JPWO2015092871A1 - グラフェン粉体の製造方法及びその製造方法により製造されるグラフェン粉体 - Google Patents

Abstract

品質がよく、大量生産することが可能なグラフェン粉体、グラフェン粉体の製造装置、グラフェン粉体の製造方法及びそのグラフェン粉体を用いた製品を提供する。噴流出力手段において、液体や気体の高速ジェットなどの噴流を出力し、チャンバーの入力部に黒鉛を含む原料と前記噴流出力手段により出力された噴流とを入力することで黒鉛を劈開させて、黒鉛を微粒子化したグラフェン粉体を出力部から出力させることができる。この製造方法によるグラフェン粉体は、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させているだけであるので、他の物質に汚染されることがないためコンタミが無く、高純度で品質の良い微粒子化されたグラフェンとなる。

Description

本発明は、黒鉛からグラフェン粉体を大量生産できる製造方法に関し、特に、それにより製造されたグラフェン粉体、グラフェン粉体の製造装置、グラフェン粉体の製造方法及びそのグラフェン粉体を用いた製品に関する。

近年、グラフェンに関する研究が活発に行われており、ここ数年でグラフェンの製造技術は飛躍的に発展している。グラフェンの製造方法としては、例えば、超臨界法、超音波剥離法、酸化還元法、プラズマ剥離法、ＡＣＣＶＤ(alcohol catalytic chemical vapor deposition)法、熱ＣＶＤ(chemical vapor deposition)法、プラズマＣＶＤ法、エピタキシャル法などが知られている。超臨界法は、黒鉛をエタノールの超臨界溶液に添加し、超臨界溶液中の溶媒分子が層間に侵入することによって剥離する方法であるが、超臨界溶液を高温、高圧で処理することから、設備が大型化し、一度に大量に処理できないという問題がある。超音波剥離法は、黒鉛を溶液に入れ、超音波を印加することで、振動によって剥離する方法であるが、剥離されるまでに時間がかかり、一度に大量に処理できないという問題がある。酸化還元法は、黒鉛を塩酸または硫酸で酸化させ、黒鉛を薄片化する方法であるが、グラフェンを酸化させてから、電解や薬品により還元処理が必要だが、完全に還元できないためグラフェンの品質が低くなってしまうという問題がある。プラズマ剥離法は、黒鉛を炉に入れ、プラズマ放電により剥離する方法であるが、プラズマによりグラフェン表面に無数の孔が開いてしまうという問題がある。ＡＣＣＶＤ法は、真空炉の中にエタノールと金属触媒を導入し、１０００℃の熱をかけてエタノールを分解することで、グラフェン結晶を得る方法であるが、高温で処理することから、設備が大型化し、一度に大量に処理できないという問題がある。熱ＣＶＤ法は、真空炉の中にメタンガスを導入し、１０００℃の熱をかけてガスを分解し、金属基板上に成膜する方法であるが、結晶性はいいが、グラフェンを取り出すには基板を融解しなければならないという問題がある。プラズマＣＶＤ法は、真空炉の中にメタンガスを導入し、プラズマにてガスを分解し、金属基板上に成膜する方法であるが、熱ＣＶＤより低温だが、結晶性が悪く、グラフェンの取出しには、基板を融解しなければならないという問題がある。エピタキシャル法では、真空炉の中でＳｉＣ基板を１５００℃以上の高温をかけ、Ｓｉ（シリコン）を昇華させて、基板上にＣ（炭素）だけを再結晶化する方法であるが、ウエハの純度や平坦度が、温度により左右されるため、温度を均一にしなければならず、装置とウエハが高価になり、大量生産には向いていない。

また、特許文献１に示すように、グラファイト結晶、またはグラファイト結晶から作製されたグラファイト層間化合物を、水や有機溶媒中で攪拌し、グラファイト結晶またはグラファイト層間化合物から、グラファイト層を剥離する方法がある。

特開２０１１−０３２１５６号公報（段落００５８〜００６０）

しかしながら、特許文献１にあっても、攪拌工程に時間がかかり、一度に大量に処理できないという問題がある。

このように、上述した従来の製造方法では、原料を大量に高速に処理できないことから、グラフェンを大量生産することが難しい。一方で、製造されたグラフェンを他の製品に利用する場合には、グラフェンの品質が高純度で、不純物がない純粋なグラフェンであることが望まれている。

また、例えば、電子部品や、樹脂、石油製品、パルプ、セメント等にグラフェンを添加させて、グラフェンを含有する製品を製造する場合には、グラフェンの形態を粉体状にし、グラフェン粉体とした方が樹脂中に分散させやすくなることが考えられる。しかしながら、上述した従来の製造方法では、品質のよいグラフェン粉体を大量生産することは困難となっている。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、品質がよく、大量生産することが可能なグラフェン粉体、グラフェン粉体の製造装置、グラフェン粉体の製造方法及びそのグラフェン粉体を用いた製品を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のグラフェン粉体は、
黒鉛を含む原料を噴流により劈開させて微粒子化されたことを特徴としている。
この特徴によれば、例えば液体や気体の高速ジェットなどの噴流を利用することで黒鉛を劈開させて、黒鉛を微粒子化したグラフェン粉体とすることができる。このグラフェン粉体は、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させているだけであるので、他の物質に汚染されることがないためコンタミが無く、高純度で品質の良い微粒子化されたグラフェンとなる。また、噴流を利用することで黒鉛を劈開させているだけなので、品質がよく、高速に大量生産することが可能となる。また、黒鉛を含む原料としては、黒鉛のみならず、グラファイト粉末などでもよい。
ここで、劈開とは、結晶が、ある特定の平面に平行に割れることをいい、また、そのように割れやすい性質をいう。平行に割れた劈開面に垂直な方向の原子・イオン・分子間の結合力が弱いために起こるものである。グラフェンの場合、原子・イオン・分子間の結合力がファンデルワールス引力によるものであるため、劈開しやすい性質を有している。また、微粒子化とは、非常に細かい粉状にすることをいい、黒鉛を最適な粒子サイズまで微細化することをいう。また、粉状は、球形に限らず、二次元的に劈開するため葉っぱのような劈開面を備える薄片状のものを含む。微粒子化することで、黒鉛を最適な粒子サイズとした薄片化されたグラフェン粉体が構成されている。薄片化することで、表面積が大きくなることから他との接触面積が大きくなり、伝導性が高くなり、分散性も良好になる。特に、グラフェン粉体が薄片化されていることで、分散性をより高めることができ、高分散量を実現できる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体は、チャンバー内で前記噴流を前記黒鉛に対して衝突させることにより劈開されていることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内で黒鉛に向けて噴流を噴射させることで、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体とすることができる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体は、チャンバー内に前記噴流を少なくとも二方向から流入させ、少なくとも一方向からの噴流には前記黒鉛が含まれており、二方向から流入された噴流同士を衝突させることにより劈開されていることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内で二方向から噴流を流入させ、一方向からの噴流には前記黒鉛が含まれており、他方向からは、噴流のみまたは黒鉛が含まれる噴流同士を衝突させることで、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体とすることができる。二方向としては、例えば、対向する方向とすることで噴流同士を衝突させることができる。この場合、一方向からの噴流には黒鉛を含ませ、他方向からの噴流にも黒鉛を含ませてこれらの噴流を衝突させてもよいし、一方向からの噴流には黒鉛を含ませ、他方向からの噴流には黒鉛を含ませないで噴流のみとし、これらの噴流を衝突させてもよい。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体は、チャンバー内に前記黒鉛が含まれた前記噴流を流入させ、前記黒鉛が含まれた前記噴流を当該チャンバーに衝突させることにより劈開されていることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内で黒鉛が含まれた噴流を流入させ、チャンバー内部の壁面に黒鉛を衝突させることで、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体とすることができる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体は、液体が充填されたチャンバー内に、前記噴流中に前記黒鉛を含ませて流入させ、キャビテーション効果を生じさせることにより劈開されていることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内に、液体を充填させておき、黒鉛が含まれた噴流をチャンバー内に流入させることで、キャビテーション効果を生じさせることができ、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体とすることができる。ここで、キャビテーション効果とは、液体の流れの中で圧力差により短時間に泡の発生と消滅が起きる物理現象をいい、空洞現象ともいわれており、液体中に噴流を流入させることで、圧力差が生じ、発生した泡が黒鉛の劈開面に侵入することで黒鉛を劈開させたり、また、その泡の消滅により黒鉛を劈開させたりできる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記黒鉛を含む原料は、グラフェンの結合力を弱める前処理が施されていることを特徴としている。
この特徴によれば、黒鉛を含む原料に対して、グラフェンの結合力を弱める前処理が施されているため、より黒鉛を劈開させやすくすることができる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記前処理として、前記黒鉛を含む原料に対して、雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理と、加熱する加熱処理と、酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理と、超音波による振動を与える振動処理とのうち少なくとも一つの処理が施されていることを特徴としている。
この特徴によれば、前処理として、例えば、黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて減圧させることで雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理を施したり、また黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて加熱する加熱処理を施したり、低濃度の酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理を施したり、超音波による振動を与える振動処理を施したりできる。これらの前処理は、複数適宜組み合わせてもよい。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体は、劈開後に、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの処理が施されていることを特徴としている。
この特徴によれば、グラフェン粉体には、劈開後に、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの改質処理が施されているため、グラフェン粉体の品質を向上させることができる。すなわち、改質処理を施すことで、グラフェン粉体に分散性、導電性、伝導性、絶縁性、放熱性などを付与することができ、グラフェン粉体の品質を向上させることができる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記噴流は、液体により構成され、
前記グラフェン粉体は、劈開後に、前記液体を乾燥させることで得られることを特徴としている。
この特徴によれば、水や溶媒などの液体をポンプ等で加圧して超高速ジェットの液体噴流とすることで、黒鉛を含む原料を液体噴流により劈開させることができる。この場合、グラフェン粉体は、劈開後に、前記液体を乾燥させることで得られることができる。また、例えば、液体として溶媒を利用する場合には、液体を乾燥させず、グラフェン粉体が含まれる溶媒をそのまま利用するようにすれば、グラフェン粉体を利用した製品の製造が簡単になり都合がよい。

本発明のグラフェン粉体において、
前記噴流は、気体、液体または溶媒により構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、水や溶媒などの液体をポンプ等で加圧して超高速ジェットの液体噴流とすることで、黒鉛を含む原料を液体噴流により劈開させることができ、また、空気またはガスなどの気体をコンプレッサーで圧縮して超高速ジェットの気体噴流とすることで、黒鉛を含む原料を気体噴流により劈開させることができる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体は、劈開後に、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかに混合されることを特徴としている。
この特徴によれば、劈開後にグラフェン粉体を、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかに混合させておくことで、グラフェン粉体を利用した製品の製造が簡単になり都合がよい。特に、グラフェン粉体が薄片化されていることで、分散性をより高めることができ、これらの水、溶媒、樹脂またはイオン液体中においても高分散量を実現できる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記噴流は、１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度であることを特徴としている。
この特徴によれば、超高速ジェットの速度を１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内にある速度とすることで、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させることができる。この場合、例えば、噴流ノズル径をφ０．１〜１ｍｍとし、噴流圧力を１０〜５００ＭＰａとすることで、１００〜１０００ｍ／ｓの速度を実現できる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体の厚みの長さに対して当該グラフェン粉体の劈開面の長辺の長さが３０〜１００００倍で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、グラフェン粉体は、例えば、グラフェン単層〜３００層ぐらいで０．３〜１００ｎｍの厚みを有する場合に、劈開面の長辺の長さは、その厚みの長さに対して３０〜１００００倍で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されるように制御できる。

本発明のグラフェン粉体において、
グラフェン粉体の厚みの長さに対して当該グラフェン粉体の劈開面の長辺の長さが５０〜３０００倍で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、グラフェン粉体は、例えば、グラフェン単層〜３００層ぐらいで０．３〜１００ｎｍの厚みを有する場合に、劈開面の長辺の長さは、その厚みの長さに対して５０〜３０００倍で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されるように制御できる。

