JP2008037696A - Nanocarbon material production apparatus and nanocarbon material purification method - Google Patents

Nanocarbon material production apparatus and nanocarbon material purification method Download PDF

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Tomoaki Sugiyama
友章 杉山
Akinori Yasutake
昭典 安武
Keisuke Sonoda
圭介 園田
Wataru Matsubara
亘 松原
Kiyoshi Tatsuhara
潔 龍原
Toshihiko Setoguchi
稔彦 瀬戸口
Hideaki Hashimoto
秀昭 橋本
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nanocarbon material production apparatus capable of producing a nanocarbon material aggregating little and having improved dispersibility and a nanocarbon material purification method. <P>SOLUTION: The nanocarbon material production apparatus comprises a nanocarbon material production part 15 for producing a catalyst-attached nanocarbon material by a fluidized bed reactor, an acid treatment device 17 which disperses the resultant catalyst-attached nanocarbon material in an acid solution 16 and dissolves and separates a catalyst with the acid solution 16, a water washing device 19 for washing the acid-treated nanocarbon material 18 with water, a drying device 24 which dries the water-washed nanocarbon material 18 after its filtration with a filtration device 23, and a finely pulverizing device 25 for finely pulverizing the dried nanocarbon material to give a purified nanocarbon material 26. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ナノカーボン材料の分散性を向上させたナノカーボン材料製造装置及びナノカーボン材料精製方法に関する。   The present invention relates to a nanocarbon material manufacturing apparatus and a nanocarbon material refining method with improved dispersibility of a nanocarbon material.

カーボンナノチューブは、黒鉛(グラファイト)シートが円筒状に閉じた構造を有するチューブ状の炭素多面体である。このカーボンナノチューブには、黒鉛シートが円筒状に閉じた多層構造を有する多層ナノチューブと、黒鉛シートが円筒状に閉じた単層構造を有する単層ナノチューブとがある。   The carbon nanotube is a tubular carbon polyhedron having a structure in which a graphite (graphite) sheet is closed in a cylindrical shape. The carbon nanotube includes a multi-layer nanotube having a multilayer structure in which a graphite sheet is closed in a cylindrical shape, and a single-wall nanotube having a single-layer structure in which a graphite sheet is closed in a cylindrical shape.

一方の多層ナノチューブは、1991年に飯島により発見された。すなわち、アーク放電法の陰極に堆積した炭素の塊の中に、多層ナノチューブが存在することが発見された(非特許文献1)。その後、多層ナノチューブの研究が積極的になされ、近年は多層ナノチューブを多量に合成できるまでにもなった。   One multi-walled nanotube was discovered by Iijima in 1991. That is, it was discovered that multi-walled nanotubes exist in the carbon mass deposited on the cathode of the arc discharge method (Non-Patent Document 1). Since then, research on multi-walled nanotubes has been actively conducted, and in recent years, it has become possible to synthesize a large number of multi-walled nanotubes.

これに対して、単層ナノチューブは概ね0.4〜10ナノメータ(nm)程度の内径を有しており、その合成は、1993年に飯島とIBMのグループにより同時に報告された。単層ナノチューブの電子状態は理論的に予測されており、ラセンの巻き方により電子物性が金属的性質から半導体的性質まで変化すると考えられている。従って、このような単層ナノチューブは、未来の電子材料として有望視されている。   In contrast, single-walled nanotubes have an inner diameter of approximately 0.4 to 10 nanometers (nm), and their synthesis was simultaneously reported in 1993 by a group of Iijima and IBM. The electronic state of single-walled nanotubes has been predicted theoretically, and it is thought that the electronic properties change from metallic properties to semiconducting properties depending on how the spiral is wound. Therefore, such single-walled nanotubes are considered promising as future electronic materials.

単層ナノチューブのその他の用途としては、導電性複合材料、ナノエレクトロニクス材料、電界電子放出エミッタ、高指向性放射源、軟X線源、一次元伝導材、高熱伝導材、水素貯蔵材等が考えられている。また、表面の官能基化、金属被覆、異物質内包により、単層ナノチューブの用途はさらに広がると考えられている。   Other applications of single-walled nanotubes include conductive composite materials, nanoelectronic materials, field electron emitters, highly directional radiation sources, soft X-ray sources, one-dimensional conducting materials, high thermal conducting materials, hydrogen storage materials, etc. It has been. Further, it is considered that the use of single-walled nanotubes is further expanded by functionalization of the surface, metal coating, and inclusion of foreign substances.

従来、上述した単層ナノチューブは、鉄、コバルト、ニッケル、ランタン等の金属を陽極の炭素棒に混入し、アーク放電を行うことにより製造されている(特許文献1)。
しかし、この製造方法では、生成物中に、単層ナノチューブの他、多層ナノチューブ、黒鉛、アモルファスカーボンが混在し、収率が低いだけでなく、単層ナノチューブの径及び長さにもばらつきがあり、径及び長さの比較的揃った単層ナノチューブを高収率で製造することは困難であった。
Conventionally, the single-walled nanotubes described above are manufactured by mixing a metal such as iron, cobalt, nickel, or lanthanum into a carbon rod of an anode and performing arc discharge (Patent Document 1).
However, in this manufacturing method, in addition to single-walled nanotubes, multi-walled nanotubes, graphite, and amorphous carbon are mixed in the product, and not only the yield is low, but also the diameter and length of single-walled nanotubes vary. It was difficult to produce single-walled nanotubes with relatively uniform diameter and length in high yield.

なお、カーボンナノチューブの製造方法としては、上述したアーク法の他、気相熱分解法、レーザー昇華法、凝縮相の電解法などが提案されている(特許文献2乃至4)。   In addition to the arc method described above, a vapor phase pyrolysis method, a laser sublimation method, a condensed phase electrolysis method, and the like have been proposed as methods for producing carbon nanotubes (Patent Documents 2 to 4).

しかしながら、これらの文献等に開示する製造方法はいずれも実験室又は小規模レベルの製造方法であり、特に炭素材料の収率が低く、しかも純度が低い、という問題がある。   However, any of the production methods disclosed in these documents is a laboratory or small-scale production method, and there is a problem that the yield of the carbon material is low and the purity is particularly low.

そこで、本出願人は流動層反応方法を用いて連続的に大量生産することができるナノ単位の炭素材料であるカーボンナノファイバの製造装置及び方法を先に提案した(特許文献5)。   Therefore, the present applicant has previously proposed an apparatus and method for producing carbon nanofibers, which are nano-unit carbon materials that can be continuously mass-produced using a fluidized bed reaction method (Patent Document 5).

S,Iijima,Nature,354,56(1991)S, Iijima, Nature, 354, 56 (1991) 特開平06−280116号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-280116 特許第3100962号公報Japanese Patent No. 3100962 特公表2001−520615号公報Japanese Patent Publication No. 2001-520615 特開2001−139317号公報JP 2001-139317 A 特開2004−76197号公報JP 2004-76197 A

先に提案した流動層反応方法によるナノ単位のカーボン材料の製造においては、流動材と触媒とを兼用してなる流動触媒は一次粒子を造粒して粗粒化した二次粒子を用いることで、気泡上昇型の流動層反応機を形成し、触媒粒子の反応時間を十分に取るようにしているが、一次粒子の造粒体である二次粒子内部にカーボン材料が複雑に絡み合いながら生成するため、生成の進行と共にカーボン材料の凝集が進み分散性が低下するという問題がある。   In the production of nano-unit carbon materials by the previously proposed fluidized bed reaction method, the fluidized catalyst that combines the fluidized material and the catalyst uses secondary particles that are granulated from primary particles and coarsened. A bubble-bed fluidized bed reactor is formed to allow sufficient reaction time of the catalyst particles, but the carbon material is generated while being complicatedly entangled inside the secondary particles, which are the primary particles. Therefore, there is a problem that the carbon material is agglomerated with the progress of generation and the dispersibility is lowered.

すなわち、図5に示すように、触媒からナノカーボン材料が成長した触媒付ナノカーボン材料106は、酸110を用いた酸処理によって、触媒を溶解し、精製ナノカーボン材料111を得る。その後、濾過操作及び乾燥を行なう際に、ナノカーボン材料同士が絡み合い、ナノカーボン材料凝集物112となる、という問題がある。
この凝集物は例えば樹脂等に混合する際に、遍在化の原因となり、精製の過程において、ナノカーボン材料の凝集を防止することが切望されている。
That is, as shown in FIG. 5, the catalyzed nanocarbon material 106 in which the nanocarbon material is grown from the catalyst dissolves the catalyst by acid treatment using the acid 110 to obtain the purified nanocarbon material 111. Then, when performing filtration operation and drying, there is a problem that the nanocarbon materials are entangled and become a nanocarbon material aggregate 112.
When this aggregate is mixed with, for example, a resin or the like, it becomes a cause of ubiquity, and it is desired to prevent the aggregation of the nanocarbon material in the purification process.

