分子以上のガスから選ばれるガス中で、円柱状の炭素ターゲットが回転運動及び一方向に直線運度を行なっている状態で、その側面に、ＹＡＧレーザを照射し、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを取り出すことを特徴とするナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する方法。
【請求項２】
前記二原子分子以上のガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項１記載のナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する方法。
【請求項３】
レーザを炭素ターゲットに照射するレーザ照射手段及び炭素ターゲットから構成されるナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する装置において、装置を形成する圧力容器にレーザ照射手段、回転運動及び一方向に直線運度を行なっている円柱状の炭素ターゲット、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧された二原子分子以上のガス導入手段、及びナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイト取出手段が設置され、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧された二原子分子以上のガスに包み込まれている状態で、ＹＡＧレーザ発生手段から発生されたレーザが装置に設けられたレーザ入射口を通り、圧力容器内に導かれ、回転運動及び一方向に直線運度を行なっている円柱状の炭素ターゲットの側面を照射するレーザ照射手段が配置されていることを特徴とするナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトの新規な合成方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
研磨材あるいは潤滑材等として、金属、セラミックスあるいは高分子からなるナノメートルオーダーの微細な球状体が使用されている。
これらの微細な球状体のうち、金属製のものは、製造が比較的容易で、研磨材等として適度な硬度を有しているものの、酸化され易く、化学的安定性に乏しいといった欠点がある。また、セラミックス製のものは、硬度が高すぎるために被研磨物等を傷つけやすく、また脆いために割れやすく、さらには大きさを制御して製造するのが難しいといった欠点を有している。そして高分子材料のものについては、柔らかいために被研磨物等を傷つけないものの、熱や機械的衝撃に弱いといった欠点がある。そして、これらの球状体はいずれも、他の形状に変形することが困難であり、また互いを接着するためには接着剤等や、特別な熱処理等を必要としていた。
本発明者らは、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、研磨材、潤滑材等として有用で、化学的に安定で柔らかく、ナノメートルオーダーの微細な球状体であるナノグラファイト球状体及びその直径および形状を制御して製造することのできるナノグラファイト球状体の製造方法を発明した（特許文献１）。
この微細な球状体であるナノグラファイト球状体は、複数の多角錐状の多層グラファイトがその頂点を中心にして互いに隙間なく配置された構造を有し、外形が、全体としてもしくは一部として略球形であることを特徴とするナノグラファイト球状体であり、複数の多角錐台状の多層グラファイトがその頂面を中心側にして互いに隙間なく配置された構造を有し、外形が全体としてもしくは一部として、中空の略球形であるナノグラファイト球状体である。そして、このナノグラファイト球状体の最大外形が１〜１０００ｎｍであることを特徴とし、グラファイト球状体を、略楕円球形であるもの、略半球形であるもの、グラファイト層のｃ軸が、略球形の表面に対して９０±３０°であるものなど、その形状に特徴があるものが得られている。このナノグラファイト球状体の製造方法は、１０００℃以上の原子あるいはクラスター状の炭素を、５〜１０気圧の不活性ガス雰囲気中に放出することにより製造することができること、このナノグラファイト球状体の製造方法において、５〜１０気圧の不活性ガス雰囲気中で、炭素ターゲットにＣＯ2レーザを照射することで、１０００℃以上の原子あるいはクラスター状の炭素を発生させることにより得ることができること、不活性ガスの種類、圧力あるいは温度を変化させることでナノグラファイト球状体の最大外形を制御することを見出したものである。
この製造法は確かに前記新規なナノグラファイト球状体を製造する方法としては、画期的な方法であったが、製造される合成量が少ないということが問題点であった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２０６１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトの新規な合成方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、炭酸ガスレーザを用いたＡｒなどの希ガス中で炭素照射することに代えて、ＹＡＧレーザを用い、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧された二原子分子以上のガス中で、炭素タ−ゲットに回転及び直線移動など与えられることにより、炭素の新しい表面が出ている状態で、前記レーザを照射したところ、炭素ターゲットの表面の一部から原子状及びクラスター状の炭素が発生し、高圧状態のガスに閉じ込められたままで冷却され、これを透過電子顕微鏡やラマン分光などの手段により解析してみたところ、ほぼ球形の多面体グラフアイトが得られていること、また、その得られる量は収率よく得られることを見出して、本発明を完成させた。
