(57)【要約】【課題】本発明は、蒸気爆発を利用して、容易に高効率で安価に高品質ナノカーボンを製造することができるナノカーボンの製造方法及び装置に関する。【解決手段】加流ゴムを乾溜して溜状炭化物とし、その残留硫黄分が重量比１０〜３０％のものをナノ原料となし、  前記ナノ原料を加圧後の減圧途中で生ずる蒸気爆発にて超微粉砕処理し、爆発にて飛散する粒子を間接的に捕集してナノ物質含有のナノカーボンを得ることを特徴とするナノカーボンの製造及びそれを実施するための装置。【選択図】      図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加流ゴムを乾留して粒状炭化物とし、その残留硫黄分が重量比１０〜３０％のものをナノ原料となし、
前記ナノ原料を加圧後の減圧途中で生ずる蒸気爆発にて超微粉砕処理し、爆発にて飛散する粒子を間接的に捕集してナノ物質含有のナノカーボンを得ることを特徴とするナノカーボンの製造方法。
【請求項２】
前記蒸気爆発は、前記ナノ原料を封入した圧力釜の圧力を減圧解放して得るものであり、前記蒸気には、体積比３〜１０％の炭酸ガスを含めることを特徴とする請求項１に記載のナノカーボンの製造方法。
【請求項３】
内部にナノ原料を配置した圧力容器と、該圧力容器に接続される蒸気管と、この蒸気管に設けられる蒸気弁と、圧力容器の一端に配置され操作によって内部圧力を減圧する減圧排気弁と、この減圧排気弁の排気口と接続され、その排気を別置捕集装置に案内する接続管と、前記捕集装置内で、前記接続管の吐出口に面して配置されるナノ捕集材と、を備えたことを特徴とするナノカーボン製造装置。
【請求項４】
前記圧力容器の内部には、前記ナノ原料から前記減圧弁の給気口にかけて、大径粒子の飛散を防止する直接飛散防止部材が配置されることを特徴とする請求項３に記載のナノカーボン製造装置。
【請求項５】
前記捕集材は、一表面に多数の平板部材を立設して成る多孔質の捕集材で構成され、その裏面を前記捕集装置内で前記接続管の出力口側に向けて配置されることを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載のナノカーボン製造装置。
【請求項６】
前記捕集材は各種形態で複数配置され、各捕集材毎に製品分類が表記されることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のナノカーボン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気爆発を利用して、容易に高効率で高品質ナノカーボンを製造することができるナノカーボンの製造方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、フラーレンやカーボン等ナノ物質を製造する方法としては、レーザ蒸発法と、アーク放電法と、ＣＶＤ（化学的気相成長）法の３種が知られている。
【０００３】
前記レーザ蒸発法は、炭酸ガスレーザやエキシマレーザを用い、電気炉中の１２００℃に加熱したグラファイトにレーザビームを当てて蒸発させ、炉内壁にフラーレンやナノチューブが得られ、触媒金属を介在させると金属内包フラーレン等が得られる。
【０００４】
前記アーク放電法は、グラファイト製電極間でアーク放電を発生させることにより、前記電極から炭素原子を蒸発させるものである。同様に、金属触媒の有無に応じて、フラーレンやナノチューブ、また金属内包フラーレン等が、炉内壁に付着して生成する。
【０００５】
前記ＣＶＤ法は、触媒金属の微粒子を炭化水素ガスに混入し、これを６００℃〜１０００℃の電気炉中に導入し、炭素原子の集結によってナノチューブを得るというものである。
【０００６】
関連する技術情報は、別冊日経サイエンス１３８号２２〜２７Ｐ（日本経済新聞社２００２年１０月９日発行）に示されている。
【０００７】