このナノカーボン材料の凝集が生じる要因としては、流動層反応器を用いるナノカーボン材料の製造においては、図6に示すように、担体101に担持された活性成分102からなる触媒103が複数造粒された触媒造粒体104を流動材として用いることによる。   The cause of the aggregation of the nanocarbon material is that, in the production of the nanocarbon material using a fluidized bed reactor, as shown in FIG. 6, a plurality of catalysts 103 composed of the active component 102 supported on the carrier 101 are granulated. By using the catalyst granulated body 104 made as a fluidizing material.

すなわち、流動層反応器内では触媒造粒体104は炭素原料の供給により、図7に示すように活性成分102からナノカーボン材料105が成長することとなるが、担体101内の細孔や、触媒103同士の間隙にナノカーボン材料が複雑に絡み合いながら成長するので、触媒103を酸処理により溶解させて除去した後でも、ナノカーボン材料の複雑な絡み合いがほどかれることなく乾燥するので、ナノカーボン材料凝集物112となると推察されている。   That is, in the fluidized bed reactor, the catalyst granule 104 grows the nanocarbon material 105 from the active component 102 as shown in FIG. 7 by supplying the carbon raw material. Since the nanocarbon material grows in a gap between the catalysts 103 in a complicated manner, even after the catalyst 103 is dissolved and removed by acid treatment, the nanocarbon material is dried without being untangled. It is assumed that the material aggregate 112 is obtained.

また、近年炭素材料の種々の用途が拡大しているが、分散性が向上したカーボン材料はその適用の幅が広がるので、大量にしかも凝集が少ないナノカーボン材料を効率よく製造することができる製造方法及び装置の出現が望まれている。   Also, in recent years, various uses of carbon materials have been expanded, but since the range of applications of carbon materials with improved dispersibility is widened, it is possible to efficiently produce a large amount of nanocarbon materials with little aggregation The advent of methods and devices is desired.

本発明は、上記の事情に鑑み、分散性が向上し、大量にしかも凝集が少ないカーボン材料を効率よく製造することができるナノカーボン材料製造装置及びナノカーボン材料精製方法を提供することを課題とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a nanocarbon material production apparatus and a nanocarbon material purification method capable of efficiently producing a carbon material with improved dispersibility and a large amount and less aggregation. To do.

上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、触媒付きナノカーボン材料を酸溶液に分散してなり、触媒を酸溶液により溶解分離する酸処理装置と、前記酸処理したナノカーボン材料を水洗する水洗装置と、水洗したナノカーボン材料を乾燥する乾燥装置と、乾燥したナノカーボン材料を微粉砕する微粉砕装置とからなることを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。   The first invention of the present invention for solving the above-mentioned problems is an acid treatment device in which a nanocarbon material with a catalyst is dispersed in an acid solution, and the catalyst is dissolved and separated by the acid solution, and the acid-treated nanocarbon. A nanocarbon material manufacturing apparatus comprising a water washing apparatus for washing a material, a drying apparatus for drying the washed nanocarbon material, and a fine grinding apparatus for finely grinding the dried nanocarbon material.

第2の発明は、第1の発明において、前記酸処理装置が超音波酸処理装置であることを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。   A second invention is the nanocarbon material manufacturing apparatus according to the first invention, wherein the acid treatment apparatus is an ultrasonic acid treatment apparatus.

第3の発明は、第1又は2の発明において、前記酸処理装置又は水洗装置のいずれか一方又は両方に、界面活性剤を添加してなることを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。   A third invention is the nanocarbon material production apparatus according to the first or second invention, wherein a surfactant is added to one or both of the acid treatment apparatus and the water washing apparatus.

第4の発明は、第1乃至3のいずれか一つの発明において、乾燥装置が加熱乾燥装置又は凍結乾燥装置又はスプレドライ装置であることを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。   A fourth invention is the nanocarbon material manufacturing apparatus according to any one of the first to third inventions, wherein the drying apparatus is a heat drying apparatus, a freeze drying apparatus, or a spray drying apparatus.

第5の発明は、第1乃至4のいずれか一つの発明において、前記分散処理装置の前流側に設けられ、触媒付きナノカーボン材料を微粉砕・分級する微粉砕・分級装置を有することを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。   According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the apparatus includes a fine pulverization / classification device that is provided on the upstream side of the dispersion treatment device and finely pulverizes / classifies the nanocarbon material with catalyst. It is in the nano-carbon material manufacturing equipment that is characterized.

第6の発明は、第1乃至5のいずれか一つの発明において、前記分散処理装置の前流側に設けられ、触媒付きナノカーボン材料を熱処理する加熱処理装置を有することを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。   A sixth aspect of the present invention is the nanocarbon according to any one of the first to fifth aspects, further comprising a heat treatment device that is provided on the upstream side of the dispersion treatment device and heat-treats the nanocarbon material with catalyst. In material production equipment.

第7の発明は、第1乃至6のいずれか一つの発明において、前記触媒付ナノカーボン材料を製造する製造装置が流動層反応器であることを特徴とするナノカーボン材料製造装置にある。   A seventh invention is the nanocarbon material production apparatus according to any one of the first to sixth inventions, wherein the production apparatus for producing the catalyst-coated nanocarbon material is a fluidized bed reactor.

第8の発明は、第7の発明において、前記流動層反応器に供給する流動触媒を供給する流動触媒供給装置を具備することを特徴とする流動層反応器によるナノカーボン材料製造装置にある。   According to an eighth aspect of the present invention, in the seventh aspect of the invention, there is provided a nanocarbon material production apparatus using a fluidized bed reactor, comprising a fluidized catalyst supply device for supplying a fluidized catalyst to be supplied to the fluidized bed reactor.

第9の発明は、第8の発明において、前記流動触媒の粒子径が200μm〜5mmであることを特徴とする流動層反応器によるナノカーボン材料製造装置にある。   A ninth invention is the nanocarbon material production apparatus using a fluidized bed reactor according to the eighth invention, wherein the fluidized catalyst has a particle size of 200 μm to 5 mm.

第10の発明は、第1乃至9のいずれか一つのナノカーボン材料製造装置と、前記得られたナノカーボン材料を樹脂に混合する樹脂混合装置とを有することを特徴とするナノカーボン材料を含む樹脂組成物の製造システムにある。   A tenth aspect of the invention includes a nanocarbon material comprising the nanocarbon material manufacturing apparatus according to any one of the first to ninth aspects and a resin mixing apparatus that mixes the obtained nanocarbon material with a resin. It exists in the manufacturing system of a resin composition.

第11の発明は、触媒付きナノカーボン材料を酸溶液に分散し、触媒を分離する酸処理工程と、酸処理した後、ナノカーボン材料を水洗する水洗工程と、水洗したナノカーボン材料を乾燥する乾燥工程とからなることを特徴とするナノカーボン材料精製方法にある。   In an eleventh aspect, the nanocarbon material with catalyst is dispersed in an acid solution and the catalyst is separated, and after the acid treatment, the water washing step of washing the nanocarbon material with water, and the water-washed nanocarbon material are dried. The present invention resides in a method for purifying a nanocarbon material comprising a drying step.

第12の発明は、第11の発明において、前記酸処理工程が、超音波処理により行うことを特徴とするナノカーボン材料精製方法にある。   A twelfth invention is the nanocarbon material purification method according to the eleventh invention, wherein the acid treatment step is performed by ultrasonic treatment.

第13の発明は、第11又は12の発明において、前記酸処理工程の前に、触媒付きナノカーボン材料を微粉砕・分級する微粉砕・分級工程を有することを特徴とするナノカーボン材料精製方法にある。   A thirteenth aspect of the invention is the nanocarbon material refining method according to the eleventh or twelfth aspect of the invention, further comprising a pulverization / classification step of pulverizing / classifying the nanocarbon material with catalyst before the acid treatment step. It is in.

第14の発明は、第11乃至13のいずれか一つの発明において、前記酸処理工程の前に、触媒付きナノカーボン材料を熱処理する加熱処理工程を有することを特徴とするナノカーボン材料精製方法にある。   A fourteenth aspect of the invention is a nanocarbon material refining method according to any one of the eleventh to thirteenth aspects, further comprising a heat treatment step of heat-treating the nanocarbon material with catalyst before the acid treatment step. is there.

