JP2005350307A - Modified carbon material and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a modified carbon material having hydrophilicity and a method for producing the same.
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。
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。
However, the method of forming a hydrophilic polymer film on the surface may lose the properties originally possessed by the carbon material, such as affinity with a living body.
In addition, the vapor phase oxidation method requires processing at a high temperature, so that power consumption increases, and it takes time to raise and lower the temperature, resulting in poor processing efficiency. In the liquid phase oxidation method, since a strong oxidizing agent is used, workability is deteriorated and processing efficiency is still poor.
The present invention has been made to solve the above problems, and its object is to
An object of the present invention is to provide a modified carbon material and a method for producing the same, which can perform hydrophilic treatment in a short time and easily without using chemicals.
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。
The modified carbon material according to the present invention is obtained by irradiating a carbon material with microwaves.
The carbon material is carbon fiber.
The carbon material is a carbon material obtained by firing a polymer material in which an atomic group containing a hetero atom such as nitrogen, oxygen, or sulfur is present in a main chain or a side chain.
Further, the polymer substance is a naturally derived material.
The natural material is a silk material.
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。
In addition, the method for producing a modified carbon material according to the present invention includes a polymer material made of a naturally-derived material in which atomic groups containing heteroatoms such as nitrogen, oxygen, and sulfur are present in the main chain and side chains. And a process of forming a carbon material by firing at 500 ° C. to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere, and a step of irradiating the carbon material with microwaves.
The natural material is a silk material.
The firing temperature is 600 to 800 ° C.
The temperature is raised to a firing temperature at a temperature elevation rate of 100 ° C. or less per hour, and the firing is performed at this firing temperature for several hours.
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。 According to the present invention, a modified carbon material having hydrophilicity and antibacterial properties can be provided. This modified carbon material is particularly suitable for use as a base material for medical gauze and bandage.
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。
Carbon materials include high-molecular substances made of naturally-occurring materials such as silk, cotton, wool, etc., which contain atomic groups containing heteroatoms such as nitrogen, oxygen, and sulfur in the main chain and side chains. What was baked and carbonized is suitable. Particularly, carbonized silk material is suitable.
Hereinafter, a silk material will be described as an example.
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。 Here, the silk material is a general term for woven fabrics, knitted fabrics, powders, cotton, yarns, and the like made of rabbits or wild silk. These are fired alone or in combination.
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。 The firing temperature is preferably 1000 ° C. or lower. The firing atmosphere is performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas or in a vacuum to prevent the silk material from burning and ashing.
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。
The firing conditions are such that rapid firing is avoided and the firing is performed in a plurality of stages.
For example, in an inert gas atmosphere, the temperature is raised at a moderate temperature increase rate of 100 ° C./hour, preferably 50 ° C./hour or less until the first firing temperature (for example, 500 ° C.). Hold for several hours and perform primary firing. Next, after cooling to room temperature, the temperature is gradually raised to a secondary firing temperature (for example, 700 ° C.) at a moderate temperature increase rate of 100 ° C. or less, preferably 50 ° C. or less per hour. The secondary firing is performed for several hours. Subsequently, it cools and the target silk sintered body is taken out from a baking furnace.
The firing conditions are not limited to the above, and can be appropriately changed depending on the type of silk material, the desired function of the fired body, and the like.
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。
As described above, the baking is performed in a plurality of stages, the temperature is increased at a moderate temperature increase rate, and the baking is performed at a low temperature of 1000 ° C. or less. It has been found that rapid degradation of protein higher-order structures in which crystalline structures and crystalline structures are complicated is avoided, and various functions are produced particularly when a large amount of nitrogen components remain.
Moreover, by baking at a low temperature of 500 ° C. to 1000 ° C. or less, it is not graphitized, and a black glossy flexible (flexible) silk fired body is obtained.
From the viewpoint of water absorption (hydrophilicity) and antibacterial properties, which will be described later, it is preferable to fire at a low temperature of 600 ° C to 800 ° C.
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。 FIG. 1 is a Raman spectrum diagram of a fired product when coarse-grained silk is fired at a high temperature of 2000 ° C. 2681cm -1, 1570cm -1, it is understood that graphitized since the peak at 1335cm -1 are observed.
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。 2, FIG. 3, and FIG. 4 are Raman spectrum diagrams of fired products when coarse-grained silk is fired at 700 ° C., 1000 ° C., and 1400 ° C., respectively. When the firing temperature is 1400 ° C., the peak value is low, but the peaks at the three locations are seen. In the case of a calcination temperature of 1000 ° C. or less, since the above-mentioned remarkable peak is not seen, it is considered that almost no graphitization has occurred.
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。
The measurement conditions are acceleration voltage: 15 kV, irradiation current: 1 μA, probe diameter: 100 μm. In addition, the value in a table | surface shows the tendency of a detection element, and is not a guaranteed value.
As is clear from Table 1, it can be seen that a large amount of nitrogen element of 27.4 wt% remains. In addition, it can be seen that other elements derived from amino acids are multi-elements that remain.