前記課題を解決するために、本発明のグラフェン粉体の製造装置は、
噴流を出力する噴流出力手段と、密閉された空間を備えるチャンバーとを有し、
前記チャンバーは、黒鉛を含む原料と前記噴流出力手段により出力された噴流とを入力する入力部と、前記黒鉛が噴流により劈開させて微粒子化されたグラフェン粉体を出力する出力部とを備えることを特徴としている。
この特徴によれば、噴流出力手段において、例えば液体や気体の高速ジェットなどの噴流を出力し、チャンバーの入力部に黒鉛を含む原料と前記噴流出力手段により出力された噴流とを入力することで黒鉛を劈開させて、黒鉛を微粒子化したグラフェン粉体を得ることができ、出力部から得られたグラフェン粉体を出力させることができる。この製造方法によるグラフェン粉体は、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させているだけであるので、他の物質に汚染されることがないためコンタミが無く、高純度で品質の良い微粒子化されたグラフェンとなる。また、噴流を利用することで黒鉛を劈開させているだけなので、品質がよく、高速に大量生産することが可能となる。また、グラフェン粉体を薄片化することで、表面積が大きくなることから他との接触面積が大きくなり、伝導性が高くなり、分散性も良好になる。特に、グラフェン粉体が薄片化されていることで、分散性をより高めることができ、高分散量を実現できる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記チャンバーの入力部は、前記原料を入力する第１入力手段と、前記噴流出力手段により出力された噴流を入力する第２入力手段と、前記第１入力手段及び前記第２入力手段における当該チャンバー内への入力方向を調整する調整手段とを有することを特徴としている。
この特徴によれば、第１入力手段から原料を入力し、第２入力手段から噴流出力手段により出力された噴流を入力し、調整手段により、第１入力手段及び第２入力手段のチャンバー内への入力方向を調整することで、密閉された容器であるチャンバー内で第１入力手段から入力された黒鉛と、第２入力手段から入力された噴流とを衝突させることができ、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体を製造することができる。調整手段は、例えば、第１入力手段と第２入力手段とを対向する方向に調整することで、黒鉛と噴流とを衝突させることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記噴流出力手段は、前記黒鉛を含む原料を入力し、当該黒鉛が含まれた噴流を出力し、
前記チャンバーの入力部は、前記噴流出力手段により出力された前記黒鉛が含まれた前記噴流を入力する第１入力手段及び第２入力手段と、前記第１入力手段及び前記第２入力手段における当該チャンバー内への入力方向を調整する調整手段とを有することを特徴としている。
この特徴によれば、第１入力手段から黒鉛が含まれた噴流を入力し、第２入力手段からも黒鉛が含まれた噴流を入力し、調整手段により、第１入力手段及び第２入力手段のチャンバー内への入力方向を調整することで、密閉された容器であるチャンバー内で第１入力手段から入力された黒鉛が含まれた噴流と、第２入力手段から入力された黒鉛が含まれた噴流とを衝突させることができ、密閉された容器であるチャンバー内で二方向から黒鉛同士を衝突させることで、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体を製造することができる。調整手段は、例えば、第１入力手段と第２入力手段とを対向する方向に調整することで、黒鉛が含まれた噴流を衝突させ、黒鉛同士を衝突させることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記噴流出力手段は、前記黒鉛を含む原料を入力し、当該黒鉛が含まれた噴流を出力し、
前記チャンバーの入力部は、前記噴流出力手段により出力された前記黒鉛が含まれた前記噴流を入力する第１入力手段と、前記第１入力手段における当該チャンバー内への入力方向を調整する調整手段とを有することを特徴としている。
この特徴によれば、第１入力手段から黒鉛が含まれた噴流を入力し、調整手段により、第１入力手段のチャンバー内への入力方向を調整することで、チャンバー内部の壁面の特定位置に黒鉛を衝突させることで、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体とすることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記チャンバー内は、液体が充填されており、前記入力部から入力された前記黒鉛と前記噴流により、キャビテーション効果を生じさせることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内に、液体を充填させておき、黒鉛が含まれた噴流をチャンバー内に流入させることで、キャビテーション効果を生じさせることができ、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体とすることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記黒鉛を含む原料に対して、グラフェンの結合力を弱める前処理を施す前処理部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、前処理では、黒鉛を含む原料に対して、グラフェンの結合力を弱める処理を施すため、より黒鉛を劈開させやすくすることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、前記前処理として、前記黒鉛を含む原料に対して、雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理と、加熱する加熱処理と、酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理と、超音波による振動を与える振動処理とのうち少なくとも一つの処理が施されていることを特徴としている。
この特徴によれば、前処理として、例えば、黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて減圧させることで雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理を施したり、また黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて加熱する加熱処理を施したり、低濃度の酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理を施したり、超音波による振動を与える振動処理を施したりできる。これらの前処理は、複数適宜組み合わせてもよい。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記チャンバーから出力される前記グラフェン粉体に、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの処理を施す処理部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、処理部で劈開後のグラフェン粉体に、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの改質処理を施すことができ、グラフェン粉体の品質を向上させることができる。すなわち、改質処理を施すことで、グラフェン粉体に分散性、導電性、伝導性、絶縁性、放熱性などを付与することができ、グラフェン粉体の品質を向上させることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記噴流出力手段は、液体を噴流し、
前記チャンバーの前記入力部は、前記液体の噴流を入力し、
前記チャンバーの前記出力部は、液体が含まれるグラフェン粉体を出力し、
当該グラフェン粉体の製造装置は、前記チャンバーから出力される液体が含まれるグラフェン粉体の、当該液体を乾燥させる乾燥部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、噴流出力手段は、水や溶媒などの液体をポンプ等で加圧して超高速ジェットの液体噴流を出力し、この液体噴流がチャンバーの入力部に入力されることで、黒鉛を含む原料を液体噴流により劈開させることができる。この場合、劈開後に、乾燥部において液体を乾燥させることで液体を含まないグラフェン粉体を製造することができる。また、例えば、液体として溶媒を利用する場合には、液体を乾燥させず、グラフェン粉体が含まれる溶媒をそのまま利用するようにすれば、グラフェン粉体を利用した製品の製造が簡単になり都合がよい。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記噴流出力手段は、気体、液体または溶媒を噴流することを特徴としている。
この特徴によれば、噴流出力手段は、水や溶媒などの液体をポンプ等で加圧して超高速ジェットの液体噴流を出力することで、黒鉛を含む原料を液体噴流により劈開させることができ、また、噴流出力手段は、空気またはガスなどの気体をコンプレッサーで圧縮して超高速ジェットの気体噴流を出力することで、黒鉛を含む原料を気体噴流により劈開させることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記チャンバーから出力される前記グラフェン粉体に、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかを混合する混合部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、混合部が、劈開後にグラフェン粉体を、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかに混合させるため、グラフェン粉体を利用した製品の製造が簡単になり都合がよい。特に、グラフェン粉体が薄片化されていることで、分散性をより高めることができ、これらの水、溶媒、樹脂またはイオン液体中においても高分散量を実現できる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記噴流出力手段は、１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度で前記噴流を出力することを特徴としている。
この特徴によれば、噴流出力手段において、超高速ジェットの噴流の速度を１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内にある速度で出力することで、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させることができる。この場合、例えば、噴流ノズル径をφ０．１〜１ｍｍとし、噴流圧力を１０〜５００ＭＰａとすることで、１００〜１０００ｍ／ｓの速度を実現できる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記チャンバーの前記出力部から出力されたグラフェン粉体を、前記チャンバーの前記入力部に再度入力するループ部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、ループ部により、チャンバーの前記出力部から出力されたグラフェン粉体を、前記チャンバーの前記入力部に再度入力させることができるため、より細かいグラフェン粉体を製造することができる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
前記噴流出力手段は、
空気またはガスを圧縮する圧縮手段と、
水または液体をポンプで加圧する加圧手段と、のうちいずれかを備えることを特徴としている。
この特徴によれば、噴流として、空気またはガスを用いる場合には、噴流出力手段は、コンプレッサーなどの圧縮手段で圧縮することで空気またはガスの超高速ジェットを出力することができる。また、噴流として、水または液体を用いる場合には、噴流出力手段は、ポンプなどの加圧手段で加圧することで水または液体の超高速ジェットを出力することができる。

本発明のグラフェン粉体の製造装置において、
当該グラフェン粉体の製造装置は、前記原料から前記グラフェン粉体を製造する際に、前記原料を少なくとも１ｋｇ／ｈ以上の速度で処理する能力を有することを特徴としている。
この特徴によれば、噴流により黒鉛を劈開させるだけで、黒鉛を微粒子化したグラフェン粉体を得ることができるため、処理能力を向上させることができ、原料を少なくとも１ｋｇ／ｈ（時間）のスピードで処理することができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
黒鉛を含む原料を噴流により劈開させて微粒子化されたグラフェン粉体を製造することを特徴としている。
この特徴によれば、例えば液体や気体の高速ジェットなどの噴流を利用することで黒鉛を劈開させて、黒鉛を微粒子化したグラフェン粉体を製造することができる。このグラフェン粉体は、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させているだけであるので、他の物質に汚染されることがないためコンタミが無く、高純度で品質の良い微粒子化されたグラフェンとなる。また、噴流を利用することで黒鉛を劈開させているだけなので、品質がよく、高速に大量生産することが可能となる。また、薄片化することで、表面積が大きくなることから他との接触面積が大きくなり、伝導性が高くなり、分散性も良好になる。特に、グラフェン粉体が薄片化されていることで、分散性をより高めることができ、高分散量を実現できる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
チャンバー内で前記噴流を前記黒鉛に対して衝突させることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内で黒鉛に向けて噴流を噴射させることで、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体を製造することができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
チャンバー内で前記噴流を少なくとも二方向から流入させ、少なくとも一方向からの噴流には前記黒鉛が含まれており、二方向から流入された噴流同士を衝突させることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内で二方向から黒鉛が含まれた噴流を流入させ、黒鉛同士を衝突させることで、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体を製造することができる。二方向としては、例えば、対向する方向とすることで、黒鉛が含まれた噴流を衝突させ、黒鉛同士を衝突させることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
チャンバー内で前記黒鉛が含まれた前記噴流を流入させ、前記黒鉛が含まれた前記噴流を当該チャンバーに衝突させることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内で黒鉛が含まれた噴流を流入させ、チャンバー内部の壁面に黒鉛を衝突させることで、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体を製造することができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
液体が充填されたチャンバー内に、前記噴流中に前記黒鉛を含ませて流入させ、キャビテーション効果を生じさせることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内に、液体を充填させておき、黒鉛が含まれた噴流をチャンバー内に流入させることで、キャビテーション効果を生じさせることができ、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体を製造することができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記黒鉛を含む原料に、グラフェンの結合力を弱める前処理を施すことを特徴としている。
この特徴によれば、黒鉛を含む原料に対して、グラフェンの結合力を弱める前処理を施すため、より黒鉛を劈開させやすくすることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記前処理として、前記黒鉛を含む原料に対して、雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理と、加熱する加熱処理と、酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理と、超音波による振動を与える振動処理とのうち少なくとも一つの処理が施されていることを特徴としている。
この特徴によれば、前処理として、例えば、黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて減圧させることで雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理を施したり、また黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて加熱する加熱処理を施したり、低濃度の酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理を施したり、超音波による振動を与える振動処理を施したりできる。これらの前処理は、複数適宜組み合わせてもよい。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記グラフェン粉体は、劈開後に、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの処理が施されていることを特徴としている。
この特徴によれば、グラフェン粉体に、劈開後に、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの改質処理を施すため、グラフェン粉体の品質を向上させることができる。すなわち、改質処理を施すことで、グラフェン粉体に分散性、導電性、熱伝導性、絶縁性、放熱性などを付与することができ、グラフェン粉体の品質を向上させることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記噴流として、液体を用い、
前記グラフェン粉体の劈開後に、前記液体を乾燥させる処理を施すことを特徴としている。
この特徴によれば、水や溶媒などの液体をポンプ等で加圧して超高速ジェットの液体噴流とすることで、黒鉛を含む原料を液体噴流により劈開させることができる。この場合、グラフェン粉体は、劈開後に、前記液体を乾燥させることで製造することができる。また、例えば、液体として溶媒を利用する場合には、液体を乾燥させず、グラフェン粉体が含まれる溶媒をそのまま利用するようにすれば、グラフェン粉体を利用した製品の製造が簡単になり都合がよい。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記噴流として、気体、液体または溶媒を用いることを特徴としている。
この特徴によれば、水や溶媒などの液体をポンプ等で加圧して超高速ジェットの液体噴流とすることで、黒鉛を含む原料を液体噴流により劈開させることができ、また、空気またはガスなどの気体をコンプレッサーで圧縮して超高速ジェットの気体噴流とすることで、黒鉛を含む原料を気体噴流により劈開させることができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記グラフェン粉体の劈開後に、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかを混合する処理を施すことを特徴としている。
この特徴によれば、劈開後にグラフェン粉体を、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかに混合させておくことで、グラフェン粉体を利用した製品の製造が簡単になり都合がよい。特に、グラフェン粉体が薄片化されていることで、分散性をより高めることができ、これらの水、溶媒、樹脂またはイオン液体中においても高分散量を実現できる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記噴流を、１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度とすることを特徴としている。
この特徴によれば、超高速ジェットの速度を１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内にある速度とすることで、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させることができる。この場合、例えば、噴流ノズル径をφ０．１〜１ｍｍとし、噴流圧力を１０〜５００ＭＰａとすることで、１００〜１０００ｍ／ｓの速度を実現できる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記チャンバーから出力されたグラフェン粉体を、前記チャンバーに再度入力するループ工程を有することを特徴としている。
この特徴によれば、ループ工程により、チャンバーの前記出力部から出力されたグラフェン粉体を、前記チャンバーの前記入力部に再度入力させることができるため、より細かいグラフェン粉体を製造することができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記噴流を出力する際に、
空気またはガスをコンプレッサーで圧縮する圧縮工程と、
水または液体をポンプで加圧する加圧工程と、のうちいずれかを備えることを特徴としている。
この特徴によれば、噴流として、空気またはガスを用いる場合には、噴流を出力する際に、コンプレッサーなどで圧縮することで空気またはガスの超高速ジェットを出力することができる。また、噴流として、水または液体を用いる場合には、ポンプなどで加圧することで水または液体の超高速ジェットを出力することができる。

本発明のグラフェン粉体を用いた製品において、
電子部品・デバイス・電子回路、電子機械器具、家庭用電気部品、自動車部品、機械部品、電気部品、窯業・土石製品、パルプ・紙・紙加工品・木材、化学工業製品、石油製品・石炭製品、プラスチック製品及びゴム製品のいずれかの製品に用いることを特徴としている。
この特徴によれば、高純度で品質の良い微粒子化された高分散量を実現できるグラフェンを各種工業製品や電子機器等の製品及び部品に利用することができる。このグラフェン粉体は、導電性、伝熱性、透明性、電極防食性に優れ、フレキシブルであるため、どのような製品にも混入させることができ、また、分散しやすいため、一様にグラフェン粉体を分散させることができる。

