JP4887489B2 - レゾルシノール系ポリマーを前駆体とした中空状炭素粒子の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、カーボン前駆体としてのRF共重合体自体をナノオーダーレベルで精密に制御し、これによって前駆体としての共重合体をチューブ状ないしはバルーン状といった中空構造とすることに成功したとの報告はまだなされていない。したがって、合成したままの状態での炭素粒子においてかかる中空構造を有してなるものはこれまで存在していない。
(2)前記芳香族環に2個以上のヒドロキシル基が置換した構造を持つフェノール類がレゾルシノールであることを特徴とする、(1)に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(3)前記アルデヒド類がホルムアルデヒド及びフルフラールから選択される少なくとも1種であることを特徴とする、(1)又は(2)に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(4)前記アルキルアンモニウム塩がセチルトリメチルアンモニウムブロミドであることを特徴とする、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(5)前記アルキルアミンがヘキサデシルアミンであることを特徴とする、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(6)前記ミセルあるいはベシクルによる反応鋳型が、疎水性溶媒、あるいは両親媒性溶媒の添加によって、ミセル膜性状あるいはベシクル膜性状が調整、制御され、これによって鋳型内で生成するポリマー粒子の形態が制御されることを特徴とする、(1)〜(5)のいずれか1項に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(7)前記疎水性溶媒が、アルキルベンゼンであることを特徴とする、(6)に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(8)前記両親媒性溶媒が、アルコールであることを特徴とする、(6)又は(7)に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(9)前記反応鋳型による重合工程後、不活性雰囲気で焼成するまでの間に、ポリマー粒子を回収する工程、回収されたポリマー粒子を洗浄する工程を含んでいることを特徴とする、(1)〜(8)のいずれか1項に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(10)前記回収工程によって回収されるポリマーが、ポリマー/界面活性剤の複合体として回収され、洗浄工程によって界面活性剤が除去されることを特徴とする、(9)に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(11)前記洗浄工程が、アルコールと酸との混合溶液を用いて行われる、(10)に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
(13)その用途が各種物質の分離剤、吸着剤または貯蔵剤として供され、使用されることを特徴とした(12)に記載する中空状炭素粒子からなる汎用性機能性材料。
(14)その用途が繊維、ゴム、フィルムあるいはプラスチック製品などの添加剤として使用されることを特徴とした、(12)に記載する中空状炭素粒子からなる汎用性機能性材料。
(15)その用途が塗料、インキ、接着剤あるいは紙塗工剤などの液体製品への添加剤として使用されることを特徴とした、(12)に記載する中空状炭素粒子からなる汎用性機能性材料。
(16)その用途が電池材料として使用されることを特徴とした、(12)に記載する中空状炭素粒子からなる汎用性機能性材料。
(17)その用途が電気二重層キャパシタ材料として使用されることを特徴とした、(12)に記載する中空状炭素粒子からなる汎用性機能性材料。
(1)これを物質分離材として用いた場合、酸・アルカリ領域において化学的に安定でかつ粒子形態・サイズが制御されたクロマトグラフィーの担体、イオン交換樹脂等への応用が期待できる。
(2)これを物質貯蔵材として用いた場合、その特異な形状により、水素等の小分子やイオンおよび薬剤等の貯蔵に効果的に働くことが期待される。
(3)これを繊維、ゴム、フィルムあるいはプラスチック製品などの添加剤として用いた場合、化学的熱的に安定でその特異な形状より、製品の改質、補強に大きく貢献できる。
(4)これを塗料、インキ、接着剤あるいは紙塗工剤などの液体製品への添加剤として用いた場合、化学的熱的に安定でその特異な形状より、製品の改質に大きく貢献できる。