特開平１−１８４５５号公報（カーボン粉の粉砕方法）には、密閉容器中にカーボン粉を入れ、気体の存在下で加圧状態にし、これを瞬時に圧解放することにより、平均粒径１μm以下に粉砕できるカーボン粉の粉砕方法が示されている。その実施例としては、平均粒径１００μmの人造黒鉛粉末を、高圧によって破裂する膜を備えたオートクレーブに入れ、カーボン粉に対して２０wt％の水を加えて密封して、２１０℃まで加温し、前記破裂膜の破裂によって圧を抜き、平均粒径０.８μｍのカーボン粉を得た例が示されている。
【０００８】
特開昭５５−６５２６１号公報（廃タイヤ利用カーボンブラックの製造方法）には、回転部材を備えた燃焼室中で廃タイヤを不完全燃焼させて粉状炭化物とし、この粉状炭化物を熱分解して完全炭化し、さらにこれを粉砕機で粉砕し、最後にマグネットセパレータで金属粉を取り除きカーボンブラックを作る製造方法が示されている。
【０００９】
特開昭５５−６５２６号記載の廃タイヤ利用カーボンブラックでは、廃タイヤから効率良くカーボンブラックを製造できることが示されているが、ゴムや樹脂に配合可能のカーボンブラックの製法の域は出ていない。また、特開平１−１８４５５号公報（蒸気爆発によるカーボン粉砕方法）は、カーボンを効率よく微粉砕できるが、微粉砕によってナノ物質が如何に生成されるかの研究までには至っておらず、その応用が望まれていた。
【非特許文献１】日本経済新聞社２００２年１０月９日発行、別冊日経サイエンス１３８号２２〜２７Ｐ
【特許文献１】特開平１−１８４５５号、第１頁、第２図
【特許文献２】特開昭５５−６５２６１号、第１頁、第１図
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、特開昭５５−６５２６１号公報に示される廃タイヤ利用カーボンブラック製造方法と、特開平１−１８４５５号公報に示されるカーボン粉の粉砕方法を融合し、１μｍ級の超微粉砕のカーボンブラックを効率良く製造すると共に、これらにさらにナノ物質の技術を適用し、廃タイヤ等の無機炭素原料からナノ物質を効果的に捕獲分類して、付加価値の高いカーボンブラック又は及びナノ物質を製造するナノカーボンの製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明のナノカーボンの製造方法は、加流ゴムを乾留して粒状炭化物とし、その残留硫黄分が重量比１５〜３０％のものをナノ原料となし、
前記ナノ原料を加圧後の減圧途中で生ずる蒸気爆発にて超微粉砕処理し、爆発にて飛散する粒子を間接的に捕集してナノ物質含有のナノカーボンを得ることを特徴とする。間接的とは、爆発により直接飛散する大径粒子を除去することを示す。
【００１２】
本発明の爆発は、蒸気釜中にナノ原料を入れ、０.５〜１.０MPSの蒸気加圧を行った後、減圧途中で生ずる自然爆発を用いる。急激な減圧による人工的な爆発と異なり、ナノ原料自体が自然に爆発した状態とすることができるので、微粉砕が自然で、より繊細に行われる。この蒸気爆発では、原料自体に爆発能力が必要である。爆発能力は、含有水蒸気（２０wt％前後）が必要である他、特に残留硫黄分が１０〜３０wt％のものを用いることが必要である。
【００１３】
前記蒸気爆発は、前記ナノ原料を封入した圧力釜の圧力を減圧解放して得るものであり、前記蒸気には、体積比３〜１０％の炭酸ガスを含めると、さらに爆発し易く微粉砕できる。
【００１４】
本発明のナノカーボンの製造装置は、内部にナノ原料を配置した圧力容器と、該圧力容器に接続される蒸気管と、この蒸気管に設けられる蒸気弁と、圧力容器の一端に配置され操作によって減圧する減圧排気弁と、この減圧排気弁の排気口と接続され、その排気を別置捕集装置に案内する接続管と、前記捕集装置内で、前記接続管の吐出口を挟む位置に配置されるナノ捕集材と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明のナノカーボンの製造装置では、減圧排気弁の減圧操作に基いてナノ原料を爆発させることができる。補集装置は別置きとするので、圧力容器内で直接捕集するのと異なって捕集の形態を自由に設計でき、ナノ原料及びナノ物質の特徴に応じて各種形態のナノ物質又はナノ物質含有のナノカーボンを製造することができる。蒸気爆発では、１μｍ級の超微粉砕粒に混じって大径の物質が飛散するが、これは圧力容器内に設置して、直径１μｍ以下の微粒子を気流にのせて別置捕集装置に送り、ここで、捕集することにより、フラーレンやナノカーボン、ナノチューブを集積させることができる。