本発明のグラフェン粉体を用いた製品において、
上記グラフェン粉体を、
液晶パネル・フラットパネル、透明電極／非透明電極、タッチパネル、抵抗器・コンデンサ・変成器・複合部品、電気二重層コンデンサの電極材料、蓄電池、一次／二次電池の電極材、リチウムイオン電池の電極材、発電機・電動機・回転電気機械、燃料電池の触媒の基板、電気機械器具、色素増感太陽電池、フレキシブル基板、電子タグ、センサー及びセンサーユニットのいずれかの製品に用いることを特徴としている。
この特徴によれば、高純度で品質の良い微粒子化された高分散量を実現できるグラフェンを各種工業製品や電子機器等の製品及び部品に利用することができる。このグラフェン粉体は、導電性、伝熱性、透明性、電極防食性に優れ、フレキシブルであるため、どのような製品にも混入させることができ、また、分散しやすいため、一様にグラフェン粉体を分散させることができる。例えば、グラフェン粉体を溶媒に分散させることで、液晶パネル・フラットパネル、透明電極／非透明電極、タッチパネル、抵抗器・コンデンサ・変成器・複合部品、電気二重層コンデンサの電極材料、蓄電池、一次／二次電池の電極材、リチウムイオン電池の電極材、発電機・電動機・回転電気機械、燃料電池の触媒の基板、電気機械器具、色素増感太陽電池、フレキシブル基板、電子タグ、センサー及びセンサーユニットのいずれかの製品に用いることができ、このグラフェン粉体を利用することで、導電性、伝熱性、透明性、電極防食性等に優れた製品とすることができる。

本発明のグラフェン粉体を用いた製品において、
上記グラフェン粉体を、
セメント、生コンクリート、コンクリート製品、電気用陶磁器、理化学用・工業用陶磁器、炭素質電極、炭素・黒鉛製品、人工骨、石膏製品、石膏ボード、プラスチック、合成ゴム、塗料、印刷インキ、プリンテッドエレクトロニクス、ゼラチン・接着剤、油、潤滑油・グリース、パイプ、建材、食品用ラップ、医療用ラップ、台所用品、玩具、情報処理装置の筐体、家電製品、飲料ペットボトル、機械部品、工業用接着剤、放熱グリス、包材、エンジニアプラスチック、家具、タイヤ、医療用ゴム、耐熱ガスケット、防振ゴム、ゴム製品のいずれかの製品に用いることを特徴としている。
この特徴によれば、高純度で品質の良い微粒子化された高分散量を実現できるグラフェンを各種化学製品や窯業・土石製品、日用品等の製品及び部品に利用することができる。このグラフェン粉体を樹脂に添加することで、強度が向上し、導電性、伝熱性、透明性、耐食性、ガスバリア性に優れた樹脂となる。また、分散しやすいため、樹脂中に一様にグラフェン粉体を分散させることができる。例えば、グラフェン粉体を樹脂に添加し、セメント、生コンクリート、コンクリート製品、電気用陶磁器、理化学用・工業用陶磁器、炭素質電極、炭素・黒鉛製品、人工骨、石膏製品、石膏ボード、プラスチック、合成ゴム、塗料、印刷インキ、プリンテッドエレクトロニクス、ゼラチン・接着剤、油、潤滑油・グリース、パイプ、建材、食品用ラップ、医療用ラップ、台所用品、玩具、情報処理装置の筐体、家電製品、飲料ペットボトル、機械部品、工業用接着剤、放熱グリス、包材、エンジニアプラスチック、家具、タイヤ、医療用ゴム、耐熱ガスケット、防振ゴム、ゴム製品のいずれかの製品に用いることができ、このグラフェン粉体を利用することで、強度が向上し、導電性、伝熱性、耐食性、ガスバリア性に優れた製品とすることができる。

本発明のグラフェン粉体を用いた製品において、
上記グラフェン粉体を樹脂に添加し、
ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリアセタール、ポリカーボネイト、ＰＥＴ、フッ素樹脂、エポキシ、シリコンのいずれかにより構成されることを特徴としている。
この特徴によれば、高純度で品質の良い微粒子化された高分散量を実現できるグラフェンを各種樹脂製品及び樹脂部品に利用することができる。このグラフェン粉体を樹脂に添加することで、強度が向上し、導電性、伝熱性、透明性、耐食性、ガスバリア性に優れた樹脂となる。また、分散しやすいため、樹脂中に一様にグラフェン粉体を分散させることができる。例えば、グラフェン粉体を樹脂に添加し、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリアセタール、ポリカーボネイト、ＰＥＴ、フッ素樹脂、テフロン（登録商標）、エポキシ、シリコンのいずれかにより構成されることができ、このグラフェン粉体を添加した樹脂を利用することで、導電性、伝熱性、透明性、耐食性、ガスバリア性に優れた樹脂製品とすることができる。

本発明のグラフェン粉体を用いた製品において、
上記グラフェン粉体をＰＺＣ（Point of zero charge）により、液中に分散させたことを特徴としている。
この特徴によれば、液中に分散した物質の電位の均衡をとるようにすることで、グラフェン粉体を分散させる。例えば、液中のペーハー（ｐｈ）を調整することにより、この電位の均衡をとり、グラフェン粉体を液中に分散させることができる。

本発明のグラフェン粉体を用いた製品において、
前記液は、インク、溶液、樹脂分散体であることを特徴としている。
この特徴によれば、例えば、ＰＺＣによりインクにグラフェン粉体を分散させることでグラフェン粉体が含まれるインク（グラフェンインク）とすることができる。また、他の溶液中や、樹脂分散体にＰＺＣによりグラフェン粉体を分散させることでグラフェン粉体が含まれる溶液（グラフェン溶液）や、グラフェン粉体が含まれる樹脂分散体（グラフェン樹脂分散体）を、グラフェン粉体を用いた製品として製造することができる。

実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第１の構成図である。 実施例におけるグラフェン粉体の劈開を説明するための説明図（ａ）及び（ｂ）である。 実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第２の構成図である。 実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第３の構成図である。 実施例におけるグラフェン粉体の劈開を説明するための説明図（ａ）及び（ｂ）である。 実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第４の構成図である。 実施例におけるグラフェン粉体の劈開を説明するための説明図（ａ）及び（ｂ）である。 実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第５の構成図である。 実施例におけるグラフェン粉体の劈開を説明するための説明図（ａ）及び（ｂ）である。 実施例におけるグラフェン粉体を樹脂、ゴム等に混合させてペレット化してマスターバッチにする製造装置と、そのペレットを用いて樹脂・ゴム製品を製造する製造装置の第１の構成図である。 実施例におけるグラフェン粉体が添加された樹脂・ゴム製品の製造装置の第２の構成図である。 実施例におけるグラフェン粉体を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）により観察した画像図である。 実施例におけるグラフェン粉体が添加されたマスターバッチにより製品を製造する工程を示す説明図である。 粉砕による微粒子の模式図（ａ）と、実施例におけるグラフェン粉体の模式図（ｂ）である。 粉砕による微粒子の模式図及び粉砕の様子を示す説明図（ａ）と、実施例におけるグラフェン粉体の模式図及び劈開の様子を示す説明図（ｂ）である。 実施例におけるグラフェン粉体を適用した各種製品とその効能を示す説明図１である。 実施例におけるグラフェン粉体を適用した各種製品とその効能を示す説明図２である。

本発明に係るグラフェン粉体を製造するための形態と、製造したグラフェン粉体を用いて各種製品を製造するための形態とを実施例に基づいて以下に説明する。

まず、本発明に係るグラフェン粉体を製造するための形態を示す実施例を、図１から図９を参照して説明する。実施例におけるグラフェン粉体の製造装置としては、５つの構成を図１、図３、図４、図６及び図８に例示する。図１及び図３に示すグラフェン粉体の製造装置では、噴流として気体を利用する場合を示し、図４、図６及び図８に示すグラフェン粉体の製造装置では、噴流として液体を利用する場合を示す。

図１は、実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第１の構成図を示している。

図１において、グラフェン粉体の製造装置１は、噴流を出力する噴流出力手段となるコンプレッサー４と、密閉された空間を備えるチャンバーであるプロセスチャンバー５とを少なくとも有し、プロセスチャンバー５は、黒鉛、グラファイトなどを含む原料３とコンプレッサー４により出力された噴流とを入力する入力部１０と、プロセスチャンバー５内で黒鉛が噴流により劈開されることで生じる微粒子化されたグラフェン粉体を出力する出力部１１とを備える。出力部１１は、図面中では模式的に示しているが、プロセスチャンバー５の出力ノズルとその後のパイプとを備えることができる。

噴流出力手段となるコンプレッサー４は、気体を圧縮して圧力を高め、連続的に送り出す装置であり、従来からある通常のコンプレッサーを利用することができる。コンプレッサー４は、空気またはガスなどの気体を圧縮して超高速ジェットの気体噴流をパイプ９に出力する。ガスとしては、窒素ガス、炭化水素ガス、水素ガスなどを利用することができる。コンプレッサー４の噴流の吐出圧力としては、約１０〜５００MPaぐらいに設定され、噴流ノズル径としては、直径０．１〜１ｍｍぐらいに設定される。これにより噴流は、１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内の速度で出力される。

プロセスチャンバー５は、図示しないバルブにより大気を遮断し、プロセスに応じて高真空／内部雰囲気を保持する装置であり、従来からある通常のドラム型のプロセスチャンバーを利用することができる。プロセスチャンバー５は、入力部１０から入力された黒鉛を含む原料３とコンプレッサー４により出力された気体噴流とを入力し、内部において、黒鉛を劈開させる処理（以下、「劈開プロセス）という）を行い、劈開プロセスの終了後、劈開され微粒子化されたグラフェン粉体７を出力部１１から出力する。プロセスチャンバー５内では、気体噴流９ａ〜９ｄを原料３に対して吹き付けて衝突させることで直接劈開させたり、原料３の黒鉛が気体噴流に乗ってプロセスチャンバー５の内壁に衝突することにより劈開されたり、原料３の黒鉛が気体噴流に乗って黒鉛同士が衝突することにより劈開されたりする。図１に示すプロセスチャンバー５の入力部１０は、パイプ９を介して超高速ジェットの気体噴流と、黒鉛を含む原料３とをそれぞれ入力するものであり、気体噴流を入力する第１入力手段１０ａ、第２入力手段１０ｂ、第３入力手段１０ｃ及び第４入力手段１０ｄと、原料３を入力する第５入力手段１０ｅとを備える。第１入力手段１０ａ〜第５入力手段１０ｅは、ノズルで構成される。本実施例においては、入力部１０を５つ備える場合を例にしているが、入力部としては、１つ、または複数備えることができ、６つ以上の入力部を備えてもよい。また、本実施例においては、気体と原料とは異なる入力手段より入力しているが同じ入力手段より入力するようにしてもよい。また、入力部１０は、第１入力手段１０ａ〜第５入力手段１０ｅにおけるプロセスチャンバー５内への入力方向をそれぞれ調整する図示しない調整手段を有している。調整手段により、第１入力手段１０ａ〜第４入力手段１０ｄから入力される気体噴流９ａ〜９ｄのプロセスチャンバー５内への入力方向と、第５入力手段１０ｅから入力される原料３のプロセスチャンバー５内への入力方向とをそれぞれ調整する。調整手段は、例えば、二つの入力手段の入力方向を互いに対向させるように設定してもよいし、プロセスチャンバー５の壁面の特定位置へ向くように設定できる。なお、調整手段は、必須の構成ではなく、入力部１０より固定方向に入力するようにしてもよい。

また、グラフェン粉体の製造装置１は、原料３が投入され、投入された原料３を保持する原料タンク２と、プロセスチャンバー５から出力されるグラフェン粉体を分離・捕集する集塵器６ａと、グラフェン粉体を保持して出力する出力タンク６ｂとを備えることができる。

使用する原料３としては、黒鉛を含むものであればよく、例えば、天然のグラファイトやグラファイト粉末などを利用できる。原料３は、原料タンク２に投入され、パイプ８を介して、第５入力手段１０ｅからプロセスチャンバー５内へ入力される。

集塵器６ａは、プロセスチャンバー５から出力されるグラフェン粉体７を分離・捕集する装置である。集塵器６ａとしては、粒子の自然沈降を利用する重力式（重力沈降室）、遠心力を利用する遠心式（サイクロン）、各種濾材(ろざい)を利用する濾過式、粒子を障害物表面に衝突・付着させる衝突式、電気式（電気集塵器）、音波式（音波集塵器）などを利用することができる。本実施例においては、気体として空気又はガスを利用するため、乾いた状態で集塵する乾式を利用する。

出力タンク６ｂは、黒鉛が劈開されて微粒子化されたグラフェン粉体７を保持して出力する。また、出力タンク６ｂから出力されるグラフェン粉体７は、劈開状況によりパイプ１９を介して再度原料タンク２に投入され、劈開プロセスが繰り返される。

つぎに、本実施例におけるグラフェン粉体の製造方法の一例を、図１を参照して説明する。まず、プロセスチャンバー５を起動させ、プロセスチャンバー５内部を真空状態にする。真空状態とすることで、プロセスチャンバー５内の不純物を取り除くことができる。つぎに、原料タンク２に、グラファイト粉末の原料３を投入し、パイプ８を介して、第５入力手段１０ｅからプロセスチャンバー５内へ原料３を入力する。また、コンプレッサー４を起動させ、空気またはガスなどの気体を圧縮し、５００ｍ／ｓの速度で超高速ジェットの気体噴流をパイプ９に出力し、プロセスチャンバー５の第１入力手段１０ａ〜第４入力手段１０ｄから気体噴流９ａ〜９ｄを入力させる。プロセスチャンバー５では、第１入力手段１０ａ〜第４入力手段１０ｄから入力された気体噴流と、第５入力手段１０ｅから入力された黒鉛を含む原料３とを衝突させ、黒鉛を劈開させる劈開プロセスを行う。プロセスチャンバー５内では、調整手段により第１入力手段１０ａ〜第５入力手段１０ｅにおけるプロセスチャンバー５内への入力方向を調整し、気体噴流を原料３に対して吹き付けて衝突させる。もしくは、原料３の黒鉛を気体噴流に乗ってプロセスチャンバー５の内壁に衝突させるように調整する。プロセスチャンバー５が、球状の場合には、プロセスチャンバー５内の内壁に沿って気体噴流が回転し、気流を起こし、原料３と気体噴流とが衝突しやすくなる。

