KR102581051B1

KR102581051B1 - 탄소 클러스터 제조용의 성형체와 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102581051B1
Application number: KR1020217008890A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 이토; 유이치 하야시; 히로히사 히키타; 나오키 마츠모토
Original assignee: 비타민 씨60 바이오리서치 가부시키가이샤; 혼조 케미칼 가부시키가이샤; 니폰 덴꾜꾸 가부시끼가이샤
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2023-09-21
Also published as: US20220162073A1; CN112512992B; JPWO2020189632A1; KR20210080357A; JP7059440B2; WO2020189632A1; EP3851425A1; RU2771121C1; CN112512992A; EP3851425A4

Abstract

본 발명의 탄소 클러스터 제조용의 성형체는 바이오매스를 주원료로 하고, 상기 바이오매스와 결합제를 유래 원료에 포함하여 흑연화되고, 전기 비저항이 100μΩm 이하이며, 또한 분말 X선 회절법에 의한 회절 패턴이, 2θ(θ은 브랙각)가 26∼27°사이에 1개의 피크를 가짐과 아울러 상기 피크의 1/3폭÷밑변의 값이 0.68 이하가 되는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 본 발명의 탄소 클러스터 제조용의 성형체의 제조 방법은 바이오매스의 가소성체와, 결합제를 포함하는, 성형된 전구체를 얻는 공정; 임의로 전구체를 더 소성하는 공정; 및 전구체를 2500℃ 이상의 온도에서 흑연화하는 공정을 포함한다. 이것에 의해, 종래의 석유·석탄 유래 원료로 변경하여 식물 유래 원료를 사용한, 서스테이너블하고 또한 에콜로지컬한 산업적인 이용에 적합한 탄소 클러스터 제조용의 성형체와 그 제조 방법을 제공한다.

Description

탄소 클러스터 제조용의 성형체와 그 제조 방법

본 발명은 탄소 클러스터 제조용의 성형체와 그 제조 방법에 관한 것이다.

풀러렌은 다이아몬드나 흑연과 같은 탄소만으로 이루어지는 동소체이며, 종래, 화장품 등에 이용되어 왔다.

풀러렌의 제조 방법으로서 아크 방전법이나 연소법 등이 실용화되어 있지만, 이들의 제조를 위한 원료로서 탄소 전극이나 벤젠 등 석유·석탄 유래의 원료가 사용되어 왔다(특허문헌 1, 2).

석유 석탄계의 재료는 생성에 막대한 시간이 걸리는 자원인 점에서 유한하며 고갈이 주장되는 가운데, 세계적으로 그 사용량의 저감이 요구되고 있다.

탄소 전극은 일반적으로 석탄 또는 석유로부터 제조된 코크스와 피치를 혼합하여 니딩하고 성형하고 소성하여 흑연화함으로써 제조된다. 여기서 「흑연화」란, 일반적으로는 비흑연질 탄소가 1500℃ 정도 이상의 열 처리에 의해 주로 물리적 변화에 의해 그 적층 구조를 발달시키고, 흑연의 3차원 규칙 구조를 가지는 흑연질 탄소로 변환하는 것을 말한다(비특허문헌 1). 탄소 전극의 원료가 되는 석탄은 고대(수억년 전)의 식물이 완전하게 부패/분해하기 전에 땅속에 파묻혀, 거기에서 긴 기간 지열이나 지압을 받아 변질(석탄화)한 것에 의해 생성된 물질의 총칭이다. 또한, 연소법의 재료가 되는 벤젠이나 톨루엔 등의 방향족 화합물은 석유로부터 증류된 나프타보다 산업적으로 생산되고 있다. 석유는 고대의 플랑크톤의 사해가 변질되어 생성된 액체로 여겨지고 있다.

한편, 화장품 업계에서는 종래, 석유·석탄 유래의 재료보다 천연 유래의 재료의 쪽이 그 이미지의 좋음으로부터 많은 소비자가 선호하는 경향이 있다.

