原子态碳材料及其制造方法
【专利摘要】本发明提法具有比富勒烯或纳米管更优良的离子吸附能力的原子态碳材料及其制造方法。该原子态碳材料接近于以有机化合物形式存在的状态，与直径为1nm以下(理论上为)的原子状态接近，为通过原子间引力相互集合的块状，或者粒径为1nm以下的粒子体。该原子态碳材料是将由不含碳单质的有机物构成的原料在惰性气氛中在预定的温度下依次加热升温，使上述气氛中以及有机物中的碳以外的所希望的成分在450℃以下的温度下由分解温度低的物质开始依次发生热分解，从而使其与碳的结合分别游离而制造的。
【专利说明】原子态碳材料及其制造方法
[0001]本申请是申请号为200580010212.7、申请日为2005年4月5日、发明名称为“原子态碳材料及其制造方法”的中国专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及作为各种碳材料有用的原子态碳材料及其制造方法。
【背景技术】
[0003]碳是所有有机物、生命活动的重要构成要素之一，属于非金属，具备热和电的传导率高，热膨胀率小，而且在化学药品等中非常稳定等等计多优点，因此被用于许多领域中。
[0004]而且，碳原子的价电子为四个，具有三个或四个未结合的键(悬空键)。
[0005]另外，以前知道的碳是分子态的，并以显示石墨、金刚石、富勒烯和碳纳米管这四种晶体结构的同素异形体为公众所知。
[0006]特别是，富勒烯和碳纳米管具有微细并且离子吸附力大等以前的石墨所不具备的性质，因此作为纳米碳领域的新型碳材料而受到注目，被各个领域研究和实用化。
[0007]但是，富勒烯和碳纳米管是通过诸如等离子或激光等加热焦炭或高分子化合物使其蒸发而制备的。因此，富勒烯和碳纳米管也是以具有由6个碳原子构成的共价键的巨大碳同素异形体形式而进行石墨化的。
[0008]因此，各碳材料分别仅有吸附一个离子的能力，由60个碳原子构成的富勒烯的离子吸附能力的限度为60，由1000个碳原子构成的纳米管的吸附能力的限度为1000。
[0009]而且，如果在800°C以上热处理焦炭，则氧化物蒸发，可以得到碳的同素异形体，但是促进了石墨化从而发生硬化。
[0010]另外，众所周知如果加热有机物，则从弱键位置开始依次断裂，氢或氧被取出，然后变成(碳化)仅由碳构成的物质，在日本自古以来就碳化植物制作“木炭”。
【发明内容】
[0011]众所周知通过现有技术的方法低温碳化的“木炭”通常为电导率低的非晶态(无定形)，但是根据现有技术的碳化手段如果不施加高温，则碳和氢难以减少，不可能得到纯粹的碳材料。
[0012]另外，为失去氧和氢，施加高温是必要的，所得到的碳化物(木炭)有6个碳原子以共价键结合的状态的，还有前后左右方向上相互并列结晶(石墨化)的，层叠的电导率高，成为非常稳定的物质，难以与其它物质化合，只剩下专门的物理上的优良性质可利用。
[0013]因此，本发明所要解决的课题是提供具有远优于富勒烯和纳米管的离子吸附能力(与其它物质的化合力)的非常有用的原子态碳材料及其制造方法。
[0014]为了解决上述课题而作出的本发明是，碳原子、或者2个至5个或者10个左右碳原子结合成链状的状态的极微粒子(叫做“原子态碳粒子”)通过原子间引力不规则地相互集合、并呈非晶态块状的原子态碳材料，而且，由碳原子、或者2个至5个或10个左右碳原子结合成链状的状态的碳构成的粒径是极微粒的原子态碳材料。
[0015]另外，本发明制造方法的特征在于，作为原料使用不含碳单质的共价结合的有机物(优选诸如象植物那样以碳、氧和氢为成分的有机物)，将该有机物在惰性气氛(例如氮气气氛)中在预定的温度下依次加热升温，上述气氛中以及有机物中除碳以外的所期望的成分(例如，氧、水蒸气等气体成分)在450°C以下的温度下，由分解温度低的成分开始依次发生热分解，其与碳的结合分别发生游离，同时每次都在保持惰性气氛的状态下，将上述分解的成分排出到气氛之外，进一步地，将得到的块状原子态碳在惰性气氛中冷却到450°C以下，并粉碎至粒径与碳原子相同的程度，或粉碎至2个至5个或10个左右的碳原子结合成链状状态的极微粒子的粒径。
[0016]本发明的原子态碳材料的离子吸附能力是60个碳原子构成的富勒烯的离子吸附能力60的4倍，即具有240的离子吸附能力。另外，本发明的原子态碳材料的离子吸附能力是1000个碳原子构成的碳纳米管的离子吸附能力1000的4倍，即具有4000的离子吸附能力，非常活泼，因此能够在各种用途中利用。
