JP2003160317A - フラーレン類の製造方法およびフラーレン類の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 経済的かつ大量生産可能なフラーレン製造方
法および製造装置を提供する。 【解決する手段】 燃焼炉内において炭素含有化合物を
燃焼及び／または熱分解させてフラーレン類を生成する
フラーレン類の製造方法であって、燃焼炉内の燃焼及び
／または熱分解ガス流を燃焼炉軸方向に対する旋回流と
することを特徴とするフラーレン類の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、フラーレン類の
製造方法及びその製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】 フラーレン類（以下、単にフラーレン
と言うことがある。）は、ダイヤモンド、黒鉛に次ぐ第
三の炭素同素体の総称であり、Ｃ₆₀、Ｃ₇₀、などに代表
されるように５員環と６員環のネットワークで閉じた中
空殻状の炭素分子である。フラーレンの存在が最終的に
確認されたのは比較的最近の１９９０年のことであり、
比較的新しい炭素材料であるが、その特殊な分子構造ゆ
えに特異的な物理的性質を示すことが認められ、例えば
以下のような広範囲な分野に渡り、革新的な用途開発が
急速に展開されつつある。 （１）超硬材料への応用：フラーレンを前駆体とするこ
とで微細結晶粒子をもつ人工ダイヤモンドの精製が可能
なため、付加価値のある耐摩耗材料への利用が期待され
ている。 （２）医薬品への応用：Ｃ₆₀誘導体、光デバイスを用い
ることで抗癌剤、エイズ・骨粗鬆症・アルツハイマー治
療薬、造影剤、ステント材料等の用途としての研究が進
められている。 （３）超伝導材料への応用：フラーレン薄膜に金属カリ
ウムをドープすると１８Ｋという高い転移温度を持つ超
伝導材料をつくり出すことができることが発見され、多
方面から注目を集めている。 （４）半導体製造への応用：レジストにＣ₆₀を混ぜるこ
とでレジスト構造がより一層強化されることを利用し、
次世代半導体製造への応用が期待されている。

【０００３】各種炭素数のフラーレンの中でもＣ₆₀、お
よびＣ₇₀は比較的合成が容易であり、それゆえ今後の需
要も爆発的に高まることが予想されている。現在知られ
ているフラーレンの製造方法としては以下に示す方法が
挙げられる。 （１） レーザー蒸着法：希ガス中に置かれた炭素ター
ゲットに高エネルギー密度のパルスレーザーを照射し、
炭素原子の蒸発により合成する方法。希ガスが流れる石
英管を電気炉の中に置き、グラファイト試料をその石英
管の中に置く。ガスの流れの上流側からグラファイト試
料にレーザーを照射し、蒸発させると電気炉出口付近の
冷えた石英管の内壁にＣ₆₀やＣ₇₀などのフラーレンを含
む煤が付着する。ショット当たりの蒸発量がわずかであ
り、大量製造には不向き。 （２） 抵抗加熱法：ヘリウムガスで満たされた真空の
容器の中でグラファイト棒を通電加熱し昇華させる方
法。回路での電気抵抗ロスが大きいので大量製造に不向
き。 （３）アーク放電法：数十ｋＰａ中のヘリウムガス中で
２本のグラファイト電極を軽く接触させたり、あるいは
１〜２ｍｍ程度離した状態でアーク放電を起こし、陽極
の炭素を昇華させる方法。現在工場規模での大量製造に
用いられている。 （４）高周波誘導加熱法：抵抗加熱やアーク放電を使う
代わりに、高周波誘導により原料グラファイトに渦電流
を流し、これを加熱・蒸発する方法。 （５） 燃焼法：ヘリウム等の不活性ガスと酸素との混
合ガス中でベンゼン等の炭化水素原料を不完全燃焼させ
る方法。ベンゼン燃料の数％が煤となり、その１０％程
度がフラーレンとなる点で製造効率は良くないが、複製
する煤（フラーレン等）を液体燃料等に使用可能なこ
と、製造装置が単純である点で、アーク合成法に対抗す
る大量生産法として注目されている。 （６）ナフタレン熱分解法：ナフタレンを約１０００℃
で熱分解させる方法。このように現在までにさまざまな
フラーレンの合成法が提案されているが、いずれの方法
によってもこれまでにフラーレンを安価に大量に製造す
る方法は確立されていない。

