碳納米材料制造裝置及其利用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本說(shuō)明書(shū)的公開(kāi)內(nèi)容提供以低成本且高效率地連續(xù)制造碳納米粒子的方法。根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的公開(kāi)內(nèi)容，在水性介質(zhì)(20)中對(duì)陰極(24)與石墨陽(yáng)極(22)之間施加電壓，使間隙(34)產(chǎn)生電弧放電。另外，從瓶(28)向間隙(34)導(dǎo)入預(yù)定流量的惰性氣體。由此，由通過(guò)電弧放電而在間隙(34)生成的碳蒸氣產(chǎn)生碳納米粒子。
【專(zhuān)利說(shuō)明】碳納米材料制造裝置及其利用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本說(shuō)明書(shū)涉及通過(guò)電弧放電來(lái)制造碳納米材料的制造裝置及其利用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，單層或多層碳納米管、碳納米角、富勒烯、納米膠囊這樣的具有納米級(jí)的微細(xì)結(jié)構(gòu)的碳物質(zhì)受到矚目。期待將這些碳物質(zhì)作為納米結(jié)構(gòu)石墨(石墨)物質(zhì)應(yīng)用到新的電子材料、催化劑、光材料等中。特別是，碳納米角作為最接近實(shí)用于燃料電池的電極材料、氣體吸藏材料的物質(zhì)而受到矚目。
[0003]以往，這樣的碳納米材料的制造方法使用電弧放電法、化學(xué)蒸鍍(CVD)法、激光消融法等。特別是，通過(guò)電弧放電法制造的納米管的原子排列的缺陷少，因此，開(kāi)發(fā)了各種基于電弧放電的碳納米粒子的制造方法(例如專(zhuān)利文獻(xiàn)I~5)。這些方法中，通過(guò)使碳在真空中、大氣中或液氮中氣化而由碳形成碳納米材料。另外，提出了通過(guò)利用水中電弧放電產(chǎn)生碳蒸氣并使該碳蒸氣快速冷卻而生成碳納米角的方法(例如非專(zhuān)利文獻(xiàn)I)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0005]專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0006]專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2001-064004號(hào)公報(bào)
[0007]專(zhuān)利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)2008-37661號(hào)公報(bào)
[0008]專(zhuān)利文獻(xiàn)3:日本 特開(kāi)2005-170739號(hào)公報(bào)
[0009]專(zhuān)利文獻(xiàn)4:日本特開(kāi)2002-348108號(hào)公報(bào)
[0010]專(zhuān)利文獻(xiàn)5:日本專(zhuān)利第3044280號(hào)公報(bào)
[0011]非專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0012]非專(zhuān)利文獻(xiàn)l:Sano Noriaki et al., Journal of material chemistry2008, vol.18，P.1555-1560

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]但是，上述方法均存在碳納米材料的產(chǎn)量相對(duì)于碳原料的消耗量來(lái)說(shuō)非常少的問(wèn)題。另外，為了在真空中或液氮中生產(chǎn)碳納米材料，在用于保持真空、低溫的設(shè)備投資、維持管理上需要花費(fèi)成本。而且，生產(chǎn)出的碳納米材料的精制和回收需要繁雜的操作。因此，不能連續(xù)有效地大量生產(chǎn)碳納米材料，從成本方面考慮，也存在不能產(chǎn)業(yè)利用、實(shí)用化的問(wèn)題。而且，還難以使碳納米材料與金屬有效地復(fù)合。
[0014]本說(shuō)明書(shū)是鑒于上述問(wèn)題而完成的，其提供以低成本且高效率地制造單層或多層碳納米材料的方法。
[0015]鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明人對(duì)電弧放電法中碳納米材料的產(chǎn)量低的原因進(jìn)行了各種研究。其結(jié)果，得到以下啟示:在利用電弧放電產(chǎn)生的碳蒸氣驟冷而生成單層及多層碳納米材料的同時(shí)，包含生成的單層碳納米角的一部分碳納米材料再次通過(guò)電弧放電而成為碳蒸氣并消失。因此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)能夠?qū)⑸傻奶技{米材料迅速地從電弧放電場(chǎng)供給到水性介質(zhì)中的電極配置及對(duì)電極供給惰性氣體的方式進(jìn)行控制，能夠防止碳納米材料再次蒸發(fā)，從而能夠有效地制造碳納米材料。基于這樣的見(jiàn)解，提供以下手段。
[0016]本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的碳納米材料的制造裝置可以具備:
[0017]至少一部分浸潰于水性介質(zhì)中的陰極；
[0018]以與上述陰極的浸潰于上述水性介質(zhì)中的部位相對(duì)的方式在上述水性介質(zhì)中隔著間隔而設(shè)置的陽(yáng)極；
[0019]向上述陰極與上述陽(yáng)極之間導(dǎo)入惰性氣體而形成惰性氣體氣穴的機(jī)構(gòu)；
[0020]在上述陰極與上述陽(yáng)極之間施加電壓以能夠形成電弧放電產(chǎn)生區(qū)域的機(jī)構(gòu)；以及[0021 ] 回收由在上述電弧放電產(chǎn)生區(qū)域準(zhǔn)備的碳材料合成的上述碳納米材料的機(jī)構(gòu)。
[0022]此外，本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的碳納米材料可以采用包含碳納米材料、水性介質(zhì)和氣體的泡狀體的形態(tài)。
[0023]本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的碳納米材料的制造方法可以具備:在向水性介質(zhì)中的陰極與陽(yáng)極之間導(dǎo)入惰性氣體而在上述水性介質(zhì)中形成的惰性氣體氣穴中產(chǎn)生電弧放電、由在上述惰性氣體氣穴中準(zhǔn)備的碳材料產(chǎn)生碳蒸氣而合成上述碳納米材料的工序；以及回收上述碳納米材料的工序。
[0024]此外，上述回收工序可以作為回收上述水性介質(zhì)上的泡狀體的碳納米材料的工序,上述回收工序可以作為回收上述水性介質(zhì)中的碳納米材料的工序,也可以作為回收上述水性介質(zhì)上的氣相中的碳納米材料的工序。