탄소 전극이나 방향족 화합물은 석탄·석유계 원료를 사용하여 산업적으로 생산되고 있지만, 식물로부터 직접 탄소 전극의 근원이 되는 탄소 재료를 산업적으로 생산하는 기술은 알려져 있지 않다. 칩이나 입상의 탄소 재료를 양극 전극으로서 사용하여 실험적으로 최대로 212㎎의 풀러렌의 생산이 가능한 것이 보고되어 있으며(비특허문헌 2), 그 중에서 목탄이나 먹을 1시간 건조시킨 블록을 작성하여 사용하고 있다. 그러나, 수트(그을음) 중의 풀러렌의 양이 최대로 3%이며, 그 중에 풀러렌 이외의 불순물이 많다고 보고되어 있다. 또한, 비특허문헌 2와 같이 블록을 양극으로서 직류 아크 방전했을 경우에는 특히 블록 재료를 보충했을 때의 위치를 정확하게 정하는 것이 어렵기 때문에, 안정한 방전을 계속적으로 얻는 것이 곤란하고, 결과적으로 소비 전력이 커지는 것이 고려되고, 실용성에 과제가 있다. 이렇게, 산업적으로 이용가능한 기술로서의 검토는 충분하게 되어 있지 않은 것이 현 상황이다.

일본특허 제3337313호 일본특허 제4786829호

「카본 용어 사전」 탄소 재료 학회 카본 용어 사전 편집 위원회편(아그네쇼오후사) 114-115쪽, 2000년 10월 5일, 제 1 판 제 1 쇄발행 칩 원료 아크 합성 장치를 사용한 목탄, 먹, 합성 고무, 카본블랙, 활성탄으로부터의 풀러렌 합성, 풀러렌 종합 심포지엄 강연 요지집, 1999, 16, 136-141쪽 https://www.maff.go.jp/kyusyu/kikaku/baiomasu/teigitou.html

본 발명은 이상과 같은 사정을 고려하여 이루어진 것이며, 종래의 석유·석탄 유래 원료로 변경하여 식물 유래 원료를 사용한, 서스테이너블하고 또한 에콜로지컬한 산업적인 이용에 적합한 탄소 클러스터 제조용의 성형체와 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

상기의 과제를 해결하는 것으로서, 본 발명의 탄소 클러스터 제조용의 성형체는 바이오매스를 주원료로 하고, 상기 바이오매스와 결합제를 유래 원료에 포함하여 흑연화되고, 전기 비저항이 100μΩm 이하이며, 또한 분말 X선 회절법에 의한 회절 패턴이, 2θ(θ는 브랙각)가 26∼27°사이에 1개의 피크를 가짐과 아울러 상기 피크의 1/3폭÷밑변의 값이 0.68 이하가 되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 탄소 클러스터 제조용의 성형체의 제조 방법은 상기의 탄소 클러스터 제조용의 성형체를 제조하는 방법으로서, 이하의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다:

바이오매스의 가소성체와, 결합제를 포함하는, 성형된 전구체를 얻는 공정;

임의로 전구체를 더 소성하는 공정; 및

전구체를 2500℃ 이상의 온도에서 흑연화하는 공정

본 발명의 탄소 클러스터 제조용의 성형체는 식물 유래 원료를 사용하고 있는 점에서 서스테이너블하고 또한 에콜로지컬하며, 탄소 클러스터 제조 시에 산업적인 이용에도 적합하다.

도 1은 상이한 재료로부터 유래하는 각 로드의 X선 회절의 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 실시형태에 의거하여 상세히 설명한다.

1. 탄소 클러스터 제조용의 성형체

본 발명의 탄소 클러스터 제조용의 성형체(이하, 본 발명의 성형체라고도 함)는 바이오매스를 주원료로 하여 흑연화된 것이다.

본 발명의 성형체는 탄소 클러스터를 제조하기 위해서 사용된다. 탄소 클러스터의 제조 방법은 본 발명의 성형체를 전극으로 하는 아크 방전, 레이저 증발, 저항 가열, 고주파 유도 가열 등을 들 수 있다. 이들의 구체적 조건 등은 종래의 석유·석탄 유래 원료를 사용한 종래 기술이 참조된다.

본 발명의 성형체를 전극으로 하는 아크 방전에서는 예를 들면, 헬륨 가스나 아르곤 가스 등의 불활성 가스 등을 사용한 비산화성 분위기에서 양극 또는 음극으로서 본 발명의 성형체를 사용하여 분위기 가스의 압력을 조정하고, 또한 전원에 의해 전압을 인가하면서 재료의 증발에 맞춰 전극 간 거리를 적당히 제어하고 출력을 조정함으로써 방전을 일정하게 안정시키도록 하고, 목적으로 하는 탄소 클러스터를 포함하는 그을음을 얻는다. 탄소 클러스터를 포함하는 그을음(로우 수트)은 예를 들면, 밀폐 용기의 벽면에 퇴적한다. 이 그을음으로부터 용매 추출법 등에 의해 탄소 클러스터를 분리한다.