ここで、劈開プロセスについて、図２（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は、実施例におけるグラフェン粉体の劈開を説明するための説明図を示している。第５入力手段１０ｅから入力された黒鉛を含む原料３は、第１入力手段１０ａ〜第４入力手段１０ｄから入力された気体噴流９ａ〜９ｄに衝突することで、黒鉛の層間に気体噴流９ａ〜９ｄが侵入し、黒鉛を劈開させることできる。また、原料３の黒鉛が気体噴流に乗って黒鉛同士が衝突することにより黒鉛の層間に他の黒鉛の層が侵入することで、劈開させることができる。さらに、原料３の黒鉛が気体噴流に乗ってプロセスチャンバー５の内壁に衝突することにより劈開させることができる。また、プロセスチャンバー５内で気体噴流が気流を起こし、原料３と気体噴流とが何度も衝突することができる。グラフェンは、劈開しやすい性質を有していることから、正八面体の面に対して平行に簡単に割れるが、気体噴流９ａ〜９ｄの速度は、１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内とすることが望ましい。この速度範囲は、本願の発明者が、実験を重ねて見出したものであり、噴流の速度を、１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内にある速度とすることで、黒鉛の劈開が生じることが見出された。１００ｍ／ｓ未満であると、噴流の勢いが足りず劈開しにくく、また、１０００ｍ／ｓより速い速度であると、最適なサイズの微粒子に制御しにくくなり、またグラフェンの結晶に孔が生じてしまい、グラフェンの品質を高品質に保つことが難しくなる。１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度で噴流を黒鉛と共にプロセスチャンバー５に投入することで、劈開プロセスを生じさせることができ、黒鉛を劈開させ微粒子化されたグラフェン粉体を得ることができる。

このような劈開プロセスを所定時間行い、所定時間経過後劈開プロセスを終了し、図１に示す集塵器６ａを起動させて、劈開され微粒子化されたグラフェン粉体７を出力部１１から出力させ、集塵器６ａにてグラフェン粉体７を分離・捕集する。集塵器６ａでは、所定の粒子サイズの薄片化されたグラフェン粉体７より大きい粒子サイズのものを取り除くようにしてもよい。製造されたグラフェン粉体７は、出力タンク６ｂにて保持され、必要なときに出力される。また、出力タンク６ｂから出力されるグラフェン粉体７を、劈開状況によりパイプ１９を介して再度原料タンク２に投入し、プロセスチャンバー５内へグラフェン粉体７を入力することで劈開プロセスを繰り返してもよい。このように、パイプ１９を介して原料タンク２にループさせることで、グラフェン粉体７の劈開プロセスを複数回施すことができる。このような処理によりグラフェン粉体７の製造が完了する。また、集塵器６ａにおいて、所定の粒子サイズより大きい粒子サイズのものを取り除いた場合には、この大きい粒子サイズのものだけ再度劈開プロセスを経るようにループさせてもよい。

以上説明したような工程の製造方法により、黒鉛が劈開し、劈開され微粒子化されたグラフェン粉体７を製造することができる。グラフェン粉体の製造装置１では、原料３と、気体噴流とを異なる入力手段より入力しているが、原料３をコンプレッサー４に入力し、空気またはガスと原料３とを混合し、原料３が混合された気体噴流を、１または複数の入力手段より入力するようにしてもよい。

つぎに、噴流として気体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置の他の例を、図３を参照して説明する。図３に、実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第２の構成図を示している。図３においては、図１に示すグラフェン粉体の製造装置１の構成に加えて、劈開後の後処理を追加したグラフェン粉体の製造装置２０を示している。グラフェン粉体の製造装置２０では、後処理として、大気プラズマにより、グラフェンの品質を改質する場合を示している。図３において、図１に示す符号と同じ符号は、同じ構成を示している。同じ構成については、上述したとおりである。ここでは、追加した後処理について説明する。

図３において、グラフェン粉体の製造装置２０は、上記グラフェン粉体の製造装置１の構成に加えて、プラズマ処理部１５と、高圧電源１６と、ガスボンベ１３とを有する。高圧電源１６で高電圧を加えることで、プラズマ処理部１５にてプラズマを発生させることができる。プラズマ処理部１５では、大気圧プラズマを発生させるようにしてもよいし、真空プラズマを発生させるようにしてもよい。ガスボンベ１３は、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、ＮＨ_３、Ｏ_２などの雰囲気ガスを出力する。

プラズマ処理部１５では、プロセスチャンバー５の出力部１１から出力されたグラフェン粉体７に対してプラズマを照射し、グラフェンを活性化させる。それとともに、ガスボンベ１３から出力されるガスを吹き付け、プラズマ処理部１５でプラズマ化させ、グラフェンの端面に官能基を付着させることにより、官能基が付着したグラフェン粉体２１を得る。 これにより、改質処理が施され、分散性、導電性、伝導性、絶縁性、放熱性などを付与することができ、グラフェン粉体の品質を向上させることができる。プラズマ処理部１５で後処理された官能基が付着したグラフェン粉体２１は、パイプ１８を通して、集塵器６ａにて分離・捕集され、出力タンク６ｂにて保持され、必要なときに出力される。

このように、プラズマ処理を施すことで、官能基を付着させることができる。この場合、雰囲気ガスとしては、Ａｒ、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｏ_２等を用い、グラフェン粉体７に対してプラズマを照射することで、官能基が付着されたグラフェン粉体２１となる。

図３に示すグラフェン粉体の製造装置２０によれば、プラズマ処理部１５にて、劈開後のグラフェン粉体７に対して後処理を行うことで、官能基が付着したグラフェン粉体２１を製造することができ、グラフェンの品質をさらに向上させることができる。すなわち、分散性、導電性、伝導性、絶縁性、放熱性などの品質を向上させることができる。

後処理としては、プラズマ処理の代わりに、紫外線オゾン処理などによる他の改質処理を行うようにしてもよい。

つぎに、噴流として液体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置を、図４を参照して説明する。

図４は、実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第３の構成図を示している。

図４において、グラフェン粉体の製造装置３０は、噴流出力手段となる超高圧ポンプ３４と、密閉された空間を備えるチャンバーであるプロセスチャンバー４９とを少なくとも有し、プロセスチャンバー４９は、超高圧ポンプ３４により出力された黒鉛、グラファイトなどと液体とを含む原料３３の液体噴流とを入力する入力部３９と、プロセスチャンバー４９内で黒鉛が液体噴流により劈開されることで生じる微粒子化されたグラフェン粉体を出力する出力部４１とを備える。また、グラフェン粉体の製造装置３０は、黒鉛、グラファイトなどと液体とが投入され、これらを保持する原料タンク３２と、図示しない出力タンクとを備えることができる。

図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０においては、原料３３は、天然のグラファイトやグラファイト粉末と、水または有機溶媒などの液体とが混合されたものを利用する。天然のグラファイトやグラファイト粉末と、水または有機溶媒などの液体とが、ともに原料タンク３２に投入されると、スラリー状の原料３３となる。すなわち、原料の黒鉛が液体の中に懸濁し、流動体の状態の原料となる。スラリー状の原料３３は、原料タンク３２からパイプ３８を介して超高圧ポンプ３４へ入力される。液体としては、水、有機溶媒など、例えば、アルコール系溶媒（エタノール、イソプロパノール、イソブタノール等）または、ケトン系溶媒（メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジエチルケトン等）または、エーテル系溶媒（ジブチルエーテル、ジオキサン、ジメチルスルホキシド等）を利用することができる。水を使用すると、修飾されない純粋なグラフェン粉体を製造することができ、有機溶媒を使用すると、官能基が付与され、機能化されたグラフェン粉体を製造することができる。

噴流出力手段となる超高圧ポンプ３４は、液体の圧力を高め、加圧することで連続的に送り出す装置であり、従来からある通常の超高圧ポンプを利用することができる。超高圧ポンプ３４は、スラリー状の原料３３に含まれる液体に圧力をかけることで超高速ジェットの液体噴流をパイプ３６及び３７の２方向に出力する。超高圧ポンプ３４の噴流の吐出圧力としては、約１０〜５００MPaぐらいに設定され、噴流ノズル径としては、直径０．１〜１ｍｍぐらいに設定される。これにより液体噴流は、１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内の速度で出力される。図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０においては、黒鉛、グラファイトなどと液体とを含むスラリー状の原料３３が超高圧ポンプ３４に入力され、スラリー状の原料３３が液体噴流として超高圧ポンプ３４から出力される。

プロセスチャンバー４９は、図示しないバルブにより大気を遮断し、プロセスに応じて高真空／内部雰囲気を保持する装置であり、従来からある通常の方形のプロセスチャンバーを利用することができる。プロセスチャンバー４９は、この例においては、液体で充填されている。プロセスチャンバー４９の入力部３９は、パイプ３６、３７を介して超高速ジェットのスラリー状の原料３３の液体噴流４２、４３を２方向からそれぞれ入力するものであり、第１入力手段３９ａ及び第２入力手段３９ｂを備える。第１入力手段３９ａ及び第２入力手段３９ｂは、ノズルで構成される。本実施例においては、入力部３９を２つ備える場合を例にし、第１入力手段３９ａと、第２入力手段３９ｂとの入力方向を互いに対向させるように設定している。この場合、直方体のプロセスチャンバー４９の対向する面に、第１入力手段３９ａと第２入力手段３９ｂとをそれぞれ設けている。また、１組の第１入力手段３９ａ及び第２入力手段３９ｂを、複数組設けるようにしてもよい。また、入力部３９は、第１入力手段３９ａ及び第２入力手段３９ｂにおけるプロセスチャンバー４９内への入力方向をそれぞれ調整する図示しない調整手段を有するようにしてもよい。調整手段により、第１入力手段３９ａ及び第２入力手段３９ｂから入力される液体噴流体４２、４３のプロセスチャンバー４９内への入力方向をそれぞれ調整することができる。調整手段は、例えば、二つの入力手段の入力方向を互いに対向させるように設定してもよいし、プロセスチャンバー４９の壁面の特定位置へ向くように設定できる。プロセスチャンバー４９内では、原料３３の液体噴流４２、４３を互いに衝突させることで直接黒鉛を劈開させている。もしくは、原料３３を含む液体噴流をプロセスチャンバー４９の内壁に衝突させることにより黒鉛を劈開させるようにしてもよい。プロセスチャンバー４９は、黒鉛が劈開されて微粒子化されたグラフェン粉体４０と液体とを出力部４１より出力する。また、出力部４１から出力されるグラフェン粉体４０は、劈開状況によりパイプ４４を介して再度原料タンク３２に投入され、劈開プロセスが繰り返されるようにできる。

図示しない出力タンクを備える場合、プロセスチャンバー４９の出力部４１から出力されるグラフェン粉体４０と液体とを保持して出力する。また、劈開後、出力部４１から出力されるグラフェン粉体４０及び液体に乾燥工程を施すことで、液体を取り除き、グラフェン粉体４０のみを取り出すようにしてもよい。また、液体が目的の有機溶媒の場合は、乾燥工程を施すことなく、有機溶媒に含まれるグラフェン粉体４０をそのまま使用することができる。なお、原料タンク３２に混合される液体と、プロセスチャンバー４９に充填される液体とは、同一の液体を利用してもよいし、異なる液体としてもよい。

つぎに、本実施例におけるグラフェン粉体の製造方法の一例を、図４を参照して説明する。まず、プロセスチャンバー４９内部に液体として例えば水を充填し、プロセスチャンバー４９を起動させる。また、超高圧ポンプ３４を起動させる。つぎに、原料タンク３２に、グラファイト粉末の原料３３と水を投入し、パイプ３８を介して、超高圧ポンプ３４内へスラリー状の原料３３を入力する。超高圧ポンプ３４では、スラリー状の原料３３に加圧し、３００ｍ／ｓの速度で超高速ジェットの液体噴流をパイプ３６，３７に出力し、プロセスチャンバー４９の第１入力手段３９ａ及び第２入力手段３９ｂから液体噴流４２、４３を入力させる。プロセスチャンバー４９では、第１入力手段３９ａと第２入力手段３９ｂとが互いに対向する位置に配置されており、スラリー状の原料３３は、液体噴流４２、４３として互いに衝突することで、黒鉛を劈開させる劈開プロセスが行われる。プロセスチャンバー４９内では、調整手段により第１入力手段３９ａと第２入力手段３９ｂにおけるプロセスチャンバー４９内への入力方向を調整し、液体噴流４２と、液体噴流４３とを衝突させる。もしくは、液体噴流４２と、液体噴流４３とをそれぞれプロセスチャンバー４９の内壁にそれぞれ衝突させるように調整してもよい。

ここで、劈開プロセスについて、図５（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）及び（ｂ）は、図４に示す実施例におけるグラフェン粉体の劈開を説明するための説明図を示している。水が充填されているプロセスチャンバー４９内に、スラリー状の原料３３は、第１入力手段３９ａと第２入力手段３９ｂとの２方向から入力され、液体噴流４２、４３として互いに衝突することで、黒鉛の層間にスラリー状の原料３３を含む液体噴流４２、４３が侵入し、黒鉛を劈開させることできる。また、スラリー状の原料３３の黒鉛が液体噴流に乗って黒鉛同士が衝突することにより黒鉛の層間に他の黒鉛の層が侵入することで、劈開させることができる。さらに、スラリー状の原料３３の黒鉛が液体噴流に乗ってプロセスチャンバー４９の内壁に衝突することにより劈開させることができる。グラフェンの場合、劈開しやすい性質を有していることから、面に対して平行に簡単に割れるが、液体噴流４２、４３の速度は、上述した気体の場合と同様に、１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内とすることが望ましい。１００ｍ／ｓ未満であると、噴流の勢いが足りず劈開しにくく、また、１０００ｍ／ｓより速い速度であると、最適なサイズの微粒子に制御しにくくなり、またグラフェンの結晶に孔が生じてしまい、グラフェンの品質を高品質に保つことが難しくなる。１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度で噴流を黒鉛と共にプロセスチャンバー４９に投入することで、劈開プロセスを生じさせることができ、黒鉛を劈開させ微粒子化されたグラフェン粉体を得ることができる。