[0025]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的公開(kāi)內(nèi)容，還提供含有通過(guò)本發(fā)明的制造方法得到的碳納米材料的增強(qiáng)材料、摩擦材料、導(dǎo)電性調(diào)節(jié)`材料、電磁波吸收材料、放射線物質(zhì)吸收材料、氣體吸藏材料。此外，還提供具備含有這樣的碳納米材料的放射性物質(zhì)吸附單元的放射性吸附裝置、具備含有碳納米材料的放射線吸收單元的放射性吸收裝置。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是示意性地表示本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的碳納米材料的制造裝置的一例的概要的圖。
[0027]圖2是表示本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的陰極的一例的圖。
[0028]圖3是表示本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的碳納米材料的制造裝置的外壁的一例的圖。
[0029]圖4是表示本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的碳納米材料的制造裝置的外壁的其他例的圖。
[0030]圖5是表示本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的碳納米材料的制造裝置的供給系統(tǒng)的其他例的圖。
[0031]圖6是用照片表示實(shí)施例中得到的泡狀體的碳納米角的圖。
[0032]圖7是表示實(shí)施例中得到的泡狀體的碳納米角的拉曼分光分析結(jié)果的圖。
[0033]圖8是表示實(shí)施例中得到的泡狀體的碳納米角的TG-DTA結(jié)果的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的公開(kāi)內(nèi)容，以靠近水性介質(zhì)的方式形成電弧放電場(chǎng)，能夠防止由碳蒸氣生成的碳納米材料再次蒸發(fā)，能夠有效地生成大量的碳納米材料。
[0035]此外，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的公開(kāi)內(nèi)容，由于不需要大規(guī)模的裝置，因此，用于設(shè)備、維持的成本低，能夠廉價(jià)制造碳納米粒子。另外，由于能夠在水性介質(zhì)槽中進(jìn)行從電弧放電產(chǎn)生到碳納米粒子生成的工序，因此能夠在不需要繁雜工序的情況下制造碳納米材料。
[0036]本說(shuō)明書(shū)中，“碳納米材料”包括包含碳納米管、碳納米角、富勒烯、納米石墨烯、石墨烯納米帶、納米石墨、納米金剛石在內(nèi)的全部碳材料。另外，可以是單層，也可以是多層。另外，這里所說(shuō)的“納米”一般是指納米級(jí)的尺寸，但實(shí)際上膨脹到微米級(jí)的尺寸的碳材料也可以稱(chēng)為碳納米粒子。本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的碳納米材料的制造方法及裝置特別適合制造多層及單層碳納米角。
[0037]本說(shuō)明書(shū)中，“放電”是指，通過(guò)施加到電極間的電位差使存在于電極間的氣體產(chǎn)生絕緣擊穿，放出電子而使電流流通。此時(shí)放出的電流可以稱(chēng)為放電電流。放電是發(fā)生例如火花放電、電暈放電、氣體分子電離而引起離子化從而產(chǎn)生等離子體且電流在其上流動(dòng)的現(xiàn)象。因此，也可以稱(chēng)為等離子體電弧放電。在該過(guò)程中的空間中，氣體成為激發(fā)狀態(tài)并伴有高溫和閃光。對(duì)于電弧放電而言，只要是高電流的狀態(tài)，則即使在常溫下也能夠產(chǎn)生，而且不需要一定為真空狀態(tài)，因此優(yōu)選。
[0038]本說(shuō)明書(shū)中，“陽(yáng)極”及“陰極”是指可具有導(dǎo)電性的某種電極。例如，電極可以使用包含金屬、陶瓷、碳的材料。另外，電極可以由選自金屬、陶瓷、碳中的一種或多種材料形成。電極表面的一部分或全部可以散布有添加物也可以涂布有添加物，還可以鍍敷或涂敷有添加物。對(duì)于這樣的各種電極材料而言，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以適當(dāng)參考現(xiàn)有技術(shù)來(lái)獲得。為了防止電弧放電而產(chǎn)生的陰極的消耗，適當(dāng)優(yōu)選電極中至少陰極由金屬、陶瓷材料形成。
[0039]本說(shuō)明書(shū)中，“石墨”是指含碳的材料。本說(shuō)明書(shū)中，將含碳的陽(yáng)極稱(chēng)為石墨陽(yáng)極。石墨陽(yáng)極是用于產(chǎn)生電弧放電的電極，同時(shí)也能夠作為生成目標(biāo)的碳納米粒子的原料。此時(shí)，優(yōu)選設(shè)計(jì)成能夠反復(fù)更換所消耗的石墨陽(yáng)極。另外，在陽(yáng)極中不使用石墨的情況下，與電極分開(kāi)準(zhǔn)備作為碳納米材料的原料的石墨。在電極中不含石墨的情況下，能夠防止電極的消耗，能夠以低成本制造碳納米材料。另外，石墨可以是任何形態(tài)，可以適當(dāng)選擇板狀等合適的形狀。另外，可以根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)適 當(dāng)選擇使用石墨陽(yáng)極作為陽(yáng)極或者與電極分開(kāi)準(zhǔn)備其他的石墨。在本實(shí)施方式中，對(duì)使用石墨陽(yáng)極作為陽(yáng)極的情況進(jìn)行說(shuō)明。
[0040]石墨可以是碳單質(zhì)，也可以含有或內(nèi)藏有添加物?；蛘?，石墨表面的一部分或全部可以散布有添加物也可以涂布有添加物，還可以鍍敷或涂敷有添加物。例如，在使用鐵、鎳等金屬作為添加物的情況下，碳納米角中可以?xún)?nèi)包有金屬納米粒子，即可以在封閉的短的單層碳納米管聚集成球狀的納米粒子即碳納米角粒子的中心附近添加有金屬納米粒子。另外，也可以涂敷有Pt等金屬。Pt的導(dǎo)電性、催化活性?xún)?yōu)良，通過(guò)使用這樣的陽(yáng)極，能夠得到復(fù)合有貴金屬的碳納米材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以適當(dāng)參照現(xiàn)有技術(shù)來(lái)獲得這樣的各種含碳材料。
[0041]本說(shuō)明書(shū)中，“水性介質(zhì)”是含水的液態(tài)介質(zhì)，是指具有攪拌流動(dòng)性的物質(zhì)。特別優(yōu)選為在電弧放電的產(chǎn)生溫度以下具有攪拌流動(dòng)性的水性液體。例如，也可以使用水或含水的混合液、硅油、油、水溶液、液氦、液氮等。其中，水廉價(jià)且容易獲得，還容易處理，因此適合。而且，在電弧放電下，水介質(zhì)的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)比通常狀態(tài)的水小，能夠提高氧化還原電位。水介質(zhì)的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的縮小和氧化還原電位的上升能夠促進(jìn)碳納米粒子的形成。