(5)これを電池材料として用いた場合、粒子の特異な形状・組成より、電極材料として高性能化が期待できる。
(6)これを電気二重層キャパシタ材料として用いた場合、粒子の特異な形状・組成より、高性能化が期待できる。
図1中、(a)のSEM像によると、本発明によって、チューブ状ポリマー粒子が合成され得ることを示しており、このチューブ状ポリマー粒子(a)を窒素雰囲気下で1000℃にて高温焼成することによって、得られた生成物は、走査型電子顕微鏡(SEM)像(b)によると、前駆体の形状・構造を反映し、前駆体と同様、チューブ状炭素粒子が合成され得ることを示している。
また、図2中、(a)、(b)は、バルーン状ポリマー粒子のSEM像を示し、図2中、(c)、(d)は、該バルーン状ポリマー粒子を不活性雰囲気下で1000℃で高温焼成することによりバルーン状炭素粒子が得られることを示しているSEM像である。これによって、本発明はチューブ状以外にもバルーン状のものも合成され、含みうることが確認された。
さらにまた、図3中、(a)は、本発明で合成されたチューブ状ないしバルーン状炭素粒子の窒素吸着等温曲線を示しており、図3中、(b)は、この粒子のBJH細孔径分布曲線を示している。これらの物性を測定した結果、本発明の炭素粒子は、各種分子を分離する等に使用し得ることを示し、特有な吸着特性、細孔分布特性を有していることが確認された。
レゾルシノール、水酸化ナトリウム、セチルトリメチルアンモニウムブロミド、メシチレン、tert−ブタノールおよび水2:0.25:1:1:3:360のモル比の溶液を調製した。この溶液を撹拌しながら、ホルムアルデヒドをモル比4の溶液を添加して50℃で2時間、続いて90℃で24時間反応させた。得られた固相を遠心分離、洗浄し、乾燥を行い、固体生成物を得た。さらに、その乾燥試料1gを2M塩酸5mlとエタノール45mlの混合溶液に添加し、その分散液を室温で24時間処理し、次いで、濾過分離して界面活性剤が除去された精製固体生成物を得た。得られた生成物を窒素雰囲気下で1000℃4時間焼成した。次いで、走査型電子顕微鏡によって観察した。
走査型電子顕微鏡(SEM)像より、前駆体高分子の形態は直径60〜600nmのチューブ状粒子の集合体であることが分かった(図1(a))。不活性雰囲気下、1000℃高温で焼成処理した結果、高分子の形状・構造がほぼそのまま維持され、前駆体の形状・構造を反映して安定に炭素化され、直径40〜300nmのチューブ状の状態で存在しうることが分かった(図1(b)、ならびに図4)。
レゾルシノール、水酸化ナトリウム、セチルトリメチルアンモニウムブロミド、メシチレン、tert−ブタノールおよび水2:0.25:1:1:4:360のモル比の溶液を調製した。この溶液を撹拌しながら、ホルムアルデヒドをモル比4の溶液を添加して50℃で2時間、続いて90℃で24時間反応させた。得られた固相を遠心分離、洗浄し、乾燥を行い、固体生成物を得た。さらに、その乾燥試料1gを2M塩酸5mlとエタノール45mlの混合溶液に添加し、その分散液を室温で24時間処理し、次いで、濾過分離して界面活性剤が除去された精製固体生成物を得た。得られた生成物を窒素雰囲気下で1000℃4時間焼成した。これを走査型電子顕微鏡によって観察した。
走査型電子顕微鏡(SEM)像より、前駆体高分子の形態は直径100nm〜4μmのバルーン状粒子の集合体であることが分かった(図2(a)、(b))。また、炭化した高分子の形態は、前駆体構造を反映していることが分かった(図2(c)、(d))。
この製造条件は、直径10〜400nm、長さ1〜300μmのチューブ状炭素を製造する際の条件を具体的に示すものであり、当業者が本発明を実施する際の指針となりうる。
レゾルシノール2モルに対し、セチルトリメチルアンモニウムブロミドを0.1〜2モル好ましくは1モル、水酸化ナトリウムを0.01〜3モル好ましくは0.25モル、メシチレンを0.1〜10好ましくは1モル、tert−ブタノールを0.1〜5好ましくは3、および水を120〜1200モル好ましくは360モルを加えた溶液に、ホルムアルデヒドを1〜6モル好ましくは4モルを加え、撹拌しながら40〜100℃好ましくは50℃で1〜3時間好ましくは2時間、続いて、40〜100℃好ましくは90℃で0〜100時間好ましくは24時間重合反応させる。
レゾルシノール2モルに対し、セチルトリメチルアンモニウムブロミドを0.1〜2モル好ましくは1モル、水酸化ナトリウムを0.01〜3モル好ましくは0.25モル、メシチレンを0.1〜10好ましくは1モル、tert−ブタノールを2〜6好ましくは4、および水を120〜1200モル好ましくは360モルを加えた溶液に、ホルムアルデヒドを1〜6モル好ましくは4モルを加え、撹拌しながら40〜100℃好ましくは50℃で1〜3時間好ましくは2時間続いて、40〜100℃好ましくは90℃で0〜100時間好ましくは24時間重合反応させる。