【０００４】これらの方法のうち、最も安価で、効率的
な製造方法の一つと考えられるのは燃焼法であり、特表
平６−５０７８７９号公報には、炭素含有物を火炎中で
燃焼させ凝縮物を収集することによるフラーレンの製造
方法が記載されている。フラーレンはフラーレン等のす
す状物質中に含まれて生成されるが、このすす状物質中
にフラーレンが含まれる割合をいかに高めるかが大きな
課題となっている。

【０００５】また同公報にはフラーレンの収率を向上さ
せるために、火炎温度を上昇させる事、またその手段と
して外部エネルギー源から火炎にさらにエネルギーを供
給する方法が述べられている。好ましいエネルギー源と
しては、入力流の電気抵抗加熱、マイクロウェーブ加
熱、放電加熱及び向流加熱が挙げられている。また一般
的にフラーレンの製造は減圧下で行われ、反応領域中に
希釈剤を導入する場合もある。これらの減圧度、希釈剤
濃度は上記フラーレンの収率に影響を及ぼす事が知られ
ている。

【０００６】そして同公報には、フラーレンの収率およ
び組成は火炎中の滞留時間に依存して変化する と記載
されており、フラーレンを燃焼法で製造する場合、火炎
中の滞留時間を均一に保つことがフラーレンの収率を上
げ、組成を一定にすることにつながる。一般的に、閉じ
られた容器の中に火炎を形成させると、火炎中心部と火
炎以外の部分で流速差が生じ、燃焼反応が活発に行われ
る火炎中心部の流速が速くなる。このため、火炎外周部
で上流からの燃焼ガスの逆流・巻き込みが起こり、自己
循環が発生する場合が多い。

【０００７】このような排ガス自己循環は、火炎温度の
局所的高温化を防ぎ、ＮＯｘの発生を抑制する効果があ
る一方、フラーレンの生成過程において滞留時間の不均
一化をもたらす。つまり、自己循環が発生すると、火炎
中でフラーレンが生成している段階において、この循環
ガスの流れにのったフラーレン前駆体は滞留時間が長く
なり、循環ガスの流れにのらないフラーレン前駆体は滞
留時間が短くなる。

【０００８】フラーレンは次世代を担う新材料、新素材
として多方面から注目されており、このようなフラーレ
ンの滞留時間を制御し、フラーレンを大量に且つ安価
に、そして容易に製造する技術の開発が望まれている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前述した様な
事情に鑑みてなされたものであり、燃焼方法によるフラ
ーレンの製造において、燃焼炉等の中でのフラーレン前
駆体およびブラーレンの滞留時間を制御し、フラーレン
を大量に且つ安価に、そして容易に製造する方法を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、燃焼方法
によるフラーレンの大量且つ安価な製造方法に於いて、
最適な燃焼方法を種々検討した結果、フラーレン製造炉
内のガス流を旋回流とすることで、火炎中のフラーレン
の滞留時間を制御する事ができることを見出し、本発明
を完成させた。

【００１１】即ち本発明の要旨は、燃焼炉内において炭
素含有化合物を燃焼及び／または熱分解させてフラーレ
ン類を生成するフラーレン類の製造方法であって、燃焼
炉内の燃焼及び／または熱分解ガス流を燃焼炉軸方向に
対する旋回流とすること、好ましくは反応炉内の圧力を
大気圧未満とする、フラーレン類の製造方法に存する。