[0042]本說(shuō)明書(shū)中，“惰性氣體”是指缺乏化學(xué)反應(yīng)性的氣體。例如，惰性氣體包括包含氦、氖、氬、氪、氙、氡的第18族元素(稀有氣體)、肼、氮?dú)?、二氧化碳、氫氣或者它們的混合氣體。其中，氮?dú)饬畠r(jià)且容易獲得，因此優(yōu)選。惰性氣體只要能夠以氣體的形式導(dǎo)入電弧放電產(chǎn)生區(qū)域，則可以以氣體的形式貯藏，也可以由液體獲得，還可以由固體獲得。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以適當(dāng)參照現(xiàn)有技術(shù)來(lái)獲得這樣的各種惰性物質(zhì)。
[0043]以下，適當(dāng)參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖1是示意性地表示適合本發(fā)明的碳納米角的制造方法的裝置的一例的圖。圖2是表示形成有用于將惰性氣體導(dǎo)入陰極的供給路徑的一例的圖。
[0044][碳納米材料的制造裝置]
[0045]本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的碳納米粒子的制造裝置2具備:使電弧放電產(chǎn)生并生成碳納米材料的生成單元4以及回收生成的碳納米材料的回收單元60。
[0046](碳納米材料生成單元)
[0047]如圖1所示，碳納米材料生成單元4是在將惰性氣體導(dǎo)入陰極24與碳陽(yáng)極22之間的電極間的狀態(tài)下對(duì)該區(qū)域施加電壓而以靠近水性介質(zhì)W的狀態(tài)形成電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30的單元。生成單元4具備水性介質(zhì)槽10和其內(nèi)部的電弧放電生成部20。
[0048](水性介質(zhì)槽)
[0049]如圖1所示，水性介質(zhì)槽10構(gòu)成為內(nèi)包有電弧放電生成部20并能夠收容作為碳蒸氣的冷卻介質(zhì)發(fā)揮作用的需要量的水性介質(zhì)W的槽。
[0050]水性介質(zhì)槽10優(yōu)選能夠密閉。為了對(duì)水性介質(zhì)槽10進(jìn)行密閉，可以具備例如蓋
11。這是因?yàn)?通過(guò)使水性介質(zhì)槽能夠密閉,在導(dǎo)入有惰性氣體時(shí),水性介質(zhì)槽內(nèi)的壓力增大，在高壓條件下會(huì)促進(jìn)碳納米粒子的生成。另外，除此之外，水性介質(zhì)槽10還可以具備能夠控制所收容的水性介質(zhì)的溫度的溫度控制單元。
[0051](電弧放電生成部)
[0052]電弧放電生成部20具備可通電的石墨陽(yáng)極22和陰極24，并能夠向它們之間的間隙導(dǎo)入惰性氣體。將石墨陽(yáng)極22連接到電源26的正極，將陰極24連接到電源26的負(fù)極，由此能夠向石墨陽(yáng)極22與陰極24之間施加電壓。利用此時(shí)的施加到電極間的電位差使存在于電極間的氣體產(chǎn)生絕緣擊穿，能夠在電極間產(chǎn)生電弧放電。通過(guò)使用石墨陽(yáng)極22，能夠?qū)﹄姌O和碳材料進(jìn)行一體化，因此能夠簡(jiǎn)易地設(shè)計(jì)裝置構(gòu)成。
[0053]優(yōu)選陰極24的電極截面積比石墨陽(yáng)極22的截面積大。這樣，能夠防止生成的碳納米材料再次蒸發(fā)。更優(yōu)選陰極24的電極截面積為石墨陽(yáng)極22的電極截面積的1.5倍以上。另外，石墨陽(yáng)極22與陰極24的間隙優(yōu)選為1mm以上且2mm以下。通過(guò)使間隙S為該范圍，能夠有效地產(chǎn)生電弧放電。這是因?yàn)?，如果間隙小于Imm或超過(guò)2mm,則電弧放電變得不穩(wěn)定。為了使石墨陽(yáng)極22與陰極24的間隙S維持為1mm以上且2mm以下，優(yōu)選以可驅(qū)動(dòng)的方式設(shè)置有支撐陰極24的支撐部或支撐石墨陽(yáng)極22的支撐部。此外，優(yōu)選能夠通過(guò)自動(dòng)控制來(lái)調(diào)節(jié)石墨陽(yáng)極22與陰極24的間隙S。這是因?yàn)?，石墨?yáng)極22因電弧放電而隨時(shí)間消耗，與陰極24的間隙S擴(kuò)大，電弧放電變得不穩(wěn)定。
[0054]石墨陽(yáng)極22可以含有添加物或在表面保持有添加物。也就是說(shuō)，在石墨表面的一部分或全部可以散布有添加物也可以涂布有添加物，也可以鍍敷或涂敷有添加物。例如，在使用Pt、鐵、鎳等金屬作為添加物的情況下，碳納米角粒子中可以?xún)?nèi)包有金屬納米粒子，SP可以在封閉的短的單層碳納米管聚集成球狀的納米粒子即碳納米角粒子的中心附近添加有金屬納米粒子。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以適當(dāng)參照現(xiàn)有技術(shù)來(lái)獲得這樣的各種含碳材料。
[0055]陰極24和石墨陽(yáng)極22的形狀和配置沒(méi)有限定，例如可以以相對(duì)于重力而言垂直地相對(duì)的方式配置。通過(guò)在垂直方向上相對(duì)地配置，不但后述的基于陰極24的旋轉(zhuǎn)的水性介質(zhì)W的攪拌容易，而且電弧放電穩(wěn)定，因此優(yōu)選。
[0056]如圖1所示，也可以以陰極24和石墨陽(yáng)極22能夠分別旋轉(zhuǎn)的方式分別設(shè)置有旋轉(zhuǎn)裝置28、29。旋轉(zhuǎn)裝置28能夠使陰極24連續(xù)或間歇地旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)裝置29能夠使石墨陽(yáng)極22連續(xù)或間歇地旋轉(zhuǎn)。此外，還可以在將陰極24及石墨陽(yáng)極22的角度調(diào)節(jié)后的狀態(tài)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。例如，可以將電極設(shè)置成以相對(duì)于其長(zhǎng)軸方向、例如垂直方向傾斜例如約0.5度或約I度的狀態(tài)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。由此，能夠使電極進(jìn)行伴有振動(dòng)的旋轉(zhuǎn)，能夠有效地防止碳納米粒子的堆積或除去堆積的碳納米粒子。另外，在使電極傾斜地旋轉(zhuǎn)的情況下，在電弧放電后為了除去堆積物而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與在電弧放電中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相比，更不會(huì)阻礙電弧放電的穩(wěn)定性，因此優(yōu)選。