ここに、上記ポリマー粒子/界面活性剤複合体として得られる生成物粒子は、界面活性剤を除去分離する精製操作を行うことなく、複合体のまま焼成操作に供しても、形状・構造がそのまま維持されたバルーン状炭素粒子を得ることができるが、前駆形態を保持した炭素粒子を確実に得るためには、界面活性剤を除去分離する操作をおこなうほうが好ましい。
(1)これを物質分離材として用いた場合、酸・アルカリ領域において化学的に安定でかつ粒子形態・サイズが制御されたクロマトグラフィーの担体、イオン交換樹脂等への応用が期待できる。
(2)これを物質貯蔵材として用いた場合、その特異な形状により、水素等の小分子やイオンおよび薬剤等の貯蔵に効果的に働くことが期待される。
(3)これを繊維、ゴム、フィルムあるいはプラスチック製品などの添加剤として用いた場合、化学的熱的に安定でその特異な形状より、製品の改質、補強に大きく貢献できる。
(4)これを塗料、インキ、接着剤あるいは紙塗工剤などの液体製品への添加剤として用いた場合、化学的熱的に安定でその特異な形状より、製品の改質に大きく貢献できる。
(5)これを電池材料として用いた場合、粒子の特異な形状・組成より、電極材料として高性能化が期待できる。
(6)これを電気二重層キャパシタ材料として用いた場合、粒子の特異な形状・組成より、高性能化が期待できる。
Claims (11)
- 芳香族環に2個以上のヒドロキシル基が置換した構造を持つフェノール類の中から選択される少なくとも1種類のモノマーと、アルデヒド類の中から選択される少なくとも1種類のモノマーを、アルキルアンモニウム塩、アルキルアミンからなる群から選択される少なくとも1種類のカチオン界面活性剤によって形成されたミセルあるいはベシクルを反応鋳型として、このミセルあるいはベシクルによる反応鋳型により、触媒として水酸化ナトリウムを使用し重合させて両モノマーの共重合体を骨格とするチューブ状ないしバルーン状中空構造を有する中空ポリマー粒子を得、この中空ポリマー粒子を不活性雰囲気下で焼成することによって直径10〜400nm、長さ1〜300μmのチューブ状、ないしは、直径50nm〜10μmのバルーン状の中空構造を有する中空状炭素粒子を得ることを特徴とする、中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記芳香族環に2個以上のヒドロキシル基が置換した構造を持つフェノール類がレゾルシノールであることを特徴とする、請求項1に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記アルデヒド類がホルムアルデヒド及びフルフラールから選択される少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記アルキルアンモニウム塩がセチルトリメチルアンモニウムブロミドであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記アルキルアミンがヘキサデシルアミンであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記ミセルあるいはベシクルによる反応鋳型が、疎水性溶媒、あるいは両親媒性溶媒の添加によって、ミセル膜性状あるいはベシクル膜性状が調整、制御され、これによって鋳型内で生成するポリマー粒子の形態が制御されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記疎水性溶媒が、アルキルベンゼンであることを特徴とする、請求項6に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記両親媒性溶媒が、アルコールであることを特徴とする、請求項6又は7に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記反応鋳型による重合工程後、不活性雰囲気で焼成するまでの間に、ポリマー粒子を回収する工程、回収されたポリマー粒子を洗浄する工程を含んでいることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記回収工程によって回収されるポリマーが、ポリマー/界面活性剤の複合体として回収され、洗浄工程によって界面活性剤が除去されることを特徴とする、請求項9に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
- 前記洗浄工程が、アルコールと酸との混合溶液を用いて行われる、請求項10に記載の中空状炭素粒子の製造方法。
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