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。
The measurement conditions are acceleration voltage: 15 kV, irradiation current: 1 μA, probe diameter: 100 μm. In addition, the value in a table | surface shows the tendency of a detection element, and is not a guaranteed value.
As is clear from Table 2, the residual amount of nitrogen element is reduced to 15.7 wt%.
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。
The measurement conditions are acceleration voltage: 15 kV, irradiation current: 1 μA, probe diameter: 100 μm. In addition, the value in a table | surface shows the tendency of a detection element, and is not a guaranteed value.
As is apparent from Table 3, a large amount of nitrogen element of 24.5 wt% remains.
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。
FIG. 5 is an FE-SEM photograph when the silk material is fired at 700 ° C. On the surface, there is a thin film that appears to be due to baking residues derived from amino acids such as elemental nitrogen.
On the other hand, FIG. 6 is an FE-SEM photograph when the silk material is fired at a high temperature of 2000 ° C., but the surface is clean and the presence of the film as described above is not recognized.
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。
Table 4 shows the antibacterial test results of the fired product obtained by firing the rabbit knitted fabric at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere.
The test was conducted according to a JIS L 1902 quantitative test (unified test method).
Standard cotton cloth is used for unprocessed cloth. In the table, the number of unprocessed cloth bacteria indicates the number of bacteria grown by inoculating on unfired cloth.
In the table, for example, 1.9E + 04 is 1.9 × 10 4 , and 4.3 is the logarithmic value thereof.
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。
As is apparent from Table 4, in the case of the unprocessed cloth, the bacteria greatly proliferated, but in the case of the baked sample cloth, it can be seen that all the bacteria are greatly reduced and have an antibacterial action.
Thus, having an antibacterial action is due to the fact that a large amount of nitrogen derived from amino acids remains, particularly as described above, due to baking in multiple stages, a slow heating rate, and low temperature baking at 1000 ° C. or lower. I guess that.
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。 In the present invention, the fired product (carbon material) obtained by firing as described above is irradiated with microwaves (frequency: 2.45 GHz). When irradiating microwaves, it is advisable to sandwich the carbon material with an unglazed plate or the like in order to prevent the carbon material from burning and ashing.
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。 A 9 cm × 9 cm silk fabric was fired at 700 ° C. as described above, and the fired product was stored in a household microwave oven with an output of 500 W while being sandwiched between unglazed plates and irradiated with microwaves for 6 minutes.
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。 A 9 cm × 9 cm cotton fabric was fired at 700 ° C. as described above, and the fired product was stored in a household microwave oven with an output of 500 W while being sandwiched between unglazed plates and irradiated with microwaves for 6 minutes.
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。 A 9 cm × 9 cm wool fabric was baked at 700 ° C. as described above, and the baked product was stored in a household microwave oven with an output of 500 W while being sandwiched between unglazed plates and irradiated with microwaves for 6 minutes.
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。
FIG. 7 is a 2000 times SEM photograph of the fired product (before microwave treatment) in Example 1,
FIG. 8 is a 5000 times SEM photograph of the fired product.
9 is a 2000 times SEM photograph of the fired product after the microwave treatment in Example 1, and FIG. 10 is a 5000 times SEM photograph thereof.
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。
As shown in FIGS. 7 and 8, there is no unevenness on the surface of the fired product before the microwave treatment, but as shown in FIGS. 9 and 10, the surface of the fired product after the microwave treatment is Has fine irregularities.
When the water absorption rate was measured according to JIS L 1907, the water absorption rate of the fired product before the microwave treatment was 50%, but the water absorption rate of the fired product after the microwave treatment was greatly increased to 87%. .
This is thought to be because, since the irregularities are formed on the surface of the fired product after the microwave treatment as described above, the contact angle of water with respect to the surface of the fired product is reduced and wettability is improved.
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。
As described above, unevenness occurs on the surface of the fired product by performing microwave treatment. By firing a polymer material made of a naturally-derived material at a low temperature of 1000 ° C. or less, nitrogen element or the like remains, It is considered that these nitrogen elements are affected by the microwave treatment.
Incidentally, in the case of a carbon material obtained by microwave processing of a fired product obtained by firing a silk material at 1400 ° C. and 2000 ° C., the water absorption was not improved.
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。
In addition, as described above, the fired product fired at a low temperature of 1000 ° C. or less has antibacterial properties, but even when the fired product (carbon material) fired at this low temperature is subjected to microwave treatment, it is antibacterial. It was confirmed that
As described above, since the water absorption is improved (that is, the hydrophilicity is improved) and the antibacterial property is maintained by the microwave treatment, these modified carbon materials are based on medical gauze and adhesive bandages. It can be suitably used as a material. In particular, when used as a gauze, it is suitable because it is a carbon material and does not adhere to the wound.
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。 In addition, it can be effectively used as a material mixed in ink, paste, etc., an electrode material for a fuel cell, a reinforcing material for various composite materials, and the like.
Claims (9)
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。 A polymer substance made of a naturally-derived material in which an atomic group containing a heteroatom such as nitrogen, oxygen or sulfur is present in the main chain or side chain is heated to 500 ° C. to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere. Forming a carbon material by firing at a temperature;
And a step of irradiating the carbon material with microwaves.
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