[0057]如圖3所示，能夠以包圍間隙S的方式設(shè)置基本阻斷水性介質(zhì)W的外壁25。外壁25在本實(shí)施方式中成為包圍陰極24的外周的大致圓筒狀。可以到達(dá)間隙S。由此，能提高向與石墨陽(yáng)極22的間隙S放電的指向性，在該間隙S可靠地形成電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30，從而能夠更有效地產(chǎn)生電弧放電。另外，通過(guò)具備該外壁25，能夠在水性介質(zhì)W中確保電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30緊湊。因此，在電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30生成的碳蒸氣迅速地接觸水性介質(zhì)W。另外，外壁25也可以采用圖4所示的方式。圖4(b)所示的方式中，能夠通過(guò)外壁25來(lái)提高惰性氣體對(duì)間隙S的指向性。
[0058]另外，如圖3所示，外壁25也可以連接到可用于調(diào)節(jié)外壁25的位置的驅(qū)動(dòng)單元
18。由于外壁25的位置可以調(diào)節(jié)，能夠使惰性氣體對(duì)間隙S的指向性發(fā)生變化，能夠更好地控制電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30的能量分布。即，能夠控制碳納米材料的生成量等。另外，外壁25可以使用例如金屬、陶瓷、 鎢、石墨等公知的材料，但優(yōu)選使用適當(dāng)具有導(dǎo)電性的石墨、鐵、鋁。特別是，外壁25最好為電負(fù)度高的石墨。這是因?yàn)?，通過(guò)外壁25中使用石墨，在電極間施加電壓時(shí)，電子向分區(qū)內(nèi)部的放出量增大，間隙S的溫度有效地上升。另外，如果在外壁25的內(nèi)表面施加凹凸，則表面積增大，由此使放出到分區(qū)內(nèi)的電子量增大，電弧放電穩(wěn)定地產(chǎn)生，因此優(yōu)選。
[0059](氣體流通部)
[0060]關(guān)于氣體流通部40，如圖1所示，向間隙S導(dǎo)入惰性氣體并在電極間施加電壓時(shí)，能夠在水性介質(zhì)中就地形成成為電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30的惰性氣體氣穴。另外，氣體流通部40能夠提供作為使在電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30生成的碳蒸氣、碳納米材料與水性介質(zhì)W接觸并冷卻后使其移動(dòng)到水性介質(zhì)側(cè)的載體的惰性氣體。
[0061]氣體流通部40可以具備從惰性氣體瓶42指向陰極24與碳陽(yáng)極22的間隙S而大致沿陰極24的軸方向供給惰性氣體的供給系統(tǒng)44。
[0062]如圖1及圖2(a)所示，為了向陰極24的附近有效地導(dǎo)入惰性氣體，供給系統(tǒng)44可以具備貫通陰極24的內(nèi)部的I個(gè)或2個(gè)以上的供給路徑46。如圖2(b)所示，例如供給路徑46的形狀可以是形成在陰極24的外周側(cè)的I個(gè)或2個(gè)以上透氣槽。另外，各導(dǎo)入路徑46如圖所示，也可以不垂直。例如，導(dǎo)入路徑46可以形成為沿陰極24的外周或貫通內(nèi)部的螺旋狀。通過(guò)使陰極24相對(duì)于重力而言垂直且使導(dǎo)入路徑46形成為螺旋狀，能夠?qū)⒍栊詺怏w以渦流的形式穩(wěn)定地導(dǎo)入電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30，通過(guò)基于電弧放電的收縮效果，能夠?qū)⒌入x子體聚集在渦流中心，因此優(yōu)選。[0063]供給系統(tǒng)44所具有的供給路徑46可以為I個(gè)，也可以為2個(gè)或3個(gè)以上。另外，在形成供給路徑46的情況下，陰極24的形狀及導(dǎo)入路徑46的形狀、數(shù)量沒(méi)有限定?？梢栽谠O(shè)計(jì)事項(xiàng)范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)變更。
[0064]如圖1所示，為了在間隙S、在水性介質(zhì)W中形成惰性氣體氣穴，也可以具備相對(duì)于間隙S從側(cè)面導(dǎo)入惰性氣體的供給系統(tǒng)48。從側(cè)面進(jìn)行供給的供給系統(tǒng)48可以相對(duì)于間隙S從斜下方~側(cè)面(正側(cè)面)~斜上方的范圍中的任一個(gè)部位或多個(gè)部位以上供給惰性氣體。通過(guò)具備這樣的供給系統(tǒng)48，能夠在水性介質(zhì)W中包含間隙S的其附近穩(wěn)定地形成惰性氣體氣穴。另外，通過(guò)具備供給系統(tǒng)48，能夠根據(jù)其形成位置隨碳陽(yáng)極22的電弧放電所產(chǎn)生的消耗而時(shí)刻變化的間隙S來(lái)控制使其以最佳狀態(tài)導(dǎo)入惰性氣體?；蛘?，無(wú)論間隙S如何變化，都能夠穩(wěn)定地將惰性氣體導(dǎo)入間隙S。而且，在具備外壁25的情況下，供給系統(tǒng)48以外壁25不妨礙氣流的方式具備。例如，在前端部到達(dá)間隙S的周?chē)那闆r下，供給系統(tǒng)48以能夠從間隙S的斜下方至側(cè)面之間的適當(dāng)部位使惰性氣體指向間隙S而被供給的方式具備。
[0065]在這樣從側(cè)面導(dǎo)入惰性氣體時(shí)，可以相對(duì)于間隙S從I個(gè)部位導(dǎo)入惰性氣體，優(yōu)選從多個(gè)部位導(dǎo)入。更優(yōu)選從間隙S的周?chē)鹊貙?dǎo)入惰性氣體。例如，可以以圍繞間隙S的方式以一定間隔設(shè)置多個(gè)供給系統(tǒng)48，也可以相對(duì)于間隙S對(duì)稱(chēng)地設(shè)置多個(gè)供給系統(tǒng)48，還可以以圍繞間隙S的方式設(shè)置環(huán)狀的I個(gè)或2個(gè)以上供給系統(tǒng)48。
[0066]具體而言，例如如圖5(a)所示，可以在陰極24的側(cè)面以指向間隙S并從間隙S的斜上方方向?qū)攵栊詺怏w的方式設(shè)置多個(gè)供給路徑49。另外，也可以如圖5(b)所示，以指向間隙S并從間隙S的側(cè)面導(dǎo)入惰性氣體的方式設(shè)置多個(gè)供給路徑49。此外，如圖5(c)所示，還可以設(shè)置環(huán)狀的供給路徑49并以指向間隙S的方式設(shè)置多個(gè)氣體供給口 50。
[0067]氣體流通部40可以?xún)H具有供給系統(tǒng)44作為氣體供給系統(tǒng)，也可以?xún)H具有供給系統(tǒng)48，還可以具有兩者。優(yōu)選具備供給系統(tǒng)44及供給系統(tǒng)48。這樣，能夠更高度地控制惰性氣體氣穴的形成區(qū)域的狀態(tài)，并且也容易控制流量等。
[0068]通過(guò)利用氣體流通部40在水性介質(zhì)W中包含間隙S的區(qū)域就地形成惰性氣體氣穴，能夠由碳材料有效地生成通過(guò)電弧放電生成的碳蒸氣和/或碳納米材料并且移動(dòng)到水性介質(zhì)W側(cè)。
[0069](碳納米材料的回收單元)
[0070]回收單元60能夠從水性介質(zhì)W的液相、水性介質(zhì)W上的氣相及水性介質(zhì)W的液面中的任意一個(gè)回收碳納米材料。在圖1所示的裝置2中，具備3種回收單元62、64、66。第一回收單元62是回收水性介質(zhì)W上的氣相從而回收該氣相中含有的碳納米材料的單元。在回收氣相時(shí)，可以列舉:用泵等抽吸水性介質(zhì)上的氣體并回收氣體中的固體成分的單元。作為這樣的回收單元62，可以列舉:吸塵器、空氣分離器、旋風(fēng)分離器等干式分級(jí)裝置。碳納米材料一般具有導(dǎo)電性，因此，靜電回收法是有利的，在本制造裝置2中，利用過(guò)濾器等的回收是有效的。
