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JP5328008B2 - Carbon material manufacturing method - Google Patents
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Description

本発明は、炭化水素化合物を熱プラズマ中で熱分解して得られる炭素材料及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon material obtained by thermally decomposing a hydrocarbon compound in a thermal plasma and a method for producing the same.

カーボンブラックや黒鉛等の炭素材料は、結晶構造、導電性や潤滑性等の物性等を利用して、また粒度、形状を制御することで、黒色顔料、ゴム製品の補強材あるいはプラスチック等の導電性フィラーとして汎用されている。例えば、形状を制御し微粒子化することにより、遮光性や黒色度の高い塗料が得られディスプレイ用材料や導電性を利用した塗料や電波吸収材のフィラーとして用いられ、また、結晶性及び電気化学的安定性を利用した電池用負極材料や水素吸蔵材料、自己潤滑性を利用した潤滑剤、低磨耗インキ等の機能性材料等に利用されている。   Carbon materials such as carbon black and graphite use crystalline structures, physical properties such as conductivity and lubricity, etc., and by controlling the particle size and shape, conductive materials such as black pigments, rubber product reinforcements and plastics. Widely used as an adhesive filler. For example, by controlling the shape and making fine particles, paints with high light shielding properties and blackness can be obtained and used as display materials, paints using electrical conductivity, and fillers for radio wave absorbers, as well as crystallinity and electrochemical properties. It is used for battery negative materials and hydrogen storage materials that use mechanical stability, lubricants that use self-lubricating properties, and functional materials such as low-wear inks.

炭素材料は炭素を含む物質(通常、主としては炭化水素化合物)の熱分解によって工業的に製造される。炭素を含む物質の熱分解として、例えば、開放火焔分解法(インピンジメント法またはチャンネル法)、封鎖直接火焔分解法(ファーネス法)、外部加熱面法(連続サーマル法)、プラズマ法等のような種々の方法で実施されているが、特にプラズマ法は高温プラズマの高いエネルギー密度と大きな冷却速度を有し、微粉末の製造に適しているので好ましい。   Carbon materials are industrially produced by thermal decomposition of carbon-containing substances (usually mainly hydrocarbon compounds). Examples of pyrolysis of carbon-containing materials include open flame decomposition method (impingement method or channel method), closed direct flame decomposition method (furnace method), external heating surface method (continuous thermal method), plasma method, etc. Among various methods, the plasma method is particularly preferable because it has a high energy density of high-temperature plasma and a large cooling rate, and is suitable for producing fine powder.

このプラズマ法による炭素材料の製造する技術については、ハロゲン化炭素化合物を不活性ガスがイオン化状態に保たれている帯域に導入してアモルファス内部構造を有するカーボンブラックを得る方法が知られている(特許文献1)。   As a technique for producing a carbon material by this plasma method, a method of obtaining a carbon black having an amorphous internal structure by introducing a halogenated carbon compound into a zone where an inert gas is kept in an ionized state is known ( Patent Document 1).

また、炭化水素化合物をプラズマ熱分解して得られる結晶子の厚さ(Lc)100〜160Å、a軸方向の格子定数(a)が2.446〜2.555Å、c軸方向の格子定数(c)6.876〜6.885Åの乱層結晶構造を有する微細な鱗片形態の結晶性フィルム状炭素質物が提案されている(特許文献2、特許文献3)。
特公昭43−12421号公報 特開平2−307817号公報 特開平5−58612号公報
Further, the crystallite thickness (Lc) obtained by plasma pyrolysis of a hydrocarbon compound is 100 to 160 Å, the lattice constant (a 0 ) in the a-axis direction is 2.446 to 2.555 Å, and the lattice constant in the c-axis direction. A fine scale-like crystalline film-like carbonaceous material having a turbulent crystal structure of (c 0 ) 6.876 to 6.885 Å has been proposed (Patent Documents 2 and 3).
Japanese Patent Publication No.43-12421 JP-A-2-307817 JP-A-5-58612

しかしながら、特許文献1の製造技術は無定形のカーボンブラックを対象としており、得られる炭素材料は、炭素材料の粒径は36Åと細かいが、黒鉛結晶子がランダムに重なり合った炭素質のアモルファス内部構造を呈している。このため、充填性、潤滑性等には優れるが、導電性の面では物性的に好ましくない。   However, the manufacturing technique of Patent Document 1 is directed to amorphous carbon black, and the obtained carbon material has a fine particle size of 36 mm, but a carbonaceous amorphous internal structure in which graphite crystallites are randomly overlapped. Presents. For this reason, although it is excellent in filling property, lubricity, etc., it is not preferable in terms of physical properties in terms of conductivity.

また、特許文献2や特許文献3で製造された炭素材料は、巨視的に鱗片フィルム状であって、大きな異方性アスペクト比を有しているが、結晶の厚さも100〜160Å(10〜16nm)と比較的厚いものであり、グラファイト結晶に比べてaが約0.5%縮み、cが約2.5%伸びた乱層結晶構造を形成していることから、結晶性が悪く、そのために電気伝導特性が良質な結晶性グラファイトと比べて劣る可能性がある。そのため、導電性を利用した導電性塗料等に利用した場合、使用量が増加する、薄膜化・細線化が困難となる。また、電気伝導特性が悪くなることから反射率が低下し、併せて遮光性も低下することが考えられる。 The carbon materials manufactured in Patent Document 2 and Patent Document 3 are macroscopically in the shape of a scale film and have a large anisotropic aspect ratio, but the crystal thickness is also 100 to 160 mm (10 to 10). 16 nm), which is relatively thick and has a turbulent crystal structure in which a 0 is reduced by about 0.5% and c 0 is extended by about 2.5% compared to graphite crystals. Unfortunately, it can be inferior to crystalline graphite with good electrical conductivity. For this reason, when it is used for a conductive paint using conductivity, the amount of use increases, and it becomes difficult to make a thin film or thin line. Moreover, it is conceivable that the reflectivity is lowered due to the deterioration of the electric conduction characteristics, and the light shielding property is also lowered.

以上の課題に鑑み、本発明の目的は、導電性の塗料、電波吸収材、遮光材料等に用いた際に、高い導電性、充填性や遮光性等が得られる結晶の厚さ(Lc)が10nm以下の箔片状結晶片を含有する炭素材料及びその製造方法を提供することにある。   In view of the above problems, the object of the present invention is to provide a crystal thickness (Lc) that provides high conductivity, filling properties, light shielding properties, etc. when used in conductive paints, radio wave absorbers, light shielding materials, and the like. Is to provide a carbon material containing foil-like crystal pieces of 10 nm or less and a method for producing the same.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ね検討した結果、炭化水素が熱プラズマ中で熱分解する機構ならびに炭素質物に転化させる生成条件について多角的に検討を加えた結果、炭化水素化合物を導入する位置のプラズマガス温度及びプラズマ空間に対する導入炭化水素化合物量の割合を一定範囲内で変動させることにより、所望性状の炭素材料に転化させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted diversified studies on the mechanism by which hydrocarbons are thermally decomposed in thermal plasma and the generation conditions for conversion to carbonaceous materials. The present inventors have found that a carbon material having a desired property can be converted by varying the plasma gas temperature at the position where hydrogen compound is introduced and the ratio of the amount of introduced hydrocarbon compound to the plasma space within a certain range, thereby completing the present invention. It came to.

(1) 炭化水素化合物をプラズマ熱分解して得られる結晶性の炭素材料であって、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下である箔片状結晶片を含有する炭素材料。   (1) A crystalline carbon material obtained by plasma pyrolysis of a hydrocarbon compound, and containing a foil piece crystal piece having a crystal thickness (Lc) of 10 nm or less.

(1)に記載の発明によれば、炭化水素化合物がプラズマの高い温度で熱分解されて生成される炭素材料は、その結晶の厚さ(Lc)が10nm以下、さらには5nm以下の箔片状結晶片を含有しているので、超微細であって、扁平フレーク状でアスペクト比が大きく、結晶性が良いものである。このため、充填性、潤滑性に優れるばかりでなく、導電性、及び遮光性等にも優れることになり、遮光性や黒色度の高い塗料が得られディスプレイ用材料や導電性を利用した塗料や電磁波シールド材のフィラー、自己潤滑性を利用した潤滑剤、UVカットインク等の機能性材料等へ幅広く利用できる。   According to the invention described in (1), the carbon material produced by thermally decomposing a hydrocarbon compound at a high plasma temperature has a crystal thickness (Lc) of 10 nm or less, and further a foil piece of 5 nm or less. Since it contains a crystal piece, it is ultrafine, flat flake, has a large aspect ratio, and has good crystallinity. For this reason, not only is it excellent in filling property and lubricity, but also it is excellent in conductivity, light shielding property, etc., and a paint having a light shielding property and high blackness is obtained. It can be widely used for fillers of electromagnetic shielding materials, lubricants utilizing self-lubricating properties, functional materials such as UV cut inks, and the like.

(2) 前記箔片状結晶片の厚さ(Lc)が5nm以下である(1)記載の炭素材料。   (2) The carbon material according to (1), wherein the foil piece-like crystal piece has a thickness (Lc) of 5 nm or less.

(2)に記載の発明によれば、炭素材料の結晶の厚みがより薄くなるので、より微細で、アスペクト比も大きくなるので、充填性、潤滑性、導電性、及び遮光性等がより一層優れることになる。   According to the invention described in (2), since the thickness of the crystal of the carbon material becomes thinner, it is finer and the aspect ratio becomes larger, so that the filling property, lubricity, conductivity, light shielding property, etc. are further improved. It will be excellent.

(3) 前記箔片状結晶片を、前記炭素材料の結晶片数の90%以上含有する(1)または(2)に記載の炭素材料。   (3) The carbon material according to (1) or (2), wherein the foil piece-like crystal piece contains 90% or more of the number of crystal pieces of the carbon material.

(3)に記載の発明によれば、箔片状結晶片が炭素材料の結晶片数の90%含有され、結晶質であるので、導電性等に優れる。   According to the invention described in (3), since the foil piece-like crystal pieces are contained in 90% of the number of crystal pieces of the carbon material and are crystalline, they are excellent in conductivity and the like.

(4) 前記炭化水素化合物が天然ガスである(1)から(3)いずれかに記載の炭素材料。   (4) The carbon material according to any one of (1) to (3), wherein the hydrocarbon compound is natural gas.

天然ガスは、メタン、エタン、プロパン、ブタン等を含み、メタンを主成分とする炭化水素ガスであって、汎用性があるので炭化水素化合物原料として有用である。   Natural gas includes methane, ethane, propane, butane and the like, and is a hydrocarbon gas mainly composed of methane, and is useful as a hydrocarbon compound raw material because of its versatility.

(5) 前記炭化水素化合物がメタン及び/又はプロパンである(1)から(3)いずれかに記載の炭素材料。   (5) The carbon material according to any one of (1) to (3), wherein the hydrocarbon compound is methane and / or propane.

メタンやプロパンは、天然ガスに含まれる主成分であり汎用性に優れ、コスト的にも有利である。また、炭化水素化合物が熱プラズマにより熱分解されて、炭素材料と共に水素が生成されるが、炭化水素化合物として水素含有量が高く、水素源として有効である。   Methane and propane are the main components contained in natural gas, have excellent versatility, and are advantageous in terms of cost. In addition, the hydrocarbon compound is thermally decomposed by thermal plasma to generate hydrogen together with the carbon material. However, the hydrocarbon compound has a high hydrogen content and is effective as a hydrogen source.