【００１２】また本発明の今ひとつの要旨は、燃焼炉内
に少なくとも炭素含有化合物と酸素含有ガスを供給し、
炭素含有化合物を燃焼及び／または熱分解させてフラー
レン類を生成するフラーレン類の製造装置において、燃
焼炉内の炭素含有化合物及び／または酸素含有ガスの供
給口が、各供給口から供給されるガスによって燃焼及び
／または熱分解ガス流が反応炉の中心軸に対して旋回流
を形成する様に配設されていることを特徴とするフラー
レン類の製造装置に存する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。本発明に係るフラーレンの製造方法及び製造装置に
ついて、図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明
に係るフラーレン製造装置の一例の全体概略断面図であ
り、図２は酸化ガス導入用ノズルと燃料導入ノズル、原
料導入ノズルの配置説明図である。

【００１４】本発明の製造方法においては、燃料及び酸
素含有ガス、およびフラーレンの原料である炭素含有化
合物（以下単に、原料と言うことがある。）を、（２）
（３）（４）の任意の供給口からから供給する。そして
燃料を燃焼させる事で火炎を形成し、この中で原料を燃
焼させてフラーレンを生成させるか、及び／または燃料
の燃焼で形成された燃焼流に原料を接触させることで熱
分解によってフラーレンを生成させる。

【００１５】燃料及び酸素含有ガスは、炉内に入る前に
混合する、いわゆる予混合燃焼であっても、それぞれ独
立したノズルから炉内に供給する、いわゆる拡散燃焼で
あっても良い。拡散燃焼の場合は、図２において、例え
ば、中央のノズル（４）から燃料及び原料を供給し、そ
の周囲のノズル（２）（３）から酸素含有ガスを供給す
る。また、予混合燃焼と拡散燃焼を組み合わせても良
く、例えば、図２において、ノズル（２）からは、燃料
と酸素含有ガスをあらかじめ混合させたものを導入し、
ノズル（３）から酸素含有ガスを、ノズル（４）から原
料をそれぞれ独立に供給してもよい。

【００１６】例えば、図２において、ノズル（２）から
は燃料と酸素含有化合物を混合したガスを供給して燃焼
させ、ノズル（３）から原料を、ノズル（４）から原料
の一部燃焼用の酸素含有ガスを供給しても良い。いずれ
にしても、燃料、原料、酸素含有ガスの供給ノズルは任
意であり、燃焼炉内に旋回流を形成することが出来れ
ば、あらゆる組み合わせで供給する事ができる。また、
これらの供給口は可動式にしてもよく、炉内の旋回流の
状態を調整できるようにする構造が好ましい。

【００１７】図１に示すフラーレン製造装置において
は、燃料、原料及び酸素含有ガスはあらかじめ混合され
炉内に供給される。燃料炭化水素及び原料炭化水素とし
ては、水素、一酸化炭素、天然ガス、石油ガス等の燃料
ガス、重油などの石油系液体燃料、クレオソート油など
の石炭系液体燃料を使用することが出来る。中でもこれ
らを精製した芳香族系炭化水素を用いることが好まし
く、特にベンゼンやトルエン等の芳香族系炭化水素が好
ましい。原料の純度は高い方が好ましく、中でも芳香族
系炭化水素を用いる際には純度が１００％に近いほど良
い。

【００１８】またフラーレンの収率を上げるためには、
燃焼過程において希ガス等を用いて希釈する事が好まし
い。希ガスは、供給用の専用ノズルから供給しても良い
し、燃料、原料、酸素含有ガス中にあらかじめ混合させ
ておいても良い。燃料・原料・酸素含有ガス供給口
（２）（３）（４）は、反応炉の同一側に開口してい
る。反応炉内に開口している各供給口の形状は任意であ
り、略円形、楕円状、三角・四角状などの多角形状やひ
ょうたん型などの不定形であってもよい。