[0071]另外，第二回收單元64是回收以泡狀浮游在水性介質(zhì)W上的碳納米材料的單元。泡狀體的碳納米材料是指，直徑約20nm~約IOOnm的碳納米材料粒子的聚集體內(nèi)包氣體與水性介質(zhì)而形成的狀態(tài)的材料。根據(jù)本制造裝置2，這樣的泡狀體浮游在水性介質(zhì)W上，因此可以通過(guò)適當(dāng)?shù)氖侄蝸?lái)回收它們?；厥辗椒](méi)有特別限定，可以列舉:使泡狀體或者泡狀體和水面附近的水沿液面水平移動(dòng)以使其聚集的氣泡回收單元、沿與液面平行的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的氣泡回收單元。氣泡回收單元64根據(jù)相對(duì)于液面的運(yùn)動(dòng)的方式，可以具備吸管形狀、羽毛狀、爪狀、刮刀狀等各種氣泡捕捉構(gòu)件。氣泡回收單元例如可以位于液面的一端，使泡狀體附著在以與液面水平的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的輥的表面。
[0072]由氣泡回收單元64回收的泡狀體可以暫時(shí)貯存在適當(dāng)?shù)馁A存槽中，然后，將泡狀體與水性介質(zhì)分離，然后，進(jìn)一步固液分離，能夠回收固態(tài)的碳納米材料。另外，也可以具備泡狀體的回收單元附帶的、直接干燥泡狀體的單元。通過(guò)干燥泡狀體，能夠得到粉末狀的碳納米材料。
[0073]第三回收單元66是回收水性介質(zhì)W中的液相的碳納米材料的單元。第三回收單元66適當(dāng)回收水性介質(zhì)槽10內(nèi)的水性介質(zhì)W，并通過(guò)固液分離等回收介質(zhì)W中的碳納米材料。介質(zhì)W的回收方法沒(méi)有特別限定。可以通過(guò)溢流使水性介質(zhì)槽10的水性介質(zhì)W流出，也可以利用導(dǎo)入到槽10內(nèi)的水性介質(zhì)W的抽吸單元。另外，也可以從水性介質(zhì)槽10的底部回收水性介質(zhì)W?？梢酝ㄟ^(guò)將這樣回收的水性介質(zhì)W應(yīng)用到固液分離手段來(lái)回收碳納米材料。作為固液分離手段，可以適當(dāng)采用離心分離、過(guò)濾、吸附膜等公知的分離手段。另外，在第三回收單元66中，特別是在通過(guò)溢流回收水性介質(zhì)W時(shí)，同時(shí)也回收碳納米材料的泡狀體。
[0074]這樣的利用各種方式的回收單元62、64、66回收的碳納米材料除了可以以與回收手段對(duì)應(yīng)的形態(tài)提供以外，還可以例如基于其導(dǎo)電性通過(guò)電泳來(lái)進(jìn)行分級(jí)。即，本制造裝置2可以另外具備電泳分級(jí)手段。如后所述，利用本制造裝置2制造的碳納米材料的導(dǎo)電特性與現(xiàn)有的碳納米管不同。
[0075]根據(jù)本制造裝置2，通過(guò)采用上述構(gòu)成，能夠?qū)㈦姌O間距離、即間隙S優(yōu)化。同時(shí)，能夠控制惰性氣體對(duì)間隙S的供給方式從而形成最適合電弧放電的惰性氣體氣穴。其結(jié)果,能夠控制電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30的部位、規(guī)模、電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30的能量分布、例如放出的電子量、壓力。即，能夠控制基于電弧放電的發(fā)熱區(qū)域及發(fā)熱溫度。因此，能夠有效地產(chǎn)生碳蒸氣。
[0076]在以上的本制造裝置的實(shí)施方式的說(shuō)明中，除氣體流通部之外的電弧放電生成部相當(dāng)于本發(fā)明的陰極、陽(yáng)極及電壓施加機(jī)構(gòu)，氣體流通部相當(dāng)于惰性氣體氣穴形成機(jī)構(gòu)。
[0077](碳納米材料的制造方法)
[0078]根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用本制造裝置而提供具有以下工序的碳納米材料的制造方法。即，本發(fā)明的碳納米材料的制造方法可以具備:在將惰性氣體導(dǎo)入水性介質(zhì)中陰極與陽(yáng)極之間而形成在水性介質(zhì)W中的惰性氣體氣穴中產(chǎn)生電弧放電、由在該活性氣體腔中準(zhǔn)備的碳材料產(chǎn)生碳蒸氣從而合成碳納米材料的工序；以及回收碳納米材料的工序。根據(jù)本制造方法，在陽(yáng)極與陰極之間導(dǎo)入惰性氣體，利用氣流在水性介質(zhì)中就地形成惰性氣體氣穴，并在該惰性氣體氣穴中產(chǎn)生電弧放電，由此能夠有效地合成碳納米材料。
[0079]本制造方法可以具備附著在電極上的碳納米材料或雜質(zhì)的除去工序。通過(guò)使碳蒸氣冷卻而生成的碳納米材料附著堆積在石墨陽(yáng)極22。一部分附著堆積物由于因電弧放電受到的壓力、送入的惰性氣體的流壓而從間壁剝離，并沉淀堆積到水性介質(zhì)W中，其結(jié)果，與浮游在水性介質(zhì)表面的碳納米材料分離。
[0080]為了除去因電弧放電而附著于各電極的雜質(zhì)，例如通過(guò)以陰極24的電極截面積比石墨陽(yáng)極的截面積大的狀態(tài)產(chǎn)生電弧放電，由此在電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30得到作為洛倫茲力的推進(jìn)力，并能夠通過(guò)噴射來(lái)剝離固著于電極、間壁的雜質(zhì)。此外，為了除去附著于電極的雜質(zhì)、生成的碳納米材料，可以使用向電弧放電產(chǎn)生區(qū)域30導(dǎo)入的惰性氣體的流壓，也可以通過(guò)使石墨陽(yáng)極22和陰極24中的任意一個(gè)或兩者旋轉(zhuǎn)振動(dòng)來(lái)攪拌水性介質(zhì)W。
[0081]另外，為了防止生成的碳納米材料再次蒸發(fā)，可以進(jìn)行將惰性氣體供給到間隙S的同時(shí)僅停止電弧放電、將生成的碳蒸氣與惰性氣體一起送出到水性介質(zhì)W中的步驟。另外，也可以在電弧放電停止中在供給惰性氣體的同時(shí)使陰極24旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。由此，不僅能夠?qū)⑺统龅剿越橘|(zhì)W中的碳納米材料分散,還能夠防止碳納米材料的聚集、碳納米材料在水性介質(zhì)槽10、電極上的附著，因此能夠得到大量的碳納米材料。
[0082](碳納米材料)
[0083]根據(jù)本發(fā)明的制造方法，提供新的碳納米材料。雖然理論上未必清楚，但通過(guò)在水性介質(zhì)中就地形成的惰性氣體氣穴經(jīng)電弧放電的產(chǎn)生而由碳材料得到的碳納米材料除了具有與現(xiàn)有的以碳納米管等為代表的碳納米材料共通的性質(zhì)之外，還具有不同的特性。