第15の発明は、第11乃至14のいずれか一つのナノカーボン材料精製方法を用いて、ナノカーボン材料を精製した後、前記分離したナノカーボン材料を樹脂に混合する樹脂混合工程を有することを特徴とするナノカーボン材料樹脂組成物の製造方法にある。   The fifteenth aspect of the invention includes a resin mixing step of purifying the nanocarbon material using any one of the eleventh to fourteenth nanocarbon material purification methods and then mixing the separated nanocarbon material with the resin. It is in the manufacturing method of the nanocarbon material resin composition characterized.

本発明によれば、凝集してなるカーボン材料を酸により触媒を溶解除去し、その後乾燥し、微粉砕装置で高分散化することにより分散性の良好なナノカーボン材料を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a nanocarbon material with good dispersibility by dissolving and removing the catalyst from the aggregated carbon material with an acid, followed by drying and high-dispersion with a fine pulverizer.

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.

[実施の形態1]
本実施の形態に係るナノカーボン材料製造装置の概略図を図1に示す。
図1に示すように、実施の形態1に係るナノカーボン材料製造装置10Aは、流動層反応器により触媒付きナノカーボン材料を製造するナノカーボン材料製造部15と、得られた触媒付きナノカーボン材料を酸溶液16に分散してなり、触媒を酸溶液16により溶解分離する酸処理装置17と、前記酸処理したナノカーボン材料18を水洗する水洗装置19と、水洗したナノカーボン材料18を濾過装置23で濾過した後に、乾燥する乾燥装置24と、乾燥したナノカーボン材料を微粉砕して精製ナノカーボン材料26とする微粉砕装置25とを有するものである。
なお、図1中、符号20は触媒付ナノカーボン材料と流動触媒とを分離する回収装置、21は分離された流動触媒を再度流動層反応器13で再利用する再利用ライン、22は排ガスを各々図示する。
[Embodiment 1]
A schematic diagram of a nanocarbon material production apparatus according to the present embodiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the nanocarbon material manufacturing apparatus 10A according to Embodiment 1 includes a nanocarbon material manufacturing unit 15 that manufactures a catalyst-coated nanocarbon material using a fluidized bed reactor, and the obtained catalyst-coated nanocarbon material. Is dispersed in the acid solution 16, and an acid treatment device 17 for dissolving and separating the catalyst by the acid solution 16, a water washing device 19 for washing the acid-treated nanocarbon material 18, and a filtration device for washing the washed nanocarbon material 18. 23, a drying device 24 for drying after filtration, and a fine grinding device 25 for finely grinding the dried nanocarbon material to obtain a purified nanocarbon material 26.
In FIG. 1, reference numeral 20 denotes a recovery device that separates the nanocarbon material with catalyst and the fluidized catalyst, 21 denotes a reuse line that reuses the separated fluidized catalyst again in the fluidized bed reactor 13, and 22 denotes exhaust gas. Each is illustrated.

前記濾過装置23で濾過した後のナノカーボン材料を乾燥する乾燥装置としては、加熱乾燥装置又は凍結乾燥装置又はスプレドライ装置のいずれか一種を用いるようにしている。   As a drying device for drying the nanocarbon material after being filtered by the filtering device 23, any one of a heat drying device, a freeze drying device, or a spray drying device is used.

ここで、加熱乾燥装置は、空気存在下における400℃以下での乾燥操作を行う第1の乾燥方法と、不活性ガス雰囲気下における1000℃以下での乾燥操作を行う第2の乾燥方法とを用いることができる。   Here, the heating and drying apparatus includes a first drying method for performing a drying operation at 400 ° C. or lower in the presence of air and a second drying method for performing a drying operation at 1000 ° C. or lower in an inert gas atmosphere. Can be used.

凍結乾燥は、液体を凍結後に昇華させて一気に乾燥させる冷凍乾燥方法により、水分を除去する方法である。この結果、加熱によるナノカーボン材料の絡み合いを防止することができ、ふんわりしたナノカーボン材料を得ることができる。   Freeze-drying is a method of removing moisture by a freeze-drying method in which a liquid is sublimated after freezing and dried at once. As a result, entanglement of the nanocarbon material due to heating can be prevented, and a fluffy nanocarbon material can be obtained.

また、凍結した後に微粉砕装置25で粉砕後、乾燥することで絡み合い防止効果を大きくすることができる。また、粉砕方法としては、凍結状態を維持した常態で粉砕することができる例えばジェットミル、ハンマーミル、ロールミル、ボールミル、ビーズミル、乳鉢等を用いることができるが、これらに特に限定する必要はない。
また、粉砕粒径としては、好ましくはより粉砕粒径が小さいことが望ましく、粒径としては1μm以下,より好ましくはサブミクロン以下とするのがよい。
In addition, the effect of preventing entanglement can be increased by pulverizing with the fine pulverizer 25 and drying after freezing. Further, as a pulverization method, for example, a jet mill, a hammer mill, a roll mill, a ball mill, a bead mill, a mortar or the like that can be pulverized in a normal state while maintaining a frozen state can be used, but there is no need to specifically limit them.
The pulverized particle size is preferably smaller, and the particle size is preferably 1 μm or less, more preferably submicron or less.

また、凍結状態維持のためには粉体が暴露される環境を低温化するようにしてもよい。また、粉砕装置そのものを低温環境下に設置するようにしてもよい。   In order to maintain the frozen state, the environment to which the powder is exposed may be lowered. Further, the pulverizer itself may be installed in a low temperature environment.

また、液体窒素等を用いた極低温溶媒中でボールミル等を実施するようにしてもよい。   Further, ball milling or the like may be performed in a cryogenic solvent using liquid nitrogen or the like.

また、凍結乾燥以外に、スプレドライ装置による噴霧乾燥を行なうようにしてもよい。   In addition to freeze-drying, spray drying using a spray dryer may be performed.

酸処理装置17で触媒を除去する際には、例えば攪拌装置又は超音波ホモジナイザにより分散を行なうようにしてもよい。ここで、酸処理装置17で用いる酸としては、例えば硫酸、塩酸、硝酸、王水等の強酸を用いるのが好ましい。また、強酸に加えて過酸化水素等の助剤を添加するようにしてもよい。   When the catalyst is removed by the acid treatment device 17, the dispersion may be performed by, for example, a stirring device or an ultrasonic homogenizer. Here, as an acid used in the acid treatment apparatus 17, it is preferable to use strong acids, such as a sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, aqua regia, for example. In addition to a strong acid, an auxiliary agent such as hydrogen peroxide may be added.

また、酸処理装置17において、界面活性剤27を用いて分散作用を促進するようにしてもよい。ここで、用いる界面活性剤は、陰イオン性界面活性剤、陽イオン性界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン性界面活性剤のいずれを用いてもよく、例えば無機酸エステル、環状エーテル、カルボン酸無水物、ジカルボン酸、脂肪族カルボン酸、不飽和カルボン酸、脂環式ケトン、脂環式アルコール、脂肪族アルコール、脂肪族塩素化合物、脂肪族アミン、脂肪族ニトリル、不飽和脂肪酸、カルボアミド、方向族ポリアミド、アゾ化合物、ピレン官能化ブロック共重合体、セルロース誘導体、長鎖ベンゼンジアゾニウム、グルコースオキシダーゼ、ニトリル脂環式化合物、キノイド化合物、ポリオール、ジオール、ジアミン、ジエン等を挙げることができる。   Further, in the acid treatment device 17, the dispersing action may be promoted by using a surfactant 27. Here, as the surfactant to be used, any of an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant may be used. For example, inorganic acid esters, cyclic ethers, Carboxylic anhydride, dicarboxylic acid, aliphatic carboxylic acid, unsaturated carboxylic acid, alicyclic ketone, alicyclic alcohol, aliphatic alcohol, aliphatic chlorine compound, aliphatic amine, aliphatic nitrile, unsaturated fatty acid, carboxamide Directional group polyamide, azo compound, pyrene functionalized block copolymer, cellulose derivative, long-chain benzenediazonium, glucose oxidase, nitrile alicyclic compound, quinoid compound, polyol, diol, diamine, diene and the like.

具体的には、ピリジニウム、ポリフェニレンスルフィド、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリアクリル酸、ポリエチレンイミン、ポリプロピレンオキシド、ポリメタクリル酸メチル、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、ポリアスパラギン酸、りん脂質、レシチン、カルボキシメチルセルロース、ステロイド、糖類、オリゴマ、アルキルベルゼンベン、キトサン、オレフィン化合物、糖アルコール、ゼラチン、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム(LAS)、アルキルベンゼンスルホン酸塩(ABS)、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)、ナトリウムスルホン酸ホルムアミド(NSF)、コール酸ナトリウム等を例示することができる。   Specifically, pyridinium, polyphenylene sulfide, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyacrylic acid, polyethyleneimine, polypropylene oxide, polymethyl methacrylate, polyvinylpyrrolidone, polyacrylic acid, polyaspartic acid, phospholipid, lecithin , Carboxymethyl cellulose, steroid, saccharide, oligomer, alkyl benzene, chitosan, olefin compound, sugar alcohol, gelatin, linear alkylbenzene sulfonate (LAS), alkylbenzene sulfonate (ABS), sodium dodecyl sulfate (SDS), sodium Examples include sulfonic acid formamide (NSF) and sodium cholate.

