木炭における空隙構造形成の機構

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13460078
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 今村 祐嗣 京都大学, 木質科学研究所, 教授 (70151686)
• 研究分担者: 田中 文男 京都大学, 木質科学研究所, 講師 (10109069) ; 杉山 淳司 京都大学, 木質科学研究所, 助教授 (40183842) ; 畑 俊充 京都大学, 木質科学研究所, 助手 (10243099) ; 菊池 光 エスエスアロイ, 開発部, 研究員
• キーワード: 木炭 / スギ / ウバメガシ / 走査型電子顕微鏡 / 透過型電子顕微鏡 / ダイヤモンド構造 / オニオン状構造 / X線光電子分光法

研究概要

木材中の炭素の固定材料である木炭は、カスケード型利用の最終段階の製品として注目されている。しかし現在のところ、木炭の利用は経験に基づくところが多い。これまで気付かれなかった機能を開発するために、木炭の機能に大きく関与していると考えられる微細構造の解析が重要である。そこで炭化過程における微細構造とその変化に関する詳細な検討を行うため、木炭の微細構造を考える際に特に重要と思われる樹種及び炭化条件が木炭の微細構造に及ぼす影響を、X線光電子分光法(XPS)と電子顕微鏡による構造解析から検討した。
XPSによる表面分析の緒果、スギ木炭は、昇温速度に関係なく、炭化温度500〜700℃において炭化六角網面からなる構造が著しく発達することが確認された。また、ウバメガシでも同様の傾向が認められた。
炭化温度700℃(10℃/min)で調整したスギ木炭を高解像度走査型電子顕微鏡(HRSEM)で観察した結果、仮道管内腔表面にメソ孔と考えられる細孔構造が無数に認められ、酷似した構造が高解像度透過型電子顕微鏡(HRTEM)でも観察された。またHRTEMにより、リボン状の層構造やオニオン状構造、ダイヤモンド構造などの様々なナノ構造炭素が観察された。
XPS及び電子顕微鏡による結果から、700℃で炭化したスギ木炭は様々な炭素構造が入り交じった構造をしていることが明らかにされた。このようにして木炭の微細構造の形成機構を明らかにすることは、諸特性の発現機構の解明だけではなく、フラーレンなどの炭素新素材の材料として応用するために不可欠であろう。

研究成果

• [文献書誌] K.Ishimaru, T.Vystavel, P.Bronsveld, T.Hata, Y.Imamura, J.Hosson: "Diamond and pore structure observed in wood charcoal"Journal of Wood Science. 47・4. 414-416 (2001)
• [文献書誌] 石丸謙吾, 畑 俊充, 今村祐嗣, T.Vystavel, P.Bronsveld, J.Hosson: "木炭中に形成される微細構造-TEMによる直接観察とESCAによる表面分析-"第50期日本材料学会学術講演会講演集. 314-315 (2001)
• [文献書誌] 石丸謙吾, 畑 俊充, 今村祐嗣, T.Vystavel, P.Bronsveld, J.Hosson: "炭化過程におけるバイオマス・カーボンの微細構造の変化"第28回炭素材料学会年会講演要旨集. (2001)
• [文献書誌] 畑 俊充, 今村祐嗣: "木炭の微細構造と機能"第31回木材の化学加工研究会シンポジウム講演集. 43-48 (2001)
• [文献書誌] K.Ishimaru, T.Vystavel, P.Bronsveld, T.Hata, Y.Imamura, J.Hosson: "Formation of the nano carbon structure of wood charcoal during the carbonization process"Proceedings of the 7th International Symposium on Advanced Physical Fields, Fabrication and Characterization of Nano-structures Materials. 218-221 (2001)
• [文献書誌] 畑 俊充, 共著, (木質科学研究所木悠会編): "木炭から作る最先端素材, ブルーバックス「木材なんでも小事典」"講談社. 4/369 (2001)