カーボンオニオンおよびその製造方法、ならびに、ゲル組成物およびその製造方法
【課題】新規なカーボンオニオンの製造方法、および新規なゲル組成物を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱しカーボンオニオンを製造する方法である。ここで、炭素質材料は、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物であることが好ましい。また、加熱温度は、１５００〜２５００℃の範囲内にあることが好ましい。また、本発明は、イオン性液体中にカーボンオニオンを含むゲル組成物である。ここで、イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体であることが好ましい。
【解決手段】本発明は、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱しカーボンオニオンを製造する方法である。ここで、炭素質材料は、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物であることが好ましい。また、加熱温度は、１５００〜２５００℃の範囲内にあることが好ましい。また、本発明は、イオン性液体中にカーボンオニオンを含むゲル組成物である。ここで、イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体であることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規なカーボンオニオンに関する。また、本発明は、新規なカーボンオニオンの製造方法に関する。
また、本発明は、新規なゲル組成物に関する。また、本発明は、新規なゲル組成物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンオニオンが注目されている。カーボンオニオンは炭素原子からなるナノ粒子であり、球殻・多面体状に閉じたグラフェンシートが同心円に多層構造をなしている。
【０００３】
電子線照射法によるカーボンオニオンの製造方法が報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。透過型電子顕微鏡内で高エネルギーの電子線をすすなどの原料炭素に照射して、カーボンオニオンを生成する。本方法によれば、微量な生成物を得ることができる。
【０００４】
抵抗加熱法によるカーボンオニオンの製造方法が報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。高融点金属の箔に原料炭素を包み、通電して加熱することによって、カーボンオニオンを生成する。本方法によれば、微量な生成物を得ることができる。
【０００５】
イオンインプランテーション法によるカーボンオニオンの製造方法が報告されている（例えば、非特許文献３参照。）。炭素のイオンを高温に加熱した銅、銀などの金属箔に打ち込み飽和させてカーボンオニオンを生成する。本方法では、大型で高価な装置を必要とする。
【０００６】
赤外線加熱法によるカーボンオニオンの製造方法が報告されている（例えば、特許文献１、非特許文献４参照。）。ハロゲンランプから発せられる赤外線を集光し、原料炭素に照射して加熱することによりカーボンオニオンを生成する。本方法では、１０ｍｇ程度のカーボンオニオンを得ることができる。加熱温度は、１８００℃程度まで上げることができる。
【０００７】
一方、メンテナンスフリーシステムの構築や機械の長寿命化および精度維持、消費エネルギーの節減には、摺動部の摩擦・摩耗の低減が重要な課題である。摩擦・摩耗を制御するため、潤滑を担う材料として高圧の気体、油・グリースなどの液体から、金などの軟質金属、グラファイト・二硫化モリブデン・PTFEなどの層状構造分子の固体まで、様々な物質が利用されている。そして、これらは単体として用いられるだけでなく、複合されて使用される場合が多い。
【０００８】
現在、自動車、航空宇宙機器にはじまる機械の摺動部は、機械的・熱的負荷、使用環境雰囲気などの点でさらに過酷な環境におかれ、また、MEMSに代表されるマイクロ・ナノの領域での潤滑の制御の必要性、環境に優しいグリーンエンジニアリングの観点などから、トライボロジーの高度化が求められている。これに対応するためは、新しい物質を効果的に適用する試みが必要である。
【０００９】
現在、潤滑材料の領域では、液体潤滑を担う新たな物質として不揮発性・難燃性などの特徴を有するイオン性液体（常温溶融塩）が、より広い適用環境を有する新トライボロジー材料として高い可能性を有することが着目され始めている。また、固体潤滑の分野では、従来の層状構造分子を構成する元素からなる閉殻同心多層のオニオン構造ナノ粒子、閉殻単層のフラーレン、円筒状構造のカーボンナノチューブが自己潤滑性を有する新固体潤滑材として提案されている。
【００１０】
他方、カーボンナノチューブとイオン性液体からなるゲルの製造方法が報告されている（例えば、特許文献２参照。）。イオン性液体にカーボンナノチューブを加え、せん断力を加えて細分化し、その後、必要に応じて生成物を遠心分離に供することによってカーボンナノチューブとイオン性液体とから成るゲル状組成物が製造される。このゲル状組成物は加工性に優れ、単に外力を加えた流動状態で印刷、塗布、押出または射出等の手段で所定の形状を形成した後、イオン性液体を溶媒や吸収材で除去すれば、カーボンナノチューブの成形体が得られる。なお、グラファイト、Ｃ６０、活性炭などではゲル状組成物は生成しなかったと報告されている。
【００１１】
なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している（例えば、非特許文献５参照。）。これは、特許法第３０条第１項を適用できるものと考えられる。
【００１２】
【特許文献１】特開平２００２−０８０２１２号公報
【特許文献２】特開平２００４−１４２９７２号公報
【非特許文献１】Nature, v.359, n.6397, p.707 (1992)
【非特許文献２】Chemical Physics Letter, vol.207, n.4-6, p.480 (1993)
【非特許文献３】Journal of Materials Science, v.30, p.4787 (1995)
【非特許文献４】垣内孝宏，平田敦，精密工学会誌，p.1175〜1179 (2001)
【非特許文献５】齋藤真司，平田敦，イオン性液体添加カーボンオニオンゲルの生成およびその潤滑特性，2006年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，p.753 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述のように、４つのカーボンオニオンの製造方法が開発されているが、新規なカーボンオニオンの製造方法は開発されていない。また、上述のように、カーボンナノチューブとイオン性液体とからなるゲルおよびその製造方法が開発されているが、新規なゲル組成物およびその製造方法は開発されていない。
【００１４】
そのため、新規なカーボンオニオンの製造方法の開発が望まれている。また、新規なゲル組成物およびその製造方法の開発が望まれている。
【００１５】
本発明は、新規なカーボンオニオンおよびその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、新規なゲル組成物およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のカーボンオニオンは、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法で加熱することにより得られる。
【００１７】
ここで、限定されるわけではないが、炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、加熱温度が、１５００〜２５００℃の範囲内にあることが好ましい。
【００１８】
本発明のカーボンオニオンの製造方法は、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱しカーボンオニオンを製造する方法である。
【００１９】