【００１６】
前記圧力釜は、前記ナノ原料から前記減圧弁の給気口にかけて、大径粒子の飛散を防止する直接飛散防止部材を配置するのが好ましい。この直接飛散防止材としては、大径粒子までを捕獲する捕獲部材を充当することができる。これにより、直径１μｍ以上の大きさの大径ナノカーボンが付着するので、その種のナノカーボンとして分類製品化することができる。
【００１７】
前記捕集材は、一表面に多数の平板部材を立設して成る多孔質の捕集材で構成され、その裏面を前記捕集装置内で前記案内管の出力口側に面して配置したものとすることができる。この捕集板は多孔質、例えば直径１mm以下の小さな穴が多数明けられているので、前記案内弁の出力口から入った超微粒子は多孔質部分を通過し、平板部材に吸着されてナノチューブ等のナノ物質を集積することができる。平板部材には、電圧、磁場等の物理的状態を変化させること等もできる。
【００１８】
前記平板を各種形態で複数配置しておけば、各平板毎に異なる分類の製品を捕集することができる。
【発明の効果】
【００１９】
加流ゴムを乾留して粒状炭化物とし、その残留硫黄分が重量比１０〜３０％のものをナノ原料となし、
前記ナノ原料を加圧後の減圧途中で生ずる蒸気爆発にて超微粉砕処理し、爆発にて飛散する粒子を間接的に捕集してナノ物質含有のナノカーボンを得ることを特徴とするナノカーボンの製造方法によれば、減圧によりナノ原料を効率よく自爆させ、カーボンの微粉砕物を飛散させることができる。蒸気中に体積比３〜１０％の炭酸ガスを含めれば、前記自爆をより確実なものとすることができる。
【００２０】
内部にナノ原料を配置した圧力容器と、該圧力容器に接続される蒸気管と、この蒸気管に設けられる蒸気弁と、圧力容器の一端に配置された操作によって減圧する減圧排気弁と、この減圧排気弁の排気口と接続され、その排気を別置捕集装置に案内する接続管と、前記捕集装置内で、前記接続管の吐出口を挟む位置に配置されるナノ捕集材と、を備えたことを特徴とするナノカーボン製造装置によれば、減圧弁の減圧操作により、減圧途中でナノ原料を自爆させることができる。また、ナノ捕集材を接続管を介して別置捕集装置内で行うので、超微粉砕の気流に乗せてナノ物質集結用の原料物質のみを移送することができ、捕集材上に高度に分類されたナノ物質を捕集できる。さらに、捕集材を別置捕集装置の各所に各態様で配置できるので、捕集材を構成する平板部材毎に異なる性質のナノ物質又はナノ物質含有のナノカーボンを捕集できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態を示すナノカーボン製造装置の断面説明図である。
【００２２】
本発明の一実施形態に係るナノカーボン製造装置１は、爆発装置２と、別置き捕集装置３と、両者を結合する接続管４から成る。
【００２３】
爆発装置２は、フランジ５を境として開閉可能な圧力容器６（６Ａは圧力容器本体、６Ｂは圧力容器蓋）と、これに接続される蒸気管７と、圧力容器本体６Ａの内部に備えた２段の棚８、９とを有し、棚８、９には夫々円板状の中蓋１０、１１が配置されている。中蓋１０、１１は、例えば多数の穴の明いたパンチングメタルで構成されるが、これに限定されない。直接飛散防止部材の役目と、粗粒製品捕集材の役目を為す。
【００２４】
さらに、前記圧力容器蓋６Ｂには、温度センサ１２と、安全弁１３と、圧力計１４等の所要計器の他、減圧排気弁１５と、水管１６及び水弁１７が設けられている。容器全体は２００℃前後の高温となるので、全体を箱形保温箱１８内に収納してある。