본 발명의 성형체의 형상은 탄소 클러스터의 제조에 적합한 형상이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 전극으로서 단일물인 각기둥 형상, 원기둥 형상, 그 외 부정형 형상 등을 들 수 있다. 그 중에서도 아크 방전 등에 의해 안정하고 효율적으로 탄소 클러스터를 제조하는 관점에서는 방전하는 선단부로부터, 탄소 재료의 증발에 의해 단면이 선단부가 되는 부분이 연장되는 장척체(로드)가 바람직하다. 여기서 단일물이란, 칩과 같은 다수의 미세물(파쇄물 등)의 집합체가 아니라 탄소 클러스터의 제조를 고려하여 목적으로 하는 형상으로 성형(부형)한 것을 의미한다.

본 발명의 성형체는 흑연화해서 제조한 후, 추가로 절삭 등에 의해 가공해서 전극에 적합한 소망의 형상으로 한 것이어도 좋다.

본 발명의 성형체에 있어서, 탄소 클러스터는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 C₆₀, C₇₀, 고차 풀러렌 등의 풀러렌, 카본 나노튜브, 이들에 금속이나 금속 화합물을 내포 또는 부착시킨 화합물 등을 들 수 있다.

본 발명의 성형체에 사용되는 바이오매스는 재생가능한 생물 유래의 유기성 자원으로서, 화석 자원을 제외한 것이다. 특히 본 발명에서는 식물 유래의 바이오매스가 필수의 것으로서 사용된다(비특허문헌 3 등). 식물 유래의 바이오매스로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 광합성에 기인하는 목질류, 초본류, 농작물류, 주개(廚芥)류, 해조 등을 들 수 있다. 이러한 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 주성분으로 하여 구성되고, 서스테이너블하고 또한 에콜로지컬한 원료로서 임업계 자원, 농업계 자원, 폐기물계 자원이 적합하게 사용될 수 있다.

목질류로서는 예를 들면, 나무, 고엽이나 이들의 폐기물인 임지 잔사, 전정·잎 베기재, 유목, 종이 등을 들 수 있다. 목질류 중 임업계 자원으로서 예를 들면, 목재, 나무 껍질, 제재 단재, 간벌재, 전정재, 벌근재 등을 들 수 있다. 제재 부산물을 압축 성형한 소립의 목질 펠릿이나, 목질 기재를 배지로서 버섯 등을 재배하는 균상이나, 목질류를 탄화시킨 숯, 또는 반탄화시킨 고형물 등을 원료로서 사용해도 좋다.

초본류로서는 예를 들면, 케나프, 해바라기의 줄기 등을 들 수 있다.

농작물류로서는 예를 들면, 팜 야자, 대엽 줄기, 참깨 줄기, 토란 덩굴, 왕겨, 사탕수수, 첨채, 옥수수, 소맥, 벼 등의 벼과 식물 등을 들 수 있다. 농업계 자원의 유효 이용의 관점에 있어서, 이들의 비식 부위는 적합하게 사용할 수 있다.

주개류로서는 예를 들면, 커피박, 차 찌꺼기, 오카라 등을 들 수 있다.

본 발명에 있어서, 「바이오매스를 주원료로 하여」란, 본 발명의 성형체의 전체 원료 중 후술하는 바와 같은 전구체를 소성하고 흑연화하는 공정에 있어서, 이 전구체에 있어서의 결합제를 제외한 바이오매스, 또는 바이오매스 유래 원료의 함유량이 바람직하게는 50질량% 이상, 보다 바람직하게는 60질량% 이상, 더욱 바람직하게는 70질량% 이상, 특히 바람직하게는 80질량% 이상, 특히 바람직하게는 90질량% 이상인 것을 의미한다. 또한, 전구체에 있어서의 바이오매스의 함유량이 바이오매스와 결합제의 합계량에 대하여 바람직하게는 60질량% 이상, 보다 바람직하게는 65질량% 이상인 것을 의미한다.