ここで、限定されるわけではないが、炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、加熱温度が、１５００〜２５００℃の範囲内にあることが好ましい。
【００２０】
本発明のゲル組成物は、イオン性液体中にカーボンオニオンを含む。
【００２１】
ここで、限定されるわけではないが、イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、イオン性液体が、１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレートであることが好ましい。
【００２２】
本発明のゲル組成物の製造方法は、イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる方法である。
【００２３】
ここで、限定されるわけではないが、イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、イオン性液体が、１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレートであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２５】
本発明のカーボンオニオンは、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法で加熱することにより得られるので、新規なカーボンオニオンを提供することができる。
【００２６】
本発明のカーボンオニオンの製造方法は、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱するので、新規なカーボンオニオンの製造方法を提供することができる。
【００２７】
本発明のゲル組成物は、イオン性液体中にカーボンオニオンを含むので、新規なゲル組成物を提供することができる。
【００２８】
本発明のゲル組成物の製造方法は、イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させるので、新規なゲル組成物の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、カーボンオニオンおよびその製造方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００３０】
カーボンオニオンの製造方法について説明する。本発明のカーボンオニオンの製造方法は、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱しカーボンオニオンを製造する方法である。
【００３１】
炭素質材料は、炭素原子からなる微粒子であればよい。炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物である。
【００３２】
炭素質材料の純度は８０質量％以上の範囲内にあることが好ましく、９５質量％以上の範囲内にあることがさらに好ましい。
【００３３】
純度が８０質量％以上であると、カーボンオニオンと同時に析出する数十ｎｍに異常成長した炭素微粒子の生成が抑制されるという利点がある。純度が９５質量％以上であると、その効果がさらに顕著である。
【００３４】
また、炭素質材料の平均粒径は２〜２５０ｎｍであることが好ましい。平均粒径が２ｎｍ以上であると、同心円多層構造のカーボンオニオンが得られるという利点がある。平均粒径が２５０ｎｍ以下であると、同心円多層構造のカーボンオニオンが生成されやすいという利点がある。
【００３５】
反応に炭素質材料を使用する量は、０．００１〜１００ｇであることが好ましい。炭素質材料が０．００１ｇ以上であると、収率を高められるという利点がある。炭素質材料が１００ｇ以下であると、均一に加熱できるという利点がある。
【００３６】
高周波誘導加熱法で加熱するとき、加熱温度範囲は１５００〜２５００℃の範囲内にあることが好ましい。また、加熱温度範囲は１７００〜２４００℃の範囲内にあることがさらに好ましい。
【００３７】
加熱温度が１５００℃以上であると、原料の表面が同心円多層構造に変化するという利点がある。加熱温度が１７００℃以上であると、その効果がさらに顕著になる。
【００３８】
加熱温度が２５００℃以下であると、異常成長粒子が大量に生成しないという利点がある。加熱温度が２４００℃以下であると、その効果がさらに顕著になる。
【００３９】
加熱時間は、１分以上３０分以下が好ましい。加熱時間が１分以上であると、原料のカーボンオニオンへの転換率が高くなるという利点がある。加熱時間が３０分以下であると、加熱エネルギーが少ないという利点がある。
【００４０】
反応の雰囲気は、不活性雰囲気であればよい。例えば、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気などが挙げられる。この他、真空下でもよい。
【００４１】
反応時の圧力は、１０−３〜１０３ｋＰａが好ましい。１０−３ｋＰａ以上であれば、超高真空系が不要という利点がある。１０３ｋＰａ以下であれば、高圧容器が不要という利点がある。
【００４２】
つぎに、カーボンオニオンについて説明する。本発明のカーボンオニオンは、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法で加熱することにより得られるカーボンオニオンである。
【００４３】
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００４４】
つぎに、ゲル組成物およびその製造方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００４５】
ゲル組成物の製造方法について説明する。本発明のゲル組成物の製造方法は、イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる方法である。
【００４６】
イオン性液体は常温でも溶融状態の塩である。イオン性液体は、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体などが挙げられる。
【００４７】
イミダゾリウム系イオン性液体では、1-Butyl-3-methyl-imidazolium-tetrafluoro borate、1-Ethyl-3-methyl-imidazolium bromide、1-Ethyl-3-methyl-imidazolium hexa fluorophosphate、1-Hexyl-2,3-dimethyl-imidazolium trifluoromethanesulfonateなどが挙げられる。
【００４８】
ピリジニウム系イオン性液体では、1-Ethylpyridinium bromide、1-Hexylpyridinium bromide、1-Butyl-3-methylpyridinium chlorideなどが挙げられる。
【００４９】
カーボンオニオンは、上述の高周波誘導加熱法により製造されたものに限られない。電子線照射法、抵抗加熱法、イオンインプランテーション法、赤外線加熱法などにより製造されたものであってもよい。
【００５０】
カーボンオニオンとイオン性液体との合計質量に対するカーボンオニオンの占める質量比をカーボンオニオンとイオン性液体との混合比率とした場合、カーボンオニオンとイオン性液体との混合比率は、０．１〜１０質量％であることが好ましい。混合比率が０．１質量％以上であれば、少量のイオン性液体でゲルが生成できるという利点がある。混合比率が１０質量％以下であれば、攪拌が容易であるという利点がある。
【００５１】
イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる装置として超音波加振機を用いる場合、超音波加振機にかける時間は６０〜１４４０分であることが好ましい。６０分以上であれば、充分攪拌できるという利点がある。１４４０分以下であれば、効率的に攪拌できるという利点がある。
【００５２】
イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる装置は、カーボンオニオンの凝集を解く効果のある装置であればよい。例えば、超音波加振機、ボールミルなどが挙げられる。
【００５３】