このような劈開プロセスを所定時間行い、所定時間経過後劈開プロセスを終了し、製造されたグラフェン粉体４０が水と共に、出力部４１より出力される。また、出力されるグラフェン粉体４０と水とを、劈開状況によりパイプ４４を介して再度原料タンク３２に投入し、プロセスチャンバー４９内へグラフェン粉体４０と水を入力することで劈開プロセスを繰り返してもよい。このように、パイプ４４を介して原料タンク３２にループさせることで、グラフェン粉体４０の劈開プロセスを複数回施すことができる。このような処理によりグラフェン粉体４０の製造が完了する。この場合、出力部４１よりグラフェン粉体４０と水とが出力されるため、さらに、乾燥工程を施すことができる。乾燥工程において水を蒸発させることで、水を取り除き、グラフェン粉体４０のみを取り出すことができる。

以上説明したような工程の製造方法により、黒鉛が劈開し、劈開され微粒子化されたグラフェン粉体４０を製造することができる。

つぎに、噴流として液体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置の他の構成を、図６を参照して説明する。

図６は、実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第４の構成図を示している。図６においては、図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０と同様に、液体を用いる場合を示し、図４に示す符号と同じ符号は、同じ構成を示している。同じ構成については、上述したとおりである。図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０では、２方向から同じスラリー状の原料３３をプロセスチャンバー４９に入力していたのに対し、図６に示すグラフェン粉体の製造装置５０では、スラリー状の原料３３と、液体のみの液体噴流とを２方向からプロセスチャンバー４９に入力する場合を例にしている。ここでは、図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０と異なる部分について説明する。

図６に示すグラフェン粉体の製造装置５０では、原料タンク３２のスラリー状の原料３３は、超高圧ポンプ３４へ入力されず、また、超高圧ポンプ３４では、液体のみを加圧することで液体噴流をパイプ５５及び５６の２方向に出力する。超高圧ポンプ３４からの出力される液体のみの液体噴流は、パイプ５５を介してプロセスチャンバー４９の第１入力手段３９ａより入力される。また、原料タンク３２のスラリー状の原料３３は、パイプ３８における合流地点５１にて、超高圧ポンプ３４からの液体噴流と混合され、プロセスチャンバー４９の第２入力手段３９ｂより入力される。プロセスチャンバー４９では、スラリー状の原料３３を含む液体噴流５２と、液体のみの液体噴流５３とが互いに衝突することで、黒鉛を劈開させる劈開プロセスが行われる。

ここで、劈開プロセスについて、図７（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）及び（ｂ）は、図６に示す実施例におけるグラフェン粉体の劈開を説明するための説明図を示している。液体が充填されているプロセスチャンバー４９内に、スラリー状の原料３３が第２入力手段３９ｂから入力され、液体のみの液体噴流が第１入力手段３９ａから入力され、スラリー状の原料３３と、液体噴流５３とが互いに衝突することで、黒鉛の層間に液体噴流５３が侵入し、黒鉛を劈開させることできる。液体噴流５２、５３の速度は、上述した例と同様にできる。このように処理した場合にも劈開プロセスを生じさせることができ、黒鉛を劈開させ微粒子化されたグラフェン粉体５４を得ることができる。この場合にも、劈開後は、上述した図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０における処理と同様に、乾燥工程や原料タンク３２にループさせる工程を施すことができる。

以上説明したような工程の製造方法により、黒鉛が劈開し、劈開され微粒子化されたグラフェン粉体５４を製造することができる。また、図６に示すグラフェン粉体の製造装置５０では、プロセスチャンバー４９の第２入力手段３９ｂより入力されるスラリー状の原料３３は、超高圧ポンプ３４からの液体噴流と混合されるように構成しているが、液体噴流と混合せずに、スラリー状の原料３３のみを第２入力手段３９ｂより入力するようにしてもよい。この場合にも、第２入力手段３９ｂより入力されたスラリー状の原料３３の黒鉛が、他の入力手段である第１入力手段３９ａより入力される液体噴流により劈開され、微粒子化されたグラフェン粉体５４を製造することができる。

つぎに、噴流として液体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置の他の構成を、図８を参照して説明する。

図８は、実施例におけるグラフェン粉体の製造装置の第５の構成図を示している。図８においては、図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０と同様に、液体を用いる場合を示し、図４に示す符号と同じ符号は、同じ構成を示している。同じ構成については、上述したとおりである。図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０では、２方向から同じスラリー状の原料３３をプロセスチャンバー４９に入力していたのに対し、図６に示すグラフェン粉体の製造装置５０では、スラリー状の原料３３の液体噴流を１方向からプロセスチャンバー６６に入力する場合を例にしている。ここでは、図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０と異なる部分について説明する。

図８に示すグラフェン粉体の製造装置６０では、原料タンク３２のスラリー状の原料３３は、超高圧ポンプ３４へ入力され、超高圧ポンプ３４で加圧され、液体噴流としてパイプ３６を介して、プロセスチャンバー６６の第１入力手段６７ａより入力される。プロセスチャンバー６６では、スラリー状の原料３３を含む液体噴流６１が第１入力手段６７ａより入力されると、キャビテーション効果が生じ、これにより黒鉛を劈開させる劈開プロセスが行われる。液体中に液体噴流６１を流入させることで、圧力差が生じ、キャビテーション効果により発生した泡６５が黒鉛の劈開面に侵入することで黒鉛を劈開させたり、また、その泡６５の消滅により黒鉛を劈開させたりできる。

ここで、劈開プロセスについて、図９（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図９（ａ）及び（ｂ）は、図８に示す実施例におけるグラフェン粉体の劈開を説明するための説明図を示している。液体が充填されているプロセスチャンバー６６内に、スラリー状の原料３３が第１入力手段６７ａから入力されると、プロセスチャンバー６６内の液体の流れ６２の中で圧力差によりキャビテーション効果が生じ、短時間に泡６５の発生と消滅が起きる。発生した泡６５が黒鉛の劈開面に侵入することで黒鉛を劈開させたり、また、その泡６５の消滅により黒鉛を劈開させたりできる。液体噴流６１の速度は、上述した例と同様にできる。このように処理した場合にも劈開プロセスを生じさせることができ、黒鉛を劈開させ微粒子化されたグラフェン粉体６４を得ることができる。この場合にも、劈開後は、上述した図４に示すグラフェン粉体の製造装置３０における処理と同様に、乾燥工程や原料タンク３２にループさせる工程を施すことができる。

以上説明したような工程の製造方法により、黒鉛が劈開し、劈開され微粒子化されたグラフェン粉体６４を製造することができる。また、図８に示すグラフェン粉体の製造装置６０において、プロセスチャンバー６６内に液体を充填せずに、プロセスチャンバー６６内に気体を充填しておくかまたは真空状態としておき、スラリー状の原料３３を第１入力手段６７ａから入力し、プロセスチャンバー６６内の壁面にスラリー状の原料３３を直接衝突させるようにして黒鉛を劈開させてもよい。このような構成によっても、劈開され微粒子化されたグラフェン粉体を製造することができる。

上述した５つのグラフェン粉体の製造装置により、本発明におけるグラフェン粉体を製造することができる。また、上述した５つの構成のうち複数を組み合わせて２段階の劈開プロセスまたはそれ以上の劈開プロセスを施すようにしてもよい。例えば、グラフェン粉体の製造装置３０の劈開プロセスを経た後に製造されたグラフェン粉体４０を、グラフェン粉体の製造装置５０の原料タンク３２に投入し、グラフェン粉体の製造装置５０の劈開プロセスを施すことで、２段階の劈開プロセスを施すことができる。この場合、原料タンクにループさせて同一のグラフェン粉体の製造装置により複数回の劈開プロセスを経る工程を設ける代わりに、他のグラフェン粉体の製造装置へ移行していくようにもよいし、原料タンクにループさせて複数回の劈開プロセスを経る工程に加えて、他のグラフェン粉体の製造装置による劈開プロセスを加えてもよい。

また、上記実施例において、各グラフェン粉体の製造装置に原料を投入する前に、グラフェンの結合力を弱める前処理を施すようにしてもよい。前処理としては、例えば、黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて減圧させることで雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理を施したり、また黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて加熱する加熱処理を施したり、低濃度の酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理を施したり、超音波による振動を与える振動処理を施したりできる。これらの前処理は、複数適宜組み合わせてもよい。黒鉛を含む原料に対して、グラフェンの結合力を弱める前処理を施すことで、より黒鉛を劈開させやすくすることができる。また、液体と原料とを混合させてスラリー状にする場合には、グラファイトを粉砕させたグラファイトの粉体を超音波等で振動を与えて分散させることで、液体に溶かし込むようにしてもよい。これにより、液体中に一様にグラファイトの粉体を分散させることができる。超音波等で振動を与える振動処理を施すことで、キャビテーション効果が生じ、原料待機中に大まかな劈開を行うことが可能になり、噴流された際により劈開しやすくなる。また、この前処理は、各グラフェン粉体の製造装置にて行うようにしてもよいし、各グラフェン粉体の製造装置で行わずに、他の装置において行ってもよい。この前処理を、各グラフェン粉体の製造装置にて行う場合には、原料待機中に前処理を施すことにより効率的にグラフェンを製造することができる。

前処理として、超音波等で振動を与える振動処理を施す場合には、図４に示すように、原料タンク３２の内部または外部に超音波振動子４５を追加することで対応できる。この場合、原料タンク３２に、液体とグラファイト粉末とが混合された原料３３を投入し、超音波振動子４５により超音波で振動させる。これにより、液体と原料３３とが混合されるとともに、原料３３の黒鉛に対してキャビテーション効果が生じ、黒鉛が劈開される。音波振動子４５による超音波の振動処理を、原料投入時だけでなく、原料３３がパイプ３８を介してプロセスチャンバー４９へ出力されているときにも施すことで、出力待機中に大まかに劈開を行うことができる。これにより、噴流された際により黒鉛がより劈開しやすくなる。他のグラフェン粉体の製造装置５０、６０においても、同様に、原料タンク３２の内部または外部に超音波振動子４５を追加することで、超音波振動子４５による超音波の振動処理を施すことができる。また、グラフェン粉体の製造装置１、２０の場合には、先に、液体中に黒鉛を混合させておき、超音波振動子４５による超音波の振動処理を施した後に、液体を乾燥させる乾燥工程を経て、乾燥されたグラフェン粉体を利用することで、大まかに黒鉛を劈開させておくことができる。このように前処理を施すことで、噴流された際により黒鉛がより劈開しやすくなる。

また、上記各グラフェン粉体の製造装置において、上述した劈開後の後処理として、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの処理を施すようにしてもよい。また、劈開後の後処理として、グラフェン粉体を、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかに混合させてもよい。

また、上述したように形成されたグラフェン粉体７、２１または乾燥されたグラフェン粉体４０、５４、６４を出荷する際には、真空状態、または窒素やアルゴンなどの不活性ガスを充填しておくことで、グラフェンの酸化を防止することができる。グラフェン粉体を梱包する梱包袋としては、ガスバリア性（水分、酸素等を遮断する機能）、遮光性（可視光線、紫外線等を遮断する機能）等を備えることが望ましい。また、グラフェン粉体と、溶媒等の液体とが混合されている場合には、グラフェン粉体が含まれる液体をそのままにして出荷してもよい。さらに、グラフェン粉体を樹脂、ゴム等に混合させてペレット化し、マスターバッチにして出荷してもよい。

以下、このペレット化してマスターバッチにする場合の製造方法及び製造装置、それにより得られる製品について説明する。まず、グラフェン粉体を樹脂、ゴム等に混合させてペレット化してマスターバッチにする場合の製造方法及び製造装置について図１０を参照して説明する。ここで、マスターバッチとは、染料や顔料、機能材料を高濃度化させて、樹脂ベースに添加した、ペレット状の物をいう。ペレット状にすることで、原料に均一に混ぜやすいほか、設備が汚れない、舞い上がらない、保管しやすい、軽量しやすくなど、グラフェン粉体が扱いやすくなる。

図１０に、実施例におけるグラフェン粉体を樹脂、ゴム等に混合させてペレット化してマスターバッチにする製造装置と、そのマスターバッチを用いて樹脂製品を製造する製造装置の第１の構成図を示している。図１０の上段側は、グラフェン粉体を樹脂、ゴム等に混合させてペレット化してマスターバッチにするペレット製造装置７０を示し、図１０の下段側はそのマスターバッチを用いて樹脂・ゴム製品を製造する製品製造装置８８を示している。図１０の上段側においては、上述した噴流として気体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置１、２０により製造されたグラフェン粉体７、２１と、噴流として液体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置３０、５０、６０により製造されたグラフェン粉体４０、５４、６４とのうちのいずれかを用いて、樹脂、ゴム等に混合させてペレット化してマスターバッチにする場合を示している。なお、図１０においては説明のために、上述した噴流として気体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置１、２０により製造されたグラフェン粉体７、２１と、噴流として液体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置３０、５０、６０により製造されたグラフェン粉体４０、５４、６４とについて、全て図示しているが、少なくとも一つのグラフェン粉体の製造装置とそれにより製造されたグラフェン粉体を用いて樹脂、ゴム等に混合させてペレット化してマスターバッチにすることができる。樹脂・ゴムとしては、熱可塑性樹脂、熱／ＵＶ硬化性樹脂、天然／合成ゴムなどを利用することができる。例えば、熱可塑性樹脂としては、ＡＢＳ、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテフタレート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＡ（ナイロン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ポリ塩化ビニリデン、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））、ポリアセタール、フッ素樹脂などがある。また、熱／ＵＶ硬化性樹脂としては、ＥＰ（エポキシ）、ＭＦ（メラミン）、ＰＵＲ（ポリウレタン）、ＰＩ（ポリイミド）等がある。また、天然／合成ゴムとしては、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＡＣＭ（アクリルゴム）、Ｕ（ウレタンゴム）、Ｑ（シリコーンゴム）がある。