【００２５】
前記減圧排気弁１５には、操作レバー１９が設けられ、このレバー１９を引くことにより、内部ガスを外部に接続された接続管４に排気することができる。
【００２６】
前記蒸気管７には、直列に２つの弁２０、２１が設けられ、管端には図示しない蒸気ボイラの蒸気出力口が接続されている。２つの弁２０、２１を用いるのは安全、安定のためである。両弁２０、２１の中間には炭酸ガス導入用のガス管２２が設けられ、２つのガス管には、ガス弁２３が設けられている。従って、ガス弁２３を開き、蒸気弁２０を開くことにより、炭酸ガスを圧力容器本体６Ａ内に送ることができる。蒸気弁２０は、高精度のものを用いるので、蒸気弁２１又はガス弁２２の洩れがあっても、圧力容器６Ａの内部を撹乱するようなことはない。
【００２７】
前記接続管４の管端は、ナノ捕集装置３に接続されている。捕集装置３は、ドラム形の捕集容器２４の上部に蓋２５を備えて成り、蓋２５には安全弁兼空気抜き弁２６が設けられている。捕集容器２４の内部には、接続管４の接続口２６の上下に一対の棚２７、２８が設けられ、各棚２７、２８には、捕集材２９、３０が設けられている。
【００２８】
図２に詳細に示すように、ナノ捕集材３０は、多孔質の円板３１の一表面に略等間隔で矩形の平板３２を立設したものである。ナノ捕集材２９も同様であり、板３２を立設していない面を接続口２６側として、上下対象的に配置される。円板３１を多孔質とするのは、ナノ物質の原料粒子のみを通過させ、粗大材を裏面側で受け止めるためで、多孔質の各穴径は１mm以下とされる。この穴はレーザ加工機等で穿設できる。穴ピッチはランダムで良い。
【００２９】
以上の構成のナノカーボン製造装置１は、圧力容器６（６Ａ、６Ｂ）内にナノ原料３３を配置した上で、以下の手順で作動される。
【００３０】
まず、ナノ原料３３の水分調整を水管１６より水を出して調節できるが、予め調節されているので、ほとんどその必要はない。次に、減圧排気弁１５のレバー１９を操作してその弁を解き、空気抜き弁２６を開いた状態で、圧力容器６及びナノ捕集装置３の空気抜きを行う。置換は炭酸ガス及び蒸気で行うことができる。蒸気のみで行う場合は、蒸気弁２０、２１を開き、温度１８０℃、圧力１MPSを基準に行う。予め炭酸ガス置換を行っておく方法では、ナノ捕集装置３まで蒸気を送らなくても良い。
【００３１】
これらのエア抜き操作において、炭酸ガス置換をどのように行うか、次いで蒸気置換をどのように行うかは、細かなノウハウ技術が必要である。要するに、このようにしてエア抜きまでが行われる。エア抜きまでが完了すると、温度及び圧力の平衡を確認し、爆発手順に移る。この時点で、圧力容器６内のガス中に、体積比で炭酸ガス３〜１０％を含める。これにより、爆発が調子よくなる。
【００３２】
爆発させる時点で、捕集装置３の圧力は低圧（大気圧）とする。空気抜き弁２６の圧力を大気圧又はそれより少し上の圧力に設定しておくと、レギュレータの役目を果す。爆発は手動で行う。操作者がレバー１９を引くと、圧力容器６中の圧力が抜ける。
【００３３】
しばらくすると、圧力容器６内でポンとはじける音がする。これが爆発である。爆発が終了すると少し時間が経ってからレバーから手を離し、蒸気弁２０、２１を開き、再度圧力調整する。このとき、炭酸ガスも少量導入し、炭酸ガス量３〜１０％を保つ。
【００３４】
爆発は、同一ナノ原料３３に対し数十分の間隔で数回、例えば５回行うことができる。その度にナノ原料３３は減少し、ついには爆発せず、爆発音が聞こえなくなる。この時点で爆発作業を終了する。
【００３５】