이 전구체에 있어서의 바이오매스와 결합제 이외의 원료로서는 석유·석탄 유래의 탄소 재료, 예를 들면 바이오매스와 마찬가지로 골재가 되는 석탄, 코크스, 카본블랙 등을 들 수 있다.

본 발명의 성형체에 있어서, 부피 비중은 특별히 한정되지 않지만, 0.8∼2g/㎤가 바람직하다. 부피 비중이 상기 범위이면, (1) 성형체가 치밀해져 갈라짐이나 붕괴가 억제되고, 전극 등으로서의 성형체를 고정하여 탄소 클러스터의 제조를 행하는데 적합하고, (2) 단위체적당 재료량이 많아져 탄소 클러스터의 제조 효율도 높일 수 있고, (3) 내스폴링성이 양호하여 방전 시의 열 충격에 의한 크랙 발생이나 성형체의 파손을 억제할 수 있다는 이점이 있다. 이들의 관점에 있어서, 부피 비중은 0.8∼1.8g/㎤가 보다 바람직하고, 1.0∼1.8g/㎤가 더욱 바람직하다.

본 발명의 성형체에 있어서, 전기 비저항은 특별히 한정되지 않지만, 100μΩm 이하가 바람직하다. 전기 비저항이 이 범위와 같이 어느 정도 작음으로써, 전류가 효율적으로 흐르기 때문에 보다 효율적으로, 즉 고수율로 탄소 클러스터를 제조할 수 있다. 하한은 특별히 한정되지 않지만, 아크 방전에 필요한 발열에 적합하고, 전극으로서 사용하는 탄소 재료의 증발을 효율적으로 행하는 관점에서는 8μΩm 이상이 바람직하다.

본 발명의 성형체에 있어서, 흑연화 전, 즉 상기 전구체에 있어서의 회분은 특별히 한정되지 않지만, 15질량% 이하가 바람직하다. 회분이 이 범위와 같이 어느 정도 작음으로써, 성형체의 갈라짐이나 부피 비중의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 회분의 하한은 특별히 제한되지 않지만, 0.1질량% 정도가 바람직하다.

본 발명의 성형체는 분말 X선 회절법에 의한 회절 패턴이, 2θ(θ는 브랙각)의 26∼27°사이에 1개의 피크를 갖고, 피크의 1/3폭÷밑변의 값이 0.68 이하가 되는 것이 바람직하다. 피크의 1/3폭÷밑변의 값의 하한은 탄소 클러스터의 효율적인 생산을 위해 0.1 정도이다. 피크의 1/3폭이란, 피크 1/3의 높이의 폭을 나타내고 있다. 상기 값이 이 범위와 같이 어느 정도 작고, 명료한 1개의 피크를 갖는 경우, 보다 효율적으로, 즉 고수율로 탄소 클러스터를 제조할 수 있다. 2θ가 26∼27°인 피크는 흑연 구조를 가지는 것으로 관찰되는 피크이다. 본 발명을 한정적으로 해석하는 것은 아니지만, 명료한 피크를 갖는 경우, 흑연화 처리가 충분하게 진행되어 고수율로 탄소 클러스터를 제조할 수 있다고 생각된다. 또한, 26∼27° 이외에서 26∼27°의 피크에 겹치도록 다른 피크를 갖는 경우이어도 26∼27°의 피크가 다른 피크의 2배 이상의 높이를 갖는 경우에는 명료한 1개의 피크로 간주할 수 있다.

바람직한 양태에 있어서, 본 발명의 성형체는 바이오매스와, 결합제를 유래 원료에 포함하고, 흑연화된 것이다. 결합제(바인더라고 칭해지는 경우도 있다)는 골재로서의 바이오매스 등과 혼련함으로써, 치밀하고 강도가 높은 성형체를 얻을 수 있다.

결합제는 특별히 한정되지 않지만, 탄소를 포함하고, 바람직하게는 수소, 산소를 더 포함하는 성분이 적합하다. 결합제는 성분이 1종 단독이어도 좋고, 2종 이상을 조합한 것이어도 좋다. 결합제의 성상은 골재와 혼합하여 부형하는 관점으로부터 상온에 있어서 유동성을 가지는 것이 바람직하고, 물 등과 같이 다른 결합제 성분을 용해 또는 분산되는 액상물을 포함해도 좋다.