図１０の上段側のペレット製造装置７０は、樹脂やゴム等に、添加物を添加して射出成形によりペレット化してマスターバッチにする従来からある射出成形機を利用できる。ペレット製造装置７０は、原料の樹脂またはゴムを投入する原料ホッパー７４と、原料とグラフェン粉体とを投入して混合する混合ホッパー７５と、混合された原料とグラフェン粉体とをペレット状に射出成形する射出成形部８７と、成形されたペレットを保持する保持部８４とを備える。原料ホッパー７４には、樹脂またはゴムなどの原料が投入される。混合ホッパー７５には、噴流として気体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置１または２０により製造されたグラフェン粉体７または２１と、原料ホッパー７４の原料とが投入され、これらを混合してグラフェン粉体が添加された材料とする。射出成形部８７では、グラフェン粉体が添加された材料を加熱溶融させ、図示しないスクリューによりペレットの金型内へ射出し、成形し、保持部８４に出力する。保持部８４には、グラフェン粉体が添加された樹脂から製造されたマスターバッチ８５が保持される。

このように、本実施例におけるグラフェン粉体を利用してマスターバッチ８５を製造することで、グラフェンを樹脂・ゴム中に分散させやすくなり、また、樹脂・ゴム等の原料に対してグラフェン粉体の重量による混合比率も５０％以上にすることができる。

また、噴流として液体を利用する場合のグラフェン粉体の製造装置３０、５０、６０により製造されたグラフェン粉体４０、５４、６４を利用する場合には、乾燥部７２において、液体に含まれるグラフェン粉体４０、５４、６４を乾燥させ、液体を取り除き、液体を含まないグラフェン粉体とした後に、ペレット製造装置７０の混合ホッパー７５に投入させれば、その後は、上述した射出成形方法によりグラフェン粉体が添加されたペレットを製造することができる。

さらに、この製造されたマスターバッチ８５を利用することで、様々な樹脂製品またはゴム製品を製造することができる。図１３に、実施例におけるグラフェン粉体が添加されたマスターバッチにより製品を製造する工程を示す説明図を示す。上述したように、ペレット製造装置７０にて本実施例におけるグラフェン粉体を利用してマスターバッチ８５を製造し、さらに、樹脂またはゴムなどの各種製品の原料８６と、マスターバッチ８５とを混合して成形する（成形工程９０）ことで、色つきの成形品９２を製造することができる。

この成形工程９０における製品製造装置を、図１０の下段側に示している。図１０の下段側には、各種製品の原料８６と、マスターバッチ８５とを混合して、樹脂製品またはゴム製品を製造する製品製造装置８８を示している。製品製造装置８８は、樹脂やゴム等から射出成形により製品を成形する従来からある射出成形機を利用できる。製品製造装置８８は、原料８６の樹脂またはゴムを投入する原料ホッパー７９と、原料８６とマスターバッチ８５とを投入して混合する混合ホッパー８０と、混合された原料とマスターバッチ８５と溶融して射出する射出成形部８１と、各種製品の金型８２とを備える。原料ホッパー７９には、樹脂またはゴムなどの各種製品の原料８６が投入される。混合ホッパー８０には、原料８６と、マスターバッチ８５とが投入されて混合され、グラフェン粉体が添加された材料となる。射出成形部８１では、グラフェン粉体が添加された材料を加熱溶融させ、図示しないスクリューにより製品の金型内へ射出し、成形する。成形後、取り出すことで製品８３ができあがる。各種製品の原料となる樹脂・ゴムとしては、熱可塑性樹脂、熱／ＵＶ硬化性樹脂、天然／合成ゴムなどを利用することができる。例えば、熱可塑性樹脂としては、ＡＢＳ、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテフタレート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＡ（ナイロン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ポリ塩化ビニリデン、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））、ポリアセタール、フッ素樹脂などがある。また、熱／ＵＶ硬化性樹脂としては、ＥＰ（エポキシ）、ＭＦ（メラミン）、ＰＵＲ（ポリウレタン）、ＰＩ（ポリイミド）等がある。また、天然／合成ゴムとしては、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＡＣＭ（アクリルゴム）、Ｕ（ウレタンゴム）、Ｑ（シリコーンゴム）がある。また、各種製品としては、プラスチック製品、ゴム製品など、様々な製品に適用でき、各種製品にグラフェン粉体を添加させることができる。

また、図１１に示すように、実施例におけるグラフェン粉体７、２１、４０、５４、６４を、各種製品の原料８６と直接混合して、各種製品を製造するようにしてもよい。図１１において、図１０に示す符号と同じ符号は、同じ構成を示し、図１０と同様に射出成形を行い、製品を製造している工程を示している。

以上、説明したように、樹脂やゴム製品を製造する際に、本実施例におけるグラフェン粉体を樹脂やゴムに添加させることで、製品の引張強度が向上し、導電性を付与することができ、熱伝導性を付与することができ、ガスが通りにくくなるため、素体よりもガスバリア性を高くすることができる。本実施例におけるグラフェン粉体を利用することで、引張強度が向上するのは、複数の薄片状のグラフェン粉体が重なり合うことで、表面にしわができ、このしわと樹脂とが結合性を高め、複合界面の滑りを阻止し、密度を上昇させることによる。また、多くの樹脂は絶縁であるが、本実施例におけるグラフェン粉体を添加すると、そのグラフェン粉体が有する導電性により、樹脂に導電性を付与し、樹脂を導電化することができる。また、導電性が付与されることで、帯電防止や電磁シールド等の効果も生じる。熱伝導性化についても、導電化と同じく、本実施例におけるグラフェン粉体を添加すると熱伝導性を付与できる。このため、放熱の機能を付与することができるので、例えば、情報処理装置などの筐体他あらゆるところの製品に利用することができる。また、本実施例によるグラフェン粉体が樹脂中に分散されるため、ガスが通りにくくなるため、素体よりもガスバリア性が高くなる。このため、食品や医薬品等の袋は現在多重構造になっており複雑だが、本実施例におけるグラフェン粉体を利用する場合は樹脂内に混入するだけでよいため、製造プロセスの単純化が図れる。また、本実施例におけるグラフェン粉体によれば、高分散量を実現できるので、本実施例におけるグラフェン粉体を利用することで、グラフェンを樹脂・ゴム中に分散させやすくなり、また、樹脂・ゴム等の原料に対してグラフェン粉体の重量による混合比率も１０％以下でも効果を得ることができる。本実施例によるグラフェン粉体を添加した樹脂を利用することで、導電性、伝熱性、透明性、耐食性、ガスバリア性に優れた樹脂製品とすることができる。

また、製品の成形方法としては、上述した射出成形以外の製造方法であってもよい。例えば、ブロー成形、真空成形、発砲成形、重合成形（加熱、ＵＶ（紫外線）、ＥＢ（電子線）等）等により製造してもよい。これらの成形方法で成形する際に、グラフェン粉体を原料に混入して添加して成形すれば、グラフェン粉体を適用した製品を成形することができる。また、樹脂やゴムを原料とするものだけでなく、例えば、焼結前のセラミックス素材（グリーンシート等）、鉄系（フェライト等）、カーボン系、セラミックス系、その他様々な粉体系による成形物、低融点ガラス等を利用できる。

また、本実施例におけるグラフェン粉体は、樹脂やゴム製品に限らず、他の様々な製品を製造する際に混合して添加したり、製造後の製品に添加したりできる。本実施例におけるグラフェン粉体を利用することで、高純度で品質の良い微粒子化された高分散量を実現できるグラフェンを各種工業製品や電子機器等の製品及び部品に利用することができる。このグラフェン粉体は、導電性、伝熱性、透明性、電極防食性に優れ、フレキシブルであるため、どのような製品にも混入させることができ、また、分散しやすいため、一様にグラフェン粉体を分散させることができる。例えば、図１６及び図１７に示すような製品へ利用することができる。

図１６及び図１７には、実施例におけるグラフェン粉体を適用した各種製品とその効能を示している。図１６及び図１７に示すように、電子部品・デバイス・電子回路、電子機械器具、家庭用電気部品、自動車部品、機械部品、電気部品、窯業・土石製品、パルプ・紙・紙加工品・木材、化学工業製品、石油製品・石炭製品、プラスチック製品、ゴム製品等のあらゆる製品に適用することができる。

電子部品・デバイス・電子回路、電子機械器具としては、例えば、グラフェン粉体を溶媒に分散させることで、液晶パネル・フラットパネル、透明電極／非透明電極、タッチパネル、抵抗器・コンデンサ・変成器・複合部品、電気二重層コンデンサの電極材料、蓄電池、一次／二次電池の電極材、リチウムイオン電池の電極材、発電機・電動機・回転電気機械、燃料電池の触媒の基板、電気機械器具、色素増感太陽電池、フレキシブル基板、電子タグ、センサー及びセンサーユニットなどに利用できる。このグラフェン粉体を利用することで、導電性、伝熱性、透明性、電極防食性等に優れた製品とすることができる。また、導電性のあるグラフェン粉体を一様に分散させることができるため、これらの製品の表面積を小さくすることが可能となり、また、柔軟性があるため、フレキシブルな製品にも添加することができる。

また、本実施例におけるグラフェン粉体を各製品の原料に添加することで、窯業・土石製品、パルプ・紙・紙加工品・木材、化学工業製品、石油製品・石炭製品、プラスチック製品、ゴム製品等としては、例えば、セメント、生コンクリート、コンクリート製品、電気用陶磁器、理化学用・工業用陶磁器、炭素質電極、炭素・黒鉛製品、人工骨、石膏製品、石膏ボード、プラスチック、合成ゴム、塗料、印刷インキ、プリンテッドエレクトロニクス、ゼラチン・接着剤、油、潤滑油・グリース、パイプ、建材、食品用ラップ、医療用ラップ、台所用品、玩具、情報処理装置の筐体、家電製品、飲料ペットボトル、機械部品、工業用接着剤、放熱グリス、包材、エンジニアプラスチック、家具、タイヤ、医療用ゴム、耐熱ガスケット、防振ゴム、ゴム製品のいずれかの製品に用いることができる。このグラフェン粉体を利用することで、導電性、伝熱性、透明性、耐食性、ガスバリア性に優れた製品とすることができる。

また、本実施例におけるグラフェン粉体をＰＺＣ（Point of zero charge）により、液中に分散させることができる。例えば、ＰＺＣによりインクにグラフェン粉体を分散させることでグラフェン粉体が含まれるインク（グラフェンインク）とすることができる。また、他の溶液中や、樹脂分散体にＰＺＣによりグラフェン粉体を分散させることでグラフェン粉体が含まれる溶液（グラフェン溶液）や、グラフェン粉体が含まれる樹脂分散体（グラフェン樹脂分散体）を、グラフェン粉体を用いた製品として製造することができる。

ＰＺＣとは、Z（ゼータ）電位、等電点と呼ばれている現象をいい、液中に分散した物質の電位の均衡をとるようにすることで、分散させることをいう。例えば、液中のペーハー（ｐｈ）を調整することにより、この電位の均衡をとり、グラフェン粉体を液中に分散させることができる。このように製造されたグラフェンインク、グラフェン溶液、グラフェン樹脂分散体は、通常のインク、溶液、樹脂分散体と同様に扱うことができ、これらを用いて各製品をさらに製造することができる。このように製造されたグラフェンインク、グラフェン溶液、グラフェン樹脂分散体は、グラフェンが添加されていることで、導電性を備えるインク、溶液、樹脂分散体とすることができる。

上述した実施例によれば、品質がよく、大量生産することが可能なグラフェン粉体、グラフェン粉体の製造装置、グラフェン粉体の製造方法及びそのグラフェン粉体を用いた製品を実現できる。上述した製造装置により製造されたグラフェン粉体は、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させているだけであるので、他の物質に汚染されることがないためコンタミが無く、高純度で品質の良い微粒子化されたグラフェンとなる。二次元的に劈開するため葉っぱのような劈開面を備える薄片状となり、微粒子化することで、黒鉛を最適な粒子サイズとした薄片化されたグラフェン粉体が構成され、薄片化することで、表面積が大きくなることから他との接触面積が大きくなり、伝導性が高くなり、分散性も良好になる。特に、グラフェン粉体が薄片化されていることで、分散性をより高めることができ、高分散量を実現できる。

つぎに、上述した図４に示す本実施例におけるラフェン粉体の製造方法及び製造装置により製造されたグラフェン粉体４０を、図１２を参照して説明する。図１２に、図４に示す本実施例による製造装置により製造されたグラフェン粉体４０を、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）により観察した画像図を示している。図１２に示すように、グラフェン粉体４０は、上面に劈開面が形成され、この例においては、劈開面の長辺方向の長さ（幅）は、約９９０ｎｍであった。ここで、劈開面の長辺方向の長さとは、劈開面を上方から観測したときの最長部分の幅の大きさをいう。また、このグラフェン粉体４０の厚み（劈開面に対して垂直方向）の長さは、一番小さい（薄い）部分で約１９．５ｎｍであった。また、一番大きい（厚い）部分で約２００ｎｍであった。他のグラフェン粉体４０においても、観測したところ、グラフェン粉体４０の一番薄い厚みの長さに対して劈開面の長辺の長さが約５０倍〜３０００倍の範囲で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていた。また、グラフェンの層としては、単層〜３００層ぐらいが観測された。本実施例による他の製造装置により製造されたグラフェン粉体の一番薄い厚みの長さに対して劈開面の長辺の長さは、３０〜１００００倍で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていることが観測された。また、グラフェンの層としては、単層〜３００層ぐらいが観測された。