ここで、凝集してなるカーボン材料は、前述した図12に示すような触媒造粒体104の活性成分から成長してなるものである。また、前記触媒造粒体104は、活性成分を担持してなる担体からなる一次粒子が集合又は凝集されたものであると共に、その二次粒子である触媒造粒体104の粒子径が200μm〜5mm、好適には500μm〜2000μm、より好適には500μm〜1000μmとするのがよい。   Here, the agglomerated carbon material is grown from the active component of the catalyst granule 104 as shown in FIG. Further, the catalyst granule 104 is obtained by aggregating or agglomerating primary particles made of a carrier carrying an active ingredient, and the particle size of the catalyst granule 104 as a secondary particle is 200 μm to 5 mm, preferably 500 μm to 2000 μm, more preferably 500 μm to 1000 μm.

ここで、一次粒子が集合又は凝集された触媒造粒体を得るには一次粒子をバインダーで造粒したものや、一次粒子を加圧装置で加圧して成形体を得た後、所定粒径となるように整粒して得られるものをいう。   Here, in order to obtain a catalyst granulated body in which primary particles are aggregated or aggregated, the primary particles are granulated with a binder, or after pressing the primary particles with a pressure device to obtain a molded body, a predetermined particle size is obtained. Is obtained by sizing so that

また、前記二次粒子からなる触媒の比表面積としては、カーボン材料の収率を向上させる点から100m2以上であることが収率の向上から望ましい。 Further, the specific surface area of the catalyst composed of the secondary particles is preferably 100 m 2 or more from the viewpoint of improving the yield of the carbon material from the viewpoint of improving the yield.

また、担体は無数の細孔が存在するので、それらの細孔の大きさにおいて、特に前記担体の(小さい細孔径)/(大きい細孔径)比によりカーボン材料の成長空間が制限され、カーボン材料の絡み合い分散性が影響される。小さい細孔径5nm、大きい細孔径100nmを代表径とした場合、その細孔系の細孔容量比が、20以下、好ましくは10以下とするのがよい。これは、前記比率が20を超えると、当該担体上に成長するカーボン材料がより強く絡み合い分散性が低下するからである。
この結果、前記比率が20を超える場合には、担体の狭い径(φ)の細孔内において活性成分が分散し、該活性成分からナノカーボン材料が生長する結果、ナノカーボン材料がその生長の際に絡まったものとなる。このような絡まったナノカーボン材料は、例えば溶液、樹脂等における分散性が良好とはならないものとなる。
In addition, since the carrier has innumerable pores, the growth space of the carbon material is limited by the (small pore diameter) / (large pore diameter) ratio of the carrier, particularly in the size of the pores. The entanglement dispersibility is affected. When the small pore diameter is 5 nm and the large pore diameter is 100 nm as the representative diameter, the pore volume ratio of the pore system is 20 or less, preferably 10 or less. This is because when the ratio exceeds 20, the carbon material grown on the carrier is more strongly entangled and the dispersibility is lowered.
As a result, when the ratio exceeds 20, the active component is dispersed in the pores having a narrow diameter (φ) of the carrier, and the nanocarbon material grows from the active component. It will be entangled. Such an entangled nanocarbon material does not have good dispersibility in, for example, a solution or a resin.

これに対し、前記比率が20以下、好ましくは10以下の場合には、担体の平坦なところにおいて活性成分が分散し、該活性成分からナノカーボン材料が生長する結果、ナノカーボン材料が全て真っ直ぐに生長したものの割合が多くなる。この結果、例えば溶液、樹脂等における分散性においても良好なものとなる。   On the other hand, when the ratio is 20 or less, preferably 10 or less, the active ingredient is dispersed on a flat surface of the carrier and the nanocarbon material grows from the active ingredient. As a result, the nanocarbon material is all straight. The percentage of the growth is increased. As a result, for example, dispersibility in a solution, a resin, or the like is improved.

一例として前記小さい細孔径の代表径が5nmであり、大きい細孔径の代表径が50nmの場合においては、その比率が5以下、好ましくは3以下、より好ましくは1以下とするのがよい。   As an example, when the representative diameter of the small pore diameter is 5 nm and the representative diameter of the large pore diameter is 50 nm, the ratio is 5 or less, preferably 3 or less, more preferably 1 or less.

また他の一例として前記小さい細孔径の代表径が5nmであり、大きい細孔径の代表径が100nmの場合においては、その比率が10以下、好ましくは8以下、より好ましくは3以下とするのがよい。
これは、5nmの細孔に対して、相対的に50nm、100nmと細孔が大きくなるのど分散性が高くなり、好ましい。
As another example, when the representative diameter of the small pore diameter is 5 nm and the representative diameter of the large pore diameter is 100 nm, the ratio is 10 or less, preferably 8 or less, more preferably 3 or less. Good.
This is preferable because the dispersibility becomes higher as the pores are relatively large, such as 50 nm and 100 nm, with respect to the pores of 5 nm.

ここで、前記小さい細孔径が30nm以下、好適には0.1〜30nmの範囲であり、大きい細孔径が30nm以上、好適には30〜200nmの場合とする場合には、その比率が20以下、好ましくは10以下とするのがよい。
なお、細孔径分布が小さい場合には、30nmを境として大小を決定するものではなく、例えば20nm又は15nm又は10nmを境として大小を決定するようにしてもよい。
Here, when the small pore diameter is 30 nm or less, preferably 0.1 to 30 nm, and the large pore diameter is 30 nm or more, preferably 30 to 200 nm, the ratio is 20 or less. , Preferably 10 or less.
When the pore size distribution is small, the size is not determined with 30 nm as a boundary. For example, the size may be determined with 20 nm, 15 nm, or 10 nm as a boundary.

また、本発明にかかるナノカーボン材料は、ナノカーボン材料が孤立しないで、複数束ねた状態で存在するバンドルカーボン材料の割合は、1〜95%、より好適には1〜80%であることが望ましい。なお、本発明でバンドルカーボン材料とは2本以上のカーボン材料が集合したものであり、集合本数が少ないものから多いものまで含まれる。   In the nanocarbon material according to the present invention, the proportion of the bundle carbon material existing in a bundled state without the nanocarbon material being isolated is 1 to 95%, more preferably 1 to 80%. desirable. In the present invention, the bundle carbon material is an aggregate of two or more carbon materials, and includes those having a small number of aggregates and a large number of aggregates.

本発明のカーボン材料の構造は、繊維状、粒状、チューブ状構造のいずれかであることが好ましい。
ここで、粒状は炭素六角網面一枚から形成されたものからなる黒鉛層からなる結晶子の集合によって形成したものである。
前記繊維状構造は、炭素六角網面が積層して、その積層方法が繊維軸であるもの、所謂プレートリット(Platelet)積層の斜め方向(1〜89°)が繊維軸であるもの、所謂ヘリングボーン(Herringbone)又はフィシュボーン(Fishbone)構造、積層方向に対して垂直に繊維軸があるもの、所謂のチューブラ(Tubular)、リボン(Ribbon)またはパラレール(Parallel)のいずれかの構造である。なお、ヘリングボーン(Herringbone)構造は、その斜めが対になっており、その双方の傾きは等しくなくともよい。
The structure of the carbon material of the present invention is preferably any of a fibrous structure, a granular structure, and a tubular structure.
Here, the granular form is formed by a collection of crystallites composed of a graphite layer made of one carbon hexagonal mesh surface.
The fibrous structure is formed by laminating carbon hexagonal mesh surfaces, and the laminating method is a fiber axis, the so-called platelet laminating oblique direction (1 to 89 °) is the fiber axis, so-called herring Bone (Herringbone) or fishbone (Fishbone) structure, one having a fiber axis perpendicular to the stacking direction, so-called tubular, ribbon (Ribbon) or pararail structure. In addition, the herringbone structure has a pair of diagonals, and the slopes of both do not have to be equal.

本発明のカーボン材料は、チューブ状をしてなり、そのチューブ壁が単層又は二層構造であることが望ましい。
ここで、単層の場合にはその濃度は、20〜99%、より好ましくは85〜99%である。また、単層と二層とを併せた濃度は、20〜99%、より好ましくは75〜99%である。
The carbon material of the present invention has a tube shape, and the tube wall is preferably a single layer or a double layer structure.
Here, in the case of a single layer, the concentration is 20 to 99%, more preferably 85 to 99%. Further, the combined concentration of the single layer and the two layers is 20 to 99%, more preferably 75 to 99%.