これら爆発作業の工程に伴って、圧力容器６中のナノ原料３３は爆発し、粒子混じりの気流３３Ａを発生し、この気流３３Ａは、中蓋１０、１１、減圧排気弁１５、接続管４、捕集材３０を通り、順次性質の異なる気流３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、３３Ｅ、３３Ｆ、３３Ｇとなって捕集装置３内に拡散される。気流３３Ａには、爆発による大径粒子が多量に含まれている。３３Ｂ、３３Ｃでは、大径粒子が除かれている。気流３３Ｄ、３３Ｅでは、直径１μｍ以下となり、原子、分子サイズの粒子が含まれる。この気流を原子粒とも呼ぶ。原子粒３３Ｅは、ナノ捕集材３０の多孔質部分を通過して平板３２の表面に付着してフラーレンやナノカーボンを成長させる。
【００３６】
爆発及び捕集工程の終了後、爆発装置２及びナノ捕集装置３の蓋を開き、ナノ原料３３を入れ換えると共に、ナノ捕集材２９、３０からナノカーボンを捕集する。採集されたナノカーボンは、捕集材毎に性質が異なるので次表の如く捕集材毎に分類して製品とする。表中なの花は登録商標である。中蓋１０、１１に付着したカーボンも微粉砕されているので、粒子粗目のナノカーボンとして商品化できる。ナノ捕集材２９、３０は、多数準備できるので、これにナノ物質を付着させて取出し、次のナノ捕集材２９、３０をセットすることにより、爆破手順を続けて行うことができる。
【表１】
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【００３７】
爆発装置２の圧力容器蓋６Ｂは、横型に変更することもできる。中蓋１０、１１は水平配置でなく斜め配置でも良い。中蓋に加えて整流板を追加し、減圧排気弁１５に爆発粒子が直接突進するのを防止することもできる。接続管４を分岐し、分岐管３４、３５を介し、２重、３重のナノ捕集装置３を組み合わせることもできる。さらにナノ捕集装置３のナノ捕集材２９、３０を各種変形することもでき、各捕集材毎に分類数を増すことができ、これら捕集方式毎に種類の異なるナノカーボンを製造することができる。
【００３８】
次に、本発明に利用するナノ原料の製造方法を図６及び図７を参照して以下に説明する。これらの図中で、矢印Ａは、工程の流れを示す。
【００３９】
素原料は、廃タイヤ、中古ベルト、廃棄ゴム等の加硫ゴムである。前記素原料としては、これら石油製品の廃棄物に限定されないが、石油製品の廃棄物を利用し得ることが１つの利点であって、環境保護の観点からも有意義である。前記素原料は、乾溜槽３６を備えた真空乾溜炉３７に投入される。前記真空乾溜炉３７では、前記素原料を４００℃程度で安全器３８、熱交換器３９を介して還流槽３６で真空熱分解させ、油回収器４０で油類を除き、ワイヤー等の金属片と共に乾溜物を回収する。残留カーボンは、６０％に達する。副産物の油は良質なものであって３０％程度である。残り１０％は、金属である。副産物の油の回収率を３０％に留め、残留カーボン量を多くするのが１つの特徴である。
【００４０】
次ぎに、乾溜炉３７で製造したカーボンブラック４１は、塊状の為、粗破砕機４２で粗破砕を行い、マグネットロール４３でワイヤー片を除去する。
【００４１】
金属片を除去したカーボンブラック４４は、２重式ロータリーキルン４５に投入し、熱変化を与える。この結果、不要な物質が酸化除去されて、前記カーボンブラック４４は、それ以上の熱変化が生じにくいものへと変化する。ゴムの臭気等の不要物質は、除かれる。
【００４２】
前記ロータリーキルン４５で処理したカーボンブラック４６は、ホッパ４７を介して微粉砕機４８及び振動ふるい４９にかけ、その粒度２ｍｍ以下に粒度調節し、粗原料５０となる。
【００４３】
以上により、本発明のナノ原料の製造方法では、廃タイヤ、廃農業用ビニール等の石油製品の廃棄物より油、金属等を回収した後の残留カーボンを素原料として、それを再処理し、カーボンブラックを生成することができる。粗原料５０のうち、残留硫黄分１０〜３０％のものを本圧明のナノ原料３３とする。本発明により、これまで決定的な再利用方法のなかった廃タイヤ等の石油製品の産業廃棄物を、高い付加価値を有するナノカーボンの製造に利用することができる。また、従来よりもはるかに安価に、ナノカーボンを提供できる。
【００４４】