つぎに、上述した本実施例におけるラフェン粉体の製造方法及び製造装置における効果を説明するために、本願における黒鉛の劈開が、粉砕により黒鉛が微粒子化されたものとは異なることを図１４及び図１５を参照して説明する。図１４に、粉砕による微粒子の模式図（ａ）と、実施例におけるグラフェン粉体の模式図（ｂ）を示し、図１５に、粉砕による微粒子の模式図及び粉砕の様子を示す説明図（ａ）と、実施例におけるグラフェン粉体の模式図及び劈開の様子を示す説明図（ｂ）を示している。

粉砕により微粒子化されたグラフェン１００は、図１５（ａ）に示すように、黒鉛に対して３次元的に破壊されるため、砂のように均等に微粒子化するが、厚み大きくなってしまう。このため、粉砕により微粒子化されたグラフェン１００を任意の基材等に添付すると、図１４（ａ）に示すように、他との接触面積が小さく、また、伝導性も低く、分散しにくく、表面積も小さくなってしまう。これに対して、本実施例によるグラフェン粉体７は、図１５（ｂ）に示すように、劈開プロセスを経ることで、グラファイトの結晶が８面体の各平面に平行に割れて、劈開されるため、二次元的に劈開し、葉っぱのような劈開面を備える薄片状のグラフェン粉体７になる。このため、図１４（ｂ）に示すように、劈開されたグラフェン粉体７を任意の基材等に添付すると、上述の粉砕されたものと比べて、他との接触面積が大きくなり、また、伝導性も高くなり、分散性が良好となり、表面積も大きくなる。

また、従来のグラフェンの製造方法と、本実施例による製造方法との違いを説明する。上記背景技術において述べたように、グラフェンの製造方法としては、超臨界法、超音波剥離法、酸化還元法、プラズマ剥離法、ＡＣＣＶＤ(alcohol catalytic chemical vapor deposition)法、熱ＣＶＤ(chemical vapor deposition)法、プラズマＣＶＤ法、エピタキシャル法などが知られている。これらの製造方法では、いずれも原料を大量に高速に処理できないことから、グラフェンを大量生産することが難しく、また、品質についても、結晶性の高い品質のよいものは、価格も高額になる傾向がある。

これに対して、本実施例による製造方法及び製造装置によれば、噴流を利用することで黒鉛を劈開させているだけなので、従来の製造方法に比べて、結晶性が高く品質がよく、高速に大量生産することが可能となった。本願発明者が実験を重ねたところ、上述した製造方法によれば、原料を少なくとも１ｋｇ／ｈ〜１００００ｋｇ／ｈの速度で処理することが可能となった。また、本実施例による製造方法では、原料としては天然黒鉛を利用でき、チャンバーの雰囲気も常温で常圧にすることができ、タイプもウエット・ドライとどちらでも対応でき、結晶性も高く、コンタミがなく、量産性に優れている。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

上記図４に示す本実施例におけるラフェン粉体の製造方法及び製造装置においては、直方体のプロセスチャンバー４９の対向する面に、第１入力手段３９ａと第２入力手段３９ｂとをそれぞれ設ける場合を示したが、例えば、直方体のプロセスチャンバー４９の同一面上に第１入力手段３９ａと第２入力手段３９ｂを設け、プロセスチャンバー４９内への入力方向をプロセスチャンバー４９内の特定位置へ向くようにしてもよい。例えば、第１入力手段３９ａの入力方向を斜め下方向に向け、第２入力手段３９ｂの入力方向を斜め上方向に向け、プロセスチャンバー４９内の中央部分で液体噴流４２、４３が衝突するように配置してもよい。

１ ：製造装置
２ ：原料タンク
３ ：原料
４ ：コンプレッサー
５ ：プロセスチャンバー
６ａ ：集塵器
６ｂ ：出力タンク
７ ：グラフェン粉体
８ ：パイプ
９ ：パイプ
９ａ ：気体噴流
９ｂ ：気体噴流
９ｃ ：気体噴流
９ｄ ：気体噴流
１０ ：入力部
１０ａ ：第１入力手段
１０ｂ ：第２入力手段
１０ｃ ：第３入力手段
１０ｄ ：第４入力手段
１０ｅ ：第５入力手段
１１ ：出力部
１３ ：ガスボンベ
１５ ：プラズマ処理部
１６ ：高圧電源
１８ ：パイプ
１９ ：パイプ
２０ ：製造装置
２１ ：グラフェン粉体
３０ ：製造装置
３２ ：原料タンク
３３ ：原料
３４ ：超高圧ポンプ
３６ ：パイプ
３７ ：パイプ
３８ ：パイプ
３９ ：入力部
３９ａ ：第１入力手段
３９ｂ ：第２入力手段
４０ ：グラフェン粉体
４１ ：出力部
４２ ：液体噴流
４３ ：液体噴流
４４ ：パイプ
４５ ：超音波振動子
４９ ：プロセスチャンバー
５０ ：製造装置
５１ ：合流地点
５２ ：液体噴流
５３ ：液体噴流
５４ ：グラフェン粉体
５５ ：パイプ
６０ ：製造装置
６１ ：液体噴流
６４ ：グラフェン粉体
６５ ：泡
６６ ：プロセスチャンバー
６７ａ ：第１入力手段
７０ ：ペレット製造装置
７２ ：乾燥部
７４ ：原料ホッパー
７５ ：混合ホッパー
７９ ：原料ホッパー
８０ ：混合ホッパー
８１ ：射出成形部
８２ ：金型
８３ ：製品
８４ ：保持部
８５ ：マスターバッチ
８６ ：原料
８７ ：射出成形部
８８ ：製品製造装置
９０ ：成形工程
９２ ：成形品

本発明は、黒鉛からグラフェン粉体を大量生産できる製造方法に関し、特に、それにより製造されたグラフェン粉体及びそのグラフェン粉体を用いた製品に関する。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、品質がよく、大量生産することが可能なグラフェン粉体及びそのグラフェン粉体を用いた製品を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のグラフェン粉体は、
黒鉛を含む原料を気体の噴流により劈開させて微粒子化されたことを特徴としている。
この特徴によれば、例えば気体の高速ジェットなどの噴流を利用することで黒鉛を劈開させて、黒鉛を微粒子化したグラフェン粉体とすることができる。このグラフェン粉体は、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させているだけであるので、他の物質に汚染されることがないためコンタミが無く、高純度で品質の良い微粒子化されたグラフェンとなる。また、噴流を利用することで黒鉛を劈開させているだけなので、品質がよく、高速に大量生産することが可能となる。また、黒鉛を含む原料としては、黒鉛のみならず、グラファイト粉末などでもよい。
ここで、劈開とは、結晶が、ある特定の平面に平行に割れることをいい、また、そのように割れやすい性質をいう。平行に割れた劈開面に垂直な方向の原子・イオン・分子間の結合力が弱いために起こるものである。グラフェンの場合、原子・イオン・分子間の結合力がファンデルワールス引力によるものであるため、劈開しやすい性質を有している。また、微粒子化とは、非常に細かい粉状にすることをいい、黒鉛を最適な粒子サイズまで微細化することをいう。また、粉状は、球形に限らず、二次元的に劈開するため葉っぱのような劈開面を備える薄片状のものを含む。微粒子化することで、黒鉛を最適な粒子サイズとした薄片化されたグラフェン粉体が構成されている。薄片化することで、表面積が大きくなることから他との接触面積が大きくなり、伝導性が高くなり、分散性も良好になる。特に、グラフェン粉体が薄片化されていることで、分散性をより高めることができ、高分散量を実現できる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体は、前記噴流中に前記黒鉛が含まれ、前記黒鉛が含まれた前記噴流をチャンバーに流入させて衝突させることにより劈開されていることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内で黒鉛が含まれた噴流を流入させ、チャンバー内部の壁面に黒鉛を衝突させることで、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体とすることができる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体は、前記黒鉛に超音波による振動を与えた後に、気体の噴流により劈開されていることを特徴としている。
この特徴によれば、密閉された容器であるチャンバー内に、液体を充填させておき、黒鉛が含まれた噴流をチャンバー内に流入させることで、キャビテーション効果を生じさせることができ、黒鉛を劈開させた微粒子化したグラフェン粉体とすることができ、その後、グラフェン粉体を気体の噴流により劈開させる。ここで、キャビテーション効果とは、液体の流れの中で圧力差により短時間に泡の発生と消滅が起きる物理現象をいい、空洞現象ともいわれており、液体中に噴流を流入させることで、圧力差が生じ、発生した泡が黒鉛の劈開面に侵入することで黒鉛を劈開させたり、また、その泡の消滅により黒鉛を劈開させたりできる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記黒鉛を含む原料は、劈開させやすくするために、グラフェンの結合力を弱める前処理が施されていることを特徴としている。
この特徴によれば、黒鉛を含む原料に対して、グラフェンの結合力を弱める前処理が施されているため、より黒鉛を劈開させやすくすることができる。

本発明のグラフェン粉体において、
前記前処理として、前記黒鉛を含む原料に対して、雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理と、加熱する加熱処理と、酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理とのうち少なくとも一つの処理が施されていることを特徴としている。
この特徴によれば、前処理として、例えば、黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて減圧させることで雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理を施したり、また黒鉛を含む原料を投入した真空炉にて加熱する加熱処理を施したり、低濃度の酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理を施したりできる。これらの前処理は、複数適宜組み合わせてもよい。

本発明のグラフェン粉体において、
前記グラフェン粉体の厚みの長さに対して当該グラフェン粉体の劈開面の長辺の長さが３０〜１００００倍で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、グラフェン粉体は、例えば、グラフェン単層〜３００層ぐらいで０．３〜１００ｎｍの厚みを有する場合に、劈開面の長辺の長さは、その厚みの長さに対して３０〜１００００倍であるグラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されるように制御できる。

本発明のグラフェン粉体において、
グラフェン粉体の厚みの長さに対して当該グラフェン粉体の劈開面の長辺の長さが５０〜３０００倍であるグラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていることを特徴としている。

本発明のグラフェン粉体を用いた製品において、
上記グラフェン粉体を、劈開後に、ＰＺＣ（Point of zero charge）により、液中に分散させたことを特徴としている。
この特徴によれば、液中に分散した物質の電位の均衡をとるようにすることで、グラフェン粉体を分散させる。例えば、液中のペーハー（ｐｈ）を調整することにより、この電位の均衡をとり、グラフェン粉体を液中に分散させることができる。

本発明は、黒鉛からグラフェン粉体を大量生産できる製造方法に関し、特に、グラフェン粉体の製造方法及びその製造方法により製造されるグラフェン粉体に関する。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、品質がよく、大量生産することが可能なグラフェン粉体の製造方法及びその製造方法により製造されるグラフェン粉体を提供することを目的とする。

本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
黒鉛を含む原料を１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度の気体の噴流により劈開させて微粒子化されたグラフェン粉体を製造することを特徴としている。
本発明のグラフェン粉体の製造方法において、
前記グラフェン粉体の製造を、前記原料に対して少なくとも１ｋｇ／ｈ以上の処理量で処理することを特徴としている。
この特徴によれば、例えば液体や気体の高速ジェットなどの噴流を利用することで黒鉛を劈開させて、黒鉛を微粒子化したグラフェン粉体を製造することができる。このグラフェン粉体は、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させているだけであるので、他の物質に汚染されることがないためコンタミが無く、高純度で品質の良い微粒子化されたグラフェンとなる。また、噴流を利用することで黒鉛を劈開させているだけなので、品質がよく、高速に大量生産することが可能となる。また、薄片化することで、表面積が大きくなることから他との接触面積が大きくなり、伝導性が高くなり、分散性も良好になる。特に、グラフェン粉体が薄片化されていることで、分散性をより高めることができ、高分散量を実現できる。
また、この特徴によれば、超高速ジェットの速度を１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内にある速度とすることで、黒鉛を含む原料を噴流により劈開させることができる。この場合、例えば、噴流ノズル径をφ０．１〜１ｍｍとし、噴流圧力を１０〜５００ＭＰａとすることで、１００〜１０００ｍ／ｓの速度を実現できる。
また、この特徴によれば、噴流により黒鉛を劈開させるだけで、黒鉛を微粒子化したグラフェン粉体を得ることができるため、処理能力を向上させることができ、原料を少なくとも１ｋｇ／ｈ（時間）の処理量で処理することができる。

本発明のグラフェン粉体の製造方法により製造される、前記グラフェン粉体の厚みの長さに対して当該グラフェン粉体の劈開面の長辺の長さが３０〜１００００倍であるグラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、例えば、グラフェン単層〜３００層ぐらいで０．３〜１００ｎｍの厚みを有する場合に、劈開面の長辺の長さは、その厚みの長さに対して３０〜１００００倍で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されるように制御できる。
本発明のグラフェン粉体の製造方法により製造される、前記グラフェン粉体の厚みの長さに対して当該グラフェン粉体の劈開面の長辺の長さが５０〜３０００倍であるグラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、例えば、グラフェン単層〜３００層ぐらいで０．３〜１００ｎｍの厚みを有する場合に、劈開面の長辺の長さは、その厚みの長さに対して５０〜３０００倍で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されるように制御できる。