(6) 不活性ガスからプラズマを発生させた後、当該プラズマ内に炭化水素化合物を導入して、前記炭化水素化合物のプラズマ熱分解を行う炭素材料の製造方法であって、プラズマ発生室内の圧力が6kPa以上で66.5kPa以下の減圧雰囲気で、標準状態(25℃で101325Pa)におけるガスの流速が0.602m/sec以上になるように不活性ガスを供給し、プレート電力6kVA以上の高周波を印加した後、前記炭化水素化合物を5L/min以上導入して、前記炭化水素化合物の熱分解を行う、(1)から(5)いずれかに記載の炭素材料の製造方法。   (6) A method for producing a carbon material, in which a plasma is generated from an inert gas, a hydrocarbon compound is introduced into the plasma, and the hydrocarbon compound is subjected to plasma pyrolysis, the pressure in the plasma generation chamber The inert gas is supplied so that the gas flow rate in the standard state (101325 Pa at 25 ° C.) is 0.602 m / sec or more in a reduced pressure atmosphere of 6 kPa or more and 66.5 kPa or less, and the plate power is 6 kVA or more. After the application, the method for producing a carbon material according to any one of (1) to (5), wherein the hydrocarbon compound is introduced at 5 L / min or more to thermally decompose the hydrocarbon compound.

(6)に記載の発明によれば、不活性ガスを用いて、プレート電力6kVA以上で高周波を誘導して発生された熱プラズマに炭化水素化合物を5L/min以上導入して熱分解して、炭化水素化合物を熱分解するので、炭化水素化合物が水素とアセチレンに改質されると共に、プラズマガスの実流速が非常に高速で、かつ生成した炭化水素が急冷されるため、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下、さらには5nm以下である箔片状結晶片の炭素材料が効率よく生成されることになる。   According to the invention described in (6), using an inert gas, a hydrocarbon compound is introduced into a thermal plasma generated by inducing a high frequency at a plate power of 6 kVA or more and thermally decomposed by introducing 5 L / min or more, Since the hydrocarbon compound is thermally decomposed, the hydrocarbon compound is reformed into hydrogen and acetylene, the actual flow rate of the plasma gas is very high, and the generated hydrocarbon is quenched, so the crystal thickness ( Thus, a carbon material of a foil piece crystal piece having Lc) of 10 nm or less, and further 5 nm or less is efficiently generated.

(7) 不活性ガス及び水素の混合ガスからプラズマを発生させた後、当該プラズマ内に炭化水素化合物を導入して、前記炭化水素化合物のプラズマ熱分解を行う炭素材料の製造方法であって、プラズマ発生室内の圧力が6kPa以上で66.5kPa以下の減圧雰囲気で、標準状態(25℃で101325Pa)におけるガスの流速が0.602m/sec以上になるように不活性ガスと水素の混合ガスを供給し、プレート電力6kVA以上の高周波を印加した後、前記炭化水素化合物を5L/min以上導入して、前記炭化水素化合物の熱分解を行う、(1)から(5)いずれかに記載の炭素材料の製造方法。   (7) A method for producing a carbon material, in which plasma is generated from a mixed gas of an inert gas and hydrogen, a hydrocarbon compound is introduced into the plasma, and plasma pyrolysis of the hydrocarbon compound is performed. In a reduced pressure atmosphere with a pressure in the plasma generation chamber of 6 kPa or more and 66.5 kPa or less, a mixed gas of inert gas and hydrogen is used so that the gas flow rate in the standard state (101325 Pa at 25 ° C.) is 0.602 m / sec or more. The carbon according to any one of (1) to (5), wherein after supplying and applying a high frequency of a plate power of 6 kVA or more, the hydrocarbon compound is introduced at 5 L / min or more to thermally decompose the hydrocarbon compound. Material manufacturing method.

(7)に記載の発明によれば、不活性ガス及び水素の混合ガスを用いて、プレート電力6kVA以上で高周波を誘導して発生された熱プラズマに炭化水素化合物を5L/min以上導入すると、炭化水素化合物がプラズマにより熱分解されて、水素とアセチレンに改質されると共に、炭素材料が生成される。この際に、不活性ガスに水素等の2原子分子ガスを混合することで、ピンチ効果が向上し、プラズマが絞られて中心部の温度が高められ、プラズマガスの実流速がさらに高速になり、かつ生成した炭化水素が急冷されることと相まって、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下、さらには5nm以下である箔片状結晶片を含有する炭素材料がより効率的に生成されることになる。   According to the invention described in (7), when a hydrocarbon compound is introduced to a thermal plasma generated by inducing a high frequency with a plate power of 6 kVA or more using a mixed gas of an inert gas and hydrogen, 5 L / min or more, A hydrocarbon compound is thermally decomposed by plasma to be reformed into hydrogen and acetylene, and a carbon material is generated. At this time, by mixing a diatomic molecular gas such as hydrogen with an inert gas, the pinch effect is improved, the plasma is squeezed and the temperature at the center is increased, and the actual flow velocity of the plasma gas is further increased. In addition, coupled with the fact that the generated hydrocarbon is rapidly cooled, the carbon material containing the flake-shaped crystal pieces having a crystal thickness (Lc) of 10 nm or less, and further 5 nm or less is more efficiently produced. become.

(8) 不活性ガス及び二酸化炭素の混合ガスからプラズマを発生させた後、当該プラズマ内に炭化水素化合物を導入して、前記炭化水素化合物のプラズマ熱分解を行う炭素材料の製造方法であって、プラズマ発生室内の圧力が6kPa以上で66.5kPa以下の減圧雰囲気で、標準状態(25℃で101325Pa)におけるガスの流速が0.602m/sec以上になるように不活性ガスと二酸化炭素の混合ガスを供給し、プレート電力6kVA以上の高周波を印加した後、前記炭化水素化合物を5L/min以上導入して、前記炭化水素化合物の熱分解を行う、(1)から(5)いずれかに記載の炭素材料の製造方法。   (8) A method for producing a carbon material in which plasma is generated from a mixed gas of an inert gas and carbon dioxide, a hydrocarbon compound is introduced into the plasma, and plasma pyrolysis of the hydrocarbon compound is performed. Mixing of inert gas and carbon dioxide so that the gas flow rate is 0.602 m / sec or more in a standard condition (101325 Pa at 25 ° C.) in a reduced pressure atmosphere of 6 kPa or more and 66.5 kPa or less in the plasma generation chamber The gas according to any one of (1) to (5), wherein gas is supplied and a high frequency of 6 kVA or more of plate power is applied, and then the hydrocarbon compound is introduced at 5 L / min or more to thermally decompose the hydrocarbon compound. Carbon material manufacturing method.

(8)に記載の発明によれば、不活性ガス及び二酸化炭素の混合ガスを用いて、プレート電力6kVAで高周波を誘導して発生された熱プラズマに炭化水素化合物を5L/min以上導入すると、炭化水素化合物がプラズマにより熱分解されて、水素と一酸化炭素に改質されると共に、炭素材料が生成される。炭化水素化合物の炭素量と二酸化炭素の炭素量(炭化水素化合物の炭素と二酸化炭素の炭素比)が1:1付近を越えると、アセチレンが発生し始め、同時に炭素材料が発生し始める。この製造方法では炭素材料の収率が低下してしまうが、地球温暖化ガスである二酸化炭素を混合ガスの原料である一酸化炭素に変換することができ、(7)に記載の発明と同様の結晶の厚さ(Lc)が10nm以下、さらには5nm以下である箔片状結晶片を含有する炭素材料が得られる。   According to the invention described in (8), when a hydrocarbon compound is introduced to a thermal plasma generated by inducing a high frequency with a plate power of 6 kVA using a mixed gas of an inert gas and carbon dioxide, 5 L / min or more, The hydrocarbon compound is thermally decomposed by plasma to be reformed into hydrogen and carbon monoxide, and a carbon material is generated. When the carbon amount of the hydrocarbon compound and the carbon amount of carbon dioxide (carbon ratio of carbon of the hydrocarbon compound to carbon dioxide) exceed about 1: 1, acetylene starts to be generated and simultaneously a carbon material starts to be generated. Although the yield of the carbon material is reduced by this production method, carbon dioxide, which is a global warming gas, can be converted to carbon monoxide, which is a raw material of the mixed gas, and is similar to the invention described in (7). Thus, a carbon material containing foil-like crystal pieces having a crystal thickness (Lc) of 10 nm or less and further 5 nm or less is obtained.

(9) 前記不活性ガスとしてアルゴンガスを用いる(6)から(8)いずれかに記載の炭素材料の製造方法。   (9) The method for producing a carbon material according to any one of (6) to (8), wherein argon gas is used as the inert gas.

(10) 前記炭化水素化合物として天然ガスを用いる(6)から(9)いずれかに記載の炭素材料の製造方法。
(11) 前記炭化水素化合物としてメタン及び/又はプロパンを用いる(6)から(9)いずれかに記載の炭素材料の製造方法。
(10) The method for producing a carbon material according to any one of (6) to (9), wherein natural gas is used as the hydrocarbon compound.
(11) The method for producing a carbon material according to any one of (6) to (9), wherein methane and / or propane is used as the hydrocarbon compound.

(12) 前記プラズマとして高周波プラズマを用いる(6)から(11)いずれかに記載の炭素材料の製造方法。   (12) The carbon material manufacturing method according to any one of (6) to (11), wherein high-frequency plasma is used as the plasma.

主として不活性ガスを用いて直流放電させて発生させた熱プラズマに、メタン等の炭化水素化合物を不活性ガスに混合していくと、メタン等の炭化水素化合物のガスを用いて直流放電すると、メタンや炭化水素化合物が分解して水素を生じ、ピンチ効果によりプラズマの温度が上昇し、陽極の銅が溶融し放電が停止することがある。他方、電波法で工業的に割り当てられている高周波やマイクロ波を用いて放電すると、このようなガスの場合でも安定してプラズマを維持できる。したがって、直流放電よりも高周波放電やマイクロ波放電を使うプロズマの方が優れることになる。また、電極が無い無電極放電のため、得られた生成物に不純物が含まれない。   When a hydrocarbon compound such as methane is mixed with an inert gas in a thermal plasma generated mainly by direct current discharge using an inert gas, when a direct current discharge is performed using a hydrocarbon compound gas such as methane, Methane and hydrocarbon compounds are decomposed to generate hydrogen, the temperature of the plasma rises due to the pinch effect, the anode copper melts, and the discharge may stop. On the other hand, when discharging is performed using a high frequency or microwave that is industrially assigned by the Radio Law, plasma can be maintained stably even in the case of such a gas. Therefore, a plasma using high frequency discharge or microwave discharge is superior to direct current discharge. Moreover, since the electrodeless discharge has no electrode, the obtained product does not contain impurities.

(13) (1)から(5)いずれかに記載の炭素材料を用いた電波吸収体。   (13) A radio wave absorber using the carbon material according to any one of (1) to (5).

(14) (6)から(12)いずれかに記載の炭素材料の製造方法から得られた炭素材料を用いた電波吸収体。   (14) A radio wave absorber using a carbon material obtained from the method for producing a carbon material according to any one of (6) to (12).

(13)及び(14)に記載の発明によれば、炭素材料は、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下、さらには5nm以下の箔片状結晶片を含有しているため、超微細であって、扁平フレーク状でアスペクト比が大きく、結晶性が良いものであるので、充填性、潤滑性に優れるばかりでなく、導電性、及び遮光性等にも優れることになる。このため、該炭素材料は、各種のマトリックス材料中に均質に分散・混合されるので、マトリックス材料本来の加工性や成形性を損なうことなく添加でき、又、導電性を有するので、所望とする周波数に対応する電波吸収体を提供することができる。   According to the inventions described in (13) and (14), since the carbon material contains foil-like crystal pieces having a crystal thickness (Lc) of 10 nm or less, and further 5 nm or less, In addition, since it has a flat flake shape, a large aspect ratio, and good crystallinity, it not only has excellent filling properties and lubricity, but also has excellent conductivity and light shielding properties. For this reason, since the carbon material is uniformly dispersed and mixed in various matrix materials, it can be added without impairing the original workability and moldability of the matrix material, and it has conductivity, so that it is desired. An electromagnetic wave absorber corresponding to the frequency can be provided.