[0084]利用本制造裝置2制造的碳納米材料具有使現(xiàn)有的作為導(dǎo)電性材料的碳納米管的導(dǎo)電性降低的性質(zhì)。即，具有導(dǎo)電性比現(xiàn)有碳納米管低的傾向。例如，在使本碳納米材料浸潤(rùn)于碳納米管的巴克紙時(shí)，與僅由碳納米管構(gòu)成的巴克紙相比，使其方塊電阻(Ω/sq)及表面電阻(Qcm)增大。另外，使其導(dǎo)電率(S/cm)降低。如果在碳納米管中混合本碳納米材料來(lái)制作巴克紙，則與僅由碳納米管構(gòu)成的巴克紙相比，得到與本碳納米材料浸潤(rùn)的巴克紙同樣的傾向。因此，本碳納米材料能夠用于導(dǎo)電性調(diào)節(jié)材料。
[0085]另外，本碳納米材料具有例如通過(guò)浸潤(rùn)到碳納米管層而使碳納米管層的形態(tài)保持性、機(jī)械強(qiáng)度提高的特性。也就是說(shuō)，作為增強(qiáng)材料、特別是對(duì)碳納米管的增強(qiáng)材料是有用的。
[0086]此外，本碳納米材料作為摩擦材料是有用的。本碳納米材料、通常石墨、碳納米管作為潤(rùn)滑材料使用。與此相對(duì)，本碳納米材料具有使固體表面的摩擦系數(shù)增大的特性。
[0087]除此之外，本碳納米材料作為航天用結(jié)構(gòu)材料、精密機(jī)械部件、土木/建筑材料、密封材料、隔熱材料、休閑/運(yùn)動(dòng)、涂層、原子能發(fā)電構(gòu)件、蓄電、燃料電池構(gòu)件、一次電池材料、鋰離子二次電池材料、新能源用途、遠(yuǎn)紅外線/發(fā)熱體、滑動(dòng)材料、耐磨耗材料、摩擦材料、研磨材料、下一代LSI材料、FPD黑色矩陣、FED用元件、散熱/傳熱材料、油墨/上色劑材料、半導(dǎo)體制造構(gòu)件、涂布用構(gòu)件、吸附分離材料、放電加工用電極、太陽(yáng)能電池制造構(gòu)件、熱交換器/反應(yīng)容器、護(hù)理用品/醫(yī)療器具(床、枕頭/CFRP、假手、假腿、隱形手術(shù)刀、隱形剪刀、人造皮膚)、醫(yī)藥醫(yī)療材料、細(xì)菌保藏材料、保健食品添加劑、土壤改質(zhì)材料、水質(zhì)凈化材料、VOC除去材料、二英除去材料、除臭材料、電磁波吸收材料、電磁波調(diào)節(jié)材料、放射性物質(zhì)吸附材料、放射線吸收材料是有用的。
[0088]本碳納米材料能夠用于各種復(fù)合材料。可以列舉例如:與金屬、非鐵、稀土金屬、玻璃等無(wú)機(jī)材料的復(fù)合材料、與有機(jī)聚合物、有機(jī)低分子化合物等有機(jī)材料的復(fù)合材料。這樣的復(fù)合材料可以用于例如軸承(包含塑料軸承、燒結(jié)含油軸承)、導(dǎo)電材料、電磁波吸收、人造關(guān)節(jié)(包含人造關(guān)節(jié)白杯)、人造皮膚(功能性皮膚)、導(dǎo)電性片材(尼龍、織物、絲、棉、棉布、絲綢、聚乙烯)。
[0089]根據(jù)其電特性，本碳 納米材料例如可以用作電源及信號(hào)的鐵氧體磁芯的傳導(dǎo)噪聲、放射噪聲的調(diào)節(jié)材料、無(wú)紡布原材料(襯墊)的導(dǎo)電性調(diào)節(jié)材料、以及導(dǎo)電性布膠帶材料、防振(接地對(duì)策)的復(fù)合材料、樹(shù)脂制導(dǎo)電夾具的電纜的固定、接地材料、導(dǎo)電性螺旋的電纜彎曲部及屏蔽材料、屏蔽管的電纜的屏蔽、保護(hù)、收納材料、金屬箔膠帶的密封材料、屏蔽、接地材料、用電磁波控制劑進(jìn)行電磁波的共振控制、電磁波吸收材料、導(dǎo)電性抗震阻尼器材料、高透過(guò)性屏蔽窗材料、導(dǎo)電性硅橡膠(防塵、防水性、屏蔽)材料、電波暗室(樹(shù)脂制導(dǎo)電夾具)的捆扎固定和噪聲防止材料、LED的信號(hào)設(shè)備的噪聲控制、抑制材料、導(dǎo)電性油墨(與樹(shù)脂配合(含捏合))材料。
[0090]另外，根據(jù)其放射線吸收特性，本碳納米材料作為放射線吸收基材，可以用作原子反應(yīng)堆、儲(chǔ)存容器復(fù)合原材料、放射線防護(hù)基材材料。另外，根據(jù)其放射性物質(zhì)吸附特性，本碳納米材料可以用作放射性物質(zhì)吸附材料。例如，放射線物質(zhì)(包含氡、釷射氣、鐳、銫、碘、钚、鍶等)非常精細(xì)地放出到大自然中與微量氣體、水蒸氣反應(yīng)，成為直徑、其粒子徑范圍也為0.001~100微米的團(tuán)簇(游離子核)，形成氣溶膠粒子。這樣的粒子在大氣環(huán)境、住宅、事務(wù)所、醫(yī)院等建筑物內(nèi)環(huán)境中稱(chēng)為浮游粒子狀物質(zhì)(SPM:Suspended ParticulateMatter)。根據(jù)本碳納米材料,能夠有效地吸附這樣的氣溶膠粒子。
[0091]例如，準(zhǔn)備將本碳納米材料含浸或涂布在高效空氣過(guò)濾器等氣體透過(guò)性的粒子捕捉過(guò)濾器中而得到的放射性物質(zhì)吸附單元，從大氣中向這樣的吸附單元或具備這樣的吸附單元的吸附裝置供給放射性氣溶膠，由此能夠使該吸附單元吸附大氣中的放射性物質(zhì)、氣溶膠化后的放射性物質(zhì)并進(jìn)行回收。
[0092]另外，也可以通過(guò)使本碳納米材料吸附到UF膜等而作為放射性物質(zhì)吸附單元或具備該吸附單元的放射性物質(zhì)吸附裝置。此時(shí)，根據(jù)其放射性物質(zhì)吸附能力，能夠吸附捕捉含有放射性物質(zhì)的液體中的放射性物質(zhì)。進(jìn)而，通過(guò)將吸附到本碳納米材料上的放射性物質(zhì)進(jìn)行反向清洗而從UF膜脫離，搬出到系統(tǒng)外。對(duì)這樣得到的放射性物質(zhì)的濃縮液進(jìn)行回收，保存在放射性保存容器中，由此能夠確保有效的保存。
[0093]本碳納米材料的對(duì)過(guò)`濾器基材、膜基材的固著性能及成膜性能優(yōu)良，因此，能夠發(fā)揮更良好的放射性物質(zhì)吸附能力及放射線吸收能力，并且能夠穩(wěn)定地發(fā)揮這樣的能力。
[0094]另外，本碳納米材料可以作為其自身及復(fù)合材料而用作熱塑性原材料(樹(shù)脂)材料、導(dǎo)電性橡膠、氫氣吸附、吸藏、太陽(yáng)能感應(yīng)元件材料、導(dǎo)電紙、導(dǎo)電性巴克紙、導(dǎo)電性樹(shù)月旨、導(dǎo)電性涂料、疫苗培養(yǎng)材料、菌絲體培養(yǎng)材料、導(dǎo)電性填料、強(qiáng)化樹(shù)脂/強(qiáng)化金屬高強(qiáng)度填料、散熱構(gòu)件、高導(dǎo)熱性填料、生物細(xì)胞培養(yǎng)細(xì)胞增殖用材料、導(dǎo)電性通路、FET通路、半導(dǎo)體布線材料、高靈敏度傳感器材料、藥物載體、SPM探針材料、納米鑷子材料、燃料電池用催化劑負(fù)載電極、單態(tài)氧的除去、診斷劑、光刻、有機(jī)太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體托盤(pán)(防帶電片材)、導(dǎo)電糊、ITS利用、蓄電設(shè)備、燃料電池、服裝、導(dǎo)管、碳纖維材料、無(wú)紡布材料。