ここで、劈開プロセスについて、図２（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は、実施例におけるグラフェン粉体の劈開を説明するための説明図を示している。第５入力手段１０ｅから入力された黒鉛を含む原料３は、第１入力手段１０ａ〜第４入力手段１０ｄから入力された気体噴流９ａ〜９ｄに衝突することで、黒鉛の層間に気体噴流９ａ〜９ｄが侵入し、黒鉛を劈開させることできる。また、原料３の黒鉛が気体噴流に乗って黒鉛同士が衝突することにより黒鉛の層間に他の黒鉛の層が侵入することで、劈開させることができる。さらに、原料３の黒鉛が気体噴流に乗ってプロセスチャンバー５の内壁に衝突することにより劈開させることができる。また、プロセスチャンバー５内で気体噴流が気流を起こし、原料３と気体噴流とが何度も衝突することができる。グラフェンは、劈開しやすい性質を有していることから、正六面体の面に対して平行に簡単に割れるが、気体噴流９ａ〜９ｄの速度は、１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内とすることが望ましい。この速度範囲は、本願の発明者が、実験を重ねて見出したものであり、噴流の速度を、１００〜１０００ｍ／ｓの範囲内にある速度とすることで、黒鉛の劈開が生じることが見出された。１００ｍ／ｓ未満であると、噴流の勢いが足りず劈開しにくく、また、１０００ｍ／ｓより速い速度であると、最適なサイズの微粒子に制御しにくくなり、またグラフェンの結晶に孔が生じてしまい、グラフェンの品質を高品質に保つことが難しくなる。１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度で噴流を黒鉛と共にプロセスチャンバー５に投入することで、劈開プロセスを生じさせることができ、黒鉛を劈開させ微粒子化されたグラフェン粉体を得ることができる。

粉砕により微粒子化されたグラフェン１００は、図１５（ａ）に示すように、黒鉛に対して３次元的に破壊されるため、砂のように均等に微粒子化するが、厚み大きくなってしまう。このため、粉砕により微粒子化されたグラフェン１００を任意の基材等に添付すると、図１４（ａ）に示すように、他との接触面積が小さく、また、伝導性も低く、分散しにくく、表面積も小さくなってしまう。これに対して、本実施例によるグラフェン粉体７は、図１５（ｂ）に示すように、劈開プロセスを経ることで、グラファイトの結晶が六面体の各平面に平行に割れて、劈開されるため、二次元的に劈開し、葉っぱのような劈開面を備える薄片状のグラフェン粉体７になる。このため、図１４（ｂ）に示すように、劈開されたグラフェン粉体７を任意の基材等に添付すると、上述の粉砕されたものと比べて、他との接触面積が大きくなり、また、伝導性も高くなり、分散性が良好となり、表面積も大きくなる。

Claims (49)

1. 黒鉛を含む原料を噴流により劈開させて微粒子化されたことを特徴とするグラフェン粉体。
2. 前記グラフェン粉体は、チャンバー内で前記噴流を前記黒鉛に対して衝突させることにより劈開されていることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン粉体。
3. 前記グラフェン粉体は、チャンバー内に前記噴流を少なくとも二方向から流入させ、少なくとも一方向からの噴流には前記黒鉛が含まれており、二方向から流入された噴流同士を衝突させることにより劈開されていることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン粉体。
4. 前記グラフェン粉体は、チャンバー内に前記黒鉛が含まれた前記噴流を流入させ、前記黒鉛が含まれた前記噴流を当該チャンバーに衝突させることにより劈開されていることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン粉体。
5. 前記グラフェン粉体は、液体が充填されたチャンバー内に、前記噴流中に前記黒鉛を含ませて流入させ、キャビテーション効果を生じさせることにより劈開されていることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン粉体。
6. 前記黒鉛を含む原料は、グラフェンの結合力を弱める前処理が施されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のグラフェン粉体。
7. 前記前処理として、前記黒鉛を含む原料に対して、雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理と、加熱する加熱処理と、酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理と、超音波による振動を与える振動処理とのうち少なくとも一つの処理が施されていることを特徴とする請求項６に記載のグラフェン粉体。
8. 前記グラフェン粉体は、劈開後に、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの処理が施されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のグラフェン粉体。
9. 前記噴流は、液体により構成され、
   前記グラフェン粉体は、劈開後に、前記液体を乾燥させることで得られることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のグラフェン粉体。
10. 前記噴流は、気体、液体または溶媒により構成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のグラフェン粉体。
11. 前記グラフェン粉体は、劈開後に、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかに混合されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のグラフェン粉体。
12. 前記噴流は、１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のグラフェン粉体。
13. 前記グラフェン粉体の厚みの長さに対して当該グラフェン粉体の劈開面の長辺の長さが３０〜１００００倍で、グラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のグラフェン粉体。
14. グラフェン粉体の厚みの長さに対して当該グラフェン粉体の劈開面の長辺の長さが５０〜３０００倍でグラフェン粉体が７０％以上を占めて構成されていることを特徴とするグラフェン粉体。
15. 噴流を出力する噴流出力手段と、密閉された空間を備えるチャンバーとを有し、
    前記チャンバーは、黒鉛を含む原料と前記噴流出力手段により出力された噴流とを入力する入力部と、前記黒鉛が噴流により劈開させて微粒子化されたグラフェン粉体を出力する出力部とを備えることを特徴とするグラフェン粉体の製造装置。
16. 前記チャンバーの入力部は、前記原料を入力する第１入力手段と、前記噴流出力手段により出力された噴流を入力する第２入力手段と、前記第１入力手段及び前記第２入力手段における当該チャンバー内への入力方向を調整する調整手段とを有することを特徴とする請求項１５に記載のグラフェン粉体の製造装置。
17. 前記噴流出力手段は、前記黒鉛を含む原料を入力し、当該黒鉛が含まれた噴流を出力し、
    前記チャンバーの入力部は、前記噴流出力手段により出力された前記黒鉛が含まれた前記噴流を入力する第１入力手段及び第２入力手段と、前記第１入力手段及び前記第２入力手段における当該チャンバー内への入力方向を調整する調整手段とを有することを特徴とする請求項１５に記載のグラフェン粉体の製造装置。
18. 前記噴流出力手段は、前記黒鉛を含む原料を入力し、当該黒鉛が含まれた噴流を出力し、
    前記チャンバーの入力部は、前記噴流出力手段により出力された前記黒鉛が含まれた前記噴流を入力する第１入力手段と、前記第１入力手段における当該チャンバー内への入力方向を調整する調整手段とを有することを特徴とする請求項１５に記載のグラフェン粉体の製造装置。
19. 前記チャンバー内は、液体が充填されており、前記入力部から入力された前記黒鉛と前記噴流により、キャビテーション効果を生じさせることを特徴とする請求項１５に記載のグラフェン粉体の製造装置。
20. 前記黒鉛を含む原料に対して、グラフェンの結合力を弱める前処理を施す前処理部を有することを特徴とする請求項１５ないし１９のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造装置。
21. 前記前処理として、前記黒鉛を含む原料に対して、雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理と、加熱する加熱処理と、酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理と、超音波による振動を与える振動処理とのうち少なくとも一つの処理が施されていることを特徴とする請求項２０に記載のグラフェン粉体の製造装置。
22. 前記チャンバーから出力される前記グラフェン粉体に、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの処理を施す処理部を有することを特徴とする請求項１５ないし２１のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造装置。
23. 前記噴流出力手段は、液体を噴流し、
    前記チャンバーの前記入力部は、前記液体の噴流を入力し、
    前記チャンバーの前記出力部は、液体が含まれるグラフェン粉体を出力し、
    当該グラフェン粉体の製造装置は、前記チャンバーから出力される液体が含まれるグラフェン粉体の、当該液体を乾燥させる乾燥部を有することを特徴とする請求項１５ないし２２のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造装置。
24. 前記噴流出力手段は、気体、液体または溶媒を噴流することを特徴とする請求項１５ないし２２のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造装置。
25. 前記チャンバーから出力される前記グラフェン粉体に、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかを混合する混合部を有することを特徴とする請求項１５ないし２２のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造装置。
26. 前記噴流出力手段は、１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度で前記噴流を出力することを特徴とする請求項１５ないし２５のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造装置。
27. 前記チャンバーの前記出力部から出力されたグラフェン粉体を、前記チャンバーの前記入力部に再度入力するループ部を有することを特徴とする請求項１５ないし２６のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造装置。
28. 前記噴流出力手段は、
    空気またはガスを圧縮する圧縮手段と、
    水または液体を加圧する加圧手段と、のうちいずれかを備えることを特徴とする請求項１５ないし２７のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造装置。
29. 当該グラフェン粉体の製造装置は、前記原料から前記グラフェン粉体を製造する際に、前記原料を少なくとも１ｋｇ／ｈ以上の速度で処理する能力を有することを特徴とする請求項１５ないし２８のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造装置。
30. 黒鉛を含む原料を噴流により劈開させて微粒子化されたグラフェン粉体を製造することを特徴とするグラフェン粉体の製造方法。
31. チャンバー内で前記噴流を前記黒鉛に対して衝突させることを特徴とする請求項３０に記載のグラフェン粉体の製造方法。
32. チャンバー内で前記噴流を少なくとも二方向から流入させ、少なくとも一方向からの噴流には前記黒鉛が含まれており、二方向から流入された噴流同士を衝突させることを特徴とする請求項３０に記載のグラフェン粉体の製造方法。
33. チャンバー内で前記黒鉛が含まれた前記噴流を流入させ、前記黒鉛が含まれた前記噴流を当該チャンバーに衝突させることを特徴とする請求項３０に記載のグラフェン粉体の製造方法。
34. 液体が充填されたチャンバー内に、前記噴流中に前記黒鉛を含ませて流入させ、キャビテーション効果を生じさせることを特徴とする請求項３０に記載のグラフェン粉体の製造方法。
35. 前記黒鉛を含む原料に、グラフェンの結合力を弱める前処理を施すことを特徴とする請求項３０ないし３４のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造方法。
36. 前記前処理として、前記黒鉛を含む原料に対して、雰囲気中の圧力を低減させる減圧処理と、加熱する加熱処理と、酸性またはアルカリ性溶媒に浸漬させる溶媒浸漬処理と、超音波による振動を与える振動処理とのうち少なくとも一つの処理が施されていることを特徴とする請求項３５に記載のグラフェン粉体の製造方法。
37. 前記グラフェン粉体の劈開後に、大気圧プラズマ処理、紫外線オゾン処理、真空プラズマ処理のいずれかの処理を施すことを特徴とする請求項３０ないし３６のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造方法。
38. 前記噴流として、液体を用い、
    前記グラフェン粉体の劈開後に、前記液体を乾燥させる処理を施すことを特徴とする請求項３０ないし３７のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造方法。
39. 前記噴流として、気体、液体または溶媒を用いることを特徴とする請求項３０ないし３７のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造方法。
40. 前記グラフェン粉体の劈開後に、水、溶媒、樹脂またはイオン液体のいずれかを混合する処理を施すことを特徴とする請求項３０ないし３７のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造方法。
41. 前記噴流を、１００〜１０００ｍ／ｓのいずれかの速度とすることを特徴とする請求項３０ないし４０のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造方法。
42. 前記チャンバーから出力されたグラフェン粉体を、前記チャンバーに再度入力するループ工程を有することを特徴とする請求項３０ないし４１のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造方法。
43. 前記噴流を出力する際に、
    空気またはガスをコンプレッサーで圧縮する圧縮工程と、
    水または液体をポンプで加圧する加圧工程と、のうちいずれかを備えることを特徴とする請求項３０ないし４２のいずれかに記載のグラフェン粉体の製造方法。
44. 請求項１ないし４３のいずれかに記載のグラフェン粉体を、
    電子部品・デバイス・電子回路、電子機械器具、家庭用電気部品、自動車部品、機械部品、電気部品、窯業・土石製品、パルプ・紙・紙加工品・木材、化学工業製品、石油製品・石炭製品、プラスチック製品及びゴム製品のいずれかの製品に用いることを特徴とするグラフェン粉体を用いた製品。
45. 請求項１ないし４３のいずれかに記載のグラフェン粉体を、
    液晶パネル・フラットパネル、透明電極／非透明電極、タッチパネル、抵抗器・コンデンサ・変成器・複合部品、電気二重層コンデンサの電極材料、蓄電池、一次／二次電池の電極材、リチウムイオン電池の電極材、発電機・電動機・回転電気機械、燃料電池の触媒の基板、電気機械器具、色素増感太陽電池、フレキシブル基板、電子タグ、センサー及びセンサーユニットのいずれかの製品に用いることを特徴とするグラフェン粉体を用いた製品。
46. 請求項１ないし４３のいずれかに記載のグラフェン粉体を、
    セメント、生コンクリート、コンクリート製品、電気用陶磁器、理化学用・工業用陶磁器、炭素質電極、炭素・黒鉛製品、人工骨、石膏製品、石膏ボード、プラスチック、合成ゴム、塗料、印刷インキ、プリンテッドエレクトロニクス、ゼラチン・接着剤、油、潤滑油・グリース、パイプ、建材、食品用ラップ、医療用ラップ、台所用品、玩具、情報処理装置の筐体、家電製品、飲料ペットボトル、機械部品、工業用接着剤、放熱グリス、包材、エンジニアプラスチック、家具、タイヤ、医療用ゴム、耐熱ガスケット、防振ゴム、ゴム製品のいずれかの製品に用いることを特徴とするグラフェン粉体を用いた製品。
47. 請求項１ないし４３のいずれかに記載のグラフェン粉体を樹脂に添加し、
    ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリアセタール、ポリカーボネイト、ＰＥＴ、フッ素樹脂、エポキシ、シリコンのいずれかにより構成されることを特徴とするグラフェン粉体を用いた製品。
48. 請求項１ないし４３のいずれかに記載のグラフェン粉体をＰＺＣ（Point of zero charge）により、液中に分散させたことを特徴とするグラフェン粉体を用いた製品。
49. 前記液は、インク、溶液、樹脂分散体であることを特徴とする請求項４８に記載のグラフェン粉体を用いた製品。

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