本発明によれば、炭化水素化合物を熱プラズマで熱分解した、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下、さらには5nm以下の箔片状結晶片を含有する炭素材料が提供され、この炭素材料は超微細であって、箔片状でアスペクト比が大きいものである。このため、付加価値の高い導電性フィラー、高性能潤滑材等、特殊用途の原材料として有用性が期待される。   According to the present invention, there is provided a carbon material containing a flake-like crystal piece having a crystal thickness (Lc) of 10 nm or less, further 5 nm or less, which is obtained by thermally decomposing a hydrocarbon compound with thermal plasma. Is ultrafine, is a piece of foil and has a large aspect ratio. Therefore, it is expected to be useful as a raw material for special applications such as high-value-added conductive fillers and high-performance lubricants.

以下、本発明の実施形態についての実施形態を具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明の炭素材料は、炭化水素化合物をプラズマ熱分解して得られたもので、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下、好ましくは5nm以下である箔片状結晶片を90質量%以上、好ましくは95質量%以上含有する微細な結晶性のものである。そして、a軸方向の格子定数(a)が0.247nm程度、c軸方向の格子定数(c)が0.671nm程度であるフレーク状の形状をした微粒子の集合体の結晶性炭素材料である。 The carbon material of the present invention is obtained by plasma pyrolysis of a hydrocarbon compound, and the thickness (Lc) of the crystal is 10 nm or less, preferably 5% by mass or more of foil piece-like crystal pieces having a thickness of 90 nm or more, Preferably, it is fine crystalline containing 95% by mass or more. The crystalline carbon material is an aggregate of fine particles having a flake shape in which the lattice constant (a 0 ) in the a-axis direction is about 0.247 nm and the lattice constant (c 0 ) in the c-axis direction is about 0.671 nm. It is.

形態としては、微細で、巨視的に鱗片状であって、大きな異方性とアスペクト比を有している。このため、充填性、潤滑性、導電性、及び遮光性等に優れることになり、例えば、遮光性や黒色度の高い塗料が得られディスプレイ用材料、導電性を利用した塗料や電磁波シールド材のフィラー、自己潤滑性を利用した潤滑剤、UVカット用インク等の機能性材料等へ幅広く利用できる。   The form is fine, macroscopically scaly, and has a large anisotropy and aspect ratio. For this reason, it will be excellent in filling property, lubricity, conductivity, light shielding property, etc., for example, a coating material with high light shielding property and blackness is obtained, a display material, a coating material using conductivity and an electromagnetic shielding material. It can be widely used for functional materials such as fillers, self-lubricating lubricants, UV-cutting inks, and the like.

本発明の炭素材料は、以下の装置及び方法を用いることで製造することができる。   The carbon material of the present invention can be produced by using the following apparatus and method.

熱プラズマ反応装置としては、図1に模式的に示すように、プラズマを発生させるプラズマトーチ1と、その下部に連設される真空チャンバー2と、周辺部に配設される高周波発生装置3とから構成されている。そして、真空チャンバー2には、内部を真空にするための真空ポンプ5をフィルター11を介して備え、また、ダイヤフラム真空ポンプ6を通じてフィルター補集装置12を備えた改質ガス捕集用バッグ4が連設されている。また、図示していないが、循環型冷却水により冷却されている。   As schematically shown in FIG. 1, the thermal plasma reactor includes a plasma torch 1 for generating plasma, a vacuum chamber 2 connected to the lower part thereof, and a high-frequency generator 3 provided at the periphery thereof. It is composed of The vacuum chamber 2 includes a vacuum pump 5 for evacuating the inside through a filter 11, and a reformed gas collection bag 4 having a filter collecting device 12 through a diaphragm vacuum pump 6. It is connected continuously. Moreover, although not shown in figure, it is cooled with the circulation type cooling water.

また、プラズマトーチ1は、図2に示すように、窒化珪素管1aの外側に石英管1bを配置した水冷二重構造のリングであって、その外周部には、高周波発生装置3と連結するRFコイル9がコイル状に巻く形で配設されている。また、その上部には、不活性ガス導入口7a,7bを備えた不活性ガス導入管7と、原料ガスである炭化水素化合物を導入するための炭化水素化合物導入口8aを備えた炭化水素化合物導入プローブ8とが連結されている。   Further, as shown in FIG. 2, the plasma torch 1 is a ring having a water-cooled double structure in which a quartz tube 1b is disposed outside a silicon nitride tube 1a, and is connected to a high frequency generator 3 at the outer peripheral portion thereof. The RF coil 9 is disposed in the form of a coil. Moreover, the hydrocarbon compound provided with the inert gas introduction pipe | tube 7 provided with the inert gas inlets 7a and 7b in the upper part, and the hydrocarbon compound inlet 8a for introducing the hydrocarbon compound which is source gas The introduction probe 8 is connected.

また、高周波発生装置3は、高周波発振機3aと高周波電源3bとから構成され、高周波発振機3aの出力は、原料ガスの種類や得ようとする炭素材料の形状により、適宜決定されるが、例えば、0.5〜35Kw(最大電極電圧(Ep)=12kV、最大陽極電流(IP)=5.8A)であり、発振周波数は3.5±0.5Mzであるのが好ましい。   The high-frequency generator 3 includes a high-frequency oscillator 3a and a high-frequency power source 3b. The output of the high-frequency oscillator 3a is appropriately determined depending on the type of raw material gas and the shape of the carbon material to be obtained. For example, 0.5 to 35 Kw (maximum electrode voltage (Ep) = 12 kV, maximum anode current (IP) = 5.8 A) is preferable, and the oscillation frequency is preferably 3.5 ± 0.5 Mz.

熱プラズマを発生するためのガス系は、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、もしくはこの不活性ガスに水素、窒素のような2原子分子ガス、または炭酸ガスを付加した混合ガス気流とするのが好ましい。   The gas system for generating the thermal plasma should be an inert gas such as argon or helium, or a mixed gas stream obtained by adding a hydrogen gas, diatomic molecular gas such as nitrogen, or carbon dioxide gas to the inert gas. preferable.

また、本発明の炭素材料を得るための炭化水素化合物原料としては、従来法により炭素材料の微粒子を製造し得るものであれば特に限定されないが,例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、デカン、シクロヘキサン等の飽和炭化水素、エチレン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、スチレン等の不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、スチレン等の芳香族炭化水素、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン等の多環芳香族炭化水素等が挙げられる。これらの中でも、汎用性、コスト面等からメタン、プロパンが特に好ましい。さらに、天然ガスは、例えば都市ガス等に利用されている13Aはメタンが88.0%、エタンが4.5%、プロパンが4.5%、ブタンが1.7%というように、メタンを主成分とする炭化水素ガスで、汎用性もあるので、炭化水素化合物原料として有用である。   The hydrocarbon compound raw material for obtaining the carbon material of the present invention is not particularly limited as long as it can produce fine particles of the carbon material by a conventional method. For example, methane, ethane, propane, butane, pentane, Saturated hydrocarbons such as hexane, decane, and cyclohexane, unsaturated hydrocarbons such as ethylene, toluene, xylene, ethylbenzene, and styrene, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, ethylbenzene, and styrene, polycycles such as naphthalene, anthracene, and phenanthrene An aromatic hydrocarbon etc. are mentioned. Among these, methane and propane are particularly preferable from the viewpoint of versatility and cost. Furthermore, natural gas, such as 13A used for city gas, is 88.0% methane, 4.5% ethane, 4.5% propane, and 1.7% butane. It is a hydrocarbon gas as a main component and has versatility, so it is useful as a hydrocarbon compound raw material.

これらの炭化水素化合物あるいは炭素質原料は、液体のものは予め加熱気化させて熱プラズマ流滞域に導入するか、噴霧させて微細液滴としてガス状で導入する。また、熱プラズマ流滞域への原料の導入は必ずしも炭化水素化合物あるいは炭素質原料を単独でなくてもよく、熱プラズマ発生用不活性ガス、あるいは炭酸ガス等を混合した混合ガスと混ぜ合わせて導入してもよい。   These hydrocarbon compounds or carbonaceous raw materials are preliminarily heated and vaporized and introduced into the thermal plasma stagnant region, or sprayed and introduced in the form of gas as fine droplets. In addition, the introduction of the raw material into the thermal plasma stagnation region does not necessarily require a hydrocarbon compound or a carbonaceous raw material alone, and it is mixed with a mixed gas mixed with an inert gas for generating a thermal plasma or carbon dioxide gas. It may be introduced.

また、このような原料の導入量は熱プラズマ流滞域を形成させる出力パワーに左右され、出力が高い高周波の熱プラズマほど、原料の導入量を増やすことができ、また改質効率が向上する。   In addition, the amount of such raw material introduced depends on the output power that forms the thermal plasma stagnation zone, and the higher the frequency of the high-frequency thermal plasma, the higher the amount of raw material introduced and the higher the reforming efficiency. .

製造プロセスは、先ず不活性ガス導入管7の不活性ガス導入口7a,7bから不活性ガスを導入して系内に送入し、高周波発生装置3からRFコイル9に、例えば周波数3.5±0.5Mzで電力を負荷して熱プラズマ10を発生させる。次いで、炭化水素化合物を炭化水素化合物導入口8aから導入し、炭化水素化合物導入プローブ8から熱プラズマ中に吹き込む。この段階で炭化水素化合物は急速に熱分解して改質ガス、水素、炭素材料に転化され、真空チャンバー2で反応が完結した後、循環型冷却水により冷却され、改質ガスや水素は真空チャンバー2に連設されているダイヤフラム真空ポンプ6で吸引され、改質ガス捕集用バッグ4に捕集される。また、炭素材料は、改質ガスや水素ガスを採取した後、真空チャンバー2の内壁及び改質ガス捕集用バッグ4に備えられたフィルター補集装置12のフィルター部から回収される。   In the manufacturing process, first, inert gas is introduced from the inert gas introduction ports 7a and 7b of the inert gas introduction pipe 7 and fed into the system, and the high frequency generator 3 supplies the RF coil 9 with a frequency of 3.5, for example. The thermal plasma 10 is generated by applying electric power at ± 0.5 Mz. Next, a hydrocarbon compound is introduced from the hydrocarbon compound introduction port 8 a and blown into the thermal plasma from the hydrocarbon compound introduction probe 8. At this stage, the hydrocarbon compound is rapidly pyrolyzed and converted into reformed gas, hydrogen, and carbon material. After the reaction is completed in the vacuum chamber 2, it is cooled by circulating cooling water, and the reformed gas and hydrogen are evacuated. It is sucked by a diaphragm vacuum pump 6 connected to the chamber 2 and collected in a reformed gas collecting bag 4. Further, after collecting the reformed gas and hydrogen gas, the carbon material is recovered from the inner wall of the vacuum chamber 2 and the filter portion of the filter collecting device 12 provided in the reformed gas collecting bag 4.

