專利名稱：以木質素為原料的碳微粒及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造碳微粒的方法。特別是涉及一種由以木質素為主要成分的各 種有機物原料制造碳微粒的方法及利用該制造方法得到的碳微粒。
背景技術：
近年來，地球變暖、石油資源的暴漲成為世界規(guī)模的問題，因此，迫切需要由化石 資源向生物資源的過渡。另一方面，以炭黑為代表的現有的碳微粒作為輪胎的補強劑等的 世界年產量為1000萬噸左右，這些碳微粒通常通過在1400°C左右的高溫下將石油等化石 資源進行熱分解來制造。在此，作為碳微粒的其它制造方法，有專利文獻1所示的含有木質素的球狀有機 高分子的熱分解、專利文獻2所示的熱固性樹脂碳的粉碎、專利文獻3所示的使表面附著有 活性炭粉末的熱塑性樹脂微粒的熱分解、專利文獻4所示的來自經熱等離子體蒸發(fā)的碳的 非石墨結構中空微小碳的析出、專利文獻5所示的利用懸浮聚合制備的微粒熱固性樹脂的 碳化、專利文獻6所示的碳材料在溶劑中的磨碎、專利文獻7所示的對碳氫化合物粒子的激 光照射、專利文獻8所示的特殊形狀的炭黑在2000°C以上的熱處理、專利文獻9所示的合成 樹脂利用電弧放電的熱分解、專利文獻10所示的生物質酸分解物的糖質的噴霧熱分解、專 利文獻11所示的以熱固性樹脂為原料利用加壓振動噴射造粒裝置進行的制造等。而且，作 為與中空狀碳微粒有關的科學論文，報道有非專利文獻1 4。專利文獻1 日本特開平01-207719
專利文獻2 日本特開平03-164416
專利文獻3 日本特開平07-187849
專利文獻4 日本特開平07-267618
專利文獻5 日本特開2001-220114
專利文獻6 日本特開2002-241116
專利文獻7 日本特表2004-526652
專利文獻8 日本特開2005-281065
專利文獻9 日本特開2005-53745
專利文獻10日本特開2005-289666
專利文獻11日本特開2006-75708
非專利文獻 1 :Journal of Colloid and Interface Science, Vol.325-328(1996).
非專利文獻 2 =Advanced Materials, Vol. 14，1390-1393 (2002).
非專利文獻 3 =Chemistry of Materials, Vol. 15，2109-2111 (2003).
非專禾1J文獻 4 :Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 63,1-9 (2003)

發(fā)明內容
但是，由以木質素為主要成分的原料制造碳微粒的技術并未確立。在專利文獻1 中，只不過在一例中列舉木質素作為液晶顯示裝置中對置的基板間的隔板的原料而已，為 了適合于該用途，只要微粒為球狀、粒徑為數Pm 數十μ m的等級即可。但是，將微粒用 于填料材料或吸附材料等的情況等，則會根據其用途所需要的微粒的特性不同。特別是要 求輕質性、高強度性、高比表面積等的情況較多，期待在本技術領域中確立制造具備所期望 的性質的碳微粒的技術。由于木質素大量地存在于自然界、特別是木材中，因此，如果可以 由含有木質素的原料制造碳微粒，則對從化石資源向生物資源的過渡有很大貢獻。尤其是 從紙漿制造過程排出的含有木質素的紙漿廢液、廢木材、農產品的廢棄物等生物質被大量 地廢棄，且該廢棄物的處理需要很大的成本，技術上也有困難。本發(fā)明是鑒于如上所述的問題而完成的，其目的在于，提供一種由以木質素為主 要成分的有機物原料制造碳微粒的方法，特別是提供一種具有高強度性、輕質性、高比表面 積的碳微粒的制造方法。本發(fā)明的其它目的在于，提供一種由以木質素為主要成分的有機 物原料節(jié)能地制造碳微粒的方法。為了解決上述課題，本發(fā)明采用如下方法。本發(fā)明1的碳微粒的制造方法的特征在于，通過將以木質素為主要成分的有機 物原料的溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒，使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解，從而制造碳微粒。本發(fā)明2的碳微粒的制造方法的特征在于，通過將以木質素為主要成分的有機物 原料及無機物質的混合溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒，使該微 粒在300 1200°C的范圍內進行熱分解，從而制造碳微粒。本發(fā)明3的碳微粒的制造方法的特征在于，在本發(fā)明2所述的碳微粒的制造方法 中，所述無機物質為由選自金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽及鹵化物中的1種以上構成的 金屬化合物，基于所述碳微粒的碳壁(形成中空狀碳微粒的殼的部分)厚度隨著所述金屬 化合物的添加比例增加而變薄的性質，通過調整該金屬化合物的添加比例控制所述碳微粒