결합제의 일부 또는 전부로서 당류, 유지, 천연 수지(송진 등), 폴리아미노산 등의 천연 유래 유기물, 페놀 수지 등의 합성 수지, 피치류(석유 피치, 콜 타르 피치 등), 아교, 젤라틴 등을 들 수 있다.

이들 중에서도 당류가 바람직하다. 당류로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 단당류, 올리고당(이당류, 삼당류 등), 다당류(셀룰로오스, 전분, 덱스트린 등), 당밀 등을 들 수 있다. 상온에서 고체인 당류는 물 등의 용해 또는 분산되는 액상물과 혼합하여 결합제로 해도 좋다.

2. 탄소 클러스터 제조용의 성형체의 제조 방법

본 발명의 탄소 클러스터 제조용의 성형체의 제조 방법(이하, 본 발명의 제조 방법이라고도 한다)은 이하의 공정(A), (B), (C)를 포함한다.

(A) 바이오매스의 가소성체와, 결합제를 포함하는, 성형된 전구체를 얻는 공정

(B) 임의로 전구체를 더 소성하는 공정

(C) 전구체를 2500℃ 이상의 온도에서 흑연화하는 공정

공정(A)에 있어서, 바이오매스의 가소성체는 바람직하게는 1300℃ 이하의 온도에서 소성한 것이다. 특히, 600∼1300℃, 그 중에서도 1000∼1300℃에서 소성한 것이 바람직하다. 가소성 시간은 원료에 따라서도 다르지만, 통상 1시간∼수일 간 정도이다. 가소성체는 주로 비산화성 분위기 하에서 소성하여 얻어진다. 비산화성 분위기로서는 예를 들면, 흑연제의 상자에 바이오매스를 넣고, 그 상자를 코크스 브리즈 중에 매몰하는 방법을 이용할 수 있다. 공정(A)에 있어서 가소성체를 얻기 위해서, 또는 공정(B)에 있어서 전구체의 소성을 행할 때에는 그 장치 구성은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 종래 공지의 소성로 등을 이용하여 행할 수 있다. 미리 공정(A)나 (B)의 소성을 행함으로써, 바이오매스나 결합제의 휘발분을 제거할 수 있어 치밀하고 탄소 클러스터의 제조에 적합한 원료가 얻어진다.

공정(A)에 있어서 가소성체를 얻기 위해서 소성하는 공정은 편의를 위해, 분쇄에 의해 분말상으로 한 바이오매스를 프레스기 등에 의해 성형한 것을 사용하여 행해도 좋다. 이러한 성형물은 목질 펠릿이어도 좋다. 목질 펠릿은 목질 재료의 분말을 원기둥형으로 성형한 고형 연료이며, 톱밥이나 나무 껍질 등의 목질 재료를 분쇄하는 분쇄 공정과, 분쇄된 목질 분말을 가열 건조시키는 건조 공정과, 건조시킨 목질 분말을 압축 성형하는 성형 공정을 거쳐 제조된다.

그 외, 입수한 바이오매스가 비장탄 등과 같이 미리 상기의 온도에서 소성한 것인 경우에는 가소성체로서 그대로 다음 공정에 제공해도 좋다.

성형된 전구체를 얻을 때에는 가소성체와 결합제를 혼합한다. 결합제와 혼합할 때에는 바이오매스의 가소성체는 분쇄에 의해 분말상으로 하는 것이 바람직하다. 분말상으로 함으로써, 치밀한 성형체를 얻을 수 있고, 또한 같은 정도의 입경을 갖는 석탄 등의 다른 골재와 혼합했을 경우, 균일하게 혼합할 수 있어 성형성이 향상된다.

전구체에 있어서의 바이오매스는 섬유질의 길이가 바람직하게는 10㎜ 이하, 보다 바람직하게는 3㎜ 이하이다. 섬유질의 길이를 이러한 범위로 조정함으로써, 성형성 및 압괴 강도가 양호하다.

골재인 바이오매스 등과, 유동성을 가지는 결합제를 적당한 온도에서 혼련하고, 결합제를 함침, 균일하게 혼합한 후, 이 혼합물을, 프레스기 등을 사용한 몰딩 등 임의의 성형 방법에 의해 성형하여 전구체로 한다.

결합제의 종류 등의 상세에 대해서는 상기에 있어서 설명한 바와 같다.