なお、カーボンオニオンとイオン性液体とを混合する場合、上記混合装置を使用するにあたっては、乳鉢などで予備混合を行ってもよい。
【００５４】
カーボンオニオンとイオン性液体との混合物を分離する装置として遠心分離機を用いる場合、遠心分離機における遠心効果は２０００〜１００万Ｇであることが好ましい。遠心効果が２０００Ｇ以上であれば、過剰なイオン性液体が除去されゲルが生成できるという利点がある。遠心効果が１００万Ｇ以下であれば、市販の遠心分離機が利用できるという利点がある。
【００５５】
つぎに、ゲル組成物について説明する。本発明のゲル組成物は、イオン性液体中にカーボンオニオンを含むゲル組成物である。
【００５６】
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【実施例１】
【００５７】
つぎに、本発明にかかる第１の実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。
【００５８】
カーボンオニオンの製造方法について説明する。
【００５９】
実施例１
原料として平均粒径５ｎｍのダイヤモンドクラスタ（東京ダイヤモンド工具製作所販売）を用いた。ダイヤモンドクラスタの組成は、Ｃ：８２質量％、Ｈ：０．２質量％、Ｎ：２．８質量％、Ｏ：１３質量％、その他の金属の合計：２．０質量％であった。加熱には、高周波誘導加熱炉（セキスイメディカル電子株式会社製、ＭＣ−１７００Ｄ）を用いた。ダイヤモンドクラスタ粉約４０ｍｇを充てんした黒鉛製るつぼを高周波誘導加熱炉内部に挿入し、約１．３Ｐａに減圧した後、アルゴンガスを流入させて炉内圧力を１０１．３ｋＰａにして、アルゴンガスを流しながら加熱した。１５００℃まで加熱後、加熱温度を１５００℃、保持時間を１０分間とし、その後、放冷した。
【００６０】
実施例２
加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６１】
実施例３
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６２】
実施例４
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６３】
実施例５
原料として粒径＜１００ｎｍのダイヤモンド微粒子（ＤＥ ＢＥＥＲＳ製、ＭＩＣＲＯＮ＋ＭＤＡ）を用い、加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６４】
実施例６
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例５と同様である。
【００６５】
実施例７
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例５と同様である。
【００６６】
実施例８
原料として粒径＜２５０ｎｍのダイヤモンド微粒子（ＤＥ ＢＥＥＲＳ製、ＭＩＣＲＯＮ＋ＭＤＡ）を用い、加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６７】
実施例９
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例８と同様である。
【００６８】
実施例１０
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例８と同様である。
【００６９】
実施例１１
原料として平均粒径が１８ｎｍのカーボンブラック（東海カーボン株式会社製、シースト３Ｈ）を用い、加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００７０】
実施例１２
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例１１と同様である。
【００７１】
実施例１３
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例１１と同様である。
【００７２】
実施例１４
原料として平均粒径が２７ｎｍのカーボンブラック（東海カーボン株式会社製、シースト９Ｈ）を用い、加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００７３】
実施例１５
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例１４と同様である。
【００７４】
実施例１６
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例１４と同様である。
【００７５】
実施例１７
加熱時間を３０分とし、加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００７６】
比較例１
原料として、平均粒径５ｎｍのダイヤモンドクラスタを用いた。ダイヤモンドクラスタ中の炭素の割合は８２質量％であった。加熱には、楕円体内部の一方の焦点にハロゲンランプを配置し、もう一方の焦点に加熱対象物を置いて、赤外線を集光して加熱するイメージ炉（アルバック理工株式会社、ＭＲ−３９Ｈ／Ｓ）を用いた。ダイヤモンドクラスタ粉約１０ｍｇを充てんした黒鉛製試料ホルダを加熱炉内部に挿入し、約１．３Ｐａに減圧した後、アルゴンガスを導入して炉内圧力を１５０ｋＰａにし、加熱を開始した。約４０分間で１７３０℃まで昇温後、保持時間を１分間とし、その後放冷した。
【００７７】
カーボンオニオンの評価方法について説明する。
【００７８】
透過型電子顕微鏡（日本電子株式会社製、ＪＥＭ−２０１０Ｆ）にてカーボンオニオンの形状、粒径を観察し、層間距離を測定した。
【００７９】
摩擦係数の測定について説明する。
【００８０】
摩擦係数は自作のボールオンディスク式摩擦試験機により測定し、ボールとしてはステンレス鋼ボール、ディスクとしてはシリコンウェハを使用した。カーボンオニオンを散布したシリコンウェハ表面にステンレス鋼ボールを押しつけながら、シリコンウェハを回転させ、摩擦力を測定し、摩擦係数を算出した。
【００８１】
耐酸化性の測定について説明する。
【００８２】
得られたカーボンオニオンについて、乾燥空気中における耐酸化性の測定を行った。耐酸化性の測定には、熱重量分析装置（理学電気株式会社製、ＴＧ８１２０）を使用した。
【００８３】
カーボンオニオンの評価結果について説明する。
【００８４】
図１〜６に、実施例２，３，４，７，１３、比較例１の透過型電子顕微鏡の写真を示す。
得られたカーボンオニオンの粒径は、実施例２〜４では５〜１０ｎｍ、実施例７では１０〜１００ｎｍ、実施例１３では１５〜２５ｎｍ、比較例１では５〜１０ｎｍであった。
【００８５】
層間距離を測定したところ、実施例２，３，４，７，１３では０．３４ｎｍ、比較例１では０．３４ｎｍであった。この層間距離はグラファイトの六角網面間の距離に等しい。
【００８６】
透過型電子顕微鏡の写真に基づきカーボンオニオンの形状をみたところ、実施例２，３，４で球形、実施例７では多角形、実施例１３では多角形、比較例１では球形であった。この結果は、加熱温度、原料の結晶構造および純度に依存すると考えられる。
【００８７】
実施例２と同条件（ただし原料は１０ｍｇ）で赤外線加熱法により生成したカーボンオニオンについては、高周波誘導加熱法により得られたカーボンオニオンと形状は同様である。
【００８８】
多角形のカーボンオニオンが得られたのは、実施例７および１３であった。加熱温度が２３５０℃でも、ダイヤモンドクラスタからは球形のカーボンオニオンが生成されることから、原料の構造や純度が得られるカーボンオニオンの形状に影響すると推測される。
【００８９】
Satoshi Tomita et al., Structure and electronic properties of carbon onions, Journal of Chemical Physics, v.114, n.17, (2001) 7477では、ラマン分光分析およびＥＳＲの結果とＴＥＭでの観察結果を比較している。カーボンオニオンの輪郭が球形から多角形になるにしたがって、欠陥が減少する傾向にある。
【００９０】