的碳壁厚度。本發(fā)明4的碳微粒的制造方法的特征在于，在本發(fā)明2所述的碳微粒的制造方法 中，在將所述熱分解中或所述熱分解后得到的碳微粒取出到空氣中之前，預先使其與反應 性低的氣體接觸，由此可使該碳微粒的表面與該氣體反應而被惰性化，抑制將該碳微粒取 出到空氣中時的急劇放熱。本發(fā)明5的碳微粒的制造方法的特征在于，通過將以木質素為主要成分的有機物 原料及堿性化合物的混合溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒，使該 微粒在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解而使比表面積增大，從而制造碳微粒。該比表 面積大概為900m2/g以上。本發(fā)明6的碳微粒的制造方法的特征在于，為了提高木質素的成分比例，對紙漿 廢液進行預處理，通過將該預處理后的紙漿廢液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥 來制備微粒，使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解，從而制造碳微粒。本發(fā)明7的碳微粒的制造方法的特征在于，為了提高木質素的成分比例，對紙漿 廢液進行預處理，通過將在該預處理后的紙漿廢液中添加了無機物質而得到的溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒，使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行 熱分解，從而制造碳微粒。本發(fā)明8的碳微粒的制造方法為本發(fā)明6或7所述的碳微粒的制造方法，其特征 在于，作為所述預處理，利用超濾進行高分子量木質素的分離捕集。本發(fā)明9的碳微粒的制造方法為本發(fā)明6或7所述的碳微粒的制造方法，其特征 在于，作為所述預處理，通過使所述紙漿廢液吸收二氧化碳，使氫離子指數降低而使一部分 有機成分析出，進行從溶液中分離該有機成分的處理。本發(fā)明10的碳微粒為中空狀碳微粒，其特征在于，其是通過將木質素或木質素 和無機物質的溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒、使該微粒在 300°C 1200°C的范圍內進行熱分解而得到的。本發(fā)明11的碳微粒為中空狀的碳微單元(carbon microcell)，其特征在于，其是 通過將木質素或木質素和堿性化合物的溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來 制備微粒、并且使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解而得到的，所述中空狀碳 微單元的外徑為0. 2 50 μ m、碳壁厚度為0. 05 20 μ m。本發(fā)明12的碳微粒為本發(fā)明11所述的中空狀的碳微單元，具有高比表面積，其特 征在于，所述木質素和所述堿性化合物的質量比例為1 0.5 1 2。由于提高堿性化合 物的質量比例時碳壁會變薄，因此，通過在上述范圍內調整其質量比例，可以控制上述碳壁 的厚度。而且，隨著堿性化合物的質量比例增加，比表面積顯著增力卩。但是，在以超過1 2 的比例添加堿性化合物時，會引起微粒熔融。本發(fā)明13的碳微粒為中空狀的碳微球(carbon microballon)，其特征在于，其 是通過將木質素以及由選自金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽及鹵化物中的1種以上構成 的金屬化合物的溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒、并且使該微粒 在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解而得到的，所述中空狀的碳微球的外徑為0.2 50 μ m、碳壁厚度為5 200nm、體積密度為3 20g/L。