[发明专利]纳米碳材料制造装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及提高有效的纳米碳材料的收率的纳米碳材料制造装置、和纳米碳制造方法。

背景技术

碳纳米管是具有石墨(graphite)片封闭成圆筒状的结构的管状碳多面体。该碳纳米管有：石墨片封闭成圆筒状的具有多层结构的多层纳米管、和石墨片封闭成圆筒状的具有单层结构的单层纳米管。

其中的多层纳米管是1991年由饭岛发现的。即，发现堆积在电弧放电法的阴极上的碳块中存在多层纳米管(非专利文献1)。然后，积极进行多层纳米管的研究，近年来已经能够大量合成多层纳米管。

相对于此，单层纳米管具有约0.4～10纳米(nm)的内径，在1993年饭岛和IBM组同时报告了其合成。理论上已经预测了单层纳米管的电子状态，认为通过螺旋的卷缠方式使得电子物性由金属性质变化至半导体性质。因此，上述单层纳米管被视为有望成为未来的电子材料。

作为单层纳米管的其他用途，认为是导电性复合材料、纳米电子材料、电场电子发射极、高指向性放射源、软X射线源、一维传导材料、高热传导材料、氢储藏材料等。另外，认为通过表面的官能团化、金属包覆、内包异物能够进一步扩大单层纳米管的用途。

目前，上述单层纳米管，通过将铁、钴、镍、镧等金属混入阳极的碳棒内，进行电弧放电来制造(专利文献1)。

但是，该制造方法中，在产物中除单层纳米管外还混合存在多层纳米管、石墨、无定形碳，不仅收率低，而且单层纳米管的直径及长度也不均一，难以以高收率制造直径及长度比较一致的单层纳米管。

需要说明的是，作为碳纳米管的制造方法，除了上述电弧法之外，还提出了气相热解法、激光升华法、凝聚相的电解法等(专利文献2～4)。

但是，上述文献等中公开的制造方法均为实验室或小规模水平的制造方法，特别是存在碳材料的收率低的问题。

因此，本申请人率先提出能够使用流化床反应方法连续大量生产的作为纳米单位的碳材料的碳纳米纤维的制造装置及方法(专利文献5～8)。

专利文献1：日本特开平06-280116号公报

专利文献2：日本特许第3100962号公报

专利文献3：日本特公表2001-520615号公报

专利文献4：日本特开2001-139317号公报

专利文献5：日本特开2004-76197号公报

专利文献6：日本特开2008-37694号公报

专利文献7：日本特开2008-37695号公报

专利文献8：日本特开2008-37696号公报

非专利文献1：S.Iijima，Nature，354，56(1991)

发明内容

在利用率先提出的流化床反应方法的纳米单位的碳材料的制造中，兼用作流化材料和催化剂的流化催化剂通过使用将一次粒子造粒后粗粒化的二次粒子，形成气泡上升型的流化床反应机，充分确保催化剂粒子的反应时间，但在作为一次粒子的造粒体的二次粒子内部，碳材料边复杂地缠绕边生成，因此具有在进行生成的同时碳材料进行凝聚从而分散性降低的问题。

作为发生上述纳米碳材料的凝聚的主要原因，在使用流化床反应器的纳米碳材料的制造中，如图38所示，将由在载体101上担载的活性成分102构成的催化剂103进行多次造粒而得到的造粒催化剂104A用作流化材料。

即，在流化床反应器内，造粒催化剂104通过碳原料的供给如图39所示从活性成分102上生长纳米碳材料105，成为带催化剂的纳米碳材料106。但是，可以推测：由于纳米碳材料在载体101内的微孔或催化剂103之间的间隙中边复杂地缠绕边生长，因此即使在通过酸处理溶解并除去催化剂103后，纳米碳材料的复杂缠绕也没有被解开地进行干燥，因此成为纳米碳材料凝聚物。

另外，如图40所示，在集合催化剂103得到的造粒催化剂104B的表观表面上，生成包含纳米碳材料的纳米碳致密层107。该纳米碳致密层107不能用作纳米碳材料，导致有效的纳米碳材料的收率降低

即，如图39及图40所示，从催化剂上生长纳米碳材料而成的带催化剂的纳米碳材料106表现为一次粒子，该一次粒子以多个集合的形式构成作为纳米碳材料生长品的造粒催化剂104B，此时，由于与原料气体接触最多，在其外表面碳生长显著，因此碳缠绕，形成纳米碳致密层107，迫切希望解开该纳米碳致密层107来实现有效的纳米碳材料的收率及碳的体积密度的降低。

另外，近年来碳材料的各种用途扩大，但由于没有凝聚的纳米碳材料的适用范围广，因此希望出现能够大量且效率良好地制造不凝聚的纳米碳材料的制造装置及方法。