摩擦係数の測定結果を表１に示す。ダイヤモンドクラスタから生成したカーボンオニオンの摩擦係数と、ダイヤモンド微粒子から生成したカーボンオニオンの摩擦係数とを比較すると、各加熱温度について、ダイヤモンドクラスタから生成したカーボンオニオンの摩擦係数の方が小さかった。ダイヤモンドクラスタから生成したカーボンオニオンの粒径の方が小さいため、平滑なしゅう動面に潤滑膜が形成されやすいためと考えられる。また、それぞれの摩擦係数について、原料加熱温度が上昇するにつれ摩擦係数が低減する傾向がみられた。原料加熱温度の上昇とともに生成されるカーボンオニオンの表面の欠陥が減少することで安定し、接触する物質との相互作用が小さくなるためと考えられる。さらに、実施例で得られたカーボンオニオンの摩擦係数と、比較例で得られたカーボンオニオンの摩擦係数とを比較すると、実施例２と比較例１では摩擦係数はほぼ同様である。加熱方法にかかわらず原料および加熱温度が同じであれば、同様の性質を有するカーボンオニオンが生成されるためと考えられる。
【００９１】
【表１】
【００９２】
耐酸化性の測定結果を表１に示す。耐酸化温度は、試料を空気中で加熱したときに急激に重量減少し始める温度である。２段階部分は、急激な重量減少の後で残った試料の割合であり、耐酸化温度以上の温度で徐々に酸化により消失する。実施例２〜４および１７、実施例５〜７、実施例８〜１０、実施例１１〜１３に分け、原料ごとに加熱温度による耐酸化温度の変化をみると、加熱温度が上昇するにつれ耐酸化温度が上昇する傾向が見られた。この結果は、原料の加熱温度の上昇とともに生成されるカーボンオニオンの表面欠陥が減少して安定な構造となり、耐酸化性が高まり、耐酸化温度が上昇するためと考えられる。
【００９３】
実施例２と同条件（ただし原料は１０ｍｇ）で赤外線加熱法により生成したカーボンオニオンについては、高周波誘導加熱法により得られたカーボンオニオンと耐酸化性は同様である。
【００９４】
加熱温度による２段階部分の量の変化をみると、ダイヤモンドクラスタにおいては、加熱温度が上昇するにつれて増加する傾向が見られた。この結果は、異常成長した炭素粒子が生成するためである。
【実施例２】
【００９５】
つぎに、本発明にかかる第２の実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。
【００９６】
ゲル組成物の製造方法について説明する。
【００９７】
実施例１８
ダイヤモンドクラスタから高周波誘導加熱法により加熱温度１７００℃で製造したカーボンオニオンとイオン性液体１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレート（1-Butyl-3-methyl-imidazolium-tetrafluoroborate、Sigma-Aldrich製）（以後、「ＢＭＩｍＢＦ４」という。）とを混合した。混合比率を２質量％とし、乳鉢のような容器に加えて４０分間混合し、その容器をじかに超音波加振機（ＢＲＡＮＳＯＮ社製、Ｂ−５５１０ＢＴＨ（出力：１８０Ｗ、周波数：４２ｋＨｚ））に設置して超音波によって１２０分間振動を加えた。振動する部位からサンプルまでの距離は１００ｍｍであった。なお、混合比率とは、カーボンオニオンとイオン性液体との合計質量に対するカーボンオニオンの占める質量比である。
【００９８】
次に、乳鉢のような容器により混合し、超音波加振機（ＨＳＩＡＮＧＴＡＩ社製、ＣＮ−１０５０）によって加振した後，過剰なＢＭＩｍＢＦ４を遠心分離機によって排除した。混合物に加える遠心効果は２２００Ｇ、時間を３０分間とした。
【００９９】
実施例１９
イオン性液体と混合するカーボンオニオンとして、加熱温度を２１００℃とし実施例２と同様に製造したカーボンオニオンを用いた以外は、実施例１８と同様である。
【０１００】
比較例２
ダイヤモンドクラスタ（東京ダイヤモンド工具製作所販売）とイオン性液体ＢＭＩｍＢＦ４とを混合した以外は、実施例１８と同様である。なお、混合比率とは、ダイヤモンドクラスタとイオン性液体との合計質量に対するダイヤモンドクラスタの占める質量比である。
【０１０１】
比較例３
Ｃ６０（フロンティアカーボン株式会社製）とイオン性液体ＢＭＩｍＢＦ４とを混合し、混合比率を４質量％とした以外は、実施例１８と同様である。なお、混合比率とは、Ｃ６０とイオン性液体との合計質量に対するＣ６０の占める質量比である。
【０１０２】
ゲル組成物の製造結果について説明する。
【０１０３】
遠心分離処理後、実施例１８，１９および比較例２，３で得られた混合物について、イオン性液体が分離され、流動性を失ったゲル状物質が生成されているかどうか確認した。その結果を表２に示す。実施例１８，１９ではゲル状物質を形成したが、比較例２，３ではゲル状物質を形成しなかった。比較例２では、ダイヤモンドクラスタは分子の結合状態がｓｐ３でありπ電子が存在しなかったため、ゲル化が生じなかったと考えられる。比較例３では、Ｃ６０は有機溶媒に溶けるため、ゲル状物質は生じなかったと考えられる。
【０１０４】
【表２】
【０１０５】
差動型示差熱天秤（理学電気社製、Ｔｈｅｍｏ Ｐｌｕｓ ＴＧ８２１０）でゲル組成物の熱重量分析を行った。この時、昇温速度８．０Ｋ／ｍｉｎ、流量１．０Ｌ／ｍｉｎの窒素雰囲気条件下で分析を行った。熱重量分析前後での質量変化率を表２に示す。
【０１０６】
実施例１８と実施例１９とで質量変化率を比較したところ、実施例１９の質量変化の方が大きかった。これは、カーボンオニオンの生成温度によって分子構造に変化が生じたためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】実施例２で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図２】実施例３で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図３】実施例４で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図４】実施例７で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図５】実施例１３で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図６】比較例１で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規なカーボンオニオンに関する。また、本発明は、新規なカーボンオニオンの製造方法に関する。
また、本発明は、新規なゲル組成物に関する。また、本発明は、新規なゲル組成物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンオニオンが注目されている。カーボンオニオンは炭素原子からなるナノ粒子であり、球殻・多面体状に閉じたグラフェンシートが同心円に多層構造をなしている。
【０００３】
電子線照射法によるカーボンオニオンの製造方法が報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。透過型電子顕微鏡内で高エネルギーの電子線をすすなどの原料炭素に照射して、カーボンオニオンを生成する。本方法によれば、微量な生成物を得ることができる。
【０００４】
抵抗加熱法によるカーボンオニオンの製造方法が報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。高融点金属の箔に原料炭素を包み、通電して加熱することによって、カーボンオニオンを生成する。本方法によれば、微量な生成物を得ることができる。
【０００５】
イオンインプランテーション法によるカーボンオニオンの製造方法が報告されている（例えば、非特許文献３参照。）。炭素のイオンを高温に加熱した銅、銀などの金属箔に打ち込み飽和させてカーボンオニオンを生成する。本方法では、大型で高価な装置を必要とする。
【０００６】
赤外線加熱法によるカーボンオニオンの製造方法が報告されている（例えば、特許文献１、非特許文献４参照。）。ハロゲンランプから発せられる赤外線を集光し、原料炭素に照射して加熱することによりカーボンオニオンを生成する。本方法では、１０ｍｇ程度のカーボンオニオンを得ることができる。加熱温度は、１８００℃程度まで上げることができる。
【０００７】
一方、メンテナンスフリーシステムの構築や機械の長寿命化および精度維持、消費エネルギーの節減には、摺動部の摩擦・摩耗の低減が重要な課題である。摩擦・摩耗を制御するため、潤滑を担う材料として高圧の気体、油・グリースなどの液体から、金などの軟質金属、グラファイト・二硫化モリブデン・PTFEなどの層状構造分子の固体まで、様々な物質が利用されている。そして、これらは単体として用いられるだけでなく、複合されて使用される場合が多い。