【０００６】
本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）レーザを炭素ターゲットに照射して、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する方法において、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧されたアルゴン、キセノン又は二原子分子以上のガスから選ばれるガス中で、円柱状の炭素ターゲットが回転運動及び一方向に直線運度を行なっている状態で、その側面に、ＹＡＧレーザを照射し、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを取り出すことを特徴とするナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する方法。
（２）前記二原子分子以上のガスが窒素ガスであることを特徴とする（１）記載のナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する方法。
（３）レーザを炭素ターゲットに照射するレーザ照射手段及び炭素ターゲットから構成されるナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する装置において、装置を形成する圧力容器にレーザ照射手段、回転運動及び一方向に直線運度を行なっている円柱状の炭素ターゲット、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧された二原子分子以上のガス導入手段、及びナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイト取出手段が設置され、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧された二原子分子以上のガスに包み込まれている状態で、ＹＡＧレーザ発生手段から発生されたレーザが装置に設けられたレーザ入射口を通り、圧力容器内に導かれ、回転運動及び一方向に直線運度を行なっている円柱状の炭素ターゲットの側面を照射するレーザ照射手段が配置されていることを特徴とするナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する装置。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを収率よく得ることができる。この物質は、化学的に安定な研磨剤や潤滑剤、さらには有害物質などの吸着剤、電磁波遮蔽剤などに用いることができるものである。
本発明者らによる前記特許では、これらの物質を多く得ることができなかったので、本発明のように多量に製造できることが可能となったことにより、安定して安価に提供することができることとなり、その工業意的価値は高いものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の原料物質となる炭素は、円柱状の黒鉛棒、炭素棒、グラフアイト棒を用いる。
これを、装置である圧力容器に設置する。
本発明の実施例では、市販の等方性高密度黒鉛棒（微粒子構造で、静水圧成形法により等方的な構造・特性を持った黒鉛棒）で大きさは直径３０ミリ、長さ４０ミリの円柱形状のもを用いた。
【０００９】
本発明の装置を示す図１を用いて、具体的に本発明の内容を説明する。番号は図１のものである。
前記のようにして得られる炭素を炭素ターゲット３とする。炭素の容量、大きさ、長さは、適宜決定する。
この炭素ターゲットは、回転及び直線移動することにより、炭素の表面が緩やかに移動し、その結果、レーザ照射される炭素の表面が入れ替わり、新たな表面が現れるようになっている。また、一度レーザが照射した炭素ターゲット表面には溶融による穴が生じる。この穴の深さ分だけ炭素ターゲットをレーザ入射窓２方向に移動させることにより、常に炭素ターゲット表面でレーザが焦点を結ぶようになっている。
回転運動は照射方向に対して、正面に垂直の状態であることが必要である（図１）。
一つの操作において、常に炭素ターゲット表面でレーザが焦点を結ぶようにすることが必要である。この運動は遠隔操作により行なわれる。
炭素ターゲットが回転及び直線移動する回転数及び直線運動の態様は、前記のように炭素の表面が入れ替わり、新たな表面が現れるものであれば、適宜設定し、用いることができる。
【００１０】
炭素ターゲットの周囲は、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧された二原子分子以上のガス中に包まれている状態とすることが必要である。このガスは、３気圧から１３気圧の範囲内に加圧されたアルゴン、キセノン又は二原子分子以上のガスから選ばれるガスで、導入手段５（反応器のガス導入口）から供給され、炭素ターゲットを包むように流れる。圧力は、３から１３気圧の範囲であればよい。この圧力以下であれば炭素ターゲット及び得られるナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトが包まれる状態として十分でなく、その結果、十分な効果を期待することができない。一方、１３気圧以上の圧力とすることは、炭素ターゲットを包み込むためには十分な圧力であり、これを越す場合に十分な効果を期待することはできない。