本發(fā)明14的碳微粒為本發(fā)明13所述的碳微球，其特征在于，所述木質素和所述金 屬化合物的質量比例為1 3 1 20。由于如果提高金屬化合物的質量比例則碳壁會 變薄，因此，通過在上述范圍內調整其質量比例，可以控制上述碳壁的厚度。但是，如果以小 于1 3的比例添加金屬化合物，則不能生成碳微球，如果以超過1 20的比例添加金屬 化合物，則微球崩解而不能成為中空，僅得到塊狀的生成物。本發(fā)明15的碳微粒為中空狀的碳納米管單元(carbon nanopipe cell)，其特征在 于，其是通過將木質素及偏硅酸鹽的溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備 微粒、并且使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解而得到的，所述中空狀碳微粒 的外徑為0. 2 50 μ m、碳壁厚度為0. 05 20 μ m,而且，該碳壁由外徑5 50nm、碳壁厚度 為1 5nm的碳納米管構成。本發(fā)明16的碳微粒為本發(fā)明15所述的碳納米管單元，其特征在于，所述木質素和 所述偏硅酸鹽的質量比例為1 3 1 20。由于如果提高偏硅酸鹽的質量比例則碳壁會 變薄，因此，通過在上述范圍內調整其質量比例，可以控制上述碳壁的厚度。但是，如果以小 于1 3或超過1 20的比例添加偏硅酸鹽，則不會生成碳納米管單元。本發(fā)明17的碳微粒為非石墨質中空狀的碳納米單元(carbon nanocell)，其特征
6在于，其是通過將木質素及原硅酸鹽的溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制 備微粒、并且使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解而得到的，所述非石墨質中 空狀的碳納米單元的外徑為3 30nm、碳壁厚度為1 5nm、比表面積為1400 1600m2/g。本發(fā)明18的碳微粒為本發(fā)明17所述的碳納米單元，其特征在于，所述木質素和所 述原硅酸鹽的質量比例為1 5 1 20。由于如果提高原硅酸鹽的質量比例則碳壁會 變薄，因此，通過在上述范圍內調整其質量比例，可以控制碳壁的厚度。但是，如果以小于 1 5或超過1 20的比例添加原硅酸鹽，則不會生成碳納米單元。下面，對構成本發(fā)明的每個要素具體地進行說明。[有機物原料]本發(fā)明所說的以木質素為主要成分的有機物原料，除了木質素之外，還包括在紙 漿制造過程中排出的廢液或將其進行預處理后的廢液中的有機物、以及將木材或植物等含 有木質素的植物原料進行預處理后形成的物質。木質素是例如木材中存在20 30質量％ 的的高分子芳香族聚合化合物，它構成細胞膜和細胞膜之間的中間層，一部分也存在于細 胞膜。作為從植物體分離木質素的方法，多種方法是公知的，可使用這些方法。具體而言， 本發(fā)明所說的木質素是指堿木質素、水解木質素及木質素磺酸等。[預處理]本發(fā)明所說的預處理，是指用于提高含有木質素的有機物原料中木質素的成分比 例的處理或用于將木質素改性為適于制造碳微粒的結構的處理。即，是將含有木質素的有 機物原料進行微小液滴化之前的處理。例如，使用紙漿廢液作為有機物原料時，不一定為必 需的處理，但為了提高木質素的成分比率，優(yōu)選進行預處理。具體而言，可以考慮以下處理 (1)使其吸收酸性氣體而將木質素進行沉淀分離；(2)通過添加無機酸、多價陽離子或有機 胺，將木質素進行沉淀分離；(3)使紙漿廢液中的糖類發(fā)酵并進行分解除去；(4)利用超濾 進行高分子量木質素的分離捕集等。過濾為利用過濾器將水和木質素分離的普通方法。本 發(fā)明中使用的超濾膜是指細孔直徑為Inm IOOnm(0. 1 μ m)的范圍的多孔質膜。另外，作為將木材或植物等用作有機物原料時的預處理，可以采用例如紙漿的制 造等中所使用的堿分解等公知的方法。而且，通過根據需要采用上述木質素的分離濃縮方 法等，可以提高木質素的成分比例。[熱分解]本發(fā)明中所說的熱分解，是指將含有木質素的有機物原料在300°C 1200°C下進 行加熱而進行碳化。一般而言，熱分解在500°C 800°C下進行。[無機物質]本發(fā)明中使用的無機物質是為了控制碳微粒的碳壁厚度、木質素的熱塑性、碳壁 的細孔結構及碳微粒的電傳導性等各種特性而使用的物質。本發(fā)明中所說的無機物質，除 作為單質的碳之外，還包括金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、商化物、硫酸鹽、硝酸鹽、硅酸 鹽、磷酸鹽及硼酸鹽等水溶性鹽以及它們的微粒及它們的微細纖維。