【０００８】
現在、自動車、航空宇宙機器にはじまる機械の摺動部は、機械的・熱的負荷、使用環境雰囲気などの点でさらに過酷な環境におかれ、また、MEMSに代表されるマイクロ・ナノの領域での潤滑の制御の必要性、環境に優しいグリーンエンジニアリングの観点などから、トライボロジーの高度化が求められている。これに対応するためは、新しい物質を効果的に適用する試みが必要である。
【０００９】
現在、潤滑材料の領域では、液体潤滑を担う新たな物質として不揮発性・難燃性などの特徴を有するイオン性液体（常温溶融塩）が、より広い適用環境を有する新トライボロジー材料として高い可能性を有することが着目され始めている。また、固体潤滑の分野では、従来の層状構造分子を構成する元素からなる閉殻同心多層のオニオン構造ナノ粒子、閉殻単層のフラーレン、円筒状構造のカーボンナノチューブが自己潤滑性を有する新固体潤滑材として提案されている。
【００１０】
他方、カーボンナノチューブとイオン性液体からなるゲルの製造方法が報告されている（例えば、特許文献２参照。）。イオン性液体にカーボンナノチューブを加え、せん断力を加えて細分化し、その後、必要に応じて生成物を遠心分離に供することによってカーボンナノチューブとイオン性液体とから成るゲル状組成物が製造される。このゲル状組成物は加工性に優れ、単に外力を加えた流動状態で印刷、塗布、押出または射出等の手段で所定の形状を形成した後、イオン性液体を溶媒や吸収材で除去すれば、カーボンナノチューブの成形体が得られる。なお、グラファイト、Ｃ６０、活性炭などではゲル状組成物は生成しなかったと報告されている。
【００１１】
なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している（例えば、非特許文献５参照。）。これは、特許法第３０条第１項を適用できるものと考えられる。
【００１２】
【特許文献１】特開平２００２−０８０２１２号公報
【特許文献２】特開平２００４−１４２９７２号公報
【非特許文献１】Nature, v.359, n.6397, p.707 (1992)
【非特許文献２】Chemical Physics Letter, vol.207, n.4-6, p.480 (1993)
【非特許文献３】Journal of Materials Science, v.30, p.4787 (1995)
【非特許文献４】垣内孝宏，平田敦，精密工学会誌，p.1175〜1179 (2001)
【非特許文献５】齋藤真司，平田敦，イオン性液体添加カーボンオニオンゲルの生成およびその潤滑特性，2006年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，p.753 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述のように、４つのカーボンオニオンの製造方法が開発されているが、新規なカーボンオニオンの製造方法は開発されていない。また、上述のように、カーボンナノチューブとイオン性液体とからなるゲルおよびその製造方法が開発されているが、新規なゲル組成物およびその製造方法は開発されていない。
【００１４】
そのため、新規なカーボンオニオンの製造方法の開発が望まれている。また、新規なゲル組成物およびその製造方法の開発が望まれている。
【００１５】
本発明は、新規なカーボンオニオンおよびその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、新規なゲル組成物およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のカーボンオニオンは、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法で加熱することにより得られる。
【００１７】
ここで、限定されるわけではないが、炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、加熱温度が、１５００〜２５００℃の範囲内にあることが好ましい。
【００１８】
本発明のカーボンオニオンの製造方法は、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱しカーボンオニオンを製造する方法である。
【００１９】
ここで、限定されるわけではないが、炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、加熱温度が、１５００〜２５００℃の範囲内にあることが好ましい。
【００２０】
本発明のゲル組成物は、イオン性液体中にカーボンオニオンを含む。
【００２１】
ここで、限定されるわけではないが、イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、イオン性液体が、１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレートであることが好ましい。
【００２２】
本発明のゲル組成物の製造方法は、イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる方法である。
【００２３】
ここで、限定されるわけではないが、イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、イオン性液体が、１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレートであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２５】
本発明のカーボンオニオンは、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法で加熱することにより得られるので、新規なカーボンオニオンを提供することができる。
【００２６】
本発明のカーボンオニオンの製造方法は、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱するので、新規なカーボンオニオンの製造方法を提供することができる。
【００２７】
本発明のゲル組成物は、イオン性液体中にカーボンオニオンを含むので、新規なゲル組成物を提供することができる。
【００２８】
本発明のゲル組成物の製造方法は、イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させるので、新規なゲル組成物の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、カーボンオニオンおよびその製造方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００３０】
カーボンオニオンの製造方法について説明する。本発明のカーボンオニオンの製造方法は、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱しカーボンオニオンを製造する方法である。
【００３１】
炭素質材料は、炭素原子からなる微粒子であればよい。炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物である。
【００３２】
炭素質材料の純度は８０質量％以上の範囲内にあることが好ましく、９５質量％以上の範囲内にあることがさらに好ましい。
【００３３】
純度が８０質量％以上であると、カーボンオニオンと同時に析出する数十ｎｍに異常成長した炭素微粒子の生成が抑制されるという利点がある。純度が９５質量％以上であると、その効果がさらに顕著である。
【００３４】
また、炭素質材料の平均粒径は２〜２５０ｎｍであることが好ましい。平均粒径が２ｎｍ以上であると、同心円多層構造のカーボンオニオンが得られるという利点がある。平均粒径が２５０ｎｍ以下であると、同心円多層構造のカーボンオニオンが生成されやすいという利点がある。
【００３５】
反応に炭素質材料を使用する量は、０．００１〜１００ｇであることが好ましい。炭素質材料が０．００１ｇ以上であると、収率を高められるという利点がある。炭素質材料が１００ｇ以下であると、均一に加熱できるという利点がある。