上記のプロセスで、原料の炭化水素化合物が熱プラズマ内で完全に分解し、回収したガス中には原料の炭化水素化合物が含まれていない程度の炭化水素化合物の供給量や圧力、出力であれば箔片状結晶の炭素材料が得られる。具体的には、熱プラズマ発生用のガスは、例えば、プラズマ発生室を通過する流速が標準状態(25℃で101325Pa)で0.602m/sec以上になる量を供給し、熱プラズマ中に炭化水素化合物を導入する際および導入後の圧力は6kPa以上66.5kPa以下に保つことにより、厚さが10nm以下の箔片状結晶片を安定して得ることができる。また、導入する炭化水素化合物中の炭素量は、高周波の出力を大きくすることによって増加することができる。すなわち、高周波の出力調整により炭化水素化合物の導入量を制御することができる。炭化水素化合物の導入量は5L/min以上であることが好ましい。また、改質時の圧力を高くすることによりグラファイトの生成量が増加することから、圧力の制御によって箔片状結晶片の生成を制御することもできる。また、熱プラズマの発生は、プレート電力6kVA以上で高周波を印加することで行われる。尚、この印加は、先ず低出力でプラズマを発生させ、その後除々に出力を上げてプラズマを安定させた上で、所定の出力で炭化水素化合物の改質処理を行うのが好ましい。   In the above process, the raw material hydrocarbon compound is completely decomposed in the thermal plasma, and the supply amount, pressure, and output of the hydrocarbon compound are such that the recovered gas does not contain the raw material hydrocarbon compound. A foil-like crystal carbon material can be obtained. Specifically, the gas for generating the thermal plasma is supplied in such an amount that the flow rate passing through the plasma generation chamber is 0.602 m / sec or more in a standard state (101325 Pa at 25 ° C.), and carbonized in the thermal plasma. When the hydrogen compound is introduced and the pressure after the introduction is maintained at 6 kPa or more and 66.5 kPa or less, a foil piece-like crystal piece having a thickness of 10 nm or less can be stably obtained. The amount of carbon in the hydrocarbon compound to be introduced can be increased by increasing the high-frequency output. That is, the introduction amount of the hydrocarbon compound can be controlled by adjusting the output of the high frequency. The introduction amount of the hydrocarbon compound is preferably 5 L / min or more. In addition, since the amount of graphite produced increases by increasing the pressure during reforming, the production of foil piece-like crystal pieces can be controlled by controlling the pressure. The generation of thermal plasma is performed by applying a high frequency with a plate power of 6 kVA or more. In this application, it is preferable to first generate plasma at a low output, then gradually increase the output to stabilize the plasma, and then perform a reforming treatment of the hydrocarbon compound at a predetermined output.

得られた炭素材料は、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下、さらには5nm以下の箔片状結晶片を含有しているため、超微細であって、扁平フレーク状でアスペクト比が大きく、結晶性が良いものであるので、充填性、潤滑性に優れるばかりでなく、導電性、及び遮光性等にも優れることになる。このため、該炭素材料は、各種のマトリックス材料中に均質に分散・混合でき、マトリックス材料本来の加工性や成形性を損なうことなく添加することができる。又、導電性を有するので、各種のマトリックス材料にフィラーとして用いて成形したものは電波吸収特性に優れることになる。このため、例えば、該炭素材料を用いることで所望とする周波数に対応する電波吸収体を製造することができる。特に、無線LANにおいて、これまで屋外での使用が禁止されていた4.9GHz〜5.091GHz帯域が解放されて使用できるようになった場合に、この周波数帯域で、例えば4〜6mmといった厚みが薄くて電波吸収特性に優れる電波吸収体を提供することができる。   Since the obtained carbon material contains foil-like crystal pieces having a crystal thickness (Lc) of 10 nm or less, and further 5 nm or less, it is ultrafine, flat flaky and has a large aspect ratio, Since the crystallinity is good, not only the filling property and the lubricity are excellent, but also the conductivity and the light shielding property are excellent. Therefore, the carbon material can be homogeneously dispersed and mixed in various matrix materials, and can be added without impairing the original processability and moldability of the matrix material. Moreover, since it has electroconductivity, what was shape | molded by using as a filler in various matrix materials will be excellent in an electromagnetic wave absorption characteristic. For this reason, for example, a radio wave absorber corresponding to a desired frequency can be manufactured by using the carbon material. In particular, in a wireless LAN, when the 4.9 GHz to 5.091 GHz band, which has been prohibited from being used outdoors in the past, is released and can be used, the thickness of this frequency band is, for example, 4 to 6 mm. It is possible to provide a radio wave absorber that is thin and excellent in radio wave absorption characteristics.

上記の電波吸収体は、マトリックス材料に本発明の炭素材料を所定割合で添加して、公知の方法で製造することができる。炭素材料の添加割合としては、目的とする電波吸収特性や使用するマトリックス材料にもよるが、例えば、マトリックス材料に50vol%以下の量を配合するのが好ましい。   The above radio wave absorber can be manufactured by a known method by adding the carbon material of the present invention in a predetermined ratio to a matrix material. The addition ratio of the carbon material depends on the intended radio wave absorption characteristics and the matrix material to be used. For example, it is preferable to add an amount of 50 vol% or less to the matrix material.

上記の電波吸収体に用いられるマトリックス材料としては、用途に応じた強度、耐熱性、成形性等の特性を有する有機高分子が主に用いられる。例えば、クロロプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、天然ゴム等の各種エラストマー、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、PVC樹脂等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられ、これらを必要に応じて混合して使用してよい。   As a matrix material used for the above-mentioned radio wave absorber, an organic polymer having characteristics such as strength, heat resistance, and moldability according to the use is mainly used. For example, various elastomers such as chloroprene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, natural rubber, thermoplastic resins such as polyolefin resin, polyamide resin, PVC resin, thermosetting resins such as epoxy resin, silicone resin, urethane resin, etc. You may mix and use these as needed.

又、必要であれば溶剤、分散剤、可塑剤、架橋剤、老化防止剤、加硫促進剤等を添加してもよい。又、有機高分子の他に、珪酸カルシウム成形材、ALC、気泡コンクリート等の無機質基材に分散混入してもよい。   If necessary, a solvent, a dispersant, a plasticizer, a crosslinking agent, an antiaging agent, a vulcanization accelerator, and the like may be added. Further, in addition to the organic polymer, it may be dispersed and mixed in an inorganic base material such as calcium silicate molding material, ALC or cellular concrete.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図を参照しながら説明する。尚、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. This is merely an example, and the technical scope of the present invention is not limited to this.

<実施例1>
図1、2に示す装置を用い、炭化水素化合物としてメタンを用い、不活性ガスとしてアルゴンガスとし、これに水素ガスを混合した混合ガスでプラズマを発生させ、該プラズマによりメタンを熱分解して、炭素材料、改質ガス(アセチレン、水素)を生成した。
<Example 1>
Using the apparatus shown in FIGS. 1 and 2, methane is used as a hydrocarbon compound, argon gas is used as an inert gas, plasma is generated with a mixed gas in which hydrogen gas is mixed, and methane is thermally decomposed by the plasma. , Produced carbon material and reformed gas (acetylene, hydrogen).

先ず、真空チャンバー2内を真空ポンプ5で0.13kPa以下の減圧状態にして、アルゴンガスを不活性ガス導入管7から50kPaまで導入し、再度減圧状態にするパージ操作を3回繰り返した後、真空チャンバー2内に不活性ガス導入管7からアルゴンガスを10L/minで供給し、真空チャンバー2内の圧力が約10kPaの条件下で熱プラズマ10を点火した。次にアルゴンガス(供給量60L/min)を供給し、真空チャンバー内の圧力が33.2kPaとし、高周波発振機3aの出力を上昇させた後、熱プラズマ10を収縮させるためにアルゴンガス(供給量60L/min)に水素ガス(供給量10L/min)を混合し、高周波発振機3aのプレート電力を44.0kVAまで上げてプラズマを安定させた。この際の供給したアルゴンガスと水素の混合ガスが図1のトーチ内を通過する流速は、標準状態(25℃で101325Pa)で0.845m/sec程度である。尚、熱プラズマ反応装置は、日本電子社製の熱プラズマ反応炉試験装置JEOL34KWを用いた。   First, after the inside of the vacuum chamber 2 is reduced to 0.13 kPa or less with the vacuum pump 5, argon gas is introduced from the inert gas introduction pipe 7 to 50 kPa, and the purge operation for reducing the pressure again is repeated three times. Argon gas was supplied into the vacuum chamber 2 from the inert gas introduction pipe 7 at 10 L / min, and the thermal plasma 10 was ignited under a pressure of about 10 kPa in the vacuum chamber 2. Next, argon gas (supply amount 60 L / min) is supplied, the pressure in the vacuum chamber is 33.2 kPa, the output of the high-frequency oscillator 3 a is increased, and then argon gas (supply) is supplied to contract the thermal plasma 10. Hydrogen gas (supply amount 10 L / min) was mixed with the amount 60 L / min), and the plate power of the high-frequency oscillator 3 a was increased to 44.0 kVA to stabilize the plasma. The flow rate at which the supplied mixed gas of argon gas and hydrogen passes through the torch in FIG. 1 is about 0.845 m / sec in the standard state (101325 Pa at 25 ° C.). As the thermal plasma reactor, a thermal plasma reactor test apparatus JEOL34KW manufactured by JEOL Ltd. was used.

その後、メタンのキャリアー用ガスとしてアルゴンガスを3.0L/minの流量で炭化水素化合物導入プローブ8に流した後、メタンを36.7L/minで2分間供給した。尚、使用した炭化水素化合物導入プローブ8の内径は1.76mmとした。また、真空チャンバー2内の圧力は33.2kPaで行った。   Then, after flowing argon gas as a methane carrier gas at a flow rate of 3.0 L / min to the hydrocarbon compound introduction probe 8, methane was supplied at 36.7 L / min for 2 minutes. The used hydrocarbon compound introduction probe 8 had an inner diameter of 1.76 mm. Further, the pressure in the vacuum chamber 2 was 33.2 kPa.

メタンの熱分解で生成された改質ガスであるアセチレンガス(C)、及び水素ガス(H)はダイヤフラム真空ポンプ6(ULVAC社製 DA−15D)で吸引し、改質ガス捕集用バッグ4に採取した。採取後、メタン、キャリアー用アルゴンガスの順に供給を停止した後、高周波発振機3aの出力を低下させ、熱プラズマ10を消火した。 Acetylene gas (C 2 H 2 ) and hydrogen gas (H 2 ), which are reformed gases generated by the thermal decomposition of methane, are sucked with a diaphragm vacuum pump 6 (DA-15D manufactured by ULVAC) and captured by the reformed gas. Collected in collection bag 4. After collection, the supply of methane and carrier argon gas was stopped in this order, the output of the high-frequency oscillator 3a was reduced, and the thermal plasma 10 was extinguished.

次いで、真空チャンバー2内に大気を導入し、真空チャンバー2内が大気圧に到達した後、真空チャンバー2の内壁、及びフィルター補集装置12のフィルター部に付着している炭素材料を回収した。   Next, air was introduced into the vacuum chamber 2, and after the inside of the vacuum chamber 2 reached atmospheric pressure, the carbon material adhering to the inner wall of the vacuum chamber 2 and the filter portion of the filter collecting device 12 was recovered.

回収したそれぞれの炭素材料について、透過電子顕微鏡(TEM:Topcon社製 EM−002B)を用いて炭素材料の形状を観察した。観察は、加速電圧200kVで行った。そして、フィルター部から回収した炭素材料AのTEM写真(倍率130千倍)を図3に示す。また、フィルター部より回収した炭素材料Aの粒子群に電子線を照射して得られた電子線回析像の写真を図4に示す。   About each collect | recovered carbon material, the shape of the carbon material was observed using the transmission electron microscope (TEM: EM-002B by Topcon). Observation was performed at an acceleration voltage of 200 kV. And the TEM photograph (magnification 130 thousand times) of the carbon material A collect | recovered from the filter part is shown in FIG. Moreover, the photograph of the electron beam diffraction image obtained by irradiating the particle group of the carbon material A collect | recovered from the filter part with an electron beam is shown in FIG.