전구체에 있어서의 결합제의 함유량은 탄소 클러스터 제조용의 성형체에 있어서의 원료의 종류나 각종의 제조 조건 등에 의해 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 15∼50질량%이며, 가장 바람직한 것은 30∼42질량%이다. 또는, 전구체 중의 수분이 3∼15질량%인 것이 바람직하고, 3.2질량%보다 크고 12.6질량%보다 작아지도록 조정하여 수분을 첨가해서 결합제로서 배합하는 것이 보다 바람직하다. 결합제의 함유량, 또는 수분량이 이러한 범위임으로써, 전구체의 단계에서 무너져버리거나, 성형체의 기계적 강도가 저하하는 것을 억제하여 아크 방전 등의 시에 형상을 유지하는 것에 적합하다.

상기에 있어서 설명한 바와 같이 전구체에 있어서의 회분은 15% 이하가 바람직하다.

공정(A) 후, 임의로 전구체를 더 소성하는 공정(B)을 행할 수 있다. 공정(B)는 휘발분을 제거하고, 공정(C)에 있어서 흑연화가 충분하게 진행되는 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 공정(B)는 공정(A)에 있어서의 소성과 마찬가지의 온도 범위에서, 주로 비산화성 분위기에서 행한다.

공정(C)에서는 전구체를 2500℃ 이상의 온도, 바람직하게는 2500∼3000℃의 온도에서 1∼24시간 열 처리하여 흑연화한다. 흑연화를 행할 때에는 그 장치 구성은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 종래 공지의 열 소성로, 전기로 등을 사용하여 행할 수 있다. 흑연화의 온도의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 전력 소비나 흑연화를 원활하게 행하는 점 등을 고려하면, 3000℃ 이하가 바람직하다. 흑연화는 주로 비산화성 분위기에서 행할 수 있다.

이렇게 해서 얻어지는 흑연화한 성형체는 필요에 따라 기계 가공함으로써, 소망하는 형상의 성형체로 해도 좋다.

본 발명의 제조 방법에 의해 얻어지는 탄소 클러스터 제조용의 성형체에 있어서의 부피 비중, 전기 비저항, 분말 X선 회절법에 의한 회절 패턴의 상세는 상기에 있어서 설명한 바와 같다.

이상에 설명한 본 발명의 탄소 클러스터 제조용의 성형체와 그 제조 방법에 의하면, 종래의 석유·석탄 유래 원료로 변경하여 식물 유래 원료를 사용한, 서스테이너블하고 또한 에콜로지컬한 재료로서, 또한 로우 수트 중의 탄소 클러스터의 함유율이 높고, 적은 소비 전력으로도 고수율로 얻어지고, 생산량이 향상되고, 비용의 저감이 가능해지는 점에서 각종의 산업 분야에의 적용이 가능하다. 예를 들면, 천연 유래의 원료로서 화장품의 배합 성분에 적합하게 사용할 수 있다.

실시예

이하에, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

탄소 클러스터 제조용의 성형체인 로드를 제작하기 위한 원료로서 팜 야자, 균상, 회목·삼목 혼합의 각각으로부터 얻어진 칩을 실린더에 채워서 가압하고, 200℃로 가열한 후, 방랭하여 10cm의 크기로 한 고형체를 사용했다. 또한, 건조시킨 목재를 세분화하고 압력을 가하여 직경 6∼8㎜, 길이 3∼40㎜로 한 목질 펠릿(삼목 유래, 쯔노펠릿코교제) 및 비장탄도 사용했다.

각 원료를 1200∼1300℃의 비산화성 분위기 CO 가스 하에서 2일간 가소성한 후, 입경 1㎜ 이하로 분쇄했다.

이 소성 펠릿에 대하여, 표 1의 조성으로 결합제(바인더)로서 시판의 상백당, 콘 스타치, 액상 덱스트린(말토 프레시, 수분량 30%), 증류수를 첨가하여 가압형 니더 내에서 50∼70℃에서 10분간 혼련을 행했다. 얻어진 혼련물을, 몰딩 프레스기를 사용하여 20MPa의 가압력으로 성형해서 전구체를 얻었다.