さらには、三層以上の多層構造の炭素六角網面の割合が1.3〜30%、より好ましくは1.3〜15%からなるチューブ状であることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the ratio of the carbon hexagonal network surface having a multilayer structure of three or more layers is 1.3 to 30%, more preferably 1.3 to 15%.

ナノカーボン材料の径は0.4nm以上とするのが好ましいが、好適には0.4〜3.5nm、より好適には1.5〜3.5nmの直径を有するものが好ましい。また、1.5〜3.5nmの直径を有するものの割合は85%とするのがよい。   The diameter of the nanocarbon material is preferably 0.4 nm or more, but preferably has a diameter of 0.4 to 3.5 nm, more preferably 1.5 to 3.5 nm. The ratio of those having a diameter of 1.5 to 3.5 nm is preferably 85%.

また、前記活性成分としては、例えばV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、W、Moのいずれか一種又はこれらの組合せであるものを例示することができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Examples of the active component include V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, W, and any one of these, or a combination thereof. It is not limited to these.

前記担体としては、例えばアルミナ、シリカ、アルミン酸ナトリウム、ミョウバン、リン酸アルミニウム等のアルミニウム化合物、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム等のカルシウム化合物、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム等のマグネシウム化合物、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム等のアパタイト系を例示することができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、これらを二種以上含むものであってもよい。
ここで、アパタイトとは、M10 2+(Z5-4)62 -の組成をもつ鉱物でM、ZO4、Xに対して次のような各元素が単独あるいは2種類以上の固溶状態で入るものをいう。
M:Ca、Pb、Ba、Sr、Cd、Zn、Ni、Mg、Na、K、Fe、Alその他
ZO4:PO4、AsO4、VO4、SO4、SiO4、CO3
X:F、OH、Cl、Br、O、I
Examples of the carrier include aluminum compounds such as alumina, silica, sodium aluminate, alum, and aluminum phosphate, calcium compounds such as calcium oxide, calcium carbonate, and calcium sulfate, and magnesium compounds such as magnesium oxide, magnesium hydroxide, and magnesium sulfate. Examples thereof include apatite systems such as calcium phosphate and magnesium phosphate, but the present invention is not limited thereto. Moreover, these may contain 2 or more types.
Here, the apatite, M 10 2+ (Z 5- O 4) 6 X 2 - composition mineral with M, ZO 4, each element as follows with respect to X, alone or in two or more The one that enters in a solid solution state.
M: Ca, Pb, Ba, Sr, Cd, Zn, Ni, Mg, Na, K, Fe, Al and other ZO 4: PO 4, AsO 4 , VO 4, SO 4, SiO 4, CO 3
X: F, OH, Cl, Br, O, I

また、担体としては、タルク(MgAl23)、その他鉱物類、ゼオライト、メソポーラスシリケート等のメソポーラス材料を用いるようにしてもよい。 Further, as the carrier, mesoporous materials such as talc (MgAl 2 O 3 ), other minerals, zeolite, and mesoporous silicate may be used.

また、前記活性成分と前記担体との相互作用により、担体の表面に両者の拡散層を形成し、該拡散層によって前記活性成分触媒の一部を覆い、前記活性成分触媒の露出部分を微細化したものとしてもよい。
この場合には、微細化された活性成分部分からのみナノカーボン材料が生長することになるので、単層のナノカーボン材料のみを良好に製造することもできる。
In addition, due to the interaction between the active component and the carrier, a diffusion layer of both is formed on the surface of the carrier, the diffusion layer covers a part of the active component catalyst, and the exposed portion of the active component catalyst is refined It is good also as what you did.
In this case, since the nanocarbon material grows only from the refined active component portion, only a single-layer nanocarbon material can be produced satisfactorily.

次に、反応器として流動層反応器を用いた場合の一例について図2を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、活性成分(鉄)を担持した担体(酸化マグネシウム)からなる一次粒子を圧密した所定粒径の二次粒子のナノカーボン材料製造用触媒を、触媒作用と流動作用とを兼用とする流動触媒を用いている。
図2に示すように、本実施形態にかかるナノカーボン材料の製造部15は、内部に触媒と流動材とを兼用した流動触媒61を充填した流動層反応部62−1と、炭素源である炭素原料11を前記流動層反応部62−1内に供給する原料供給装置63と、流動触媒61を前記流動層反応部62−1内に供給する流動触媒供給装置64と、前記流動層反応部62−1内の流動材である流動触媒61が飛散及び流下する空間を有するフリーボード部62−2と、前記流動層反応部62−1に導入し、内部の流動触媒61を流動させる流動ガス65を供給する流動ガス供給装置66と、流動層反応部62−1を加熱する加熱部62−3と、該フリーボード部62−2から排出される排ガス22を処理する排ガス処理装置67と、前記流動層反応部62−1から触媒付ナノカーボン材料14を回収ライン68により抜出して回収する回収装置20とを具備するものである。
Next, an example of using a fluidized bed reactor as a reactor will be described with reference to FIG. In the present embodiment, a catalyst for producing a nanocarbon material of secondary particles having a predetermined particle size, which is formed by compacting primary particles made of a carrier (magnesium oxide) carrying an active ingredient (iron), has a catalytic action and a fluid action. A fluid catalyst is also used.
As shown in FIG. 2, the nanocarbon material manufacturing unit 15 according to the present embodiment is a fluidized bed reaction unit 62-1 filled with a fluidized catalyst 61 that serves as both a catalyst and a fluidizing material, and a carbon source. A raw material supply device 63 for supplying the carbon raw material 11 into the fluidized bed reaction unit 62-1, a fluidized catalyst supply device 64 for supplying a fluidized catalyst 61 into the fluidized bed reaction unit 62-1, and the fluidized bed reaction unit. The free board part 62-2 which has the space where the fluid catalyst 61 which is the fluid material in 62-1 scatters and flows down, and the fluid gas which introduces into the fluidized bed reaction part 62-1 and causes the fluid catalyst 61 inside to flow. A fluid gas supply device 66 for supplying 65, a heating unit 62-3 for heating the fluidized bed reaction unit 62-1, an exhaust gas processing device 67 for processing the exhaust gas 22 discharged from the free board unit 62-2, The fluidized bed reaction section 62 The catalyst-containing nano-carbon material 14 from 1 extracted by the recovery line 68 is for and a recovery device 20 for recovering.

前記流動層反応部62−1の流動層反応形式には気泡型流動層型と噴流型流動層型とがあるが、本発明ではいずれのものを用いてもよい。
本実施形態では、流動層反応部62−1とフリーボード部62−2と加熱部62−3とから流動層反応器62を構成している。また、フリーボード部62−2は、流動層反応部62−1よりもその流路断面積の大きいものが好ましい。
The fluidized bed reaction mode of the fluidized bed reaction section 62-1 includes a bubble type fluidized bed type and a jet type fluidized bed type, and any one may be used in the present invention.
In this embodiment, the fluidized bed reactor 62 is comprised from the fluidized bed reaction part 62-1, the free board part 62-2, and the heating part 62-3. The free board section 62-2 preferably has a larger flow path cross-sectional area than the fluidized bed reaction section 62-1.

前記原料供給装置63より供給される原料ガスである炭素原料11は、炭素を含有する化合物であれば、いずれのものでもよく、例えばCO、CO2の他、メタン、エタン、プロパン及びヘキサン等のアルカン類、エチレン、プロピレン及びアセチレン等の不飽和有機化合物、ベンゼン、トルエン等の芳香族化合物、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等の含酸素官能基を有する有機化合物、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子材料、又は石油や石炭(石炭転換ガスを含む)等を挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素濃度制御のため、含酸素炭素源CO、CO2、アルコール類、エーテル類、カルボン酸類等と、酸素を含まない炭素源とを2つ以上組合わせて供給することもできる。 The carbon raw material 11 that is a raw material gas supplied from the raw material supply device 63 may be any compound as long as it is a compound containing carbon, such as CO, CO 2 , methane, ethane, propane, hexane, and the like. Alkanes, unsaturated organic compounds such as ethylene, propylene and acetylene, aromatic compounds such as benzene and toluene, organic compounds having oxygen-containing functional groups such as alcohols, ethers and carboxylic acids, polymers such as polyethylene and polypropylene Examples of the material include petroleum, coal (including coal conversion gas), and the like, but the present invention is not limited thereto. Further, in order to control the oxygen concentration, two or more oxygen-containing carbon sources CO, CO 2 , alcohols, ethers, carboxylic acids and the like and a carbon source not containing oxygen can be supplied in combination.