図3から、回収された炭素材料Aは、いずれも一辺の長さが数十nmから百数十nm、厚さは10nm以下の箔片状結晶片の集合体であることが確認された。結晶の厚みは、透過電子顕微鏡を用いて結晶の断面を適宜の倍率で撮影し、その写真のネガを等倍に印刷し、対象の部分の長さを測定し、測定した長さと倍率から求めた。その結果、殆んど全ての粒子の厚さは5nm以下であった。また、結晶構造は、図4に示す炭素材料Aの粒子群に電子線を照射して得られた電子線回析像から2H構造であると判定した。   From FIG. 3, it was confirmed that all of the recovered carbon materials A are aggregates of foil piece crystal pieces each having a side length of several tens to several hundreds of nanometers and a thickness of 10 nm or less. The thickness of the crystal is obtained from the measured length and magnification by taking a cross-section of the crystal at a suitable magnification using a transmission electron microscope, printing the negative of the photograph at the same magnification, measuring the length of the target portion. It was. As a result, the thickness of almost all the particles was 5 nm or less. Further, the crystal structure was determined to be a 2H structure from an electron beam diffraction image obtained by irradiating the particle group of the carbon material A shown in FIG. 4 with an electron beam.

<実施例2>
実施例1において、メタンの供給をプラズマ発生ガスであるアルゴンガスと水素ガスの混合ガスにメタンを混合することで行った以外は、実施例1と同様の装置及び方法で、メタンを熱分解して炭素材料、改質ガス(アセチレン、水素)を生成した。
<Example 2>
In Example 1, except that the supply of methane was performed by mixing methane with a mixed gas of argon gas and hydrogen gas that is a plasma generating gas, methane was thermally decomposed by the same apparatus and method as in Example 1. As a result, carbon materials and reformed gas (acetylene, hydrogen) were produced.

先ず、実施例1で使用した装置を用いて、実施例1と同様の方法で熱プラズマ10を発生させ、次にアルゴンガス(供給量60L/min)を供給し、真空チャンバー内の圧力が33.2kPaとし、高周波発振機3aの出力を上昇させた後、プラズマを収縮させるためにアルゴンガスに水素ガスを混合し、プレート電力を42.1kVAまで上げプラズマを安定させた。この際の供給したアルゴンガスと水素の混合ガスが図1のトーチ内を通過する流速は、標準状態(25℃で101325Pa)で0.845m/sec程度である。   First, using the apparatus used in Example 1, the thermal plasma 10 was generated in the same manner as in Example 1, and then argon gas (supply amount 60 L / min) was supplied. The pressure in the vacuum chamber was 33. After setting the output of the high-frequency oscillator 3a to 2 kPa, hydrogen gas was mixed with argon gas in order to contract the plasma, and the plate power was increased to 42.1 kVA to stabilize the plasma. The flow rate at which the supplied mixed gas of argon gas and hydrogen passes through the torch in FIG. 1 is about 0.845 m / sec in the standard state (101325 Pa at 25 ° C.).

その後、アルゴンガス(供給量60L/min)に水素ガス(供給量10L/min)の混合ガスにメタン24.5L/minを混合して、不活性ガス導入管7から導入して供給した。尚、真空チャンバー2内の圧力は33.2kPaで行った。   Thereafter, 24.5 L / min of methane was mixed with a mixed gas of hydrogen gas (supply amount of 10 L / min) to argon gas (supply amount of 60 L / min), introduced from the inert gas introduction pipe 7 and supplied. The pressure in the vacuum chamber 2 was 33.2 kPa.

供給を開始して2分後に、実施例1と同様の方法で改質ガス及び水素ガスを採取した。採取後、メタンの供給を停止して、高周波発振機3aの出力を低下させて熱プラズマを消火した。   Two minutes after starting the supply, reformed gas and hydrogen gas were collected in the same manner as in Example 1. After sampling, the supply of methane was stopped, the output of the high-frequency oscillator 3a was reduced, and the thermal plasma was extinguished.

次いで、実施例1と同様に、真空チャンバー2内に大気を導入し、真空チャンバー2内が大気圧に到達した後、真空チャンバー2の内壁、及びフィルター補集装置12のフィルター部に付着している炭素材料Bを回収した。   Next, in the same manner as in Example 1, after introducing the atmosphere into the vacuum chamber 2 and reaching the atmospheric pressure in the vacuum chamber 2, it adheres to the inner wall of the vacuum chamber 2 and the filter portion of the filter collector 12. The carbon material B was recovered.

回収した炭素材料Bについて、実施例1と同様にしてその形状を観察した。そして、炭素材料BのTEM写真(倍率130千倍)を図5に示す。   The shape of the recovered carbon material B was observed in the same manner as in Example 1. And the TEM photograph (magnification 130 thousand times) of the carbon material B is shown in FIG.

図5から、生成した炭素材料Bは、一辺の長さが数十nmから百数十nm、厚さは数nmの箔片状結晶片の集合体であることが確認された。そして、この箔片状結晶片は、実施例1で得られた炭素材料と同形状を呈していた。尚、結晶の長さ、厚み、及び結晶構造は、実施例1と同様にして判定した。   From FIG. 5, it was confirmed that the produced carbon material B is an aggregate of foil piece-like crystal pieces having a length of one side of several tens to several hundreds of nanometers and a thickness of several nm. This foil piece crystal piece had the same shape as the carbon material obtained in Example 1. The crystal length, thickness, and crystal structure were determined in the same manner as in Example 1.

<実施例3>
実施例1において、プラズマ発生ガスとしてアルゴンガスと炭酸ガスの混合ガスを用いた以外は、実施例1と同様の装置及び方法で、メタンを熱分解して炭素材料、改質ガス他を生成した。
<Example 3>
In Example 1, except that a mixed gas of argon gas and carbon dioxide gas was used as a plasma generating gas, methane was thermally decomposed to generate a carbon material, a reformed gas, and the like by the same apparatus and method as in Example 1. .

先ず、実施例1で使用した装置を用いて、実施例1と同様の方法で熱プラズマを発生させ、次にアルゴンガス(供給量60L/min)を供給し、真空チャンバー内の圧力が33.2kPaとし、高周波発振機3aの出力を上昇させた後、プラズマを収縮させるためにアルゴンガス(供給量60L/min)に炭酸ガス(供給量51L/min)を混合し、プレート電力を41.3kVAまで上げプラズマを安定させた。次にアルゴンの供給量を50L/minに減じた。この際の供給したアルゴンガスと炭酸ガスの混合ガスが図1のトーチ内を通過する流速は、標準状態(25℃で101325Pa)で1.215m/sec程度である。   First, using the apparatus used in Example 1, thermal plasma was generated in the same manner as in Example 1, and then argon gas (supply amount 60 L / min) was supplied. The pressure in the vacuum chamber was 33. After increasing the output of the high-frequency oscillator 3a to 2 kPa, carbon dioxide gas (supply amount 51 L / min) is mixed with argon gas (supply amount 60 L / min) to contract the plasma, and the plate power is set to 41.3 kVA. To stabilize the plasma. Next, the supply amount of argon was reduced to 50 L / min. At this time, the flow rate of the supplied mixed gas of argon gas and carbon dioxide through the torch in FIG. 1 is about 1.215 m / sec in the standard state (101325 Pa at 25 ° C.).

その後、メタンのキャリアー用ガスとしてアルゴンガスを3.0L/minの流量で炭化水素化合物導入プローブ8に流した後、メタンを34L/minで2分間供給した。尚、真空チャンバー2内の圧力は33.2kPaで行った。   Then, after flowing argon gas as a methane carrier gas to the hydrocarbon compound introduction probe 8 at a flow rate of 3.0 L / min, methane was supplied at 34 L / min for 2 minutes. The pressure in the vacuum chamber 2 was 33.2 kPa.

メタンの熱分解で生成された改質ガス及び水素ガスは実施例1と同様の方法で採取した。採取後、メタン、キャリアー用アルゴンガスの順に供給を停止した後、高周波発振機3aの出力を低下させ、熱プラズマ10を消火した。   The reformed gas and hydrogen gas produced by the thermal decomposition of methane were collected in the same manner as in Example 1. After collection, the supply of methane and carrier argon gas was stopped in this order, the output of the high-frequency oscillator 3a was reduced, and the thermal plasma 10 was extinguished.

次いで、実施例1と同様に、真空チャンバー2内に大気を導入し、真空チャンバー2内が大気圧に到達した後、真空チャンバー2の内壁、及びフィルター補集装置12のフィルター部に付着している炭素材料Cを回収した。   Next, in the same manner as in Example 1, after introducing the atmosphere into the vacuum chamber 2 and reaching the atmospheric pressure in the vacuum chamber 2, it adheres to the inner wall of the vacuum chamber 2 and the filter portion of the filter collector 12. The carbon material C was recovered.

回収した炭素材料Cについて、実施例1と同様にしてその形状を観察した。そして、回収した炭素材料CのTEM写真(倍率88千倍)を図6に示す。また、フィルター部より回収した炭素材料Cの粒子群に電子線を照射して得られた電子線回析像の写真を図7に示す。   The shape of the recovered carbon material C was observed in the same manner as in Example 1. And the TEM photograph (magnification 88,000 times) of the collect | recovered carbon material C is shown in FIG. Moreover, the photograph of the electron diffraction image obtained by irradiating the particle group of the carbon material C collect | recovered from the filter part with an electron beam is shown in FIG.

図6から、生成した炭素材料Cは、一辺の長さが数十nmから百数十nm、厚さは数nmの箔片状結晶片の集合体であることが確認された。そして、この箔片状結晶片は、実施例1で得られた炭素材料と同形状を呈しており、また、大きさもほぼ同等であった。また、結晶構造は、図7に示す炭素材料Cの粒子群に電子線を照射して得られた電子線回析像から2H構造であると判定した。尚、結晶の長さ、厚み、及び結晶構造は、実施例1と同様にして判定した。   From FIG. 6, it was confirmed that the generated carbon material C was an aggregate of foil piece-like crystal pieces having a side length of several tens to hundreds of tens of nm and a thickness of several nm. And this foil piece-like crystal piece was exhibiting the same shape as the carbon material obtained in Example 1, and the magnitude | size was also substantially equivalent. Further, the crystal structure was determined to be a 2H structure from an electron beam diffraction image obtained by irradiating the particle group of the carbon material C shown in FIG. 7 with an electron beam. The crystal length, thickness, and crystal structure were determined in the same manner as in Example 1.

<実施例4>
実施例3において、アルゴンガス(供給量60L/min)を供給し、真空チャンバー内の圧力を26.6kPaとし、高周波発振機3aの出力を上昇させた後、プラズマを収縮させるためにアルゴンガス(供給量60L/min)に炭酸ガスを混合し始め、プレート電力を20.3kVAとした時に、炭酸ガスの供給量は50L/minであった。次に真空チャンバー内の圧力を46.5kPaとし、アルゴンの供給量を86L/min、炭酸ガス量を60L/minに調整し、プレート電力を45kVAに設定した。この時のアルゴンガスと炭酸ガスの混合ガスが図1のトーチ内を通過する流速は、標準状態(25℃で101325Pa)で1.757m/sec程度である。
<Example 4>
In Example 3, argon gas (supply amount 60 L / min) was supplied, the pressure in the vacuum chamber was set to 26.6 kPa, the output of the high-frequency oscillator 3 a was increased, and then argon gas ( Carbon dioxide gas was started to be mixed at a supply amount of 60 L / min), and when the plate power was 20.3 kVA, the supply amount of carbon dioxide gas was 50 L / min. Next, the pressure in the vacuum chamber was 46.5 kPa, the supply amount of argon was adjusted to 86 L / min, the amount of carbon dioxide gas was adjusted to 60 L / min, and the plate power was set to 45 kVA. The flow rate at which the mixed gas of argon gas and carbon dioxide gas passes through the torch in FIG. 1 at this time is about 1.757 m / sec in the standard state (101325 Pa at 25 ° C.).