レーザを照射により炭素ターゲットの表面の一部から発生する原子状及びクラスター状の炭素が高圧状態のガスに閉じ込められたままで冷却されるようにすることも必要である。
この際に発生する原子状及びクラスター状の炭素がチャンバー内を浮遊してレーザ光の光路をさえぎることがないようにガスの流れには十分に注意する必要があり、余剰ガスはチャンバーから絶えず外へ排出するようにすることが必要である。
二原子分子以上のガスには、窒素ガス、炭酸ガス、メタンガス、四フッ化炭素ガスなどを用いる事ができる。前記ガスとして窒素ガスを用いること、その結果十分な効果が得られることを見出したことは、発明者らの予想に反して画期的な事柄である。
【００１１】
レーザ照射には、高出力のＹＡＧレーザを用いることが必要である。ＹＡＧレーザ発生手段（図示せず）から発生されたレーザが装置に設けられたレーザ入射口を通り、圧力容器内に導かれ、回転運動及び一方向に直線運度を行なっている円柱状の炭素ターゲットの側面を照射するレーザ照射手段として圧力容器１に設置されている。
このレーザは、反応の熱源として作用し、反応を十分に進行させる。本発明の具体例では、出力端で３ｋＷのものを使用した。また、照射に際しては、レーザ入射口２を通して圧力容器１内に導かれ、レンズで集光して炭素ターゲットを照射する。
一度、レーザ照射した炭素ターゲットには、溶融による穴が生じていることを確認した。
この部分に同じ出力のレーザを照射しても１度目の照射と同じ量の多面体グラフアイトを得ることはできない。炭素ターゲットを回転と直線運動により移動させることにより、レーザ照射される部分の位置が変わることにより、常に新しい位置にレーザが照射され、収量を増加させることができる。このようにして連続的に反応を進めることができる。
照射時間と照射回数は適宜決定する。本発明の具体例では２秒間照射した結果である。
【００１２】
得られた生成物は、圧力容器１の底部から試料取出口４から取り出される。
反応生成物は、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを含むものである。これは本発明者らの前記の発明のものであることはラマンスペクトルなどから確認する事ができる。
本発明では、二原子分子以上のガスとして、窒素ガス（９気圧）を用いた場合には、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを９０％程度の割合で得ることができる。ＹＡＧレーザ照射のもとで、希ガスとしてアルゴンガス（９気圧）を用いた場合には、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを５０％程度の割合で得ることができることを確認している。二原子分子以上のガスにどのようなガスを選択するかによって、このように目的生成物の割合が変化することは興味深い事柄であり、有用な知見である。このほかの生成物にはナノグラフアイト集合体が含まれる。
これらの生成物から、ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを分離するには、溶媒中に分散させ、振とう機により激しく攪拌し、ナノグラフアイト集合体を分離することができる。溶媒には、水、二硫化炭素、酸などの無機溶媒、エタノール、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの有機溶媒を用いことができる。
【００１３】
以下に本発明の内容について実施例によりその具体的な内容を示す。
本発明はこの具体的な内容により限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１に示されている装置により、以下の実験を行なった。
反応条件は以下の通り。
圧力容器１内に炭素ターゲットを設置した。容器の容積は、４．３リットル
（１）炭素ターゲットは、市販の等方性高純度黒鉛棒（直径３センチメートル、長さ４センチメートルの丸棒）を用いた。
（２）使用したレーザ：ＹＡＧレーザ（出力３ｋＷ）。照射時間２秒。
（３）（イ）希ガスとしてアルゴンガス（９気圧）を使用
（ロ）二原子分子以上のガスとして窒素ガス（９気圧）を使用
結果：（イ）の場合：得られた生成物量は、１ｍｇ程であった。
ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイト量は、５０％収量であった。他の副生成物は、ナノホーンやナノグラファイト集合体であった。
（ロ）の場合：得られた生成物量は、１ｍｇ程であった。
ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイト量は、９０％収量であった。他の副生物は、ナノグラファイト集合体であった。
分析結果  ：図２は、前記（ロ）のケースの写真である。
図３は、前記（ロ）のケースの写真である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトを製造する装置。
【図２】本発明で得られるナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトの透過電子顕微鏡により観察される図。
【図３】ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイトのラマンスペクトルを示す図。
【符号の説明】
【００１６】
１    圧力容器
２    レーザ入射口
３    炭素ターゲット
４    ナノメートルオーダーの微細な球状体である多面体状グラフアイト取出手段
５    ３気圧から１３気圧の範囲内に加圧された二原子分子以上のガス導入手段
【図１】
2005239518.tif 000002
【図３】
2005239518.tif 000003
【図２】
2005239518.tif 000004