[惰性化]本發(fā)明中所說的惰性化，是指通過使熱分解中或熱分解后得到的碳微粒與反應性 低的氣體接觸而使該碳微粒表面惰性化。通過該惰性化，可以抑制將該碳微粒取出時的急 劇放熱。所謂反應性低的氣體，是指含有水蒸氣或低濃度氧的氮氣等。而且，需要與碳微粒表面發(fā)生緩慢的反應，因此，純氮氣等完全惰性的氣體不適合。[微小液滴化]本發(fā)明中所說的微小液滴化，是指例如利用噴霧或超聲波霧化等方法將預處理后 的紙漿廢液制成直徑為數十μm左右以下的微小液滴。[碳微粒]本發(fā)明中所說的碳微粒，是指有機物中的木質素進行熱分解或碳化后的粒子。碳 微粒具有各種尺寸(直徑為數nm 50 μ m左右)和形態(tài)。另外，以體積密度為3 300g/ L、輕質為特征。利用本發(fā)明的碳微粒的制造方法，可以由以作為可以再生的生物資源的木質素為 主要成分的有機物原料的溶液制造碳微粒。由此，在碳微粒的制造中，對從化石資源向生物 資源的過渡有很大貢獻。另外，通過調整無機物質的添加比例，可以簡單地控制碳微粒的碳 壁厚度等各種特性。而且，通過使熱分解所得到的碳微粒與反應性低的氣體接觸，可以抑制 取出到空氣中時的急劇放熱。本發(fā)明的碳微粒的制造方法還可以由以木質素為主要成分的有機物原料及堿性 化合物的混合溶液制造碳微粒，由此得到的碳微粒的比表面積與市售的活性炭為同等級， 因此，適于各種用途。由于通過本發(fā)明的制造方法得到的碳微粒為中空狀，因此，在與直至 內部都填充有碳等的現有的碳微粒比較時，具有以體積比計非常輕質的性質。因此，特別適 于要求輕質性的用途。本發(fā)明的碳微粒的制造方法還可以由紙漿廢液制造碳微粒，可以將 紙漿廢液作為生物質資源有效用于碳微粒的制造。而且，由于本發(fā)明的碳微粒的制造方法 可以在比現有技術的熱處理溫度低的條件下制造碳微粒，因此，還有助于節(jié)能。


圖1 (a)是僅由木質素磺酸制成的中空碳微粒的照片，圖1 (b)是該中空碳微粒的 斷裂面的放大照片。圖2(a)是木質素和氫氧化鈉的質量比例為1 0. 25時的碳微粒的斷裂面的放大 照片，圖2(b)是木質素及氫氧化鈉的質量比例為1 0.5時的碳微粒的斷裂面的放大照 片，圖2(c)是木質素及氫氧化鈉的質量比例為1 1時的碳微粒的斷裂面的放大照片。圖3(a)是由木質素、氫氧化鈉及氯化鈉(質量比例為1 0.25 3)制成的中空 碳微粒的照片，圖3(b)是該中空碳微粒的斷裂面的放大照片。圖4(a)是由木質素、氫氧化鈉及偏硅酸鈉(質量比例=1 0.25 10)制成的 碳納米粒子的低倍率照片，圖4(b)是該碳納米粒子的高倍率照片。圖5 (a)是由未進行預處理的紙漿廢液制成的碳的照片，圖5 (b)是對紙漿廢液進 行超濾處理、以高分子量成分為原料時的碳微粒的照片，圖5(c)是該碳微粒的斷裂面的放 大照片。圖6(a)是利用超聲波霧化制成的碳微單元的照片，圖6(b)是該碳微單元的斷裂 面的碳壁部分的放大照片。圖7是碳微球的照片。圖8(a)是碳納米管單元的照片，圖8(b)是該碳納米管單元的斷裂面的碳壁部分 的放大照片。
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圖9是碳納米單元的照片。
具體實施例方式在本發(fā)明中，首先，通過將作為生物資源的以木質素為主要成分的有機物原料或 該有機物原料和無機物質的混合物的溶液進行微小液滴化并進行干燥，制備有機物微?；?有機物原料和無機物質的復合微粒。通過使該有機物微?；驈秃衔⒘Ｔ?00°C 1200°C的 范圍內進行熱分解并自然冷卻，制造碳微粒。在此，在熱分解后的生成物的反應性高的情況 下，通過使生成物與反應性低的氣體接觸來進行惰性化。另外，如果需要，則可在用水等清 洗生成物而除去無機物質后，進行干燥。這樣制成的碳微粒具有各種尺寸(直徑為數nm 50 μ m左右)和形態(tài)。另外，以體積密度為3 300g/L、輕質為特征。下面，使用附圖對本發(fā)明的輕質碳微粒的制造方法進行說明。[實施例1]將木質素磺酸的總濃度為5%的水溶液進行噴霧干燥，制成木質素磺酸的微粒。通 過將其在氮氣氛圍下、600°C下熱處理1小時并自然冷卻，制成圖1(a)及(b)所示的中空碳 微粒。該中空碳微粒的直徑為數μπι ΙΟμπι左右。[實施例2]將木質素及氫氧化鈉(質量比例為1 0.25)的總濃度為5%的水溶液進行噴霧 干燥，制成復合微粒。將其在氮氣氛圍下、600°C下熱處理1小時并自然冷卻。其后，將其進 行水洗并進一步進行干燥，由此制成圖2(a)所示的中空碳微粒。