【００３６】
高周波誘導加熱法で加熱するとき、加熱温度範囲は１５００〜２５００℃の範囲内にあることが好ましい。また、加熱温度範囲は１７００〜２４００℃の範囲内にあることがさらに好ましい。
【００３７】
加熱温度が１５００℃以上であると、原料の表面が同心円多層構造に変化するという利点がある。加熱温度が１７００℃以上であると、その効果がさらに顕著になる。
【００３８】
加熱温度が２５００℃以下であると、異常成長粒子が大量に生成しないという利点がある。加熱温度が２４００℃以下であると、その効果がさらに顕著になる。
【００３９】
加熱時間は、１分以上３０分以下が好ましい。加熱時間が１分以上であると、原料のカーボンオニオンへの転換率が高くなるという利点がある。加熱時間が３０分以下であると、加熱エネルギーが少ないという利点がある。
【００４０】
反応の雰囲気は、不活性雰囲気であればよい。例えば、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気などが挙げられる。この他、真空下でもよい。
【００４１】
反応時の圧力は、１０−３〜１０３ｋＰａが好ましい。１０−３ｋＰａ以上であれば、超高真空系が不要という利点がある。１０３ｋＰａ以下であれば、高圧容器が不要という利点がある。
【００４２】
つぎに、カーボンオニオンについて説明する。本発明のカーボンオニオンは、炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法で加熱することにより得られるカーボンオニオンである。
【００４３】
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００４４】
つぎに、ゲル組成物およびその製造方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００４５】
ゲル組成物の製造方法について説明する。本発明のゲル組成物の製造方法は、イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる方法である。
【００４６】
イオン性液体は常温でも溶融状態の塩である。イオン性液体は、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体などが挙げられる。
【００４７】
イミダゾリウム系イオン性液体では、1-Butyl-3-methyl-imidazolium-tetrafluoro borate、1-Ethyl-3-methyl-imidazolium bromide、1-Ethyl-3-methyl-imidazolium hexa fluorophosphate、1-Hexyl-2,3-dimethyl-imidazolium trifluoromethanesulfonateなどが挙げられる。
【００４８】
ピリジニウム系イオン性液体では、1-Ethylpyridinium bromide、1-Hexylpyridinium bromide、1-Butyl-3-methylpyridinium chlorideなどが挙げられる。
【００４９】
カーボンオニオンは、上述の高周波誘導加熱法により製造されたものに限られない。電子線照射法、抵抗加熱法、イオンインプランテーション法、赤外線加熱法などにより製造されたものであってもよい。
【００５０】
カーボンオニオンとイオン性液体との合計質量に対するカーボンオニオンの占める質量比をカーボンオニオンとイオン性液体との混合比率とした場合、カーボンオニオンとイオン性液体との混合比率は、０．１〜１０質量％であることが好ましい。混合比率が０．１質量％以上であれば、少量のイオン性液体でゲルが生成できるという利点がある。混合比率が１０質量％以下であれば、攪拌が容易であるという利点がある。
【００５１】
イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる装置として超音波加振機を用いる場合、超音波加振機にかける時間は６０〜１４４０分であることが好ましい。６０分以上であれば、充分攪拌できるという利点がある。１４４０分以下であれば、効率的に攪拌できるという利点がある。
【００５２】
イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる装置は、カーボンオニオンの凝集を解く効果のある装置であればよい。例えば、超音波加振機、ボールミルなどが挙げられる。
【００５３】
なお、カーボンオニオンとイオン性液体とを混合する場合、上記混合装置を使用するにあたっては、乳鉢などで予備混合を行ってもよい。
【００５４】
カーボンオニオンとイオン性液体との混合物を分離する装置として遠心分離機を用いる場合、遠心分離機における遠心効果は２０００〜１００万Ｇであることが好ましい。遠心効果が２０００Ｇ以上であれば、過剰なイオン性液体が除去されゲルが生成できるという利点がある。遠心効果が１００万Ｇ以下であれば、市販の遠心分離機が利用できるという利点がある。
【００５５】
つぎに、ゲル組成物について説明する。本発明のゲル組成物は、イオン性液体中にカーボンオニオンを含むゲル組成物である。
【００５６】
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【実施例１】
【００５７】
つぎに、本発明にかかる第１の実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。
【００５８】
カーボンオニオンの製造方法について説明する。
【００５９】
実施例１
原料として平均粒径５ｎｍのダイヤモンドクラスタ（東京ダイヤモンド工具製作所販売）を用いた。ダイヤモンドクラスタの組成は、Ｃ：８２質量％、Ｈ：０．２質量％、Ｎ：２．８質量％、Ｏ：１３質量％、その他の金属の合計：２．０質量％であった。加熱には、高周波誘導加熱炉（セキスイメディカル電子株式会社製、ＭＣ−１７００Ｄ）を用いた。ダイヤモンドクラスタ粉約４０ｍｇを充てんした黒鉛製るつぼを高周波誘導加熱炉内部に挿入し、約１．３Ｐａに減圧した後、アルゴンガスを流入させて炉内圧力を１０１．３ｋＰａにして、アルゴンガスを流しながら加熱した。１５００℃まで加熱後、加熱温度を１５００℃、保持時間を１０分間とし、その後、放冷した。
【００６０】
実施例２
加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６１】
実施例３
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６２】
実施例４
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６３】
実施例５
原料として粒径＜１００ｎｍのダイヤモンド微粒子（ＤＥ ＢＥＥＲＳ製、ＭＩＣＲＯＮ＋ＭＤＡ）を用い、加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６４】
実施例６
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例５と同様である。
【００６５】
実施例７
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例５と同様である。
【００６６】
実施例８
原料として粒径＜２５０ｎｍのダイヤモンド微粒子（ＤＥ ＢＥＥＲＳ製、ＭＩＣＲＯＮ＋ＭＤＡ）を用い、加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００６７】
実施例９
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例８と同様である。
【００６８】
実施例１０
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例８と同様である。
【００６９】
実施例１１
原料として平均粒径が１８ｎｍのカーボンブラック（東海カーボン株式会社製、シースト３Ｈ）を用い、加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００７０】
実施例１２
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例１１と同様である。