この炭素原料11は、流動層反応部62−1内にガス状態で供給し、流動材である流動触媒61による攪拌により均一な反応が行われ、ナノカーボン材料を成長させている。この際、所定の流動条件となるように、別途流動ガス65として流動ガス供給装置66により不活性ガスを流動層反応部62−1内に導入している。   This carbon raw material 11 is supplied in a gas state into the fluidized bed reaction section 62-1, and a uniform reaction is performed by stirring with the fluidized catalyst 61 that is a fluidized material, thereby growing the nanocarbon material. At this time, an inert gas is separately introduced into the fluidized bed reaction section 62-1 as the fluidized gas 65 by the fluidized gas supply device 66 so as to satisfy the predetermined fluidization conditions.

そして、加熱部62−3により流動層反応部62−1内を300℃〜1300℃の温度範囲、より好ましくは400℃〜1200℃の温度範囲とし、メタン等の炭素原料11を不純物炭素分解物の共存環境下で一定時間触媒に接触することによってナノカーボン材料を合成している。   And the inside of the fluidized bed reaction part 62-1 is made into the temperature range of 300 degreeC-1300 degreeC by the heating part 62-3, More preferably, it is the temperature range of 400 degreeC-1200 degreeC, and carbon raw materials 11, such as methane, are impurity carbon decomposition products Nanocarbon materials are synthesized by contacting the catalyst for a certain period of time in a coexisting environment.

前記回収装置20としてサイクロン以外には、例えばバグフィルタ、セラミックフィルタ、篩等の公知の分離手段を用いることができる。   In addition to the cyclone, the recovery device 20 may be a known separation means such as a bag filter, a ceramic filter, or a sieve.

また、前記回収装置20で分離された触媒付ナノカーボン材料14は、前述したように、酸処理装置17、水洗装置19、濾過装置23、乾燥装置24及び微粉砕装置25により付着した触媒を分離して精製され、ナノ単位の精製ナノカーボン材料(例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ等)26として回収するようにしている。   Further, as described above, the catalyst-attached nanocarbon material 14 separated by the recovery device 20 separates the attached catalyst by the acid treatment device 17, the water washing device 19, the filtration device 23, the drying device 24, and the fine grinding device 25. Then, it is refined and collected as a purified nanocarbon material (for example, carbon nanotube, carbon nanofiber, etc.) 26 in nano units.

このように、本実施の形態によれば、流動層反応形式によるナノカーボン材料を製造する際に、触媒付ナノカーボン材料が得られるが、酸溶液16を用いて、触媒付のナノカーボン材料14から触媒を除去し、その後、水洗した後に、乾燥処理することで水分を除去し、精製ナノカーボン材料26のみを得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, a nanocarbon material with a catalyst can be obtained when producing a nanocarbon material by a fluidized bed reaction. However, using the acid solution 16, the nanocarbon material 14 with a catalyst is obtained. After removing the catalyst from the substrate, it is washed with water and then dried to remove the moisture, and only the purified nanocarbon material 26 can be obtained.

この得られた精製ナノカーボン材料26は樹脂に混合する際に、2軸混練装置を用いた混練操作、非水系溶媒を用いて樹脂溶解物に分散し、その後溶媒を除去して樹脂混練物、樹脂シート体等を得るようにしている。   When the obtained purified nanocarbon material 26 is mixed with the resin, the kneading operation using a biaxial kneading apparatus, the non-aqueous solvent is used to disperse the resin, and the solvent is then removed to obtain the resin kneaded product. A resin sheet or the like is obtained.

また、この際に、精製ナノカーボン材料26を分散させる溶媒として、非水系溶媒以外に、イオン性液体を溶媒として用いることもできる。
ここで、イオン性液体は、カチオンの基本構造の違いにより、ピリジン系のイオン性液体、脂環式アミン系のイオン性液体及び脂肪族アミン系のイオン性液体等を用いることもできる。
また、イミダゾリウムイオンからなるイオン性液体として、例えばカチオンがアルキルイミダゾリウムイオン、アルキルピリジニウムイオン、アルキルアンモニウムイオンまたはアルキルホスフォニウムイオン等を挙げることができる。
At this time, an ionic liquid can be used as a solvent in addition to the non-aqueous solvent as a solvent for dispersing the purified nanocarbon material 26.
Here, as the ionic liquid, a pyridine-based ionic liquid, an alicyclic amine-based ionic liquid, an aliphatic amine-based ionic liquid, or the like can be used depending on the difference in the basic structure of the cation.
Moreover, as an ionic liquid which consists of imidazolium ion, a cation can mention the alkyl imidazolium ion, the alkyl pyridinium ion, the alkyl ammonium ion, or the alkyl phosphonium ion etc., for example.

また、高温で溶融塩となるものを分離液に溶解させるようにしてもよい。
高温で溶融塩となるものとしては、例えばハロゲン化合物(例えばKCL(融点776℃)、Li−Na−K−Cl複合塩(例えば346℃)、AlCl3(170.9℃)等のハロゲン化アルカリ等を挙げることができる。
また、NH4HSO4(融点146℃)等のアンモニウム塩を挙げることができる。
さらに、樹脂混練を行なう場合には,樹脂の溶融温度と溶融塩溶融温度の温度を相互に調整することで最適な混練状況を作ることができようにしてもよい。
樹脂とイオン性液体の粘度を合わせる、あるいは樹脂の粘度>イオン性液体、或いは樹脂の粘度<イオン性液体の粘度、となるように調整して混練状況を制御することもできる。
Moreover, you may make it melt | dissolve in a separated liquid what becomes molten salt at high temperature.
Examples of the salt that becomes a molten salt at high temperatures include alkali halides such as halogen compounds (for example, KCL (melting point: 776 ° C.), Li—Na—K—Cl complex salt (for example, 346 ° C.), AlCl 3 (170.9 ° C.), etc. Etc.
Further, there may be mentioned ammonium salts such as NH 4 HSO 4 (melting point 146 ° C.).
Furthermore, when resin kneading is performed, an optimum kneading state may be created by mutually adjusting the melting temperature of the resin and the temperature of the molten salt melting temperature.
The kneading state can be controlled by adjusting the viscosity of the resin and the ionic liquid, or by adjusting the viscosity of the resin> the ionic liquid, or the viscosity of the resin <the viscosity of the ionic liquid.

例えばポリカーボネート(PC)を樹脂として用いるような場合に、250℃で溶融させ、AlCl3、NaCl複合塩(融点240℃に調整)に、精製ナノカーボン材料26を分散させた融体物を混練するようにしてもよい。 For example, when polycarbonate (PC) is used as a resin, it is melted at 250 ° C., and a melt in which the purified nanocarbon material 26 is dispersed in AlCl 3 and NaCl composite salt (adjusted to a melting point of 240 ° C.) is kneaded. You may do it.

[実施の形態2]
本実施の形態に係るナノカーボン材料製造装置の概略図を図3に示す。なお、実施の形態1と同一の部材については同一の符号を付してその説明は省略する。
図3に示すように、実施の形態2に係るナノカーボン材料製造装置10Bは、実施の形態1のナノカーボン材料製造装置10Aにおいて、前記酸処理装置17の前流側に設けられ、触媒付ナノカーボン材料14を例えば1μm以下まで微粉砕する微粉砕・分級する微粉砕・分級装置31を有するものである。
[Embodiment 2]
FIG. 3 shows a schematic diagram of the nanocarbon material manufacturing apparatus according to the present embodiment. In addition, about the member same as Embodiment 1, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 3, the nanocarbon material manufacturing apparatus 10B according to the second embodiment is provided on the upstream side of the acid treatment apparatus 17 in the nanocarbon material manufacturing apparatus 10A of the first embodiment. A fine pulverizing / classifying device 31 for finely pulverizing / classifying the carbon material 14 to, for example, 1 μm or less is provided.

微粉砕処理した後に分級することで、500〜1000μm程度のナノカーボン材料が成長した造粒触媒を1μm以下の触媒、好ましくはサブミクロン以下の触媒まで粉砕処理している。
これによりナノカーボン材料微粉砕物32を得ることができ、その後、酸溶液16で触媒を溶解させることで分離効率の向上を図ることができる。
By classifying after fine pulverization, the granulated catalyst on which a nanocarbon material of about 500 to 1000 μm is grown is pulverized to a catalyst of 1 μm or less, preferably a submicron or less.
As a result, the finely pulverized nanocarbon material 32 can be obtained, and then the separation efficiency can be improved by dissolving the catalyst with the acid solution 16.