另外，將木質素和氫氧化 鈉的質量比例設定為1 0.5，對總濃度為5%的水溶液進行同樣的處理，由此制成圖2(b) 所示的中空碳微粒。進而，將木質素和氫氧化鈉的質量比例設定為1 1，對總濃度為5% 的水溶液進行同樣的處理，由此制成圖2(c)所示的中空碳微粒。圖2 (a) (c)各自的中 空碳微粒的直徑均為數Pm左右。由圖2(a) (C)可知，隨著木質素及氫氧化鈉的質量比例發(fā)生變化，中空碳微粒 的碳壁厚度也發(fā)生變化。具體而言，隨著氫氧化鈉的添加比例增加，可看到中空碳微粒的碳 壁厚度變薄的傾向。即，該結果表明，通過調整氫氧化鈉的添加比例，可以控制中空碳微粒 的碳壁厚度。[實施例3]將木質素、氫氧化鈉及氯化鈉(質量比例為1 0.25 3)的總濃度為5%的水 溶液進行噴霧干燥，制成復合微粒。將其在氮氣氛圍下、600°C下熱處理1小時并自然冷卻。 其后，將其進行水洗并進一步進行干燥，由此制成圖3所示的中空碳微粒。該中空碳微粒的 直徑為數ym 20μπι左右。另外，其體積密度約為30g/L，為非常輕質的碳微粒。[實施例4]將木質素、氫氧化鈉及偏硅酸鈉(質量比例為1 0.25 10)的總濃度為5%的水 溶液進行噴霧干燥，制成復合微粒。將其在氮氣氛圍下、600°C下熱處理1小時并自然冷卻。其 后，將其進行水洗并進一步進行干燥，由此，如圖4所示，制成數nm 數十nm的碳納米粒子。[實施例5]將木質素、氫氧化鈉及石墨(質量比例為1 0.5 0. 15)的總濃度為5%的懸 濁液進行噴霧干燥，制成復合微粒。將其在氮氣氛圍下、600°C下熱處理1小時并自然冷卻。其后，將其進行水洗并進一步進行干燥，確認由此可制成與實施例2所示的圖2同樣的中空 碳微粒。需要說明的是，對于上述實施例2 5，在分別是堿木質素、水解木質素及木質素 磺酸的哪一種木質素試樣的情況下，都可以確認能夠制造大致相同的碳微粒。[實施例6]在紙漿工廠中處理木材片時產生的紙漿廢液中含有大量的木質素，但目前的現狀 為，其中大部分木質素被燒掉。如果可以由該紙漿廢液制造碳微粒，則對從化石資源向生物 資源的過渡及資源的有效利用有很大貢獻。但是，制造紙漿的方法各種各樣，此時產生的紙漿廢液的組成也分別不同。在紙漿 廢液中木質素成分多的情況下，可以在不進行成分分離等預處理的條件下制造碳微粒，但 在含有許多木質素以外的成分的情況下，需要進行預處理。簡單稀釋實際的紙漿廢液(總濃度為23%)，制成總濃度為5%的水溶液。將該水 溶液進行噴霧干燥，制成微粒。將其在氮氣氛圍下、600°C下熱處理1小時并自然冷卻后，進 行水洗并進一步進行干燥，其結果，如圖5(a)所示，粒子之間熔合，不能得到碳微粒。這是 由于紙漿廢液中所含的木質素以外的碳水化合物分解物等發(fā)生熱熔融的緣故。為了防止這種熔融，需要提高木質素的成分比例。作為其方法，可以考慮a.利用 酸性氣體的吸收進行木質素的沉淀分離；b.利用無機酸、多價陽離子或有機胺的添加進行 木質素的沉淀分離；c.將紙漿廢液中的糖類利用發(fā)酵來分解除去；d.利用超濾進行高分子 量木質素的分離捕集等。可以認為，不管是哪一種方法，都可以提高木質素的成分比例。在本實驗中，作為環(huán)境負荷少的方法之一，對d.利用超濾進行高分子量木質素的 分離捕集、超濾的效果進行了研究。將稀釋成10倍的實際的紙漿廢液使用分級分子量為 10000的超濾膜濃縮至10倍。然后，將以高分子量成分為原料的濃縮液進行噴霧干燥，制成 微粒。將其在氮氣氛圍下、600°c下熱處理1小時并自然冷卻后，進行水洗并進一步進行干 燥，其結果，可以制造如圖5(b)、(C)所示的中空碳微粒。該中空碳微粒的直徑為數ym IOym左右。由此可確認，通過提高木質素的成分比例，由紙漿廢液那樣的含有木質素以外 的各種有機物或無機物質的原料也可以制造碳微粒。另外，作為超濾以外的有希望的木質素的分離法，可考慮利用造紙工廠的煙道 氣中所含的二氧化碳的吸收進行分離。在實驗中，在含有12%的固體成分的紙漿廢液 (pH13. 2)中，使作為模擬煙道氣的含有20 %的二氧化碳的氮氣流通，使pH下降至9. 5，使 一部分有機成分析出。利用離心分離將該沉淀物從溶液中分離、清洗后，進行干燥。將相對 該干燥沉淀物以質量比計為1 10的比例添加了偏硅酸鈉而得到的水溶液(總濃度5%) 進行噴霧干燥。將其在氮氣氛圍下、600°C下熱處理1小時并自然冷卻后，進行水洗并進一 步進行干燥，其結果，可得到輕質的中空碳微粒(后述的碳納米管單元)。由此可確認，即使 在紙漿廢液中使用吸收二氧化碳氣體進行沉淀的成分，也可以制造碳微粒。[實施例7]如實施例2的情況那樣，將木質素及堿金屬類氫氧化物的水溶液或木質素及堿金 屬類碳酸鹽的水溶液進行噴霧干燥，制成直徑為數微米左右的復合微粒。