【００７１】
実施例１３
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例１１と同様である。
【００７２】
実施例１４
原料として平均粒径が２７ｎｍのカーボンブラック（東海カーボン株式会社製、シースト９Ｈ）を用い、加熱温度を１７００℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００７３】
実施例１５
加熱温度を２０００℃とした以外は、実施例１４と同様である。
【００７４】
実施例１６
加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例１４と同様である。
【００７５】
実施例１７
加熱時間を３０分とし、加熱温度を２３５０℃とした以外は、実施例１と同様である。
【００７６】
比較例１
原料として、平均粒径５ｎｍのダイヤモンドクラスタを用いた。ダイヤモンドクラスタ中の炭素の割合は８２質量％であった。加熱には、楕円体内部の一方の焦点にハロゲンランプを配置し、もう一方の焦点に加熱対象物を置いて、赤外線を集光して加熱するイメージ炉（アルバック理工株式会社、ＭＲ−３９Ｈ／Ｓ）を用いた。ダイヤモンドクラスタ粉約１０ｍｇを充てんした黒鉛製試料ホルダを加熱炉内部に挿入し、約１．３Ｐａに減圧した後、アルゴンガスを導入して炉内圧力を１５０ｋＰａにし、加熱を開始した。約４０分間で１７３０℃まで昇温後、保持時間を１分間とし、その後放冷した。
【００７７】
カーボンオニオンの評価方法について説明する。
【００７８】
透過型電子顕微鏡（日本電子株式会社製、ＪＥＭ−２０１０Ｆ）にてカーボンオニオンの形状、粒径を観察し、層間距離を測定した。
【００７９】
摩擦係数の測定について説明する。
【００８０】
摩擦係数は自作のボールオンディスク式摩擦試験機により測定し、ボールとしてはステンレス鋼ボール、ディスクとしてはシリコンウェハを使用した。カーボンオニオンを散布したシリコンウェハ表面にステンレス鋼ボールを押しつけながら、シリコンウェハを回転させ、摩擦力を測定し、摩擦係数を算出した。
【００８１】
耐酸化性の測定について説明する。
【００８２】
得られたカーボンオニオンについて、乾燥空気中における耐酸化性の測定を行った。耐酸化性の測定には、熱重量分析装置（理学電気株式会社製、ＴＧ８１２０）を使用した。
【００８３】
カーボンオニオンの評価結果について説明する。
【００８４】
図１〜６に、実施例２，３，４，７，１３、比較例１の透過型電子顕微鏡の写真を示す。
得られたカーボンオニオンの粒径は、実施例２〜４では５〜１０ｎｍ、実施例７では１０〜１００ｎｍ、実施例１３では１５〜２５ｎｍ、比較例１では５〜１０ｎｍであった。
【００８５】
層間距離を測定したところ、実施例２，３，４，７，１３では０．３４ｎｍ、比較例１では０．３４ｎｍであった。この層間距離はグラファイトの六角網面間の距離に等しい。
【００８６】
透過型電子顕微鏡の写真に基づきカーボンオニオンの形状をみたところ、実施例２，３，４で球形、実施例７では多角形、実施例１３では多角形、比較例１では球形であった。この結果は、加熱温度、原料の結晶構造および純度に依存すると考えられる。
【００８７】
実施例２と同条件（ただし原料は１０ｍｇ）で赤外線加熱法により生成したカーボンオニオンについては、高周波誘導加熱法により得られたカーボンオニオンと形状は同様である。
【００８８】
多角形のカーボンオニオンが得られたのは、実施例７および１３であった。加熱温度が２３５０℃でも、ダイヤモンドクラスタからは球形のカーボンオニオンが生成されることから、原料の構造や純度が得られるカーボンオニオンの形状に影響すると推測される。
【００８９】
Satoshi Tomita et al., Structure and electronic properties of carbon onions, Journal of Chemical Physics, v.114, n.17, (2001) 7477では、ラマン分光分析およびＥＳＲの結果とＴＥＭでの観察結果を比較している。カーボンオニオンの輪郭が球形から多角形になるにしたがって、欠陥が減少する傾向にある。
【００９０】
摩擦係数の測定結果を表１に示す。ダイヤモンドクラスタから生成したカーボンオニオンの摩擦係数と、ダイヤモンド微粒子から生成したカーボンオニオンの摩擦係数とを比較すると、各加熱温度について、ダイヤモンドクラスタから生成したカーボンオニオンの摩擦係数の方が小さかった。ダイヤモンドクラスタから生成したカーボンオニオンの粒径の方が小さいため、平滑なしゅう動面に潤滑膜が形成されやすいためと考えられる。また、それぞれの摩擦係数について、原料加熱温度が上昇するにつれ摩擦係数が低減する傾向がみられた。原料加熱温度の上昇とともに生成されるカーボンオニオンの表面の欠陥が減少することで安定し、接触する物質との相互作用が小さくなるためと考えられる。さらに、実施例で得られたカーボンオニオンの摩擦係数と、比較例で得られたカーボンオニオンの摩擦係数とを比較すると、実施例２と比較例１では摩擦係数はほぼ同様である。加熱方法にかかわらず原料および加熱温度が同じであれば、同様の性質を有するカーボンオニオンが生成されるためと考えられる。
【００９１】
【表１】
【００９２】
耐酸化性の測定結果を表１に示す。耐酸化温度は、試料を空気中で加熱したときに急激に重量減少し始める温度である。２段階部分は、急激な重量減少の後で残った試料の割合であり、耐酸化温度以上の温度で徐々に酸化により消失する。実施例２〜４および１７、実施例５〜７、実施例８〜１０、実施例１１〜１３に分け、原料ごとに加熱温度による耐酸化温度の変化をみると、加熱温度が上昇するにつれ耐酸化温度が上昇する傾向が見られた。この結果は、原料の加熱温度の上昇とともに生成されるカーボンオニオンの表面欠陥が減少して安定な構造となり、耐酸化性が高まり、耐酸化温度が上昇するためと考えられる。
【００９３】
実施例２と同条件（ただし原料は１０ｍｇ）で赤外線加熱法により生成したカーボンオニオンについては、高周波誘導加熱法により得られたカーボンオニオンと耐酸化性は同様である。
【００９４】
加熱温度による２段階部分の量の変化をみると、ダイヤモンドクラスタにおいては、加熱温度が上昇するにつれて増加する傾向が見られた。この結果は、異常成長した炭素粒子が生成するためである。
【実施例２】
【００９５】
つぎに、本発明にかかる第２の実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。
【００９６】
ゲル組成物の製造方法について説明する。
【００９７】
実施例１８
ダイヤモンドクラスタから高周波誘導加熱法により加熱温度１７００℃で製造したカーボンオニオンとイオン性液体１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレート（1-Butyl-3-methyl-imidazolium-tetrafluoroborate、Sigma-Aldrich製）（以後、「ＢＭＩｍＢＦ４」という。）とを混合した。混合比率を２質量％とし、乳鉢のような容器に加えて４０分間混合し、その容器をじかに超音波加振機（ＢＲＡＮＳＯＮ社製、Ｂ−５５１０ＢＴＨ（出力：１８０Ｗ、周波数：４２ｋＨｚ））に設置して超音波によって１２０分間振動を加えた。振動する部位からサンプルまでの距離は１００ｍｍであった。なお、混合比率とは、カーボンオニオンとイオン性液体との合計質量に対するカーボンオニオンの占める質量比である。
【００９８】
次に、乳鉢のような容器により混合し、超音波加振機（ＨＳＩＡＮＧＴＡＩ社製、ＣＮ−１０５０）によって加振した後，過剰なＢＭＩｍＢＦ４を遠心分離機によって排除した。混合物に加える遠心効果は２２００Ｇ、時間を３０分間とした。
【００９９】
実施例１９
イオン性液体と混合するカーボンオニオンとして、加熱温度を２１００℃とし実施例２と同様に製造したカーボンオニオンを用いた以外は、実施例１８と同様である。
【０１００】
比較例２
ダイヤモンドクラスタ（東京ダイヤモンド工具製作所販売）とイオン性液体ＢＭＩｍＢＦ４とを混合した以外は、実施例１８と同様である。なお、混合比率とは、ダイヤモンドクラスタとイオン性液体との合計質量に対するダイヤモンドクラスタの占める質量比である。
【０１０１】
比較例３