[0095]在將本碳納米材料與纖維材料復(fù)合化的情況下，作為要復(fù)合化的纖維，可以列舉作為天然纖維的植物纖維(棉、麻)、動(dòng)物纖維(毛、羊毛、毛線、獸毛、絲綢)。作為化學(xué)纖維，可以列舉:再生纖維(人造絲、銅氨纖維)、半合成纖維(乙酸酯纖維、三乙酸酯纖維、普羅米克斯纖維)、合成纖維(尼龍、芳族聚酰胺、聚酯、丙烯酸、維尼綸、聚氯乙烯、亞乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯醇)、無(wú)機(jī)纖維(碳纖維、金屬纖維)等。除此以外，羽毛(羽毛、絨毛)作為使用納米材料的復(fù)合纖維原材料也是有用的。另外，作為纖維材料，可以列舉斯潘德克斯纖維。[0096]另外，對(duì)于要復(fù)合化的無(wú)機(jī)材料，作為玻璃原材料，可以列舉:鈉鈣玻璃、鉛結(jié)晶玻璃、硼硅酸玻璃(耐熱玻璃)、超耐熱玻璃、浮法玻璃、強(qiáng)化玻璃、磨砂玻璃、壓花平板玻璃(壓花玻璃)、圣戈班玻璃、彩色古董、鏡子、熱射線吸收玻璃、防反射處理玻璃(防眩S)、低反射玻璃、高透過(guò)玻璃、耐熱玻璃板、絡(luò)網(wǎng)玻璃、網(wǎng)紋玻璃、莫爾玻璃(? 一&力' 9 7 )、陶瓷印刷玻璃、彩色玻璃風(fēng)格的裝飾玻璃。
[0097]本碳納米材料可以與金屬?gòu)?fù)合化。這里所說(shuō)的金屬為貴金屬和賤金屬，貴金屬可以列舉:金、銀、鉬、鈕、錯(cuò)、銥、釕、鋨、賤金屬、堿金屬、堿土金屬、招、鋅等。
[0098]金屬?gòu)?fù)合材料特別可以列舉:Η型鋼、機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼管、大徑方形鋼管、彩色C型鋼、白色C型鋼、等邊角鋼、白色角鋼、不等邊角鋼、鋼板、槽型鋼、白色槽型鋼、花紋鋼板、白色花紋鋼板、輕型槽型鋼、鍍鋅鋼板、白色波紋鋼(白f^ )/白色梯形鋼、擴(kuò)口鋼、白色擴(kuò)口鋼、I型鋼、角鋼、不銹鋼板、扁鋼、白扁鋼、不銹鋼、角鋼、寬幅扁鋼、不銹鋼方鋼管、圓棒、不銹鋼裝飾管、異形圓棒、不銹鋼配管、方鋼管/彩色方鋼管、白方鋼管、小型方鋼管、白方鋼管、超小型方鋼管、燃?xì)夤?、白燃?xì)夤堋⒛_手架管、結(jié)構(gòu)用鋼管(STK)、花紋鋼板、異形圓棒、擴(kuò)口金屬、方棒、輕型槽型鋼、扁鋼棒、輕型C型鋼、結(jié)構(gòu)用鋼管、槽法鋼、燃?xì)夤?、H型鋼、中徑方型鋼管、I型鋼、大徑方型鋼管、等邊山形鋼、小型方鋼管、不等邊山形鋼、超小型方鋼管
坐寸ο
[0099]這樣的復(fù)合材料以及該復(fù)合材料的產(chǎn)品根據(jù)本碳納米材料而能夠發(fā)揮高強(qiáng)度、高韌性、耐沖擊性、低摩擦系數(shù)、耐磨損性、高硬度、導(dǎo)電性、抗靜電性、電磁波吸收、防放射線、放射線物質(zhì)吸附、氣體(含氣溶膠)吸附/吸藏等功能。
[0100]另外，根據(jù)本發(fā)明的制造方法，提供作為泡狀體的碳納米材料。本發(fā)明的碳納米材料的泡狀體含有本碳納米材料、氣體和水性介質(zhì)。氣體可以包含制造工序中使用的惰性氣體，但不限于此。另外，水性介質(zhì)可以包含制造工序中使用的水性介質(zhì)，但不限于此。本泡狀體在本制造方法中集聚于水性介質(zhì)上。這樣的泡狀體可以根據(jù)需要進(jìn)行固液分離、干燥。
[0101]實(shí)施例
[0102]以下，列舉實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說(shuō)明，但本發(fā)明不限于以下的實(shí)施例。在以下的實(shí)施例中，對(duì)基于使用本發(fā)明的制造裝置的本發(fā)明的制造方法的碳納米角的制造進(jìn)行說(shuō)明。
[0103]實(shí)施例1
[0104]作為適合圖1的碳納米材料的制造裝置2的例子，對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。在水深約30cm的水性介質(zhì)槽10中，將石墨陽(yáng)極22和陰極24以相隔Imm的狀態(tài)相對(duì)于重力而言垂直地相對(duì)設(shè)置。石墨陽(yáng)極使用直徑6mm、長(zhǎng)IOOmm的圓筒形狀、碳純度99.999%、7g的碳棒。在水性介質(zhì)槽中裝滿(mǎn)30升水溶液后，在水性介質(zhì)槽蓋上蓋子而密封。對(duì)石墨陽(yáng)極和陰極施加20V、140A的直流電壓，在電弧放電初期時(shí)(約3秒至約5秒)，以5升/分鐘供給到陰極24內(nèi)的惰性氣體供給系統(tǒng)44的導(dǎo)入路徑46，穩(wěn)定起火后，導(dǎo)入預(yù)定值(20~25升/分鐘)的氮?dú)?，并且向設(shè)置于陰極外的惰性氣體供給系統(tǒng)48也導(dǎo)入預(yù)定值(10升/分鐘)的氮?dú)?，合成碳納米角。
[0105]另外，在此期間，為了維持石墨陽(yáng)極和陰極之間為1mm，通過(guò)自動(dòng)控制支撐陰極24的支撐部的高度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。用泵經(jīng)時(shí)地抽吸水性介質(zhì)槽10中的水面附近的泡狀的生成物及水，通過(guò)UF過(guò)濾膜，過(guò)濾分開(kāi)水和粒子。通過(guò)噴霧干燥對(duì)濾出的粒子進(jìn)行干燥，得到精制后的粒子。用電子顯微鏡對(duì)粒子進(jìn)行觀察，確認(rèn)了含有大量單層碳納米角。碳棒消耗80%的時(shí)間為約30秒，每I分鐘得到約4.0g的碳納米角。另外，另行從水性介質(zhì)層10的水性介質(zhì)W的上部的氣相和水性介質(zhì)W中也得到碳納米角。這些碳納米角均能夠通過(guò)顯微鏡觀察確認(rèn)為單層的碳納米角。另外，泡狀體的碳納米角的照片示于圖6。
[0106]測(cè)定從水性介質(zhì)層10的水性介質(zhì)W的水面附近得到的泡狀的碳納米角的粒度分布。粒度分布的測(cè)定通過(guò)使用作為非離子表面活性劑的二-一 -一 & 740 (濃度60%)使碳納米粒子分散來(lái)進(jìn)行。本實(shí)施例中得到的碳納米角的粒度分布是，10%累積直徑為0.0712 μ m,90%累積直徑為0.4675 μ m，累積中值直徑(50%)為0.1539 μ m、平均直徑為0.0834 μ m、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1357。另一方面，在不使用表面活性劑的情況下，不符合正態(tài)分布，10%累積直徑為0.1227 μ m、90%累積直徑為4.9431 μ m,累積中值直徑(50%)為
0.3493 μ m、平均直徑為0.1093 μ m、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5373。
[0107]如上所述，與現(xiàn)有的基于電弧放電的碳納米粒子的制造方法相比，能夠用I臺(tái)裝置得到大量(20~100倍以上)的碳納米粒子。而且，不需要大型設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)將每I臺(tái)裝置的空間減少到0.25m2。即，能夠以低成本且高效率地制造碳納米粒子。另外，能夠制造粒度分布符合正態(tài)分布的粒徑整齊的碳納米粒子。
[0108]如上所述，根據(jù)本制造裝置及本制造方法，能夠有效地制造碳納米材料。
[0109]實(shí)施例2
[0110]在本實(shí)施例中，對(duì)實(shí)施例1中得到的碳納米角的導(dǎo)電性進(jìn)行評(píng)價(jià)。使用商業(yè)途徑獲得的碳納米管(純度99%、拜耳公司制的~H 一(商品名))及實(shí)施例1中得到的碳納米角，通過(guò)以下方法，制作多種巴克紙。