従来の乾溜は、より多くの油を回収するということに主眼を置いていたため、８００℃程度の比較的高温で実施されていた。本発明では、これより、はるかに低温の３５０℃〜４００℃で実施できるので、設備をより簡易にすることができる。また焼却による黒煙及びダイオキシン等の好ましからざるものの発生の懸念も小さい。
【００４５】
超微粉化されたカーボンクラスターを捕獲するには核が必要であるが、鉄粉や鋼粉などの金属粉を原料に添加することもできる。添加すべきか否かは、製造すべきナノ物質によって決定されるべきである。
【００４６】
以上、本発明の好適な実施例を記述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、該技術分野の通常の技術を有する者が、実施例の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。
【００４７】
例えば、蒸気爆発を誘発させる手段としては、瞬爆剤として水を滴化しても良い。手動操作に代えて自動化することもできる。そのタイミングを適切化すべく、爆発装置３の内部音を拡張して示すスピーカ類を配置することもできる。
【００４８】
また、既に示したように、前述の各実施形態によるナノ物質製造装置のディメンジョンを変更することが可能である。特に、捕集装置の位置、形状、形態を種々変更すれば、それによって得られるナノ物質の種別が異なる。また、より効率的に製造することも可能となる。
【００４９】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計的変更を加えることができ、各種態様で実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上より理解されるように、水蒸気爆発を利用することにより、１００〜２００℃程度の比較的低温でナノ物質を製造することができる。比較的低温でよいので、簡易な装置で、容易かつ高い効率で高品質のナノカーボンを製造することができる。さらに、原料として廃タイヤ、中古ベルト、廃棄ゴム等の石油製品の廃棄物を利用することができ、環境保護の観点から有意義である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態に係るナノカーボン製造装置の断面説明図である。
【図２】図１に示したナノ捕集材を拡大して示す斜視図である。
【図３】本発明に用いるナノ原料の製造方法に用いる工程の前段部を示す説明図である。
【図４】図３に示した工程に続く工程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  ナノカーボン製造装置
２  爆発装置
３  ナノ捕集装置
４  接続管
５  フランジ
６  圧力容器
６Ａ  圧力容器本体
６Ｂ  圧力容器蓋
７  蒸気導入管
８、９、２７、２８  棚
１０、１１  中蓋
１２  温度センサ
１３  安全弁
１４  圧力計
１５  減圧排気弁
１６  水管
１７  水弁
１８  保温箱
１９  レバー
２０  蒸気
２１  ガス管
２２  ガス弁
２４  捕集容器
２５  蓋  
２６  空気抜き弁
２９、３０  ナノ捕集材
３１  円板
３２  平板
３３  ナノ原料
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｄ、３３Ｅ、３３Ｆ  気流
３４、３５  分岐管
３６  乾溜槽
３７  真空乾溜炉
３８  安全器
３９  熱交換器
４０  油回収器
４２  粗破砕機
４３  マグネットロール
４４、４６  カーボンブラック
４５  ロータリーキルン
４７  ホッパ
４８  微粉砕機
４９  振動ふるい
５０  粗原料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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