本発明に係るカーボン材料の分散方法の前処理としては、凝集してなるカーボン材料を物理的解砕方法により高分散化するものである。
ここで、本発明で物理的解砕方法としては、流体の乱流エネルギーにより発生する衝突を利用するものであることが特に好ましい。これは、例えば分散性を向上する一般的な超音波分散方法によると、カーボン材料を構成するグラフェンシートが壊れ、カーボン材料として損傷を受けることになるからである。よって、流体の乱流エネルギーを用いることで、カーボン材料を構成するグラフェンシート構造までを破壊することなく、凝集したナノカーボン材料をバラバラにとき解くようにしている。
As a pretreatment of the carbon material dispersion method according to the present invention, the aggregated carbon material is highly dispersed by a physical crushing method.
Here, as the physical crushing method in the present invention, it is particularly preferable to use a collision generated by the turbulent energy of the fluid. This is because, for example, according to a general ultrasonic dispersion method for improving dispersibility, the graphene sheet constituting the carbon material is broken and damaged as the carbon material. Therefore, by using the turbulent energy of the fluid, the aggregated nanocarbon material is unraveled from time to time without destroying the graphene sheet structure constituting the carbon material.

また、物理的解砕手段としては、カーボン材料を溶媒に分散させた状態で解砕する湿式解砕法又は乾式解砕法のいずれを用いるようにしてもよい。   Moreover, as a physical crushing means, you may make it use either the wet crushing method or the dry crushing method which crushes in the state which disperse | distributed the carbon material in the solvent.

ここで、湿式解砕法としては、ボールミル法、ナノマイザ法を挙げることができる。
また、乾式解砕法としては、ジェットミル法、ボールミル法を挙げることができる。
Here, examples of the wet crushing method include a ball mill method and a nanomizer method.
Examples of the dry crushing method include a jet mill method and a ball mill method.

このように、圧密された二次粒子を流動触媒とした場合において、二次粒子を形成する一次粒子の活性成分から成長するナノカーボン材料が成長して無数に絡み合っているが、微粉砕・分級装置31により、絡み合いがほどかれることになる。   In this way, when the consolidated secondary particles are used as a flow catalyst, nanocarbon materials that grow from the active components of the primary particles that form the secondary particles are grown and intertwined. The device 31 will be entangled.

本発明によれば、凝集してなるカーボン材料を物理的解砕により高分散化することにより、酸溶液16を用いる触媒の溶解効率が良好となり、絡み合いがないナノカーボン材料18を提供することができることになる。特に、ジェットミルを用いて流体の乱流エネルギーにより発生する衝突を利用することで凝集体の解砕を効率よく行うことができる。   According to the present invention, it is possible to provide a nanocarbon material 18 that has good lysis efficiency and no entanglement of the catalyst using the acid solution 16 by highly dispersing the agglomerated carbon material by physical crushing. It will be possible. In particular, the aggregates can be efficiently crushed by using the collision generated by the turbulent energy of the fluid using a jet mill.

この結果製品として、分散性が向上すると共に純度が極めて高いナノカーボン材料の大量生産化を実現することができる。   As a result, mass production of nanocarbon materials having improved dispersibility and extremely high purity can be realized as a product.

[実施の形態3]
本実施の形態に係るナノカーボン材料製造装置の概略図を図4に示す。なお、実施の形態1と同一の部材については同一の符号を付してその説明は省略する。
図4に示すように、実施の形態3に係るナノカーボン材料製造装置10Cは、実施の形態1のナノカーボン材料製造装置10Aにおいて、前記酸処理装置17の前流側に設けられ、触媒付ナノカーボン材料14を熱処理して触媒付ナノカーボン材料過熱処理物34とする加熱処理装置33を有するものである。
[Embodiment 3]
FIG. 4 shows a schematic diagram of the nanocarbon material manufacturing apparatus according to the present embodiment. In addition, about the member same as Embodiment 1, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 4, the nanocarbon material manufacturing apparatus 10C according to the third embodiment is provided on the upstream side of the acid treatment apparatus 17 in the nanocarbon material manufacturing apparatus 10A of the first embodiment. It has a heat treatment device 33 that heat-treats the carbon material 14 to form a nano-carbon material overheated product 34 with catalyst.

ここで、本発明で加熱処理装置33の加熱処理操作としては、酸化雰囲気下ナノカーボン材料から触媒を切り離す操作を行う第1の加熱処理方法と、不活性ガス雰囲気下で、ナノカーボン材料の表面を改質する操作を行う第2の加熱処理方法とのいずれか一方又は両方を行なうようにしている。   Here, the heat treatment operation of the heat treatment apparatus 33 in the present invention includes a first heat treatment method for performing an operation of separating the catalyst from the nanocarbon material in an oxidizing atmosphere, and the surface of the nanocarbon material in an inert gas atmosphere. One or both of the second heat treatment method for performing the operation of reforming is performed.

ここで、第1の加熱処理である空気雰囲気中において、触媒分離からナノカーボン材料を分離際の加熱温度としては、400℃以下、好適には200〜300℃とするのが好ましい。
例えば担体に担持されている活性成分がFeの場合には、該Feとナノカーボン材料との接合部分が燃焼により消滅し、ナノカーボン材料を分離することができる。
Here, in the air atmosphere that is the first heat treatment, the heating temperature at the time of separating the nanocarbon material from the catalyst separation is preferably 400 ° C. or less, and preferably 200 to 300 ° C.
For example, when the active ingredient supported on the carrier is Fe, the bonded portion between the Fe and the nanocarbon material disappears by combustion, and the nanocarbon material can be separated.

また、第2の加熱処理である不活性ガス雰囲気中において、ナノカーボン材料表面を改質する加熱温度としては、1100℃以下、より好ましくは950℃以下とするのがよい。   In the inert gas atmosphere as the second heat treatment, the heating temperature for modifying the surface of the nanocarbon material is 1100 ° C. or lower, more preferably 950 ° C. or lower.

また、不活性ガス(例えば窒素等)雰囲気中で熱処理する場合には、ナノカーボン材料表面の官能基(例えばCO,O等)が除去され、樹脂(例えばPC等)に馴染み易いものとなる。
なお、第1の加熱処理及び第2の加熱処理はいずれが先であってもよい。
In addition, when heat treatment is performed in an inert gas (for example, nitrogen) atmosphere, functional groups (for example, CO, O, etc.) on the surface of the nanocarbon material are removed, making it easy to become familiar with the resin (for example, PC).
Note that either the first heat treatment or the second heat treatment may be performed first.

また、本発明では、第2の実施の形態に係る微粉砕処理と、第3の実施の形態の加熱処理とのいずれか一方又は両方を行なうようにしてもよい。また、両方の処理の際にはその順序はいずれを先に行なうようにしてもよい。   Moreover, in this invention, you may make it perform any one or both of the fine grinding process which concerns on 2nd Embodiment, and the heat processing of 3rd Embodiment. In both processes, the order may be performed first.

得られた絡み合いが少ない精製ナノカーボン材料は、公知の樹脂混合装置(混練装置、溶媒混合装置等)を用いて、樹脂に混合分散する工程を経て導電性樹脂組成物を得ることができる。   The obtained purified nanocarbon material with little entanglement can obtain a conductive resin composition through a step of mixing and dispersing in a resin using a known resin mixing device (kneading device, solvent mixing device, etc.).

ここで、ナノカーボン材料を分散する樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂のいずれをも用いることができる。   Here, the resin for dispersing the nanocarbon material is not particularly limited, and for example, any of a thermoplastic resin and a thermosetting resin can be used.

ここで、前記熱可塑性樹脂としては、例えばポリアミド樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリケトン樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂、酢酸セルロース樹脂、フッ素系樹脂、ケイ素系樹脂、アクリロニトリル−エチレン/プロピレン−スチレン樹脂(AES樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂(ABS樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸メチル−スチレン樹脂(ABMS樹脂)、アクリロニトリル−n−ブチルアクリレート−スチレン樹脂(AAS樹脂)、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン樹脂(MBS樹脂)、ゴム変性ポリスチレン(ハイインパクトポリスチレン)等を挙げることができる。   Here, examples of the thermoplastic resin include polyamide resin, polyacrylonitrile resin, polyamide resin, polyimide resin, polyester resin, polyethylene resin, polycarbonate resin, polyketone resin, polysulfone resin, polystyrene resin, polypropylene resin, polyphenylene oxide resin, and polyphenylene. Sulfide resin, polymethyl methacrylate resin, polyvinyl chloride resin, polybenzimidazole resin, ethylene vinyl acetate copolymer resin, cellulose acetate resin, fluorine resin, silicon resin, acrylonitrile-ethylene / propylene-styrene resin (AES resin), Acrylonitrile-butadiene-styrene resin (ABS resin), acrylonitrile-butadiene-methyl methacrylate-styrene resin (ABMS resin), Acrylonitrile -n- butyl acrylate - styrene resin (AAS resin), methyl methacrylate - butadiene - styrene resin (MBS resin), can be mentioned rubber-modified polystyrene (high impact polystyrene) or the like.