[0111]即，適當(dāng)使用阿拉伯膠，通過(guò)超聲波處理分散到去離子水或純水中，得到碳納米管分散液，將該分散液適當(dāng)通過(guò)離`心分離等進(jìn)行固液分離，進(jìn)行濃度調(diào)節(jié)(0.2重量％)，然后，在6個(gè)大氣壓下進(jìn)行過(guò)濾，在減壓、室溫(約20°C~約23°C )下對(duì)分離到聚碳酸酯過(guò)濾器(細(xì)孔直徑0.45 μ m)上的碳納米管進(jìn)行干燥，制作巴克紙I (厚度37 μ m)。
[0112]從通過(guò)超聲波處理分散到乙醇中的水性介質(zhì)W的水面附近獲得實(shí)施例1的碳納米角分散液，將該分散液適當(dāng)通過(guò)離心分離等進(jìn)行固液分離，進(jìn)行濃度調(diào)節(jié)(0.2重量％)，然后，在6個(gè)大氣壓下進(jìn)行過(guò)濾，在減壓、室溫(約20°C~約23°C)下對(duì)分離到聚碳酸酯過(guò)濾器(細(xì)孔直徑0.45 μ m)上的碳納米角進(jìn)行干燥，制作巴克紙2。
[0113]對(duì)上述碳納米管分散液及實(shí)施例1中從水性介質(zhì)W的水面附近獲得的碳納米角分散液適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行濃度調(diào)節(jié)，制備碳納米角:碳納米管為1:1 (重量比)、合計(jì)為0.2重量％的分散液。將該分散液與巴克紙I同樣地進(jìn)行過(guò)濾，在減壓、室溫(約20°C~約23°C )下進(jìn)行干燥，制作巴克紙3 (厚度125 μ m)。
[0114]向在聚碳酸酯過(guò)濾器(細(xì)孔直徑0.45μπι)上準(zhǔn)備的巴克紙I供給巴克紙2中準(zhǔn)備的、從通過(guò)超聲波處理分散到乙醇中的水性介質(zhì)W的上部氣相獲得的實(shí)施例1的碳納米角分散液(0.2重量％)，在6個(gè)大氣壓下進(jìn)行過(guò)濾，使其浸潤(rùn)到碳納米管中，在減壓、室溫(約20°C~約23°C )下進(jìn)行干燥，制作巴克紙4 (厚度228 μ m)。
[0115]對(duì)在聚碳酸酯過(guò)濾器(細(xì)孔直徑0.45μπι)上準(zhǔn)備的巴克紙I供給巴克紙2中準(zhǔn)備的、從通過(guò)超聲波處理分散到乙醇中的水性介質(zhì)W中獲得的實(shí)施例1的碳納米角分散液(0.2重量％)，在6個(gè)大氣壓下進(jìn)行過(guò)濾，使其浸潤(rùn)到碳納米管中，在減壓、室溫(約20°C~約23°C )下進(jìn)行干燥，制作巴克紙5 (厚度127 μ m)。
[0116]對(duì)這些巴克紙測(cè)定表面電阻(Ω)、方塊電阻(Ω/sq)、電阻(Qcm)、導(dǎo)電率(S/cm)。另外，對(duì)浸潤(rùn)型巴克紙4、5測(cè)定其表面(浸潤(rùn)有碳納米角的一側(cè))和背面(碳納米管側(cè))。結(jié)果不于表1。
[0117][表1]
【權(quán)利要求】
1.一種制造裝置，其為碳納米材料的制造裝置，其具備: 至少一部分浸潰于水性介質(zhì)中的陰極； 以與所述陰極的浸潰于所述水性介質(zhì)中的部位相對(duì)的方式在所述水性介質(zhì)中隔著間隔而設(shè)置的陽(yáng)極； 向所述陰極與所述陽(yáng)極之間導(dǎo)入惰性氣體而形成惰性氣體氣穴的機(jī)構(gòu)； 在所述陰極與所述陽(yáng)極之間施加電壓以能夠形成電弧放電產(chǎn)生區(qū)域的機(jī)構(gòu)；以及 回收由在所述電弧放電產(chǎn)生區(qū)域準(zhǔn)備的碳材料合成的所述碳納米材料的機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造裝置，其中，所述惰性氣體氣穴形成機(jī)構(gòu)具備從其側(cè)面向所述陰極與所述陽(yáng)極之間供給惰性氣體的供給系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造裝置，其中，所述陽(yáng)極與所述陰極之間的間隙為1_以上且2mm以下。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的制造裝置，其中，回收所述碳納米粒子的機(jī)構(gòu)包括: 抽吸含有所述碳納米粒子的所述水性介質(zhì)的機(jī)構(gòu)； 從所述水性介質(zhì)中分離所述碳納米粒子的機(jī)構(gòu)；以及 對(duì)分離出的所述碳納米粒子進(jìn)行干燥的機(jī)構(gòu)。
5.一種制造方法，其為碳納米材料的制造方法，其具備: 在向水性介質(zhì)中的陰極與陽(yáng)極之間導(dǎo)入惰性氣體而在所述水性介質(zhì)中形成的惰性氣體氣穴中產(chǎn)生電弧放電、由在所述惰性氣體氣穴中準(zhǔn)備的碳材料產(chǎn)生碳蒸氣而合成所述碳納米材料的工序；以及 回收所述碳納米材料的工序。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其中，所述回收工序包括回收所述水性介質(zhì)上的泡狀體的碳納米材料的工序。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制造方法，其中，所述回收工序包括回收所述水性介質(zhì)中的碳納米材料的工序。
8.根據(jù)權(quán)利要求5~7中任一項(xiàng)所述的制造方法，其中，所述回收工序包括回收所述水性介質(zhì)上的氣相中的碳納米材料的工序。
9.一種增強(qiáng)材料，其包含通過(guò)權(quán)利要求5~8中任一項(xiàng)所述的制造方法得到的碳納米材料。
10.一種摩擦材料，其包含通過(guò)權(quán)利要求5~8中任一項(xiàng)所述的制造方法得到的碳納米材料。
11.一種導(dǎo)電性調(diào)節(jié)材料，其包含通過(guò)權(quán)利要求5~8中任一項(xiàng)所述的制造方法得到的碳納米材料。
12.—種放射線物質(zhì)吸附材料，其包含通過(guò)權(quán)利要求5~8中任一項(xiàng)所述的制造方法得到的碳納米材料。
13.一種放射性物質(zhì)吸附裝置，其具備包含權(quán)利要求12所述的放射性物質(zhì)吸附材料的放射性物質(zhì)吸附單元。
14.一種放射線吸收材料，其包含通過(guò)權(quán)利要求5~8中任一項(xiàng)所述的制造方法得到的碳納米材料。
15.一種放射線吸收裝置，其具備包含權(quán)利要求14所述的放射線吸收材料的放射線吸收單元。
16.一種電磁波吸收材料，其包含通過(guò)權(quán)利要求5~8中任一項(xiàng)所述的制造方法得到的碳納米材料。
17.一種氣體吸附材料，其包含通過(guò)權(quán)利要求5~8中任一項(xiàng)所述的制造方法得到的碳納米材料。`
【文檔編號(hào)】B01J20/30GK103492315SQ201280018687
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月15日
【發(fā)明者】五井野正 申請(qǐng)人:株式會(huì)社環(huán)境·能量納米技術(shù)研究所