將其在氮氣氛圍 下、600°C下熱處理并自然冷卻至室溫后，將含有生成的碳微粒的生成物取出到空氣中時， 可看到劇烈放熱的現象。而且，這種放熱在以木質素磺酸為原料時顯著。放熱的原因在于，通過熱處理，生成的碳微?；驂A金屬與空氣中的氧等發(fā)生劇烈反應。在此，將生成物取出到空氣中之前，使其與預先飽和了水分的氮氣等反應性比較 低的氣體接觸，由此，可以使碳微粒表面惰性化，可以抑制取出到空氣中時的急劇放熱。[碳微粒的比表面積]如實施例1所示的情況那樣，可確認僅將木質素在600°C下熱處理時的碳微粒的 比表面積(每單位質量的表面積)為180 430m2/g左右。另一方面，如表1所示，實施例 2(木質素和氫氧化鈉的質量比例為1 0.5的情況)、3及4的碳微粒的比表面積分別為 860m2/g、1280m7g、900m7g，可知均與市售的活性炭的比表面積910m2/g為同等級。由此也 可以說在木質素中加入氫氧化鈉等堿性化合物而制成的碳微粒為活性炭微粒，適于各種用 途。表 1實施例的碳微粒的表面積和孔容積 在本發(fā)明中，通過如實施例1那樣將作為生物資源的以木質素為主要成分的有機 物原料的溶液或如實施例2 7那樣將以木質素為主要成分的有機物原料和無機物質的混 合物的溶液進行微小液滴化并進行干燥，可制備有機物微?；蛴袡C物原料和無機物質的復 合微粒。就該“溶液”而言，除了水溶液之外，還包括含有木質素以外的有機物的有機溶液以 及懸濁液。另外，作為“無機物質”，如實施例3 5所示，包括無機物質的混合物。在此，作 為微小液滴化的方法，在實施例中進行噴霧干燥，但并不限于此，如后述的實施例8所示， 也可以使用超聲波霧化等其它方法。另外，在本發(fā)明中，通過將有機物微粒或復合微粒在300°C 1200°C的范圍內進 行熱分解并自然冷卻，可制造碳微粒。在實施例中，熱處理溫度為600。C，但本發(fā)明中的熱處 理溫度只要為300°C 1200°C的范圍即可。在此，上述微小液滴的干燥和微粒的熱分解在 同一反應器內同時進行即可。另外，在生成物的反應性高的情況下，通過使生成物與“反應 性低的氣體”接觸來惰性化，該氣體如實施例7那樣，不限于預先飽和有水分的氮氣，同樣可 以為調整了水分的惰性氣體等。該生成物的惰性化處理根據需要進行即可。另外，熱分解 后的生成物的清洗、干燥也根據需要進行即可。目前，碳微粒以石油等化石資源為原料，在1400°C以上的高溫下制造。但是，利用 本發(fā)明的制造方法，可以用含有木質素的紙漿廢液等生物資源替代化石資源。另外，制造溫度為300°C 1200°C左右，與現有技術相比，可以大幅度地降低，因此，有助于節(jié)能?？梢灶A 測，今后隨著生物乙醇開發(fā)的進展，會大量地產生廉價的木質素，因此，從這種情況出發(fā)，也 可期待本發(fā)明有助于降低成本及節(jié)能。目前的現狀是，以炭黑為代表的碳微粒，其大部分被用作輪胎的補強劑。通過本發(fā) 明的制造方法生成的碳微粒中也存在輕質且比表面積與市售的活性炭為同等級的碳微粒， 因此，除了用作輪胎等橡膠的補強劑之外，還可期待用作活性炭、緩釋材料、黑色顏料、調色 劑、濾色器、導電材料、抗靜電劑、電池電極材料及粘性流體等。[其它實施例]利用以下所示的實施例8 11的制造方法，制造適于特定用途的碳微粒(將它們 分別稱為“碳微單元”、“碳微球”、“碳納米管單元”、“碳納米單元”)。[實施例8:碳微單元]通過將木質素磺酸及氫氧化鈉(質量比例為1 0. 1)的總濃度為5%的水溶液進 行超聲波霧化并加熱到90°C來進行干燥，制成木質素微粒。將其在氮氣氛圍下、600°C下熱 處理1小時并自然冷卻。其后，將其進行水洗并進一步進行干燥，由此制成圖6(a)所示的 碳微單元。該圖所示的微粒的直徑為0.2 3μπι左右。圖6(b)表示該微粒的斷裂面的一 部分。由該照片可知其為碳結構致密、碳壁厚度大約為0. 3 μ m的中空微粒。這樣制造的碳微單元的外徑為0. 2 50 μ m、碳壁厚度為0. 05 20 μ m，碳壁為致 密的結構，因此，成為高強度的輕質中空碳材料?，F有的中空碳具有引起強度降低的許多中 孔或大孔，與此相對，如圖6(b)所示，本發(fā)明的碳微單元具有如下特征結構致密，具有微 孔主體的細孔結構，因此，物理強度高。本實施例8得到的碳微單元為中空碳，因此為輕質碳微粒。而且，幾乎沒有在現有 的中空狀碳微粒的碳壁中存在的引起強度降低的中孔或大孔，因此強度高。因此，可以用作 高強度的輕質填料材料。[實施例9:碳微球]將水解木質素、氫氧化鈉及氯化鈉(質量比例為1 0.25 10)的總濃度為5% 的水溶液進行噴霧干燥，制成干燥的復合微粒。