【００１９】燃料・原料・酸素含有ガス供給口の配置
は、反応炉に開口していれば任意である。燃料・原料・
酸素含有ガス供給口から反応炉内に供給される燃料・原
料・酸素含有ガス流は、各供給口が配置されている炉底
面に対して任意の角度で供給してよいが、中でも略垂直
に配置した上で、炉内部の燃焼ガスが旋回成分を持つよ
うに配置する事が重要である。

【００２０】炉内部の燃料及び／または熱分解ガス流が
旋回流となるように、各ノズルが配設されている。例え
ば供給口の一部または全部が、炉の同一平面上に設けら
れており、且つ炉の中心軸線に対して一定の角度を有す
るように配置する場合が挙げられる。また図２に示すよ
うに、一部のノズルをそのようにし、残りのノズルは炉
底面に対して略垂直であっても良い。

【００２１】これら、ノズルを傾ける事により、炉内部
に旋回流が発生し、炉内部での排ガス自己循環作用を抑
制し、滞留時間を均一に保つ事ができる。また、旋回が
ない場合に比べて、旋回成分がある分、滞留時間を長く
保つ事ができるため、炉の大きさをコンパクトにする事
ができる。加えて、例えば、図２におけるノズル（３）
とノズル（４）から導入されるガスの流量比率を変更す
る事で、旋回の強度を制御する事ができ、炉内の滞留時
間を任意に変更する事ができる。

【００２２】これにより、得られるフラーレンの収率を
最大に調整する事ができるとともに、フラーレンの種類
を制御することもできる。反応炉内に供給される酸素含
有ガス流および燃料流の流速は適宜選択すると共に反応
炉内の温度変化などに応じて調整すればよい。炉内の燃
焼温度も重要で、少なくとも１０００℃以上、中でも１
４００℃以上、特に１６００℃以上とするのが好まし
い。

【００２３】炉内圧力は減圧状態とし、大気圧未満であ
ることが好ましく、より好ましい範囲は１０〜３００
［ｔｏｒｒ］である。燃料の希釈剤濃度は、実質的に０
〜４０モル％の範囲であり、また酸素含有ガスの酸素以
外の成分（希釈剤）濃度は０〜９０％モルの範囲で任意
に調整できる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の製造方法によって、経済的な燃
焼方法によるフラーレンの大量且つ安価な製造方法を提
供することが出来、さらに燃焼方法においてフラーレン
製造炉内のガス流を旋回流とすることでフラーレンの製
造条件を調整することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明に係るフラーレン製造装置の一
例の全体概略断面図である。

【図２】 図２は酸化ガス導入用ノズルと燃料導入ノズ
ル、原料導入ノズルの配置説明図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼炉内において炭素含有化合物を燃焼
   及び／または熱分解させてフラーレン類を生成するフラ
   ーレン類の製造方法であって、燃焼炉内の燃焼及び／ま
   たは熱分解ガス流を燃焼炉軸方向に対する旋回流とする
   ことを特徴とするフラーレン類の製造方法。
2. 【請求項２】 反応炉内の圧力が大気圧未満である事を
   特徴とする請求項１に記載のフラーレン類の製造方法。
3. 【請求項３】 燃焼炉内に炭素含有化合物及び／または
   酸素含有ガスの供給口を有し、各供給口が、各供給口よ
   り供給されるガスによって燃焼及び／または熱分解ガス
   流が反応炉の中心軸に対して旋回流を形成する様に配設
   されているフラーレン類の製造装置を用いることを特徴
   とする請求項１または２に記載のフラーレン類の製造方
   法。
4. 【請求項４】 燃焼炉内に少なくとも炭素含有化合物と
   酸素含有ガスを供給し、炭素含有化合物を燃焼及び／ま
   たは熱分解させてフラーレン類を生成するフラーレン類
   の製造装置において、燃焼炉内の炭素含有化合物及び／
   または酸素含有ガスの供給口が、各供給口から供給され
   るガスによって燃焼及び／または熱分解ガス流が反応炉
   の中心軸に対して旋回流を形成する様に配設されている
   ことを特徴とするフラーレン類の製造装置。