[0017]其次，本发明的原子态碳材料具有与石墨化的现有碳不同的粒子性，或者极微粒子性，不仅非常细小，而且能够与各种物质形成化合物。另外，由于是碳，因此对人体没有毒性，有望用于药品、健康材料、美容剂等各种优良用途。
[0018]本发明的上述目的及其优点将参考附图予以说明，通过以下的实施例将变得更加明了。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是概略示意本发明原子态碳材料制造方法中的优选基本装置方案的截面图。
[0020]图2是本发明原子态碳材料200万倍的电子显微镜照片。
[0021]图3是图2的放大示意图。
[0022]图4是在与上述制造方法相同的条件下在温度550°C仅短时间处理时的碳材料200万倍的电子显微镜照片。
[0023]图5是图4的放大示意图。
[0024]图6是表示本发明原子态碳材料经X射线分析时的结果图。
[0025]图7是本发明原子态碳材料以元素符号示意性表示的图。
[0026]图8是添加有本发明原子态碳材料的水的光谱测定图。
【具体实施方式】
[0027]下面，将参照附图对实施本发明的最佳方案予以说明。图1是用于实施本发明原子态碳材料的制造方法的制造装置的一个例子。它包括空气不能进入的气密室I和具有氮气注入开闭阀2以及热分解气体排出开闭阀3的管路，组装有用于使内部升高到预定温度的加热器4。进一步地，包括保持与气密室I相同气氛(氮气气氛)的用于取出碳的筒5和有机材料以及台6构成。筒5相对于气密室I是可装卸的。另外，图1中，7是设置在气密室I的有机材料和台6的 出入口的闸门，关闭时气密室I保持气密或氮气气氛。8是设置在筒5上的盖或者开闭门，关闭时筒5保持气密或氮气气氛。
[0028]其次，在制造本发明的原子态碳材料时，首先在台6上放置原料(木材、竹子等有机物)，装入(压入)组装有加热器4的气密室I中。然后，通过氮气开闭阀2注入氮气，同时通过热分解气体开闭阀3排出内部的空气，使气密室I和筒5的内部为氮气气氛，通过加热器4加热。作为第一阶段，由于原料含水，因此保持在100°C~150°C (优选150°C )让水分充分气化，将气化的水分排到气密室I外。与此同时，将等量的氮气通过氮气开闭阀2注入，经常使气密室I内作为原料的有机材料处于未氧化的状态，也就是说气密的氮气气氛。进一步地，使用加热器4将原料加热到完全干燥的状态，依次升温至350°C~450°C，进行原料中所含成分的热分解。达到450°C之前产生的原料成分全部排出气密室外，每次都必须注入氮气保持惰性气氛。经过上述处理，与原料中的碳结合的成分游离而留下碳，残留在450°C不发生气化的本发明的原子态碳材料。此处，作为碳所具备的特性，有机物状态的碳和经结晶而变成无机质的同素异形体结合，也就是说石墨化的激发能必须在450°C以上的高温。因此，本发明的原子态碳材料必须在不形成石墨的450°C以下。然后，停止加热器4，通过氮气开闭阀2注入低温的氮气，同时通过热分解气体排出开闭阀3排出内部的高温氮气，将气密室I和筒5的内部冷却到50°C~100°C左右后，原子态碳材料与台6 —起从气密室I移到筒5，关闭筒5的盖8，该筒5的内部保持氮气气氛不变，使之从气密室I脱开。气密室I也关闭阀门7，为下次操作作准备。
[0029]残余的碳由碳原子、或者2个至5个以及10个左右的碳原子结合成链状的状态(图2)的极微粒子构成，可以得到该极微粒子通过原子间引力相互不规则集合的非晶原子态碳材料。进一步地，原子态碳材料在各工序完成后，为了最大限度地发挥作为材料的使用能力，筒5在保持不使碳发生氧化的氮气气氛下密闭保存是必要的。筒5中保存的原子态碳材料因为不与空气接触，也就不与氧和其它物质化合。然后，根据需要对未与氧和其它物质化合的原子态碳材料进行粉碎，得到粒子或极微粒子。原子态碳材料的粉碎，可以在得到该原子态碳材料之后的任一制造工序中进行，例如可以在以密封状态装入到筒6之前的工序中在气密室I中在450°C以下的惰性气氛中粉碎至极微粒径，或者也可以在冷却到50°C~100°C后，在气密室I中在惰性气氛中粉碎至极微粒径。进一步地，也可以在上述冷却后，以密封状态容纳在筒6中进行搬运，通过粉碎机进行粉碎加工。由于上述原子态碳没有与氧和其它物质化合，因此在混入水中时形成具有高反应性的负离子水(pH为11或以上)。
·[0030]图2是本发明原子态碳材料用株式会社东> U寸一 f七 > 夕一的超高分解能透射型电子显微镜在200万倍下拍摄的照片。图3是图2图像的放大图，该图中IOnm(纳米)
中有无数非晶态物质，IOnm中集合有从约I人大至2nm左右的碳,平均大小为1.66人(埃)。从碳的直径考虑，I人为一个碳C,棒状的2nm的物质是5~7个碳C链状结合而成的,发现其为不构成石墨碳六面体的有机物状态。