상기 전구체를 코크스 브리즈 중에 매몰하고, 1200∼1300℃의 비산화성 분위기 하에서 2일간 가소성하여 소성체를 얻었다. 그 후 2500∼3000℃의 비산화성 분위기 하에서 3시간 열 처리하여 로드를 얻었다. 회목, 삼목 혼합 유래의 로드에 대해서는 가소성 후에 1500∼2000℃에서 열 처리했다. 또한, 비장탄에 대해서는 그 제조 공정에서 이미 1000℃ 정도의 열을 가하고 있기 때문에, 최초의 가소성을 행하지 않고 직접 분쇄하여 바인더와 혼합해서 성형했다. 소성 전, 소성체, 로드의 각 파라미터를 측정하여 표 1 및 표 2에 나타냈다.

또한, 참고예로서 코크스와 피치를 사용하여 제조한 탄소 클러스터 제조용의 로드의 특성은 회분 0.1%, 부피 비중 1.72, 전기 비저항 8μΩm이며, 그을음 변환 효율은 34.1%, C₆₀+C₇₀량은 약 7%이었다.

각 시료의 측정 및 평가는 다음의 조건에서 행했다.

(부피 비중)

버니어 캘리퍼스로 성형체의 각 변의 길이를 재고, 각각 각 변의 평균 치수로부터 체적을 구하고, 중량을 쟀다. 중량÷체적에 의해 부피 비중을 산출했다.

(전기 비저항)

JIS R 7222에 규정된 켈빈 더블 브리지법에 의해 측정했다.

(X선 회절의 측정 방법)

분말 X선 회절법(장치명: MiniFlex II, X선원: CuKα, 출력: 0.45kW, 취입폭: 0.02°)에 의해 회절 패턴을 얻어 각 샘플의 2θ의 26∼27°사이의 피크를 비교해서 흑연화 정도를 판정했다(○: 명료한 1개의 피크 있음, ×: 피크 없음, 또는 다른 피크가 겹쳐 있음, 다른 피크의 2배 이상의 강도가 없음).

(회분의 측정 방법)

JIS Z 7302-4에 따라 측정했다. 즉, 원료를 분쇄하고, 그 1g을 시료로서 공기 중에서 815℃±10℃로 가열했을 때 잔류하는 재의 질량을 시료에 대한 중량 백분율로 나타낸 값을 회분으로 했다.

(아크 방전)

아크 방전은 다음의 방법에 의해 행했다.

탄소 재료로 이루어지는 성형체를 단면이 46㎜×46㎜의 직육면체 형상으로 가공하고, He 가스 중에서 직류 아크 방전에 의해 증발시킴으로써 합성을 행하여 풀러렌류를 함유하는 그을음을 얻었다. 로드가 갈라져 있어도 가능한 경우에는 24㎜×24㎜의 직육면체 형상으로 잘라내어 아크 방전을 행했다. 합성은 벽면을 수냉 한 밀폐 용기 내에서 행했다. 이 때, 탄소 재료의 증발에 맞춰 전극 간 거리를 제어하고, 출력을 일정하게 안정시키도록 했다.

He 가스의 충전 압력을 4kPa로 하고, 출력을 약 25.5kW가 되도록 전극 간 거리를 제어했다. 얻어진 그을음 중의 풀러렌 함유율 및 소비한 탄소 재료에 대한 풀러렌 수율은 표 2에 나타내는 바와 같았다.

풀러렌의 양은 얻어진 그을음 100㎎을 칭량하여 톨루엔으로 추출하고, 여과 후의 여과액에 대해서 고속 액체 크로마토그래피(HPLC)로 C₆₀ 및 C₇₀의 양을 측정하고, 그을음 중의 C₆₀, C₇₀을 산출하여 표 1에 나타냈다(C₆₀ 및 C₇₀의 양이 1% 이상 생성되어 있는 경우를 ○로 했다).

상기의 각 측정 및 평가의 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타내는 바와 같이 균상 및 회목, 삼목 혼합으로부터 제작한 로드에서는 그을음 중의 풀러렌량은 1% 이하로 생성량이 적은 것에 대하여 팜 야자, 목질 펠릿, 비장탄으로부터 얻어진 로드에서 얻어진 그을음 중의 풀러렌은 1% 이상 얻어지고 있으며, 보다 효율적으로 풀러렌을 생성할 수 있는 경향이 확인되었다.