將其在氮氣氛圍下、800°C下熱處理1小時 并自然冷卻。其后，將其進行水洗并進一步進行干燥，由此制成圖7所示的碳微球。該圖7 所示的微粒的直徑為2 15 μ m左右、體積密度為12g/L。本實施例9得到的碳微球的外徑為0. 2 50 μ m、碳壁厚度大約為5 200nm，是 體積密度為3 20g/L的超輕質中空碳材料。因此，可以用作超輕質的填料材料。[實施例10碳納米管單元]將水解木質素及偏硅酸鈉(質量比例為1 3)的總濃度為5%的水溶液進行噴霧 干燥，制成干燥的復合微粒。將其在氮氣氛圍下、600°C下熱處理1小時并自然冷卻。其后， 將其進行水洗并進一步進行干燥，由此制成圖8(a)所示的碳納米管單元。該圖8(a)所示 的微粒的直徑為2 15 μ m左右。根據圖8 (a)所示的結構，可以說本實施例得到的碳納米管單元為實施例8得到的 碳微單元中的一種。該碳納米管單元的外徑為0. 2 50 μ m、碳壁厚度為0. 05 20 μ m。而 且，如圖8(b)所示，該碳壁的外徑為5 50nm、碳壁厚度為1 5nm，可以說是包含不規(guī)則 地彎曲并交叉的結構的碳納米管的具有特殊形狀的輕質中空碳材料。
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本實施例得到的碳納米管單元為微米尺寸的碳微粒，而且碳壁為由納米管形成的 空隙多的結構，因此強度低，通過與樹脂或橡膠混煉，粒子崩解，以納米管水平分散于基質 中，可以用作特殊形狀的輕質填料材料。另外，有效利用碳壁為由納米管形成的空隙多的結 構，也可以用作農藥或醫(yī)藥等物質的緩釋性材料。[實施例11碳納米單元]將水解木質素及原硅酸鈉(質量比例為1 10)的總濃度為5%的水溶液進行噴 霧干燥，制成干燥的復合微粒。將其在氮氣氛圍下、600°C下熱處理1小時并自然冷卻。其 后，將其進行水洗并進一步進行干燥，由此制成碳微粒的碳壁為由圖9所示的碳納米微粒 (稱為“碳納米單元”)構成的碳材料。該圖9所示的碳納米單元的外徑大約為3 lOnm。本實施例得到的碳納米單元的粒子內部具有大的空隙，外徑為3 30nm，碳壁厚 度為1 5nm，因此，可以說是超微細的輕質中空碳材料。另外，具有為不規(guī)則形狀且非石墨 質的性質。而且，比表面積為1400 1600m2/g，因此，具有超微細且比表面積大的特征。即， 與現有的炭黑相比，粒子尺寸更小且為中空，因此，可以期待以極少的添加量來提高加固性 等，所以，可以用作超微細的輕質填料。另外，由于比表面積非常大，因此，可以用作超微細 的高表面積吸附材料。工業(yè)上應用的可能性由本發(fā)明的制造方法制成的碳微粒為輕質碳微粒，還存在比表面積與市售的活性 炭為同等級的碳微粒，因此，除用作輪胎等橡膠的補強劑之外，還可以用作活性炭、緩釋材 料、黑色顏料、調色劑、濾色器、導電材料、抗靜電劑、電池電極材料及粘性流體等。
權利要求
一種碳微粒的制造方法，其特征在于，通過將以木質素為主要成分的有機物原料的溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒，使該微粒在300℃～1200℃的范圍內進行熱分解，從而制造碳微粒。
2.一種碳微粒的制造方法，其特征在于，通過將以木質素為主要成分的有機物原料、 及無機物質的混合溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒，使該微粒在 300°C 1200°C的范圍內進行熱分解，從而制造碳微粒。
3.如權利要求2所述的碳微粒的制造方法，其中，所述無機物質為由選自金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽及鹵化物中的1種以上構成 的金屬化合物，基于所述碳微粒的碳壁厚度隨著所述金屬化合物的添加比例增加而變薄的性質，通過 調整該金屬化合物的添加比例控制所述碳微粒的碳壁厚度。
4.如權利要求2所述的碳微粒的制造方法，其中，在將所述熱分解中或所述熱分解后得到的碳微粒取出到空氣中之前，預先使其與反應 性低的氣體接觸，從而使該碳微粒的表面與該氣體反應而被惰性化，并抑制將該碳微粒取 出到空氣中時的急劇放熱。
5.一種碳微粒的制造方法，其特征在于，通過將以木質素為主要成分的有機物原料、及 堿性化合物的混合溶液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒，使該微粒在 300°C 1200°C的范圍內進行熱分解而使比表面積增大，從而制造碳微粒。