その後、メタンのキャリアー用ガスとしてアルゴンガスを4.0L/minの流量で炭化水素化合物導入プローブ8に流した後、メタンを60L/minで8分間供給した。尚、真空チャンバー2内の圧力は46.5kPaで行った。   Then, after flowing argon gas as a methane carrier gas through the hydrocarbon compound introduction probe 8 at a flow rate of 4.0 L / min, methane was supplied at 60 L / min for 8 minutes. The pressure in the vacuum chamber 2 was 46.5 kPa.

メタンの熱分解で生成された改質ガス及び水素ガスは実施例1と同様の方法で採取した。採取後、メタン、キャリアー用アルゴンガスの順に供給を停止した後、高周波発振機3aの出力を低下させ、熱プラズマ10を消火した。   The reformed gas and hydrogen gas produced by the thermal decomposition of methane were collected in the same manner as in Example 1. After collection, the supply of methane and carrier argon gas was stopped in this order, the output of the high-frequency oscillator 3a was reduced, and the thermal plasma 10 was extinguished.

次いで、実施例1と同様に、真空チャンバー2内に大気を導入し、真空チャンバー2内が大気圧に到達した後、真空チャンバー2の内壁、及びフィルター補集装置12のフィルター部に付着している炭素材料Dを回収した。   Next, in the same manner as in Example 1, after introducing the atmosphere into the vacuum chamber 2 and reaching the atmospheric pressure in the vacuum chamber 2, it adheres to the inner wall of the vacuum chamber 2 and the filter portion of the filter collector 12. The carbon material D was recovered.

回収した炭素材料Dについて、電子顕微鏡(日本電子(株)製JEM−2010)を用いてその形状を観察した。観察は、加速電圧5kVで行った。図8にフィルター部から回収した炭素材料DのSEM写真(倍率100千倍)を示す。また比較のために実施例1の炭素材料Aについても電子顕微鏡で形状を観察した。図9に炭素材料AのSEM写真(倍率100千倍、観察時の加速電圧は15kV)を示す。図8から生成した炭素材料Dは、一辺の長さが数十nmから百数十nm、厚さは数nmの箔片状結晶片の集合体であることが確認された。しかしながら図9の炭素材料Aと比較すると炭素材料Dは一辺の長さは短く、結晶の大きさは小さい。   About the collect | recovered carbon material D, the shape was observed using the electron microscope (JEOL Co., Ltd. product JEM-2010). Observation was performed at an acceleration voltage of 5 kV. FIG. 8 shows an SEM photograph (magnification 100000 times) of the carbon material D recovered from the filter part. For comparison, the shape of the carbon material A of Example 1 was also observed with an electron microscope. FIG. 9 shows an SEM photograph of carbon material A (magnification 100000 times, acceleration voltage at the time of observation is 15 kV). It was confirmed that the carbon material D generated from FIG. 8 is an aggregate of foil pieces of crystal pieces having a side length of several tens to several hundreds of nanometers and a thickness of several nanometers. However, compared with the carbon material A in FIG. 9, the carbon material D has a short side and a small crystal size.

<実施例5>
実施例3において、アルゴンガス(供給量60L/min)を供給し、真空チャンバー内の圧力を26.6kPaとし、高周波発振機3aの出力を上昇させた後、プラズマを収縮させるためにアルゴンガス(供給量60L/min)に炭酸ガスを混合し始め、プレート電力を11kVAとした時に、炭酸ガスの供給量は20L/minであった。次に、真空チャンバー内の圧力は一定のままアルゴンの供給量を86L/min、炭酸ガス量を30L/minに調整し、プレート電力を35.5kVAに設定した。次にアルゴンガスの供給量を56L/minに調整した。この時アルゴンと炭酸ガスの混合ガスの流速は、標準状態(25℃で101325Pa)で1.035m/sec程度である。
<Example 5>
In Example 3, argon gas (supply amount 60 L / min) was supplied, the pressure in the vacuum chamber was set to 26.6 kPa, the output of the high-frequency oscillator 3 a was increased, and then argon gas ( When carbon dioxide gas was started to be mixed at a supply amount of 60 L / min) and the plate power was 11 kVA, the supply amount of carbon dioxide gas was 20 L / min. Next, the argon supply amount was adjusted to 86 L / min, the carbon dioxide gas amount was adjusted to 30 L / min while the pressure in the vacuum chamber was kept constant, and the plate power was set to 35.5 kVA. Next, the supply amount of argon gas was adjusted to 56 L / min. At this time, the flow rate of the mixed gas of argon and carbon dioxide is about 1.035 m / sec in the standard state (101325 Pa at 25 ° C.).

その後、メタンのキャリアー用ガスとしてアルゴンを4.0L/minの流量で炭化水素化合物導入プローブ8に流した後、メタンを30L/minで8分間供給した。尚、真空チャンバー2内の圧力は26.5kPaで行った。   Then, after flowing argon through the hydrocarbon compound introduction probe 8 at a flow rate of 4.0 L / min as a methane carrier gas, methane was supplied at 30 L / min for 8 minutes. The pressure in the vacuum chamber 2 was 26.5 kPa.

メタンの熱分解で生成された改質ガス及び水素ガスは実施例1と同様の方法で採取した。採取後、メタン、キャリアー用アルゴンガスの順に供給を停止した後、高周波発振機3aの出力を低下させ、熱プラズマ10を消火した。   The reformed gas and hydrogen gas produced by the thermal decomposition of methane were collected in the same manner as in Example 1. After collection, the supply of methane and carrier argon gas was stopped in this order, the output of the high-frequency oscillator 3a was reduced, and the thermal plasma 10 was extinguished.

次いで、実施例1と同様に、真空チャンバー2内に大気を導入し、真空チャンバー2内が大気圧に到達した後、真空チャンバー2の内壁、及びフィルター補集装置12のフィルター部に付着している炭素材料Eを回収した。   Next, in the same manner as in Example 1, after introducing the atmosphere into the vacuum chamber 2 and reaching the atmospheric pressure in the vacuum chamber 2, it adheres to the inner wall of the vacuum chamber 2 and the filter portion of the filter collector 12. The carbon material E was recovered.

回収した炭素材料Eについて、電子顕微鏡を用いてその形状を観察した。観察は、加速電圧5kVで行った。図10にフィルター部から回収した炭素材料EのSEM写真(倍率100千倍)を示す。図10から生成した炭素材料Eは、一辺の長さが数十nmから百数十nm、厚さは数nmの箔片状結晶片の集合体であることが確認された。しかしながら図8の炭素材料Dおよび図9の炭素材料Aと比較すると炭素材料Eの一辺の長さは長く、結晶の大きさはやや大きい。   About the collect | recovered carbon material E, the shape was observed using the electron microscope. Observation was performed at an acceleration voltage of 5 kV. FIG. 10 shows an SEM photograph (magnification 100000 times) of the carbon material E recovered from the filter part. The carbon material E generated from FIG. 10 was confirmed to be an aggregate of foil-like crystal pieces having a side length of several tens to several hundreds of nanometers and a thickness of several nanometers. However, compared with the carbon material D of FIG. 8 and the carbon material A of FIG. 9, the length of one side of the carbon material E is long, and the size of the crystal is slightly large.

実施例1〜5により得られた炭素材料A〜Cの箔片状結晶片の窒素比表面積の測定し、その結果を表1に示す。尚、NガスによるBET比表面積は高速比表面積測定装置(アサップ2000;(株)島津製作所製)を用いて測定を行った。 The nitrogen specific surface areas of the foil piece-like crystal pieces of the carbon materials A to C obtained in Examples 1 to 5 were measured, and the results are shown in Table 1. Incidentally, BET specific surface area by N 2 gas fast specific surface area measuring device; was measured using a (Asappu 2000 KK Shimadzu).

表1の結果より、窒素比表面積が250〜350m/gで、通常のカーボンブラックに比べて比表面積が大きいことが確認された。これによって、本発明の炭素材料は密着性や導電性に優れているといえる。 From the results of Table 1, it was confirmed that the specific surface area of nitrogen was 250 to 350 m 2 / g, and the specific surface area was larger than that of ordinary carbon black. Accordingly, it can be said that the carbon material of the present invention is excellent in adhesion and conductivity.

実施例1、4、5により得られた炭素材料A、D、Eの箔片状結晶片のラマンスペクトルを測定し、その結果を図12に示す。尚、ラマンスペクトルは顕微ラマン(JRS−SYSTEM2000;日本電子(株))を用い、He−Neレーザー(632.8nm)を光源として測定を行った。グラファイトのラマンスペクトルは他の化合物には例がないほど構造欠陥に対して著しく敏感であり、このため炭素材料の評価方法として有用である。(資料:最新の炭素材料実験技術(分析・解析編)、第11章 ラマン分光法による構造分析、P91) The Raman spectra of the foil piece-like crystal pieces of the carbon materials A, D, and E obtained in Examples 1, 4, and 5 were measured, and the results are shown in FIG. The Raman spectrum was measured using a micro Raman (JRS-SYSTEM2000; JEOL Ltd.) and a He-Ne laser (632.8 nm) as a light source. The Raman spectrum of graphite is extremely sensitive to structural defects like no other compound, and is therefore useful as a method for evaluating carbon materials. (Source: Latest carbon material experimental technology (analysis and analysis), Chapter 11 Structural analysis by Raman spectroscopy, P91)

炭素材料Aは透過電子顕微鏡の電子線回折結果から2Hのグラファイトであることが明らかであり、図11においてグラファイトの本来のGバンド(1,580cm−1)と構造の乱れに起因するDバンド(1,330cm−1付近)とD’バンド(1,620cm−1付近)が認められる。炭素材料D、Eは炭素材料Aと同様のラマンスペクトルを示すことから、炭素材料D、Eもグラファイトと考えられる。しかしながら、炭素材料D、Eは炭素材料Aと比較して構造の乱れに起因するD、D’バンドの強度が弱いため、炭素材料Aよりも結晶性が良いと推測される。 It is clear from the electron diffraction result of the transmission electron microscope that the carbon material A is 2H graphite. In FIG. 11, the original G band (1,580 cm −1 ) of graphite and the D band ( 1,330 cm −1 ) and D ′ band (1,620 cm −1 ) are observed. Since the carbon materials D and E show the same Raman spectrum as the carbon material A, the carbon materials D and E are also considered to be graphite. However, the carbon materials D and E are presumed to have better crystallinity than the carbon material A because the strengths of the D and D ′ bands due to the structural disorder are weaker than the carbon material A.

<電波吸収体の吸収特性>
次に、上記の実施例1、4及び5で得られた炭素材料A、D及びEを用いて、電波吸収体としての適用について検証した。
<Absorption characteristics of radio wave absorber>
Next, using the carbon materials A, D and E obtained in the above Examples 1, 4 and 5, the application as a radio wave absorber was verified.

