(57)【要約】【課題】気相中で合成したナノ粒子の表面を改質して凝集を防止することができ、或いは、粒子表面に電荷を付加することなく他物質を被覆することができるナノ粒子の表面処理装置および方法を提供する。【解決手段】内部にマイクロ波２が共鳴可能な共鳴空間９を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器１０と、中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給して共鳴空間にマイクロ波の共鳴状態を形成するマイクロ波供給装置１２と、中空共鳴容器の外部から、共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管２０と、連続中空管の内側を通してその一端から他端に向けて、ナノ粒子を含む混合ガスを連続的に供給するナノ粒子供給装置２２と、連続中空管の他端から排出された混合ガスからナノ粒子１を分離するナノ粒子分離装置２６とを備える。【選択図】図２
2009001890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にマイクロ波が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器と、
該中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給して前記共鳴空間にマイクロ波の共鳴状態を形成するマイクロ波供給装置と、
前記中空共鳴容器の外部から、前記共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管と、
該連続中空管の内側を通してその一端から他端に向けて、ナノ粒子を含む混合ガスを連続的に供給するナノ粒子供給装置と、
前記連続中空管の他端から排出された前記混合ガスからナノ粒子を分離するナノ粒子分離装置とを備えた、ことを特徴とするナノ粒子の表面処理装置。
【請求項２】
前記ナノ粒子は、Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎから選択された１または２以上の基材粒子、又はこれらとＳｉ，Ｇｅ，Ｂ，ＳｉＯ２，ＳｉＣから選択された１または２以上の第三物質からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のナノ粒子の表面処理装置。
【請求項３】
前記中空共鳴容器は、前記共鳴空間の形状を変化させマイクロ波の共鳴状態を形成するための可動壁を有し、
さらに、前記可動壁を前記共鳴空間の形状を変化させるために移動する壁駆動装置を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のナノ粒子の表面処理装置。
【請求項４】
前記マイクロ波供給装置は、所定の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
発生したマイクロ波を前記中空共鳴容器内に供給する導波管と、
該導波管に取付けられ、中空共鳴容器から反射されるマイクロ波強度を計測する反射電力計とを備える、ことを特徴とする請求項３に記載のナノ粒子の表面処理装置。
【請求項５】
前記反射電力計の出力信号を受信し前記壁駆動装置を制御する共鳴制御装置を備え、
該共鳴制御装置により前記出力信号が最小となる位置に前記可動壁を移動させる、ことを特徴とする請求項４に記載のナノ粒子の表面処理装置。
【請求項６】
内部にマイクロ波が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器内に、その外部から、前記共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管を備え、
該中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給して前記共鳴空間にマイクロ波の共鳴状態を形成し、
該連続中空管の内側を通してその一端から他端に向けて、ナノ粒子を含む混合ガスを連続的に供給して、ナノ粒子をマイクロ波で高温に加熱し、
前記連続中空管の他端から排出された前記混合ガスからナノ粒子を分離する、ことを特徴とするナノ粒子の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ粒子の表面を改質して凝集を防止し、或いはナノ粒子の表面に他物質を被覆するナノ粒子の表面処理装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波は、波長が１ｍｍ（３００ＧＨｚ）から１ｍ（０．３ＧＨｚ）の電磁波であり、身近な例では家庭用の電子レンジ（２．４５ＧＨｚ）として利用されている。