6.一種碳微粒的制造方法，其特征在于，為了提高木質素的成分比例，對紙漿廢液進行預處理，通過將該預處理后的紙漿廢液進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒， 使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解，從而制造碳微粒。
7.一種碳微粒的制造方法，其特征在于，為了提高木質素的成分比例，對紙漿廢液進行預處理，通過將在該預處理后的紙漿廢液中添加了無機物質而得到的溶液進行微小液滴化并 將該微小液滴進行干燥來制備微粒，使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解，從 而制造碳微粒。
8.如權利要求6或7所述的碳微粒的制造方法，其特征在于，作為所述預處理，利用超濾進行高分子量木質素的分離捕集。
9.如權利要求6或7所述的碳微粒的制造方法，其特征在于，作為所述預處理，通過使所述紙漿廢液吸收二氧化碳，使氫離子指數降低而使一部分 有機成分析出，進行從溶液中分離該有機成分的處理。
10.—種中空狀碳微粒，其特征在于，其是通過將木質素或木質素和無機物質的溶液進 行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒、并且使該微粒在300°C 1200°C的范 圍內進行熱分解而得到的。
11.一種中空狀碳微粒，其特征在于，其是通過將木質素或木質素和堿性化合物的溶液 進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒、并且使該微粒在300°C 1200°C的 范圍內進行熱分解而得到的，所述中空狀碳微粒的外徑為0. 2 50 μ m、碳壁厚度為0. 05 20 μ m0
12.如權利要求11所述的中空狀碳微粒，具有高比表面積，其特征在于，所述木質素和所述堿性化合物的質量比例為1 0.5 1 2。
13.—種中空狀碳微粒，其特征在于，其是通過將木質素以及由選自金屬的氧化物、氫 氧化物、碳酸鹽及鹵化物中的1種以上構成的金屬化合物的溶液進行微小液滴化并將該微 小液滴進行干燥來制備微粒、并且使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行熱分解而得到 的，所述中空狀碳微粒的外徑為0. 2 50 μ m、碳壁厚度為5 200nm、體積密度為3 20g/ L0
14.如權利要求13所述的中空狀碳微粒，其特征在于，所述木質素和所述金屬化合物的質量比例為1 3 1 20。
15.一種中空狀碳微粒，其特征在于，其是通過將木質素及偏硅酸鹽的溶液進行微小液 滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒、并且使該微粒在300°C 1200°C的范圍內進行 熱分解而得到的，所述中空狀碳微粒的外徑為0. 2 50 μ m、碳壁厚度為0. 05 20 μ m，而 且，該碳壁由外徑5 50nm、碳壁厚度為1 5nm的碳納米管構成。
16.如權利要求15所述的中空狀碳微粒，其特征在于，所述木質素和所述偏硅酸鹽的質量比例為1 3 1 20。
17.一種非石墨質中空狀碳微粒，其特征在于，其是通過將木質素及原硅酸鹽的溶液 進行微小液滴化并將該微小液滴進行干燥來制備微粒、將該微粒在300°C 1200°C的范圍 內進行熱分解而得到的，所述非石墨質中空狀碳微粒的外徑為3 30nm、碳壁厚度為1 5nm、比表面積為1400 1600m2/g。
18.如權利要求17所述的非石墨質中空狀碳微粒，其特征在于，所述木質素和所述原硅酸鹽的質量比例為1 5 1 20。
全文摘要
本發(fā)明提供一種由以木質素為主要成分的有機物原料制造碳微粒的方法及利用該制造方法得到的碳微粒。所述制造方法的特征在于，將木質素及氫氧化鈉(質量比例為1∶0.5)的總濃度為5％的水溶液進行噴霧干燥，制備復合微粒；將其在氮氣氛圍下、在600℃下熱處理1小時并自然冷卻；其后，將其進行水洗并進一步進行干燥，由此制造圖2(b)所示的中空碳微粒。制成的碳微粒為輕質碳微粒，且與市售的活性炭的比表面積為同等級。
文檔編號C01B31/02GK101910060SQ20088012391
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月18日 優(yōu)先權日2007年12月3日
發(fā)明者兒玉昌也, 坂木剛, 坂西欣也, 安達芳雄, 西久保桂子, 龜川克美 申請人:獨立行政法人產業(yè)技術綜合研究所