先ず、上記の実施例1、4及び5で得られた炭素材料A、D及びEについて、各炭素材料を2.5wt%及び5.0wt%の2種の含有率でパラフィン(融点mp70〜72℃、比誘電率ε=2.2)と混合し、外径7mm、内径3mm、厚さ約2mmの中空二重円筒型に成型した。この成型体について、1〜10GHzの周波数帯域でネットワークアナライザ(Agilent Technologies社製8720D)を用い、同軸管法によるSパラメータ測定を行った。入射した高周波の強度は100mWとした。得られた反射係数及び透過係数から、資料1に報告されているBaker−Jarvis法(資料1:Microwave Theory Tech.,38,p1096−1103(1990))により複素比誘電率εを算出した。得られた複素比誘電率εのデータについて、2.5wt%及び5.0wt%の含有量毎で1〜10GHz周波数滞域での周波数と複素比誘電率εとの関係を図8及び図9に示した。ここで、図8は含有率2.5wt%での周波数と複素比誘電率εとの関係を各炭素材料別に示す図であり、(a)は周波数と複素比誘電率εの実部ε’との関係、(b)は周波数と複素比誘電率εの虚部ε”との関係を示す。又、図9は含有率5.0wt%での周波数と複素比誘電率εとの関係を各炭素材料別に示す図であり、(a)は周波数と複素比誘電率εの実部ε’との関係、(b)は周波数と複素比誘電率εの虚部ε”との関係を示す。 First, with respect to the carbon materials A, D, and E obtained in Examples 1, 4, and 5 above, each carbon material was paraffin (melting point mp 70 to 72 at two contents of 2.5 wt% and 5.0 wt%). C., relative dielectric constant ε r = 2.2), and molded into a hollow double cylindrical shape having an outer diameter of 7 mm, an inner diameter of 3 mm, and a thickness of about 2 mm. About this molded object, S parameter measurement by a coaxial tube method was performed using a network analyzer (Agilent Technologies 8720D) in a frequency band of 1 to 10 GHz. The intensity of the incident high frequency was 100 mW. From the obtained reflection coefficient and transmission coefficient, the complex relative dielectric constant ε r was calculated by the Baker-Jarvis method (Document 1: Microwave Theory Tech., 38, p1096-1103 (1990)) reported in Document 1. The obtained complex relative permittivity epsilon r of data, 8 and the relationship between the frequency and the complex relative permittivity epsilon r at 1~10GHz frequency residence zone at 2.5 wt% and 5.0 wt% of content per It is shown in FIG. Here, FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the frequency and the complex relative dielectric constant ε r at a content rate of 2.5 wt% for each carbon material, and (a) is the real part of the frequency and the complex relative dielectric constant ε r . (b) shows the relationship between the frequency and the imaginary part ε ″ of the complex relative dielectric constant ε r . FIG. 9 shows the frequency at the content rate of 5.0 wt% and the complex relative dielectric constant ε r. is a diagram showing for each carbon material the relationship between, (a) shows the relationship between the real part epsilon 'frequency and the complex relative permittivity ε r, (b) is the imaginary part of the frequency and the complex relative permittivity epsilon r epsilon "Is shown.

図8(a)、(b)及び図9(a)、(b)より、炭素材料E>炭素材料A,Dの順に複素比誘電率εは小さくなることが検証された。 8 (a), 8 (b), 9 (a), and 9 (b), it was verified that the complex relative dielectric constant ε r decreases in the order of carbon material E> carbon materials A and D.

反射損失(電波吸収量)の算出は、厚さdの吸収体の裏に金属板が置いてあるインピーダンス整合型のモデルを用いて行われる。炭素材料のように磁性を有していないフィラーを用いた吸収体において、該吸収体に電波が垂直に入射する場合、吸収体表面から金属板を見込む試料のインピーダンスZは電波の波長λ、複素比誘電率ε、特性インピーダンス(自由空間のインピーダンス)Zを用いて下記の(1)式のように表される。このモデルにおいては、吸収が最大、つまり反射が最小となる条件は下記の(2)式に示す反射係数Sが最小の時である。このとき入射面から見たインピーダンスZは自由空間のインピーダンスZと等しくなる。また、反射損失(S[dB])は下記の(3)式のように書くことができ、Sがf(λ=c/f)とdを含むことから、(1)〜(3)式を用いて試験体の厚さdを変えた場合の反射損失を算出することができる。 The calculation of the reflection loss (the amount of radio wave absorption) is performed using an impedance matching type model in which a metal plate is placed behind the absorber having a thickness d. In an absorber using a filler that does not have magnetism, such as a carbon material, when radio waves are incident on the absorber vertically, the impedance Z of the sample looking into the metal plate from the absorber surface is the wavelength λ of the radio wave, the complex Using the relative dielectric constant ε r and the characteristic impedance (impedance in free space) Z 0 , the following expression (1) is used. In this model, the condition that absorption is maximum, that is, reflection is minimum is when the reflection coefficient S shown in the following equation (2) is minimum. Impedance Z as viewed from the incident surface this time is equal to the impedance Z 0 of the free space. The reflection loss (S [dB]) can be written as in the following formula (3), and since S includes f (λ = c / f) and d, formulas (1) to (3) Can be used to calculate the reflection loss when the thickness d of the specimen is changed.

そこで、この複素比誘電率εから、下記の(1)式より種々の試料厚さdでの炭素材料を含有した吸収体表面でのインピーダンスZを算出し、算出したインピーダンスZにより、下記の(3)式より反射損失(S[dB])を求めた。ここで、反射損失(S[dB])はデシベル(dB)単位で表したが、−10dBで90%吸収(10%反射)、−20dBで99%吸収(1%反射)を示す。この値を目安として電波吸収体を設計・製造することが出来る。 Therefore, from this complex relative dielectric constant ε r , impedance Z at the surface of the absorber containing the carbon material at various sample thicknesses d is calculated from the following equation (1). The reflection loss (S [dB]) was obtained from the equation (3). Here, the reflection loss (S [dB]) is expressed in decibels (dB), and shows 90% absorption (-10% reflection) at −10 dB and 99% absorption (1% reflection) at −20 dB. A radio wave absorber can be designed and manufactured using this value as a guide.

吸収量S[dB]の一例として、炭素材料Eを5.0wt%含有した厚み3.8mmの吸収体試料の吸収特性を図10に示す。この試料は、図10で示すように、7.7GHzの周波数において吸収量が40dBで、電波吸収性に優れていることが分かった。このように、本発明の炭素材料の含有量を適宜選定して最適化すれば、1〜10GHzで吸収量が大きい吸収体を得ることができることが検証された。   As an example of the absorption amount S [dB], FIG. 10 shows the absorption characteristics of an absorber sample containing 5.0 wt% of the carbon material E and having a thickness of 3.8 mm. As shown in FIG. 10, this sample has an absorption of 40 dB at a frequency of 7.7 GHz and is found to have excellent radio wave absorptivity. Thus, it was verified that if the content of the carbon material of the present invention is appropriately selected and optimized, an absorber having a large absorption amount at 1 to 10 GHz can be obtained.

<電波吸収体の設計>
炭素材料を含有した炭素複合材料の誘電率の体積分率及び周波数依存性をモデル化して解析することで、吸収体の設計が可能であることが資料2に報告されている(資料2:Transactions of the Materials Research Society of Japan, 29[5],p2511−2514(2004))。
<Design of electromagnetic wave absorber>
It is reported in Document 2 that the absorber can be designed by modeling and analyzing the volume fraction and frequency dependence of the dielectric constant of the carbon composite material containing the carbon material (Document 2: Transactions). of the Materials Research Society of Japan, 29 [5], p2511-2514 (2004)).

資料2によると、電波吸収体の設計手法は、上記の電波吸収体の吸収特性で述べたようにして、先ず炭素材料の重量分率ごとの複素比誘電率εを算出し、算出した複素比誘電率εの実部ε’及び虚部ε”の値から下記の(4)式を用いてフィッティングを行い、決定したフィッティングパラメータを用いて複素比誘電率εの重量分率・周波数依存性をモデル化したモデル式による近似曲線と、下記の(5)式を用いて完全吸収するための無反射曲線とを求め、次いで、この無反射曲線と重量分率・周波数依存性をモデル化した近似曲線との関係から完全吸収を起こす重量分率と吸収体厚みを算出することができると報告されている。 According to Document 2, the design method for the radio wave absorber is as follows. First, the complex relative permittivity ε r for each weight fraction of the carbon material is calculated as described in the absorption characteristics of the radio wave absorber. performs fitting from the value of the ratio the real part of the dielectric constant epsilon r epsilon 'and the imaginary part epsilon "using the following equation (4), the weight fraction and frequency of the complex relative permittivity epsilon r using the fitting parameters determined An approximate curve based on a model formula that models the dependence and an anti-reflection curve for complete absorption using the following formula (5) are obtained, and then the non-reflection curve and the weight fraction / frequency dependence are modeled. It has been reported that the weight fraction causing the complete absorption and the absorber thickness can be calculated from the relationship with the approximated curve.

尚、完全吸収するための条件式は、下記の(5)式となる。すなわち、完全吸収をするためには、電波吸収体の表面からのインピーダンスZが平面波(電波)の特性インピーダンス(自由空間のインピーダンス)Zと等しくすればよいので、上記の(1)式において、Z=Zとすることで求めることができる。尚、周波数と厚さの関係で表すために波長λ=光速c/周波数fから(1)式を変形した。 The conditional expression for complete absorption is the following expression (5). That is, in order to achieve complete absorption, the impedance Z from the surface of the radio wave absorber should be equal to the plane wave (radio wave) characteristic impedance (free space impedance) Z 0 . it can be determined by the Z = Z 0. In order to express the relationship between the frequency and the thickness, the equation (1) was modified from the wavelength λ = light speed c / frequency f.

そこで、発明者らは、実施例1、4及び5で得られた炭素材料A、D及びEを用いた電波吸収体の設計を検証した。すなわち、上記の電波吸収体の吸収特性で述べたようにして、炭素材料の重量分率ごとの複素比誘電率εを算出し、この複素比誘電率εの実部ε’及び虚部ε”から上記の(4)式を用いてフィッティングを行い、決定したフィッティングパラメータを用いて複素比誘電率εとの重量分率・周波数依存性をモデル化したモデル式による近似曲線と、上記の(5)式により求めた無反射曲線とから、周波数5GHzで完全吸収を起こす電波吸収体を設計した。 Therefore, the inventors verified the design of the radio wave absorber using the carbon materials A, D and E obtained in Examples 1, 4 and 5. That is, as described in the absorption characteristics of the wave absorber, calculates the complex relative permittivity epsilon r of each weight fraction of the carbon material, the real part epsilon 'and the imaginary part of the complex relative permittivity epsilon r Fitting from ε ″ using the above equation (4), using the determined fitting parameters, an approximate curve by a model equation that models the weight fraction and frequency dependence of the complex relative permittivity ε r , and the above From the non-reflecting curve obtained by the equation (5), a radio wave absorber that completely absorbs at a frequency of 5 GHz was designed.

上記の(5)式により、周波数fと吸収体の厚さd、又は、波長λと吸収体の厚みdを変化させ、複素比誘電率ε(ε=ε’−jε”)の実部ε’と虚部ε”の解を求め、ε’−ε”平面上にプロットした無反射曲線と、上記の(4)式によりフィッティングを行い、決定したフィッティングパラメータを用いて複素比誘電率εの重量分率・周波数依存性をモデル化したモデル式で、重量分率と周波数を変化させ、複素比誘電率εの実部ε’と虚部ε”の解を求め、ε’−ε”平面上にプロットした近似曲線とを炭素材料別に同一のε’−ε”平面上に描き、図11、図12及び図13に示した。そして、これらの曲線が交差する点を求めた。この交差する点が、完全吸収をするための吸収体厚さと重量分率を示す。 By changing the frequency f and the absorber thickness d, or the wavelength λ and the absorber thickness d, the complex relative permittivity ε rr = ε′−jε ″) The solution of the part ε ′ and the imaginary part ε ″ is obtained, the non-reflection curve plotted on the ε′−ε ″ plane is fitted with the above equation (4), and the complex relative permittivity is determined using the determined fitting parameter. A model formula that models the weight fraction / frequency dependence of ε r , changes the weight fraction and frequency, finds solutions of the real part ε ′ and imaginary part ε ″ of the complex relative permittivity ε r , and ε ′ The approximate curve plotted on the -ε "plane is drawn on the same ε'-ε" plane for each carbon material, and is shown in FIGS. 11, 12 and 13. And the point which these curves cross | intersect was calculated | required. This intersecting point indicates the absorber thickness and weight fraction for complete absorption.