マイクロ波は、バルク金属では表面で反射されるため加熱できないが、粉末状あるいは密度の低い金属成形体であれば吸収されて発熱するため加熱することができる。そのため、この特性を利用して、ＴｉＮ，ＣｒＮなどの硬質材料の製造、Ｍｎ４Ｎ，Ｆｅ２Ｎなどの磁性材料の製造、金属やセラミックスの窒化膜コーティング、等が提案されている（非特許文献１）。
【０００３】
またマイクロ波を用いた微粒子の製造手段として、例えば特許文献１が既に開示されている。
【０００４】
特許文献１の発明は、均質な微粒子、特にナノメートルサイズの半導体ナノ粒子を効率よく製造することを目的とする。
そのため、この発明は、図４に模式的に示すように、流体を流路を経由して、内径が５ｍｍ以下の反応路５１に流通させ、該反応路５１内にて、前記流体から所定の生成物を生成せしめるための生成物製造装置であり、反応路５１にマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生器５３を具備するものである。
【０００５】
【非特許文献１】吉川昇、他、「金属のマイクロ波加熱と最近の材料・環境技術へのマイクロ波応用」、まてりあ、第４５巻  第８号（２００６）
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１８８６６６号公報、「生成物製造装置ならびにそれを用いた微粒子の製造方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
直径が１〜１０ｎｍのナノ粒子は、種々の合成法で製造されるが、生成されるとすぐに凝集する特性がある。そのため、ナノ粒子の合成はｐＨおよびイオン電解質濃度を制御した液相中あるいは真空中で主に行なわれていた。
また、気相中で合成する場合は、粒子同士の凝集が起こる前に、酸性物質あるいはアルカリ性物質などと反応させて表面処理を施し、粒子表面の電荷を制御して凝集を防止していた。
【０００８】
しかし、単分散ナノ粒子、高選択性ナノ粒子、高機能性ナノ粒子などのナノ粒子を製造する場合、気相中で合成した粒子に酸性物質あるいはアルカリ性物質などと反応させて粒子表面に電荷を付加すると、その後で粒子表面に他物質を被覆するのが困難となる問題点があった。
そこで、気相中で合成した粒子表面に電荷を付加することなく粒子の凝集を防止し、或いは気相中で合成した粒子表面に電荷を付加することなく他物質を被覆することが望まれていた。
【０００９】
本発明は、かかる要望に応えるために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、気相中で合成したナノ粒子を酸性物質あるいはアルカリ性物質などと反応させて粒子表面に電荷を付加することなく、その表面を改質して凝集を防止することができ、或いは、粒子表面に電荷を付加することなく他物質を被覆することができ、かつ装置の損傷が少なく、エネルギー損失も少ないナノ粒子の表面処理装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、内部にマイクロ波が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器と、
該中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給して前記共鳴空間にマイクロ波の共鳴状態を形成するマイクロ波供給装置と、
前記中空共鳴容器の外部から、前記共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管と、
該連続中空管の内側を通してその一端から他端に向けて、ナノ粒子を含む混合ガスを連続的に供給するナノ粒子供給装置と、
前記連続中空管の他端から排出された前記混合ガスからナノ粒子を分離するナノ粒子分離装置とを備えた、ことを特徴とするナノ粒子の表面処理装置が提供される。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ナノ粒子は、Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎから選択された１または２以上の基材粒子、又はこれらとＳｉ，Ｇｅ，Ｂ，ＳｉＯ２，ＳｉＣから選択された１または２以上の第三物質からなる。
【００１２】
また、前記中空共鳴容器は、前記共鳴空間の形状を変化させマイクロ波の共鳴状態を形成するための可動壁を有し、
さらに、前記可動壁を前記共鳴空間の形状を変化させるために移動する壁駆動装置を備える。
【００１３】
また、前記マイクロ波供給装置は、所定の周波数のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
発生したマイクロ波を前記中空共鳴容器内に供給する導波管と、