[0031]图4是图2和图3所示的碳在550°C下加热30分钟的200万倍的照片。
[0032]图5是图4的放大图，从表面开始碳横向定向排列形成石墨。因此，发现以450°C为界线，如果变成在此之上的高温，则进行激烈的石墨化，结晶变成无机质的碳，从而失去作为本发明原子态碳材料的有机质的特征。
[0033]图6是表示本发明原子态碳材料通过株式会社住化分析中心、爱媛事业所的X射线分析装置进行X射线分析的结果的光谱图。图2~6的分析均确认了本发明原子态碳材料为非晶态原子态的有机质碳(作为附加资料1，附加资料2提出)。[0034]图7是在图3的照片的基础上，基于碳的sp轨道，以元素符号示意性地表示的本发明的原子态碳材料。原本物理上碳有4个电子，众所周知可形成无数物质，是生命活动、物质构成所必要的组成，电子的活动产生出各种各样的能量，但是如果电子由于物质的结晶化而失去，或者数量减少，则不能与多种其它物质结合。
[0035]本发明的原子态碳材料，如果有一个C，则有4个电子，如果有4个C，则能够有10个活动的电子，离子吸附能力达到通常的石墨碳的3倍到24倍。而且，本发明的原子态碳材料，在存在I个C的情况下，接近粒子的大小为Inm以下(理论上为1,66人)的原子状态，如图7所示，平均I个碳原子有吸附4个离子的能力。因此本发明的原子态碳材料的离子吸附能力是由60个碳原子构成的富勒烯的离子吸附能力60的4倍，也就是说，具有240的离子吸附能力。另外，本发明的原子态碳材料的离子吸附能力是由1000个碳原子构成的碳纳米管的离子吸附能力1000的4倍，也就是说，具有4000的离子吸附能力，极具活性，能够用于各种用途。进一步地，本发明的原子态碳材料具有与石墨化的现有碳不同的粒子性，或者极微粒子性，而且不仅非常细小，还可以与各种物质形成化合物。另外，由于是碳，对人体没有毒性，有望用在药品、健康材料、美容剂等各种优良的用途中。
[0036]图8是将上述本发明粉末状的原子态碳材料加入到自来水中时通过金刚石等离子体进行光谱测定的图。(作为附加资料3提出)
[0037]根据该测定结果，确认有碳酸盐，没有碳。因此，发现本发明原子态碳材料不是现有技术中公知的象木炭那样的石墨化的，即6个碳原子环状结合的物质，而是在水中离子化，与水中存在的氢离子结合，本发明的原子态碳材料与现有技术中从有机物得到的碳化物的性质完全不同。
[0038]而且，在研究本发明块状原子态碳材料的电导率时，电流值为0，发现是完全的绝缘体。
[0039]本发明虽然通过附图所示的优选实施例进行了说明，但是本领域的技术人员可以对本发明容易地作出变化和改变，但是这些变化部分也都包括在本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种原子态碳材料，其中碳原子或者2个至5个或10个左右碳原子链状结合的状态的极微粒子通过原子间引力不规则地相互集合，呈非晶态的块状。
2.一种极微粒的原子态碳材料，其通过将上述权利要求1所述的呈块状的原子态碳材料保持在450°C以下的温度并粉碎而形成。
3.一种原子态碳材料的制造方法，其特征在于: 将由不含碳单质的共价结合的有机物构成的原料装入气密室中， 向气密室中注入氮气，同时排出气密室内部的空气，使气密室内部为氮气气氛， 将温度保持在100°c~150°C，使水分完全气化，将气化的水分排到气密室外，同时将等量的氮气注入气密室中，使气密室经常保持在有机材料不氧化的状态， 将由不含碳单质的共价结合的有机物构成的原料在惰性气氛中、预定温度下，依次加热升温，使上述气氛中以及有机物中的碳以外的所希望的成分在450°C以下的温度下，由分解温度低的物质开始依次发生热分解，从而使其与碳的结合分别发生游离，同时每次都在保持惰性气氛的状态下将上述分解的成分排出到气氛之外，进一步将得到的块状原子态碳在保持惰性气氛的状态下密封到规定的容器中。
4.根据权利要求3所述的原子态碳材料的制造方法，其特征在于，在容器密封的状态下装入容器之前的工序中，在450°C以下的惰性气氛中粉碎至极微粒径。
5.根据权利要求3的原·子态碳材料的制造方法，其中上述原料是木质或竹材。
【文档编号】B82Y30/00GK103848414SQ201310750522
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2005年4月5日 优先权日:2004年4月5日
【发明者】佐藤邦道 申请人:佐藤邦道