ここで、図11は実施例1で得られた炭素材料Aを用いた場合の無反射曲線と、周波数5GHzでの重量分率依存性をモデル化したモデル式による近似曲線を示したものであり、図12は実施例4で得られた炭素材料Dを用いた場合の無反射曲線と周波数5GHzでの重量分率依存性をモデル化したモデル式による近似曲線を示したものであり、図13は実施例5で得られた炭素材料Eを用いた場合の無反射曲線と周波数5GHzでの重量分率依存性をモデル化したモデル式による近似曲線を示したものである。   Here, FIG. 11 shows an anti-reflection curve when the carbon material A obtained in Example 1 is used and an approximate curve based on a model formula that models the weight fraction dependency at a frequency of 5 GHz. FIG. 12 shows an anti-reflection curve when the carbon material D obtained in Example 4 is used and an approximate curve based on a model formula modeling the weight fraction dependency at a frequency of 5 GHz. These show the approximate reflection curve by the model formula which modeled the non-reflection curve at the time of using the carbon material E obtained in Example 5, and the weight fraction dependence in frequency 5GHz.

これらの結果から、各炭素材料別での吸収体に必要な重量分率と吸収体厚さを表2に示した。   From these results, Table 2 shows the weight fraction and absorber thickness required for the absorber for each carbon material.

上記の結果より、炭素材料A、D及びEは、重量分率を適宜選定することで、周波数5GHzに対応した薄型の吸収体が作製可能であることが明らかとなった。   From the above results, it has been clarified that the carbon materials A, D, and E can produce a thin absorber corresponding to a frequency of 5 GHz by appropriately selecting the weight fraction.

このようにして、目的とする周波数に対応した電波吸収体の厚さと炭素材料の添加量を算出することができる。   In this way, the thickness of the radio wave absorber and the amount of carbon material added corresponding to the target frequency can be calculated.

本発明の炭素材料の製造装置を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing apparatus of the carbon material of this invention. 本発明の炭素材料の製造装置のプラズマトーチ部分の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the plasma torch part of the manufacturing apparatus of the carbon material of this invention. 実施例1のフィルター部より回収の炭素材料の透過電子顕微鏡写真(130千倍)である。4 is a transmission electron micrograph (130,000 times) of a carbon material recovered from the filter portion of Example 1. FIG. 実施例1のフィルター部より回収の炭素材料の粒子群に電子線を照射して得られた電子線回析像の写真である。2 is a photograph of an electron diffraction image obtained by irradiating a particle group of carbon material collected from the filter portion of Example 1 with an electron beam. 実施例2のフィルター部より回収の炭素材料の透過電子顕微鏡写真(130千倍)である。4 is a transmission electron micrograph (130,000 times) of a carbon material recovered from the filter portion of Example 2. FIG. 実施例3のフィルター部より回収の炭素材料の透過電子顕微鏡写真(88千倍)である。4 is a transmission electron micrograph (88,000 times) of a carbon material recovered from the filter portion of Example 3. FIG. 実施例3のフィルター部より回収した炭素材料の粒子群に電子線を照射して得られた電子線回析像の写真である。6 is a photograph of an electron beam diffraction image obtained by irradiating an electron beam to a particle group of a carbon material collected from a filter portion of Example 3. FIG. 実施例4のフィルター部より回収した炭素材料の電子顕微鏡写真(100千倍)である。It is an electron micrograph (100,000 times) of the carbon material collect | recovered from the filter part of Example 4. FIG. 実施例1のフィルター部より回収した炭素材料の電子顕微鏡写真(100千倍)である。2 is an electron micrograph (100,000 times) of a carbon material collected from a filter portion of Example 1. FIG. 実施例5のフィルター部より回収した炭素材料の電子顕微鏡写真(100千倍)である。It is an electron micrograph (100,000 times) of the carbon material collect | recovered from the filter part of Example 5. FIG. 実施例1、4、5のフィルター部より回収した炭素材料A、D、Eのラマンスペクトルの図である。It is a figure of the Raman spectrum of carbon material A, D, and E collect | recovered from the filter part of Examples 1, 4, and 5. FIG. 含有率2.5wt%での周波数と複素比誘電率εとの関係を各炭素材料別に示す図であり、(a)は実部ε’、(b)は虚部ε”である。It is a figure which shows the relationship of the frequency and complex relative dielectric constant (epsilon) r in content rate 2.5 wt% according to each carbon material, (a) is real part (epsilon) ', (b) is an imaginary part (epsilon)''. 含有率5.0wt%での周波数と複素比誘電率εとの関係を各炭素材料別に示す図であり、(a)は実部ε’、(b)は虚部ε”である。It is a figure which shows the relationship of the frequency in content rate 5.0 wt%, and complex dielectric constant (epsilon) r according to each carbon material, (a) is real part (epsilon) ', (b) is an imaginary part (epsilon)''. 炭素材料Eを5.0wt%含有した厚み3.8mmの吸収体の周波数と吸収量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency and absorption amount of an absorber with a thickness of 3.8 mm containing 5.0 wt% of carbon material E. 実施例1で得られた炭素材料Aを用いた場合の無反射曲線と周波数5GHzでの重量分率依存性をモデル化したモデル式による近似曲線を示す図である。It is a figure which shows the approximate curve by the model formula which modeled the non-reflection curve at the time of using the carbon material A obtained in Example 1, and the weight fraction dependence in the frequency of 5 GHz. 実施例4で得られた炭素材料Dを用いた場合の無反射曲線と周波数5GHzでの重量分率依存性をモデル化したモデル式による近似曲線を示す図である。It is a figure which shows the approximate curve by the model formula which modeled the non-reflection curve at the time of using the carbon material D obtained in Example 4, and the weight fraction dependence in frequency 5GHz. 実施例5で得られた炭素材料Eを用いた場合の無反射曲線と周波数5GHzでの重量分率依存性をモデル化したモデル式による近似曲線を示す図である。It is a figure which shows the approximate curve by the model formula which modeled the non-reflection curve at the time of using the carbon material E obtained in Example 5, and the weight fraction dependence in frequency 5GHz.

符号の説明Explanation of symbols

1 プラズマトーチ(プラズマ発生室)
2 真空チャンバー
3 高周波発生装置
4 改質ガス捕集用バッグ
5 真空ポンプ
6 ダイヤフラム真空ポンプ
7 不活性ガス導入管
8 炭化水素化合物導入プローブ
9 RFコイル
10 プラズマ
11 フィルター
12 フィルター補集装置
1 Plasma torch (plasma generation chamber)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Vacuum chamber 3 High frequency generator 4 Reforming gas collection bag 5 Vacuum pump 6 Diaphragm vacuum pump 7 Inert gas introduction pipe 8 Hydrocarbon compound introduction probe 9 RF coil 10 Plasma 11 Filter 12 Filter collector

Claims (7)

不活性ガスによるプラズマを発生させた後、当該プラズマ内に炭化水素化合物を導入して、前記炭化水素化合物のプラズマ熱分解を行う結晶性の炭素材料の製造方法であって、
プラズマ発生室内の圧力が6kPa以上で66.5kPa以下の減圧雰囲気で、標準状態(25℃で101325Pa)におけるガスの流速が0.602m/sec以上になるように不活性ガスを供給し、プレート電力6kVA以上の高周波を印加した後、前記炭化水素化合物を5L/min以上導入して、前記炭化水素化合物の熱分解を行う、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下である箔片状結晶片を含有する炭素材料の製造方法。
A method for producing a crystalline carbon material in which a plasma is generated by an inert gas, a hydrocarbon compound is introduced into the plasma, and plasma thermal decomposition of the hydrocarbon compound is performed,
An inert gas is supplied so that the gas flow rate is 0.602 m / sec or more in a standard state (101325 Pa at 25 ° C.) in a reduced pressure atmosphere of 6 kPa or more and 66.5 kPa or less in the plasma generation chamber. After applying a high frequency of 6 kVA or more, the hydrocarbon compound is introduced at 5 L / min or more, and the hydrocarbon compound is thermally decomposed. A foil piece crystal piece having a crystal thickness (Lc) of 10 nm or less is obtained. The manufacturing method of the carbon material to contain .
不活性ガス及び水素の混合ガスからプラズマを発生させた後、当該プラズマ内に炭化水素化合物を導入して、前記炭化水素化合物のプラズマ熱分解を行う結晶性の炭素材料の製造方法であって、
プラズマ発生室内の圧力が6kPa以上で66.5kPa以下の減圧雰囲気で、標準状態(25℃で101325Pa)におけるガスの流速が0.602m/sec以上になるように不活性ガスと水素の混合ガスを供給し、プレート電力6kVA以上の高周波を印加した後、前記炭化水素化合物を5L/min以上導入して、前記炭化水素化合物の熱分解を行う、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下である箔片状結晶片を含有する炭素材料の製造方法。
A method for producing a crystalline carbon material, in which a plasma is generated from a mixed gas of an inert gas and hydrogen, a hydrocarbon compound is introduced into the plasma, and plasma thermal decomposition of the hydrocarbon compound is performed,
In a reduced pressure atmosphere with a pressure in the plasma generation chamber of 6 kPa or more and 66.5 kPa or less, a mixed gas of inert gas and hydrogen is used so that the gas flow rate in the standard state (101325 Pa at 25 ° C.) is 0.602 m / sec or more. A foil having a crystal thickness (Lc) of 10 nm or less, which is supplied and applied with a high frequency of 6 kVA or more of plate power and then introduced with 5 L / min or more of the hydrocarbon compound to thermally decompose the hydrocarbon compound. A method for producing a carbon material containing flaky crystal pieces .
不活性ガス及び二酸化炭素の混合ガスからプラズマを発生させた後、当該プラズマ内に炭化水素化合物を導入して、前記炭化水素化合物のプラズマ熱分解を行う結晶性の炭素材料の製造方法であって、
プラズマ発生室内の圧力が6kPa以上で66.5kPa以下の減圧雰囲気で、標準状態(25℃で101325Pa)におけるガスの流速が0.602m/sec以上になるように不活性ガスと二酸化炭素の混合ガスを供給し、プレート電力6kVA以上の高周波を印加した後、前記炭化水素化合物を5L/min以上導入して、前記炭化水素化合物の熱分解を行う、結晶の厚さ(Lc)が10nm以下である箔片状結晶片を含有する炭素材料の製造方法。
A method for producing a crystalline carbon material, in which a plasma is generated from a mixed gas of an inert gas and carbon dioxide, a hydrocarbon compound is introduced into the plasma, and plasma pyrolysis of the hydrocarbon compound is performed. ,
A mixed gas of inert gas and carbon dioxide so that the gas flow rate in a standard state (101325 Pa at 25 ° C.) is 0.602 m / sec or more in a reduced pressure atmosphere of 6 kPa or more and 66.5 kPa or less in the plasma generation chamber. And a plate power of 6 kVA or more is applied, and then the hydrocarbon compound is introduced at 5 L / min or more to thermally decompose the hydrocarbon compound. The crystal thickness (Lc) is 10 nm or less. The manufacturing method of the carbon material containing foil piece-like crystal piece .
前記不活性ガスとしてアルゴンガスを用いる請求項1から3いずれかに記載の炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein argon gas is used as the inert gas. 前記炭化水素化合物として天然ガスを用いる請求項1から4いずれかに記載の炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein natural gas is used as the hydrocarbon compound. 前記炭化水素化合物としてメタン及び/又はプロパンを用いる請求項1から4いずれかに記載の炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein methane and / or propane is used as the hydrocarbon compound. 前記プラズマとして高周波プラズマを用いる請求項1から6いずれかに記載の炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein high-frequency plasma is used as the plasma.
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