該導波管に取付けられ、中空共鳴容器から反射されるマイクロ波強度を計測する反射電力計とを備える。
【００１４】
また、前記反射電力計の出力信号を受信し前記壁駆動装置を制御する共鳴制御装置を備え、
該共鳴制御装置により前記出力信号が最小となる位置に前記可動壁を移動させる。
【００１５】
また、本発明によれば、内部にマイクロ波が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器内に、その外部から、前記共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管を備え、
該中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給して前記共鳴空間にマイクロ波の共鳴状態を形成し、
該連続中空管の内側を通してその一端から他端に向けて、ナノ粒子を含む混合ガスを連続的に供給して、ナノ粒子をマイクロ波で高温に加熱し、
前記連続中空管の他端から排出された前記混合ガスからナノ粒子を分離する、ことを特徴とするナノ粒子の表面処理方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎなどの金属材料は、バルクでは表面でマイクロ波を反射するが、粉末状であればマイクロ波を吸収して発熱する。また、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｂ，ＳｉＯ２，ＳｉＣなどは、マイクロ波の良好な吸収物質であり、マイクロ波の照射により容易に高温に加熱される特性がある。
【００１７】
上述した本発明の装置および方法によれば、内部にマイクロ波が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器内に所定の周波数のマイクロ波を供給してマイクロ波の共鳴状態を形成するので、この共鳴状態において中空共鳴容器内にマイクロ波の電界強度の高い領域を少ないエネルギー損失で形成することができる。
【００１８】
また中空共鳴容器の外部から、共鳴空間を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管を備え、その内側を通してその一端から他端に向けて、ナノ粒子を含む混合ガスを連続的に供給することで、連続中空管を通してマイクロ波の吸収物質であるナノ粒子に選択的にマイクロ波を照射し、２０００℃を超える高温にナノ粒子を効率よく加熱することができ、この高温においてナノ粒子の表面のみを溶融させて改質して凝集を防止し、あるいは他物質を被覆することができる。
【００１９】
従って中空共鳴容器やその他の構成機材をナノ粒子より低温の比較的穏和な条件に維持出来るため、炉体への負荷をあまりかけずに、ナノ粒子の改質または被覆ができ、ナノ粒子に新しい機能を創出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２１】
図１は、本発明によるナノ粒子の表面処理装置の全体構成図である。
この図に示すように本発明のナノ粒子の表面処理装置は、中空共鳴容器１０、マイクロ波供給装置１２、壁駆動装置１６および共鳴制御装置１８を備える。
【００２２】
中空共鳴容器１０は、内部でマイクロ波２が共鳴可能な共鳴空間９を有する。この共鳴空間９は、中空円筒形又は中空直方体であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、内部でマイクロ波が共鳴可能であれば、任意の形状であってもよい。
中空共鳴容器１０は、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる。また、この材料はナノ粒子１が２０００℃以上、好ましくは２５００℃以上に加熱されても、損傷を受けない耐熱強度が高い材料からなる。このような材料として、例えばグラファイトを用いることができる。
【００２３】
この例において、中空共鳴容器１０は、共鳴空間９の形状を変化させマイクロ波２の共鳴状態を形成するための可動壁（後述する底板１０ｂおよび上蓋１０ｃ）を有する。
【００２４】
この例において、中空共鳴容器１０は、中空胴部１０ａ、底板１０ｂおよび上蓋１０ｃからなる。
中空胴部１０ａはこの例では円筒管であるが、矩形管であってもよい。
底板１０ｂは、中空胴部１０ａの下部にシール材を介して嵌合し、共鳴空間９の底部を形成する。
また、上蓋１０ｃは、中空胴部１０ａの上部にシール材を介して嵌合し、共鳴空間９の蓋部を形成する。底板１０ｂおよび上蓋１０ｃは互いに平行であり、かつそれぞれ中空胴部１０ａの軸線に沿って上下動可能に形成されている。シール材は、内部の気密を保持できる限りで、任意の材料からなる。
なお、この例において、可動壁は、底板１０ｂと上蓋１０ｃであるが、本発明はこれに限定されず、可動壁をいずれか一方としてもよい。