また、前記熱硬化性樹脂としては、アニリン樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂等を挙げることができる。   Examples of the thermosetting resin include aniline resin, epoxy resin, xylene resin, diallyl phthalate resin, phenol resin, furan resin, polyurethane resin, melamine resin, urea resin and the like.

また例えば発泡剤を用いることにより発泡させた発泡体を得るようにしてもよい。   Moreover, you may make it obtain the foamed foam by using a foaming agent, for example.

また、必要に応じて樹脂に例えば充填剤、軟化剤、可塑剤、加工助剤、滑剤、老化防止剤、紫外線吸収剤、架橋剤等の公知の添加物を添加するようにしてもよい。   Moreover, you may make it add well-known additives, such as a filler, a softening agent, a plasticizer, a processing aid, a lubricant, an anti-aging agent, an ultraviolet absorber, a crosslinking agent, to a resin as needed.

以上のように、本発明に係るカーボン材料の分散方法は、凝集してなるカーボン材料を非水溶媒により高分散化することにより分散性が良好なものとなり、分散性の向上したナノカーボン材料を提供することができる。   As described above, the method for dispersing a carbon material according to the present invention has a good dispersibility by highly dispersing a carbon material obtained by agglomeration using a non-aqueous solvent, and a nanocarbon material having improved dispersibility. Can be provided.

第1の実施の形態に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。It is the schematic of the nanocarbon material manufacturing apparatus which concerns on 1st Embodiment. ナノカーボン材料製造装置の概略図である。It is the schematic of a nanocarbon material manufacturing apparatus. 第2の実施の形態に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。It is the schematic of the nanocarbon material manufacturing apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施の形態に係るナノカーボン材料製造装置の概略図である。It is the schematic of the nanocarbon material manufacturing apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 従来の酸処理による精製方法の概略図である。It is the schematic of the purification method by the conventional acid treatment. 触媒造粒体の模式図である。It is a schematic diagram of a catalyst granulation body. 触媒付ナノカーボン材料の模式図である。It is a schematic diagram of the nanocarbon material with a catalyst.

符号の説明Explanation of symbols

10A〜10C ナノカーボン材料の製造装置
14 触媒付ナノカーボン材料
15 ナノカーボン材料の製造装置
16 酸溶液
17 酸処理装置
19 水洗装置
23 濾過装置
24 乾燥装置
25 微粉砕装置
26 精製ナノカーボン材料
10A to 10C Nanocarbon material production equipment 14 Nanocarbon material with catalyst 15 Nanocarbon material production equipment 16 Acid solution 17 Acid treatment equipment 19 Water washing equipment 23 Filtration equipment 24 Drying equipment 25 Fine grinding equipment 26 Purified nanocarbon materials

Claims (15)

触媒付きナノカーボン材料を酸溶液に分散してなり、触媒を酸溶液により溶解分離する酸処理装置と、
前記酸処理したナノカーボン材料を水洗する水洗装置と、
水洗したナノカーボン材料を乾燥する乾燥装置と、
乾燥したナノカーボン材料を微粉砕する微粉砕装置とからなることを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
An acid treatment apparatus in which a nanocarbon material with a catalyst is dispersed in an acid solution, and the catalyst is dissolved and separated by the acid solution;
A water rinsing apparatus for rinsing the acid-treated nanocarbon material;
A drying device for drying the washed nanocarbon material;
An apparatus for producing a nanocarbon material, comprising a pulverizing apparatus for pulverizing a dried nanocarbon material.
請求項1において、
前記酸処理装置が超音波酸処理装置であることを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
In claim 1,
The nanocarbon material manufacturing apparatus, wherein the acid treatment apparatus is an ultrasonic acid treatment apparatus.
請求項1又は2において、
前記酸処理装置又は水洗装置のいずれか一方又は両方に、界面活性剤を添加してなることを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
In claim 1 or 2,
A nanocarbon material manufacturing apparatus comprising a surfactant added to one or both of the acid treatment apparatus and the water washing apparatus.
請求項1乃至3のいずれか一つにおいて、
乾燥装置が加熱乾燥装置又は凍結乾燥装置又はスプレドライ装置であることを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The nanocarbon material manufacturing apparatus, wherein the drying apparatus is a heat drying apparatus, a freeze drying apparatus, or a spray drying apparatus.
請求項1乃至4のいずれか一つにおいて、
前記分散処理装置の前流側に設けられ、触媒付きナノカーボン材料を微粉砕・分級する微粉砕・分級装置を有することを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
An apparatus for producing a nanocarbon material, comprising a fine pulverization / classification device provided on the upstream side of the dispersion treatment device, for finely pulverizing / classifying the nanocarbon material with catalyst.
請求項1乃至5のいずれか一つにおいて、
前記分散処理装置の前流側に設けられ、触媒付きナノカーボン材料を熱処理する加熱処理装置を有することを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
An apparatus for producing a nanocarbon material, comprising a heat treatment apparatus provided on the upstream side of the dispersion treatment apparatus for heat-treating the nanocarbon material with a catalyst.
請求項1乃至6のいずれか一つにおいて、
前記触媒付ナノカーボン材料を製造する製造装置が流動層反応器であることを特徴とするナノカーボン材料製造装置。
In any one of Claims 1 thru | or 6,
An apparatus for producing a nanocarbon material, wherein the production apparatus for producing the nanocarbon material with catalyst is a fluidized bed reactor.
請求項7において、
前記流動層反応器に供給する流動触媒を供給する流動触媒供給装置を具備することを特徴とする流動層反応器によるナノカーボン材料製造装置。
In claim 7,
An apparatus for producing a nanocarbon material using a fluidized bed reactor, comprising a fluidized catalyst supply device for supplying a fluidized catalyst to be supplied to the fluidized bed reactor.
請求項8において、
前記流動触媒の粒子径が200μm〜5mmであることを特徴とする流動層反応器によるナノカーボン材料製造装置。
In claim 8,
An apparatus for producing a nanocarbon material using a fluidized bed reactor, wherein the fluidized catalyst has a particle size of 200 μm to 5 mm.
請求項1乃至9のいずれか一つのナノカーボン材料製造装置と、
前記得られたナノカーボン材料を樹脂に混合する樹脂混合装置とを有することを特徴とするナノカーボン材料を含む樹脂組成物の製造システム。
The nanocarbon material manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 9,
A resin composition production system comprising a nanocarbon material, comprising: a resin mixing device that mixes the obtained nanocarbon material with a resin.
触媒付きナノカーボン材料を酸溶液に分散し、触媒を分離する酸処理工程と、
酸処理した後、ナノカーボン材料を水洗する水洗工程と、
水洗したナノカーボン材料を乾燥する乾燥工程とからなることを特徴とするナノカーボン材料精製方法。
An acid treatment step of dispersing the catalyst-coated nanocarbon material in an acid solution and separating the catalyst;
After the acid treatment, a water washing step of washing the nanocarbon material with water,
A method for refining a nanocarbon material, comprising a drying step of drying the nanocarbon material washed with water.
請求項11において、
前記酸処理工程が、超音波処理により行うことを特徴とするナノカーボン材料精製方法。
In claim 11,
The method for purifying a nanocarbon material, wherein the acid treatment step is performed by ultrasonic treatment.
請求項11又は12において、
前記酸処理工程の前に、触媒付きナノカーボン材料を微粉砕・分級する微粉砕・分級工程を有することを特徴とするナノカーボン材料精製方法。
In claim 11 or 12,
A nanocarbon material refining method comprising a pulverizing / classifying step of pulverizing / classifying a nanocarbon material with catalyst before the acid treatment step.
請求項11乃至13のいずれか一つにおいて、
前記酸処理工程の前に、触媒付きナノカーボン材料を熱処理する加熱処理工程を有することを特徴とするナノカーボン材料精製方法。
In any one of Claims 11 thru | or 13,
Before the said acid treatment process, it has the heat processing process which heat-processes the nanocarbon material with a catalyst, The nanocarbon material refinement | purification method characterized by the above-mentioned.
請求項11乃至14のいずれか一つのナノカーボン材料精製方法を用いて、ナノカーボン材料を精製した後、
前記分離したナノカーボン材料を樹脂に混合する樹脂混合工程を有することを特徴とするナノカーボン材料樹脂組成物の製造方法。
After purifying the nanocarbon material using the nanocarbon material purification method according to any one of claims 11 to 14,
A method for producing a nanocarbon material resin composition comprising a resin mixing step of mixing the separated nanocarbon material with a resin.
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