Ｃ６０（フロンティアカーボン株式会社製）とイオン性液体ＢＭＩｍＢＦ４とを混合し、混合比率を４質量％とした以外は、実施例１８と同様である。なお、混合比率とは、Ｃ６０とイオン性液体との合計質量に対するＣ６０の占める質量比である。
【０１０２】
ゲル組成物の製造結果について説明する。
【０１０３】
遠心分離処理後、実施例１８，１９および比較例２，３で得られた混合物について、イオン性液体が分離され、流動性を失ったゲル状物質が生成されているかどうか確認した。その結果を表２に示す。実施例１８，１９ではゲル状物質を形成したが、比較例２，３ではゲル状物質を形成しなかった。比較例２では、ダイヤモンドクラスタは分子の結合状態がｓｐ３でありπ電子が存在しなかったため、ゲル化が生じなかったと考えられる。比較例３では、Ｃ６０は有機溶媒に溶けるため、ゲル状物質は生じなかったと考えられる。
【０１０４】
【表２】
【０１０５】
差動型示差熱天秤（理学電気社製、Ｔｈｅｍｏ Ｐｌｕｓ ＴＧ８２１０）でゲル組成物の熱重量分析を行った。この時、昇温速度８．０Ｋ／ｍｉｎ、流量１．０Ｌ／ｍｉｎの窒素雰囲気条件下で分析を行った。熱重量分析前後での質量変化率を表２に示す。
【０１０６】
実施例１８と実施例１９とで質量変化率を比較したところ、実施例１９の質量変化の方が大きかった。これは、カーボンオニオンの生成温度によって分子構造に変化が生じたためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】実施例２で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図２】実施例３で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図３】実施例４で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図４】実施例７で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図５】実施例１３で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【図６】比較例１で得られたカーボンオニオンの透過型電子顕微鏡写真である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法で加熱することにより得られるカーボンオニオン。
【請求項２】
炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物である請求項１記載のカーボンオニオン。
【請求項３】
炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、またはダイヤモンド微粒子である請求項１記載のカーボンオニオン。
【請求項４】
加熱温度が、１５００〜２５００℃の範囲内にある請求項１記載のカーボンオニオン。
【請求項５】
炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱しカーボンオニオンを製造する、カーボンオニオンの製造方法。
【請求項６】
炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物である請求項５記載のカーボンオニオンの製造方法。
【請求項７】
炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、またはダイヤモンド微粒子である請求項５記載のカーボンオニオンの製造方法。
【請求項８】
加熱温度が、１５００〜２５００℃の範囲内にある請求項５記載のカーボンオニオンの製造方法。
【請求項９】
イオン性液体中にカーボンオニオンを含むゲル組成物。
【請求項１０】
イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体である請求項９記載のゲル組成物。
【請求項１１】
イオン性液体が、１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレートである請求項９記載のゲル組成物。
【請求項１２】
イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる、ゲル組成物の製造方法。
【請求項１３】
イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体である請求項１２記載のゲル組成物の製造方法。
【請求項１４】
イオン性液体が、１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレートである請求項１２記載のゲル組成物の製造方法。
【請求項１】
炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法で加熱することにより得られるカーボンオニオン。
【請求項２】
炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物である請求項１記載のカーボンオニオン。
【請求項３】
炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、またはダイヤモンド微粒子である請求項１記載のカーボンオニオン。
【請求項４】
加熱温度が、１５００〜２５００℃の範囲内にある請求項１記載のカーボンオニオン。
【請求項５】
炭素質材料を含む原料を、高周波誘導加熱法により加熱しカーボンオニオンを製造する、カーボンオニオンの製造方法。
【請求項６】
炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、ダイヤモンド微粒子、すす、グラファイト微粒子のうちいずれか一種またはいずれか二種以上の混合物である請求項５記載のカーボンオニオンの製造方法。
【請求項７】
炭素質材料が、ダイヤモンドクラスタ、カーボンブラック、またはダイヤモンド微粒子である請求項５記載のカーボンオニオンの製造方法。
【請求項８】
加熱温度が、１５００〜２５００℃の範囲内にある請求項５記載のカーボンオニオンの製造方法。
【請求項９】
イオン性液体中にカーボンオニオンを含むゲル組成物。
【請求項１０】
イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体である請求項９記載のゲル組成物。
【請求項１１】
イオン性液体が、１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレートである請求項９記載のゲル組成物。
【請求項１２】
イオン性液体中にカーボンオニオンを混合させる、ゲル組成物の製造方法。
【請求項１３】
イオン性液体が、イミダゾリウム系イオン性液体またはピリジニウム系イオン性液体である請求項１２記載のゲル組成物の製造方法。
【請求項１４】
イオン性液体が、１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム−テトラフルオロボレートである請求項１２記載のゲル組成物の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２０１６０４（Ｐ２００８−２０１６０４Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３７２４６（Ｐ２００７−３７２４６）
【出願日】平成１９年２月１７日（２００７．２．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年９月４日 社団法人 精密工学会発行の「２００６年度精密工学会秋季大会 学術講演会講演論文集」に発表
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１７日（２００７．２．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年９月４日 社団法人 精密工学会発行の「２００６年度精密工学会秋季大会 学術講演会講演論文集」に発表
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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