【００２５】
マイクロ波供給装置１２は、中空共鳴容器１０内に所定の周波数（例えば２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波２を供給する。
この例において、マイクロ波供給装置１２は、所定の周波数のマイクロ波２を発生するマイクロ波発生装置１２ａと、発生したマイクロ波２を中空共鳴容器１２内に供給する導波管１２ｂと、反射電力計１３とを備える。
導波管１２ｂは、マイクロ波２を低損失で中空共鳴容器１２内まで伝播させる形状であり、かつ中空共鳴容器１０内の共鳴空間９にマイクロ波２の共鳴状態を形成できる位置に連結されている。この位置は、予めシミュレーション等で決定するが、底板１０ｂを移動して調整してもよい。
反射電力計１３は、導波管１２ｂに取付けられ、中空共鳴容器１０から反射されるマイクロ波強度を計測する。共鳴空間９にマイクロ波２の共鳴状態が形成されると、反射されるマイクロ波強度が最も弱くなる。
【００２６】
壁駆動装置１６は、可動壁（この例では底板１０ｂおよび上蓋１０ｃ）を共鳴空間９の形状を変化させるために移動する。
この例において、壁駆動装置１６は、底板１０ｂを駆動する底板駆動装置１６ａと、上蓋１０ｃを駆動する上蓋駆動装置１６ｂとからなる。壁駆動装置１６（底板駆動装置１６ａと上蓋駆動装置１６ｂ）は、例えばスクリュージャッキ、直動シリンダ、ボールネジである。
なお、底板駆動装置１６ａと上蓋駆動装置１６ｂの両方は不可欠ではなく、いずれか一方のみでもよい。
【００２７】
共鳴制御装置１８は、反射電力計１３の出力信号を受信し、壁駆動装置１６（この例では上蓋駆動装置１６ｂ）を制御する。
この共鳴制御装置１８により、反射電力計１３の出力信号が最小となる位置に可動壁（この例では上蓋１０ｃ）を移動させる。
【００２８】
図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。この図に示すように、本発明の高機能化炭素繊維製造装置は、さらに連続中空管２０、ナノ粒子供給装置２２およびナノ粒子分離装置２６を備える。
【００２９】
連続中空管２０は、中空共鳴容器１０の外部から、中空共鳴容器内の共鳴空間９を通って、中空共鳴容器の外部まで連続して延びる。この連続中空管２０は１３００℃以上の高温に耐える耐熱性石英管であるのがよい。
また、連続中空管２０の入口部と出口部は、共鳴状態におけるマイクロ波強度の低い領域に設けるのがよい。
また、この連続中空管２０は、共鳴空間９のマイクロ波強度の高い領域（後述する）を通りかつ内部を炭素繊維がスムースに通過できるように形成された螺旋管であるのがよい。
なお、この例で連続中空管２０の螺旋を直径の異なる３重螺旋管で示しているが、本発明はこの構成に限定されず、直径とピッチを任意に設定することができる。
【００３０】
ナノ粒子供給装置２２は、連続中空管２０の内側を通してその一端から他端に向けて、ナノ粒子を含む混合ガスを連続的に供給する。
ナノ粒子供給装置２２は、この例では、ナノ粒子合成装置２３から供給される基材粒子１を含む混合ガスを混合部２２ｂを介して連続中空管２０の一端に供給するガスブロア２２ａと、第三物質３（またはこれを含む混合ガス）を第三物質供給装置２４から混合部２２ｂに供給する第三物質供給管２２ｃとからなる。
基材粒子１は、Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎから選択された１または２以上のナノ粒子である。また、第三物質３は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｂ，ＳｉＯ２，ＳｉＣから選択された１または２以上のナノ粒子である。
なお、第三物質３は必須ではなく、基材粒子１のみを含む混合ガスを連続中空管２０に供給してもよい。また、ガスは不活性ガスであるのが好ましいが、第三物質３を省略し、基材粒子１の表面に被膜を形成する反応性ガスを用いてもよい。
【００３１】
ナノ粒子分離装置２６は、連続中空管２０の他端から排出された混合ガスから表面処理後のナノ粒子１を分離する。
ナノ粒子分離装置２６は、この例では、粒子分離器２６ａであり、混合ガスからナノ粒子１を分離して粒子保管装置２７に回収し、分離後のガスは、別途処理して回収または廃棄するようになっている。
粒子分離器２６ａは、例えばフィルター、サイクロン、等である。
【００３２】
上述した装置を用い、本発明のナノ粒子の表面処理方法は、以下のステップからなる。
（１）まず、内部にマイクロ波２が共鳴可能な共鳴空間９を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器１０内に、その外部から、共鳴空間９を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管２０を備える。