또한, 로드의 특성 분석 결과로부터, 풀러렌이 효율적으로 생성되는 로드(팜 야자, 목질 펠릿, 비장탄 유래)의 전기 비저항은 100μΩm 이하인 것에 대하여 풀러렌을 효율적으로 생성할 수 없는 로드(균상, 회목, 삼목 혼합)의 전기 비저항은 100μΩm를 초과하는 것이었다.

또한, 각 로드의 X선 회절의 결과를 도 1에 나타내고, 측정한 피크의 1/3폭÷밑변의 값을 원료종 옆에 기재했다.

풀러렌을 효율적으로 생성한 팜 야자 유래 및 목질 펠릿 유래에서는 일반적으로 이용되고 있는 코크스 유래의 로드와 마찬가지로 흑연으로부터 유래하는 2θ의 26∼27°사이에 1개의 피크를 갖고, 피크의 1/3폭÷밑변의 값이 0.68 이하가 되어 있었다.

또한, 아무런 처리를 행하지 않은 비장탄 그 자체에서는 2θ의 26∼27° 사이의 피크는 없는 것이 확인되었지만, 상기의 가소성, 소성(흑연화)의 열 처리를 실시한 로드에서는 X선 회절의 결과, 2θ의 26∼27° 사이에 1개의 피크가 확인되고, 피크의 1/3폭÷밑변의 값이 0.68 이하가 되어 있었다.

표 2에 있어서, 비교예(No.A-7)의 원료가 회목, 삼목 혼합 유래인 로드에서, X선 회절의 데이터에서 흑연화도를 나타내는 피크가 보여지지 않고, 풀러렌 합성에 실패한 것은 원료의 종류가 원인이 아니라 회목, 삼목 유래의 로드를 가소성 후에 1500∼2000℃의 열 처리를 행했기 때문에, 흑연화를 위한 열 처리 온도가 낮았던 것에 의한 것으로 생각된다.

또한, 원료 조성 등의 제조 조건에도 따르지만, 로드 갈라짐을 방지하는 관점으로부터 로드를 제작하기 전의 소성체의 회분은 15질량% 이하인 것이 바람직한 경향이 확인되었다.

또한, 전구체 중을 제작할 때의 전구체 중의 결합제의 적절한 양을 조사하기 위해서, A-4, A-5와 같은 조성의 결합제를 소성 목질 펠릿에 첨가하여 전구체를 제작한 결과, 원료 조성 등의 제조 조건에도 따르지만, 결합제의 양은 바람직하게는 15∼50질량%, 가장 바람직하게는 30∼42%인 것이 성형체 제작에 바람직한 것이 판명되었다.

이 때의 전구체 중의 수분의 적절한 양을 조사한 결과, 원료 조성 등의 제조 조건에도 따르지만, 3.2질량%보다 크고 12.6질량%보다 작은 양으로 하는 것이 성형체 제작에 바람직한 것이 판명되었다.

Claims

바이오매스와 결합제를 유래 원료에 포함하여 흑연화되고, 상기 유래 원료에서 바이오매스의 함유량이 바이오매스와 결합제의 합계량에 대해 60질량% 이상이고,
전기 비저항이 100μΩm 이하이며, 또한 분말 X선 회절법에 의한 회절 패턴이, 2θ(θ는 브랙각)가 26∼27°사이에 1개의 피크를 가짐과 아울러 상기 피크의 1/3의 높이의 폭÷밑변의 값이 0.68 이하가 되는 것을 특징으로 하는 탄소 클러스터 제조용의 성형체.
제 1 항에 있어서,
부피 비중이 0.8∼2g/㎤인 성형체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
흑연화 전의 전구체를 제작할 때의 수분의 함유량이 전구체 전체의 3.2질량%보다 크고 12.6질량%보다 작은 성형체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
흑연화 전의 회분이 15질량% 이하인 성형체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 결합제가 당류를 포함하는 성형체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
탄소 클러스터는 풀러렌인 성형체.
이하의 공정을 포함하는, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 탄소 클러스터 제조용의 성형체의 제조 방법.
바이오매스의 가소성체와, 결합제를 포함하는, 성형된 전구체를 얻는 공정;
임의로 상기 전구체를 더 소성하는 공정; 및
상기 전구체를 2500℃ 이상의 온도에서 흑연화하는 공정
제 7 항에 있어서,
상기 바이오매스의 가소성체는 1300℃ 이하의 온도에서 소성한 것인 제조 방법.