この際、連続中空管２０の中間部分を共鳴状態におけるマイクロ波強度の高い領域内に保持する。このマイクロ波強度の高い領域は、予め実験又はシミュレーションにより決定することができる。
（２）次に、中空共鳴容器１０内に所定の周波数のマイクロ波２を供給して共鳴空間９にマイクロ波２の共鳴状態を形成する。共鳴状態の形成とその確認は、上述した壁駆動装置１６と反射電力計１３を用いることでできる。
（３）次に、連続中空管２０の内側を通してその一端から他端に向けて、ナノ粒子（基材粒子１、第三物質３）を含む混合ガスを連続的に供給して、ナノ粒子をマイクロ波で高温に加熱する。
この方法により、ナノ粒子（基材粒子１、第三物質３）をマイクロ波２で高温（例えば２０００℃以上）に加熱して、基材粒子１の表面を改質して凝集を防止することができ、或いは、基材粒子１の表面に他物質（第三物質３）を被覆することができる。
（４）処理後のナノ粒子１は、連続中空管２０の他端から排出された後に、混合ガスから分離され、粒子保管装置２７に回収される。
【実施例】
【００３３】
図３は、本発明における中空共鳴容器内の電界強度分布図である。この例は、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚであり、共鳴モードはＴＭ０１１モードである。また、その条件は直径２０８ｍｍ，高さ６９ｍｍである。このときの導波管部との結合部の中心高さは２５ｍｍとなる。
【００３４】
図３において、斜線部分Ａで電界強度が大きくなっている。従って、上述したように、連続中空管２０の中間部分は、中空共鳴容器１０の外周部中間高さに位置するのがよい。
【００３５】
マイクロ波の周波数と共鳴器形状の関係は、数１の式（１）で決定される直径と高さの組み合わせで上記分布（ＴＭ０１１モード）が成立する。
なお、導波管１２ｂと共鳴器１０の結合部の底面からの高さは，共鳴器１０の直径と高さにより任意に変化するため解析により決定するのがよい。
【００３６】
【数１】
2009001890.tif 000003
【００３７】
上述した本発明の装置および方法によれば、内部にマイクロ波２が共鳴可能な共鳴空間を有し、マイクロ波の吸収が少ない材料からなる中空共鳴容器１０内に所定の周波数のマイクロ波を供給してマイクロ波の共鳴状態を形成するので、この共鳴状態において中空共鳴容器内にマイクロ波の電界強度の高い領域を少ないエネルギー損失で形成することができる。
【００３８】
また中空共鳴容器１０の外部から、共鳴空間９を通って、その外部まで連続して延びる連続中空管２０を備え、その内側を通してその一端から他端に向けて、ナノ粒子を含む混合ガスを連続的に供給することで、連続中空管２０を通してマイクロ波の吸収物質であるナノ粒子に選択的にマイクロ波を照射し、２０００℃を超える高温にナノ粒子を効率よく加熱することができ、この高温においてナノ粒子（基材粒子１）の表面のみを溶融させて改質して凝集を防止し、あるいは他物質（第三物質３）を被覆することができる。
【００３９】
従って中空共鳴容器１０やその他の構成機材をナノ粒子１より低温の比較的穏和な条件に維持出来るため、炉体への負荷をあまりかけずに、ナノ粒子の改質または被覆ができ、ナノ粒子に新しい機能を創出できる。
【００４０】
さらに本発明の装置および方法は、連続式であるので、従来のバッチ式に比べて生産性を大幅に高めることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明によるナノ粒子の表面処理装置の全体構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】本発明における中空共鳴容器内の電界強度分布図である。
【図４】特許文献１の装置の模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  ナノ粒子（基材粒子）、２  マイクロ波、３  高機能化処理ガス、９共鳴空間、
１０  中空共鳴容器、１０ａ  中空胴部、１０ｂ  底板、１０ｃ  上蓋、
１２  マイクロ波供給装置、１２ａ  マイクロ波発生装置、
１２ｂ  導波管、１３  反射電力計、
１６  壁駆動装置、１６ａ  底板駆動装置、１６ｂ  上蓋駆動装置、
１８  共鳴制御装置、２０  連続中空管、
２２  ナノ粒子供給装置、２２ａ  ガスブロア、２２ｂ  混合部、
２２ｃ  第三物質供給管、２３  ナノ粒子合成装置、
２４  第三物質供給装置、２６  ナノ粒子分離装置、
２６ａ  粒子分離器、２７  粒子保管装置
【図１】
2009001890.tif 000004
【図２】
2009001890.tif 000005
【図３】
2009001890.tif 000006
【図４】
2009001890.tif 000007